Vấn đề về khả năng mở rộng của Blockchain được giải thích

Khi tạo ra công nghệ blockchain, các nhà phát triển đã đặt niềm tin vào tính riêng tư và ẩn danh của tiền kỹ thuật số. Mục tiêu này đã đạt được bằng cách đưa vào nguyên tắc của một hệ thống peer-to-peer — mỗi người dùng đều bình đẳng, và không có hệ thống quản lý hay cơ quan kiểm soát tiền như ngân hàng.

Hiện nay, tiền mã hóa với tư cách là một công nghệ đang đối mặt với nhiệm vụ tiếp theo — đạt được tốc độ giao dịch cao, tương đương với Visa và MasterCard. Vấn đề về khả năng mở rộng vẫn là một trong những trở ngại chính đối với việc triển khai blockchain trên diện rộng. Ngày càng có nhiều đội ngũ dự án blockchain đang tìm kiếm các giải pháp có thể cải thiện hiệu suất của mạng lưới họ. Nhiều bên tuyên bố rằng họ đã giải quyết hoặc gần như giải quyết xong vấn đề này, nhưng những phát biểu như vậy nên được tiếp nhận một cách hoài nghi.

Mục tiêu chính

Mười năm trước, Bitcoin không phổ biến với người dùng. Nhưng sau đó, qua từng năm, số lượng người dùng trong hệ thống tăng lên đã tạo ra các vấn đề về sức mạnh tính toán của công nghệ. Việc sử dụng tiền mã hóa trở nên khó khăn hơn do hàng đợi dài xuất hiện vì các hạn chế về số lượng thanh toán được xử lý mỗi giây. Vì vậy, vấn đề về khả năng mở rộng đã trở nên nghiêm trọng hơn.

Các nhà phát triển bắt đầu tích cực tìm kiếm những cơ chế tối ưu để ổn định hoạt động. Từ đó đến nay, các đồng coin thường xuyên được cập nhật hoặc tách ra khi không đạt được sự thỏa hiệp. Tuy nhiên, hãy lần lượt xem xét từng vấn đề một.

Vấn đề khả năng mở rộng: Bản chất của nhiệm vụ

Tất cả các giao dịch Bitcoin đều được thực hiện trong các block nhận dữ liệu giao dịch. Một block chứa 1 MB thông tin, và tốc độ xử lý trung bình là bốn thanh toán mỗi giây. Mặt khác, sức mạnh xử lý của các miner chịu trách nhiệm cho việc luân chuyển tiền và sự ổn định của các hoạt động. Điều này cần thiết để tính toán các thuật toán khi tạo coin và ghi lại các giao dịch được mã hóa. Với mỗi giao dịch, các miner của tiền kỹ thuật số sẽ nhận được một khoản phí.

Tăng số lượng giao dịch cũng làm giảm tốc độ của từng giao dịch. Điều này khiến blockchain không thể xử lý kịp một luồng giao dịch lớn. Tất cả các khoản chuyển tiền mã hóa đều được xếp thành một hàng đợi dài. Chỉ mức phí cao mới giúp giao dịch có thể được ưu tiên trong hàng đợi. Hiện tượng này ảnh hưởng đến tính thanh khoản (các đợt tăng giá đột biến) của đồng coin — người mua sẽ dễ sử dụng tiền mặt hoặc thẻ ngân hàng hơn, ngay cả khi phải đánh đổi tính ẩn danh và riêng tư.

Trong những trường hợp như vậy, người dùng mất hứng thú và niềm tin vào đồng tiền, sau đó là các miner. Kết quả là, nhà đầu tư nhìn thấy rủi ro của khoản đầu tư và kéo tài sản xuống khỏi mức đỉnh về giá trị và độ phổ biến, còn các trader thì chơi theo biến động giá.

Vấn đề khả năng mở rộng được thể hiện như thế nào

Với sự phổ biến của Bitcoin, vấn đề khả năng mở rộng của tiền mã hóa đã bộc lộ do tắc nghẽn mạng lưới. Vì vậy, việc sử dụng coin trở nên khó khăn hơn — vào tháng 5 năm 2017, hàng đợi giao dịch đã lên tới năm ngày. Khi đó, câu hỏi về sự cân bằng giữa tốc độ và tính bảo mật của giao dịch đã được đặt ra.

Bạn có thể phân tích vấn đề này bằng một ví dụ thực tế. Giả sử cần vận chuyển 500 tấn hàng trên một đoàn tàu với các toa có sức chứa một tấn, kèm theo kiểm tra an toàn sơ bộ và bốc xếp, với thời gian bốc xếp là 2 giờ cho mỗi đơn vị. Tuy nhiên, chi phí dịch vụ vận chuyển lại ảnh hưởng đến vị trí của hàng hóa theo thứ tự giảm dần. Kết quả là, những người nhận có mức thanh toán thấp nhất cho việc giao hàng phải mất ít nhất hai tuần mới nhận được sản phẩm cuối cùng. Bitcoin cũng vậy — không thể thực hiện thanh toán nhanh như bằng thẻ ngân hàng.

Dựa trên những gì đã viết, có thể rút ra định nghĩa về vấn đề khả năng mở rộng — giới hạn số lượng giao dịch được xử lý trong một khoảng thời gian nhất định. Tuy nhiên, khả năng chọn mức phí trả thêm có thể nâng thứ tự ưu tiên của giao dịch trong hàng đợi blockchain nhưng không giải quyết được vấn đề.

Điều đầu tiên nghĩ đến là tăng kích thước block và số lượng thanh toán được xử lý mà không cần biện pháp bổ sung. Tiếc là cách tiếp cận này sẽ làm giảm tính bảo mật, vì việc xử lý thông tin theo từng phần giúp tránh nguy cơ cao từ các cuộc tấn công DDoS (cố ý gây tắc nghẽn mạng nhằm mục đích gian lận). Kích thước được quy định để kiểm tra dữ liệu cẩn thận. Tuy vậy, vẫn cần phân tích chi tiết các giải pháp khả thi cho tình huống này.

Cách giải quyết khả năng mở rộng

Các nhà phát triển, nhà hoạt động và nhà khoa học đã bắt đầu tìm cách giải quyết vấn đề khả năng mở rộng của Bitcoin. Đỉnh điểm và mang tính biểu tượng là tình huống được mô tả vào năm 2017 với những hàng dài. Chính khi đó, chủ đề này đã được thảo luận rộng rãi trong cộng đồng crypto. Ba khái niệm để khắc phục điểm yếu này của blockchain đã được nêu ra:

• tăng kích thước block, từ đó giảm phí thanh toán và tăng tốc độ xử lý giao dịch mỗi giây (TPS). Có hai nhược điểm — cách này dẫn đến sự tập trung hóa của đồng coin và nguy cơ thành công của các cuộc tấn công DDoS;
• xử lý thông tin phân đoạn hoặc sharding. Một phần thông tin được hiển thị bên ngoài các cell. Theo cách này, blockchain được chia thành hai hoặc nhiều phân đoạn chịu trách nhiệm cho các nhóm giao dịch khác nhau. Cũng tồn tại nguy cơ bị tấn công bởi hacker vì cần ít sức mạnh miner hơn để xử lý các shard. Do được chia thành nhiều phần, việc kiểm tra an toàn đòi hỏi các thuật toán nhẹ. Vì vậy, kẻ gian có thể thêm các giao dịch giả vào mạng, ví dụ là cuộc tấn công 51％;
• một nhóm giải pháp L2 cho vấn đề khả năng mở rộng. Cách tiếp cận này là một khung làm việc, một chương trình hoạt động bên trên blockchain, giúp giảm tải cho mạng hiện có. Các khái niệm như vậy khác với on-chain (các quyết định trong hệ thống coin) bởi sự can thiệp của một bên trung gian.

Phương pháp đầu tiên đòi hỏi phải tách mạng lưới và tạo ra một đồng coin mới. Vì vậy sẽ mất khả năng hỗ trợ tương thích ngược với đồng gốc. Tức là, trong trường hợp này các đồng tiền không còn tính đồng nhất. Trong môi trường mật mã học, hiện tượng này được gọi là hardfork. Bitcoin Cash đã đi theo hướng này. Kết quả của sự tách rời, vào tháng 8 năm 2017 đã xảy ra sự phân tách khỏi đồng tiền mã hóa đầu tiên với việc tăng kích thước block lên 8 MB.

Giải pháp thứ hai liên quan đến việc tạo ra các subnet riêng biệt của block, với một phần thông tin được chuyển ra ngoài giới hạn của nó. Trong trường hợp này, softfork xảy ra — thay đổi giao thức phần mềm mà không chia tách coin. Tương tự như việc phát hành một bản vá cho trò chơi máy tính kèm theo các tiện ích bổ sung. Một ví dụ là bản cập nhật Segregated Witness. Kích thước block tăng lên 2 MB với một phần thông tin được lưu trữ bên ngoài chuỗi giao dịch chính.

Giải pháp này có nhược điểm — mỗi shard sẽ đối mặt với nguy cơ bị tấn công mạng. Đối với mỗi phân đoạn như vậy, mức tài nguyên sử dụng ít hơn so với mỗi đơn vị.

Giải pháp cấp hai

Kiến trúc của các blockchain đời đầu, chủ yếu là Bitcoin và Ethereum, không được thiết kế cho số lượng lớn giao dịch và người dùng, nên băng thông của chúng thấp. Ví dụ, trong Bitcoin là 5-7 giao dịch mỗi giây (TPS), còn trong Ethereum là khoảng 15 TPS.

Khả năng mở rộng có thể được tăng lên bằng cách thay đổi mã của giao thức blockchain với các chức năng như sharding. Nhưng điều đó tốn rất nhiều thời gian và có thể kéo dài nhiều năm. Ngoài ra, những cải tiến như vậy làm thay đổi nền tảng kiến trúc, nên cộng đồng dự án không phải lúc nào cũng đồng ý triển khai.

Các giải pháp L2 cho phép ít nhất là giải quyết một phần vấn đề băng thông thấp và phí chuyển tiền cao mà không ảnh hưởng đến mã của blockchain chính. Ưu điểm chính của chúng là khả năng chuyển tài sản giữa các địa chỉ của "lớp đầu tiên" trong khi sử dụng "lớp thứ hai", có thể là một giao thức off-chain riêng biệt hoặc một blockchain riêng biệt.

Những giải pháp Layer 2 nào tồn tại cho Bitcoin?

Dự án L2 chính cho đồng tiền mã hóa đầu tiên là Lightning Network (LN). Nó hoạt động trên một giao thức sử dụng smart contract và các kênh trạng thái, còn gọi là status channels. Lightning Network đã được ra mắt từ năm 2015, và kể từ đó nó phát triển rất tích cực. Đến cuối tháng 5 năm 2022, tổng dung lượng của các kênh LN đã đạt 3.900 BTC.

Chức năng chính của LN là cho phép người nắm giữ bitcoin thực hiện trao đổi trực tiếp mà không cần ghi thông tin vào sổ cái của nó. Để làm điều này, bạn cần mở một kênh đặc biệt bằng một giao dịch on-chain duy nhất và nạp bitcoin vào đó.

Sau khi được kích hoạt, kênh thanh toán cho phép bạn thực hiện chuyển tiền off-chain, tức là bên ngoài mạng lưới chính, với tốc độ cao hơn nhiều và phí thấp hơn. Khác với các giao dịch on-chain, giao dịch trong các kênh Lightning Network chỉ hiển thị với người dùng của chúng. Chỉ trạng thái ban đầu và cuối cùng của giao dịch được ghi lại trên blockchain chính.

Cách tiếp cận này giúp giảm đáng kể tải cho mạng Bitcoin chính: Lightning Network có thể xử lý hàng nghìn giao dịch mỗi giây trong khi vẫn đảm bảo mức độ an toàn cao cho hệ thống.

Những giải pháp Layer 2 nào tồn tại cho Ethereum?

Mặc dù tốc độ thấp, hệ sinh thái Ethereum là nền tảng có nhu cầu cao nhất cho các ứng dụng phi tập trung. Nhiều dự án phổ biến trong lĩnh vực tài chính phi tập trung (DeFi) và các token không thể thay thế (NFT) hoạt động trên đó. Vì vậy, vấn đề khả năng mở rộng đặc biệt cấp bách đối với Ethereum.

Hiện nay, một số giải pháp L2 lớn đang được phát triển song song:

• Polygon (MATIC);
• Arbitrum;
• Optimism.

Công nghệ chính cho hoạt động của chúng là Rollups, có hai biến thể chính:

• Optimistic Rollups. Với giải pháp này, các giao dịch được thực hiện trong mạng L2, sau đó được gộp thành các nhóm lớn thành một block nhỏ gọn, và block này được các validator đưa vào mạng Ethereum chính. Optimistic Rollups được sử dụng trong Arbitrum và Optimism.
• ZK-Rollups. Các giao dịch trong mạng cấp hai cũng được gộp thành các gói và gửi lên mạng Ethereum, nhưng việc xác nhận của chúng diễn ra với sự hỗ trợ của các trình xác minh đặc biệt, là bằng chứng mật mã về tính hợp lệ của các hoạt động. Polygon được triển khai dựa trên ZK-Rollups. Công nghệ này để mở rộng Ethereum đang được đồng sáng lập chính của nền tảng, Vitalik Buterin, xem xét.

Dù là giải pháp L2 nào, Ethereum với tư cách là "lớp thứ nhất" sẽ đảm nhận chức năng xác minh giao dịch và tạo block, sổ cái nơi các trạng thái cuối cùng được ghi lại, và cơ chế đồng thuận. Vì vậy, dự án không cần phải tự xây dựng cơ sở hạ tầng riêng.

Cũng có những dự án Layer 2 khác. Ví dụ, vào tháng 7 năm 2022, startup Matter Labs đã công bố ra mắt zkSync 2.0. Một tháng sau, dự án StarkWare đã ra mắt giao thức riêng của mình, được viết bằng ngôn ngữ Cairo.

Tổng kết

Có thể dễ dàng nhận thấy rằng trong giao thức Bitcoin, tài nguyên mạng được sử dụng không hiệu quả. Mỗi node chỉ xử lý và truyền dữ liệu về một block mới trong một phần rất nhỏ của thời gian. Băng thông mạng chỉ được sử dụng đầy đủ trong vài giây. Phần còn lại của thời gian, node này gửi các giao dịch chưa được xác nhận và dữ liệu hỗ trợ. Quan sát này đã truyền cảm hứng cho các nhà nghiên cứu tìm ra những sơ đồ giao thức hiệu quả hơn, có thể cải thiện đáng kể thông lượng hệ thống mà không làm tổn hại đến tính bảo mật và tính phi tập trung của mạng.

Hiện nay, cộng đồng crypto vẫn chưa đi đến một giải pháp duy nhất. Tranh luận vẫn tiếp diễn, các đồng coin mới được tạo ra, và các bản cập nhật giao thức liên tục được phát hành. Các giải pháp hiệu quả đã được phát triển, nhưng vẫn còn nguy cơ do yếu tố con người. Vấn đề này sẽ được khép lại nhờ sự phát triển của trí tuệ nhân tạo như một bên trung gian của các giao dịch.