Khả năng mở rộng là gì?
Blockchain được biết đến như một sổ cái công khai ghi lại các giao dịch mà không cần bên thứ ba. Các bản ghi giao dịch được lưu trữ trên blockchain được xác minh bởi các node. Tuy nhiên, công nghệ blockchain có vấn đề với khả năng mở rộng, trong đó một số blockchain mất nhiều thời gian để các giao dịch được xác thực.
TPS (transactions per second – giao dịch trên mỗi giây) của một blockchain thường thấp hơn so với một thể chế tập trung như Visa. Ví dụ: Bitcoin (BTC) chỉ có thể xử lý 4,6 TPS trong khi Visa có thể xác minh giao dịch với tỷ lệ cao hơn hẳn (17,000 TPS). TPS thấp của Bitcoin dẫn đến việc blockchain không có khả năng xử lý số lượng lớn giao dịch, dẫn đến giao dịch chậm.
Vấn đề này càng trở nên trầm trọng hơn do kích thước khối giới hạn của Bitcoin là 1 MB. Thông thường, kích thước khối nhỏ giới hạn số lượng giao dịch được xử lý bởi mỗi khối. Hơn nữa, đối với Bitcoin, mỗi khi blockchain muốn xác thực giao dịch, nó phải tải xuống tất cả lịch sử giao dịch của chuỗi. Do đó, việc mở rộng quy mô blockchain ngày càng trở nên tốn thời gian hơn khi kích thước của blockchain ngày càng lớn và chiếm nhiều không gian bộ nhớ hơn.
Thật không may, Bitcoin và các blockchain khác không thể mở rộng quy mô bằng cách thêm các node vào mạng. Mỗi blockchain thường có giới hạn hiệu suất riêng. Do đó, một số giải pháp mở rộng quy mô được thiết lập theo nhu cầu của blockchain để cải thiện hiệu suất mạng. Theo hình bên dưới, các giải pháp mở rộng quy mô có sẵn được chia thành hiệu suất đọc, hiệu suất ghi và lưu trữ. Các giải pháp mở rộng khác nhau cũng được cung cấp tùy thuộc vào các lớp khác nhau của blockchain (tham khảo hình bên dưới). Do sự phức tạp của các giải pháp mở rộng hiện có, chỉ các giải pháp mở rộng cho lớp dữ liệu được đưa vào thảo luận, bao gồm các giải pháp on-chain và off-chain.
Các yếu tố dẫn đến vấn đề về khả năng mở rộng
Nhiều nhà phát triển đã và đang tìm cách mở rộng quy mô blockchain nhưng họ đang gặp phải một tình huống khó xử. Vấn đề nan giải là mọi blockchain đều gặp khó khăn trong việc duy trì bảo mật, phân quyền và khả năng mở rộng hoàn toàn. Ví dụ: đối với các blockchain riêng tư, có thể đạt được khả năng mở rộng và bảo mật nhưng phải đánh đổi sự phân quyền. Mặt khác, các blockchains dựa trên đồ thị xoay chiều có hướng (DAG) có thể đạt được khả năng mở rộng và phân quyền, nhưng hệ thống mạng sẽ kém an toàn hơn. Trong khi đó, có các blockchain công khai có thể duy trì tính bảo mật và phân quyền nhưng phải đánh đổi khả năng mở rộng.
Nghiên cứu đã chỉ ra rằng thông lượng được thảo luận nhiều về khả năng mở rộng của blockchain. Ngoài ra, những yếu tố ảnh hưởng đến khả năng mở rộng này cũng phụ thuộc lẫn nhau. Ví dụ: hiệu suất đồng thuận hoặc kích thước khối có thể ảnh hưởng đến thông lượng và độ trễ. Các yếu tố trên được trình bày chi tiết như sau:
- Thông lượng: Thông lượng đề cập đến tổng số giao dịch được xử lý bởi TPS. Thông lượng cũng là một số liệu mà mọi người thường đề cập đến khi so sánh khả năng mở rộng của blockchain. Như đã đề cập trước đây, Visa với tư cách là một thể chế tập trung có TPS cực kỳ cao so với một blockchain phi tập trung như Bitcoin, có nghĩa là nó có thể xử lý số lượng lớn giao dịch một cách hiệu quả.
- Độ trễ: Độ trễ còn được gọi là độ cuối cùng của giao dịch, có nghĩa là khoảng thời gian cần thiết để xác thực giao dịch. Độ trễ thấp hơn thường sẽ làm cho quá trình xác thực giao dịch hiệu quả hơn.
- Kích thước khối: Kích thước khối đề cập đến việc lưu trữ khối. Ví dụ: kích thước khối Bitcoin là 1MB để lưu trữ giao dịch. Kích thước khối lớn hơn lưu trữ nhiều giao dịch hơn, giúp tăng cường thông lượng. Tuy nhiên, việc xử lý nhiều giao dịch hơn sẽ đòi hỏi năng lượng tính toán cao. Một blockchain cũng có thể từ chối các khối quá công suất.
- Các node: Các node trong một blockchain có thể được chia thành các node hoàn chỉnh và node một phần. Thông thường, nhiều node hơn được yêu cầu khi số lượng giao dịch nhiều. Do đó, số lượng node đóng vai trò khá quan trọng trong việc ảnh hưởng đến thông lượng và độ trễ, phản ánh khả năng mở rộng của mạng.
- Dung lượng lưu trữ: Dung lượng lưu trữ là tổng dung lượng của blockchain. Sự tăng trưởng lưu trữ có liên quan nhiều đến các node và giao dịch. Các node hoàn chỉnh sẽ yêu cầu nhiều bộ nhớ hơn các node một phần. Mặc dù các node một phần yêu cầu ít dung lượng hơn, nhưng nó có thể làm tăng khối lượng công việc của blockchain, ảnh hưởng đến thông lượng.
- Năng lượng tính toán: Năng lượng tính toán là năng lượng được sử dụng để khai thác. Mức tiêu thụ năng lượng là khác nhau và phụ thuộc vào mô hình đồng thuận. Ví dụ: một blockchain chạy với mô hình đồng thuận bằng chứng công việc (proof of work – PoW) tiêu thụ nhiều năng lượng hơn một blockchain chạy với mô hình đồng thuận bằng chứng ký gửi (proof of stake – PoS).
- Chi phí: Chi phí đề cập đến tổng chi phí để xác thực giao dịch. Thợ đào (miner) có thể chọn xác thực các giao dịch cho phép họ kiếm được phí cao hơn. Do đó, để xác thực các giao dịch với mức phí thấp hơn có thể tốn nhiều thời gian hơn.
Các giải pháp mở rộng dựa trên lớp dữ liệu có sẵn
Các giải pháp mở rộng có sẵn được thiết kế để giải quyết các vấn đề liên quan đến thời gian tạo khối, chi phí giao dịch và các vấn đề về bộ nhớ (lưu trữ). Dựa trên những vấn đề này, các nhóm con về khả năng mở rộng on-chain và các giải pháp về khả năng mở rộng off-chain được tạo ra. Ngoài ra, khả năng mở rộng blockchain cũng có thể được phát triển cho các lớp blockchain, bao gồm lớp mạng (layer 0),on-chain (layer 1) và off-chain (layer 2). Các giải pháp trên Layer 1 và Layer 2 là phổ biến nhất.
Khả năng mở rộng on-chain sửa đổi các yếu tố blockchain hiện có. Ví dụ: Bitcoin Unlimited tăng kích thước khối như một giải pháp khả năng mở rộng on-chain. Tuy nhiên, việc tăng kích thước khối sẽ dẫn đến kém an toàn hơn vì các thợ đào có thể tháo dỡ các khối. Các thợ đào cũng có thể tháo dỡ các khối trong thời gian ngắn vì các khối lớn hơn và kém phân quyền hơn. Các nhóm con của các giải pháp on-chain bao gồm giảm dữ liệu khối (soft fork), kích thước khối lớn hơn (hard fork), sharding (khả năng mở rộng theo chiều ngang) và DAG. Hai nhóm con sau được thảo luận dưới đây:
Khả năng mở rộng dựa trên DAGs: Đồ thị xoay chiều có hướng (DAG) xác thực các giao dịch với các bản ghi giao dịch trước đó. DAG không sử dụng tiền đặt cọc của thợ đào và người dùng để xác thực giao dịch, do đó giảm phí mạng. Ngoài ra, các node DAG có thể đạt được 10.000 TPS và loại bỏ chi tiêu gấp đôi. Một ví dụ về dự án dựa trên DAG là IOTA (MIOTA). Hơn nữa, một mạng dựa trên DAG lớn hơn sẽ không cản trở tỷ lệ xác thực giao dịch. Do đó, DAG có thể đạt được khả năng phân quyền và mở rộng với mức phí thấp. Tuy nhiên, DAG có khả năng bảo mật yếu hơn trước các cuộc tấn công độc hại.
Sharding: Sharding chia các giao dịch thành nhiều phân đoạn để nhiều node có thể xử lý giao dịch để giảm thời gian xử lý. Tuy nhiên, blockchain phải cung cấp bảo mật cho các phân đoạn khỏi trình xác thực độc hại. Ngoài ra, sharding chỉ có thể hoạt động hiệu quả đối với các giao dịch nằm trong các phân đoạn ban đầu. Ví dụ về các blockchain sử dụng giải pháp này bao gồm Ethereum (ETH) và RapidChain.
Khả năng mở rộng off-chain xác thực các giao dịch bên ngoài mạng chính. Ngoài ra, chỉ trạng thái cuối cùng mới được giao tiếp với mạng chính, còn được gọi là các kênh trạng thái. Ví dụ: Lightning Network cho Bitcoin chỉ tính phí sau khi người dùng hoàn tất việc sử dụng kênh off-chain cho giao dịch. Do đó, phí giao dịch blockchain được giảm xuống. Ngoài ra còn có các nhóm con khác trong các giải pháp off-chain. Một số trong đó được trình bày chi tiết như sau:
- Khả năng mở rộng side-chain: Khả năng mở rộng side-chain cho phép chuyển tài sản hai chiều giữa chuỗi mẹ (parent chain) và chuỗi bên (side-chain). Một side-chain sử dụng xác minh thanh toán đơn giản (simplified payment verification – SPV) để xác thực các giao dịch. Hơn nữa, việc chuyển tài sản từ parent chain sang side-chain sẽ dựa vào đầu ra. Đầu ra với thông tin giao dịch chỉ có thể được mở khóa bằng bằng chứng SPV từ parent chain hoặc side-chain. Ngoài ra, bằng chứng SPV giao tiếp trình xác thực side-chain với parent chain. Ví dụ: Loom Network (LOOM) sử dụng side-chain cho blockchain của họ.
- Khả năng mở rộng child-chain: Một chuỗi con (child-chain) được liên kết với các node của parent-chain của nó. Mỗi child-chain xử lý các giao dịch bằng giao thức đồng thuận của chúng. Parent-chain ghi lại kết quả cuối cùng của giao dịch do child-chain thực hiện. Ngoài ra, parent-chain cũng bảo vệ child-chain. Ví dụ về một dự án sử dụng child-chain là Ethereum Plasma.
- Khả năng mở rộng giữa chuỗi (Interchain): Interchain sao chép mạng cục bộ (LAN). Nó liên kết nhiều blockchains với nhau thông qua một giao thức chung sẽ tương thích với tất cả các mạng. Interchain sẽ liên quan đến các subchains và các node. Các phương pháp đồng thuận có thể khác nhau. Ví dụ: Cosmos (ATOM) sử dụng chuỗi liên kết cùng với Khả năng chịu lỗi Byzantine Thực tế (Practical Byzantine Fault Tolerance – PBFT) và PoS để tạo sự đồng thuận.
Triển vọng nào cho khả năng mở rộng
Việc phát triển các giải pháp khả năng mở rộng chủ yếu sẽ hướng tới sự cân bằng giữa phân quyền, khả năng mở rộng và tính bảo mật. Về khả năng mở rộng on-chain, các thay đổi dành cho cơ sở mã của chuỗi, điều này có thể dẫn đến hard fork hoặc nâng cấp node. Tuy nhiên, việc thực hiện gặp nhiều khó khăn. Do đó, Segwit hoặc soft fork là giải pháp khả thi hơn. Lý do là dữ liệu chữ ký để xác thực giao dịch chiếm phần lớn không gian blockchain. Tuy nhiên, phương pháp này đánh đổi tính bảo mật. Một giải pháp khác là sharding, chia blockchain thành nhiều mảnh để tăng cường khả năng mở rộng. Vì sharding chia mạng thành nhiều phần (phân đoạn), mạng có tiềm năng xử lý số lượng giao dịch cao. Độ trễ ít có khả năng là vấn đề do các phân đoạn xử lý giao dịch cùng một lúc. Đối với các giải pháp off-chain, các dự án có thể đạt được TPS trên một triệu với Lighting Network và thậm chí có khả năng là TPS vô hạn với Plasma. Việc kết hợp các giải pháp khả năng mở rộng có thể giúp giải quyết các vấn đề về khả năng mở rộng mà nhiều dự án phải đối mặt, điều này có thể thúc đẩy việc áp dụng vì người dùng không còn bị cản trở bởi các giao dịch chậm và phí mạng cao.
Kết luận
Các blockchain phải đối mặt với các vấn đề về khả năng mở rộng do các đặc điểm công nghệ cơ bản của nó, chẳng hạn như số node và kích thước khối giới hạn. Do đó, một số blockchain có TPS thấp và không thể xử lý lượng giao dịch lớn, dẫn đến tốc độ giao dịch chậm và phí mạng cao hơn. Do đó, các blockchain khác đang áp dụng các giải pháp khả năng mở rộng khác nhau. Tuy nhiên, các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng mở rộng có mối quan hệ phụ thuộc lẫn nhau, làm cho khả năng mở rộng khó đạt được vì sẽ có một số loại đánh đổi. Ví dụ về các giải pháp khả năng mở rộng có sẵn được xây dựng trên lớp dữ liệu bao gồm các giải pháp khả năng mở rộng on-chain và off-chain như DAG, sharding, side-chain, v.v. Mỗi giải pháp khả năng mở rộng này sẽ có những ưu điểm và nhược điểm riêng, về cơ bản xoay quanh bộ ba blockchain. Nhìn chung, sự phát triển của các giải pháp khả năng mở rộng blockchain dường như đang hướng tới các kênh thanh toán sharding và off-chain.
Đọc thêm: Công nghệ blockchain là gì?