chuỗi khối mô-đun: giải pháp có thể cắm cho nút thắt hiệu suất của blockchain

Công nghệ Blockchain từ khi ra đời đã phải đối mặt với thách thức về khả năng mở rộng. Chuỗi khối đơn thể nổi tiếng với tính toàn diện của nó, độc lập đảm nhận các khía cạnh khác nhau của mạng, từ lưu trữ dữ liệu đến xác thực giao dịch, v.v. Tuy nhiên, thiết kế này cũng mang lại nút thắt về hiệu suất. Chuỗi khối mô-đun bằng cách tách biệt các chức năng khác nhau của blockchain thành các mô-đun độc lập, cung cấp hỗ trợ hiệu suất tốt hơn và trải nghiệm người dùng ở các chức năng cụ thể, ở một mức độ nào đó giải quyết vấn đề "tam giác không thể".

Ethereum, như là nền tảng chuỗi khối đầu tiên hỗ trợ hợp đồng thông minh, đã tạo ra một môi trường màu mỡ cho thiết kế mô-đun. Cùng với sự phát triển của công nghệ, hệ sinh thái Bitcoin cũng bắt đầu khám phá khả năng mô-đun, thông qua việc thêm các mô-đun mới để thực hiện các chức năng cao cấp hơn, chẳng hạn như cải thiện bảo mật riêng tư, xử lý giao dịch hiệu quả hơn hoặc tăng cường chức năng hợp đồng thông minh.

Công nghệ mô-đun đại diện cho một cách tiếp cận sản phẩm "linh hoạt" và có thể cắm và rút. Trong tương lai, có thể sẽ xuất hiện các giải pháp chuỗi khối linh hoạt hơn và tùy chỉnh hơn, với các dịch vụ và chức năng khác nhau có thể dễ dàng được cắm và rút ra như những khối Lego. Sự linh hoạt này cho phép các nhà phát triển nhanh chóng xây dựng và triển khai các giải pháp chuỗi khối dựa trên nhu cầu của các tình huống ứng dụng cụ thể.

Blockchain đơn thể và chuỗi khối mô-đun

Khi chúng ta thảo luận về chuỗi khối mô-đun, trước tiên phải hiểu khái niệm chuỗi khối đơn thể. Chuỗi đơn thể, như Bitcoin, Ethereum, nổi tiếng với tính toàn diện của nó, độc lập đảm nhận mọi khía cạnh của mạng, từ lưu trữ dữ liệu đến xác thực giao dịch, rồi đến thực thi hợp đồng thông minh. Trong quá trình này, chuỗi đơn thể đóng vai trò như một người đa năng, liên quan đến tất cả các khâu.

Lấy Ethereum làm ví dụ, một chuỗi khối đơn thể trưởng thành thường có thể được chia thành bốn kiến trúc cơ bản:

• Lớp thực thi (Execution Layer)
• Lớp thanh toán (Settlement Layer )
• Lớp khả năng sẵn có dữ liệu/ Lớp DA (Data Availability Layer)
• Lớp đồng thuận (Lớp đồng thuận)

Chuỗi khối mô-đun thì là một kiến trúc mới, phân chia hệ thống blockchain thành nhiều thành phần hoặc lớp chuyên biệt, mỗi thành phần chịu trách nhiệm xử lý các nhiệm vụ cụ thể, chẳng hạn như đồng thuận, khả năng sẵn có của dữ liệu, thực thi và thanh toán.

Chuỗi khối mô-đun như một nhóm chuyên gia, tập trung vào việc khai thác sâu và đổi mới công nghệ trong lĩnh vực của riêng họ. Sự tập trung này cho phép chuỗi khối mô-đun cung cấp hiệu suất và trải nghiệm người dùng xuất sắc trong các chức năng cụ thể, ví dụ, chúng có thể cung cấp tốc độ xử lý giao dịch nhanh hơn với chi phí thấp hơn.

Về kiến trúc nút, chuỗi đơn thể phụ thuộc vào nút đầy đủ, những nút này phải tải xuống và xử lý bản sao dữ liệu của toàn bộ Blockchain. Điều này không chỉ đặt ra yêu cầu cao về lưu trữ và tài nguyên tính toán mà còn hạn chế tốc độ mở rộng của mạng. Ngược lại, chuỗi khối mô-đun sử dụng thiết kế nút nhẹ, chỉ cần xử lý thông tin đầu khối, từ đó cải thiện đáng kể tốc độ giao dịch và hiệu quả mạng.

Một lợi thế nổi bật của chuỗi khối mô-đun là tính linh hoạt và khả năng hợp tác của nó. Chúng có thể thuê ngoài các chức năng không cốt lõi cho các chuyên gia khác, tạo ra một hiệu ứng hợp tác, đạt được sự cải thiện đáng kể về hiệu suất tổng thể. Triết lý thiết kế này tương tự như những viên gạch Lego, cho phép các nhà phát triển tự do kết hợp các mô-đun khác nhau theo nhu cầu của dự án, tạo ra các giải pháp đa dạng.

Mặc dù chuỗi đơn thể hiện ưu thế về kiểm soát toàn cầu, an ninh và ổn định, chúng cũng phải đối mặt với những thách thức về khả năng mở rộng, độ khó nâng cấp và thích ứng với nhu cầu mới. Chuỗi khối mô-đun nổi bật với tính linh hoạt cao và khả năng tùy chỉnh, đơn giản hóa quá trình tạo ra và tối ưu hóa chuỗi khối mới.

Tuy nhiên, chuỗi khối mô-đun cũng đối mặt với những thách thức riêng. Cấu trúc phức tạp của nó làm tăng khối lượng công việc của các nhà phát triển trong việc thiết kế, phát triển và bảo trì. Là một công nghệ mới nổi, chuỗi khối mô-đun chưa trải qua các thử nghiệm an toàn toàn diện và sự thử thách của biến động thị trường, tính ổn định và an toàn lâu dài của nó vẫn cần được xác minh thêm.

chuỗi khối mô-đun giải quyết "tam giác không thể"

"Tam giác không thể" của Blockchain đề cập đến việc một mạng lưới blockchain khó đạt được trạng thái tối ưu cho cả ba thuộc tính cốt lõi là bảo mật, tính phi tập trung và khả năng mở rộng cùng một lúc.

• Khả năng mở rộng tập trung vào khả năng của mạng trong việc xử lý một lượng lớn giao dịch, cũng như khả năng duy trì hoạt động hiệu quả và chi phí thấp khi người dùng và khối lượng giao dịch tăng lên. Thông thường được đo bằng TPS (số lượng giao dịch mỗi giây) và độ trễ (thời gian xác nhận giao dịch).

• An ninh liên quan đến chi phí và độ khó của việc bảo vệ chuỗi khối không bị tấn công. Ví dụ, cơ chế POW của Bitcoin yêu cầu kẻ tấn công phải kiểm soát hơn 51% sức mạnh tính toán của toàn mạng, trong khi cơ chế POS của Ethereum cần hơn ⅓ nút hợp tác.

• Tính phi tập trung mô tả việc hoạt động của mạng không phụ thuộc vào một nút trung tâm duy nhất, mà phân tán trên nhiều nút, càng nhiều nút và phân bố địa lý càng rộng, mức độ phi tập trung của mạng càng cao.

Quan điểm cốt lõi của "Tam giác không thể" là một hệ thống chuỗi khối rất khó để tối ưu hóa trên cả ba đặc điểm này. Ví dụ: trong số nhiều chuỗi công cộng, Bitcoin và Ethereum nổi bật về tính phi tập trung và an ninh nhờ vào sự phân bố nút rộng rãi và số lượng nút dồi dào.

Tuy nhiên, chúng đã hy sinh một phần khả năng mở rộng, dẫn đến tốc độ giao dịch chậm hơn và chi phí giao dịch cao hơn: thời gian tạo khối của Bitcoin khoảng 10 phút, TPS của Ethereum khoảng 13, và khi khối lượng giao dịch tăng đột biến, phí giao dịch của Ethereum có thể lên đến hàng trăm đô la.

Chính trong bối cảnh như vậy, công nghệ chuỗi khối mô-đun ra đời, nó giải quyết những thách thức về khả năng mở rộng và chi phí giao dịch của chuỗi công khai truyền thống bằng cách phân bổ các chức năng khác nhau cho các mô-đun chuyên biệt. Ví dụ, mạng Lightning của Bitcoin và công nghệ Rollup của Ethereum, đều là sự thể hiện của tư tưởng mô-đun.

Lợi ích của chuỗi khối mô-đun nằm ở kiến trúc phân lớp của nó, cho phép mỗi lớp được tối ưu hóa cho các nhu cầu cụ thể. Lớp dữ liệu có thể tập trung vào việc lưu trữ và xác thực dữ liệu, trong khi lớp thực thi có thể xử lý logic hợp đồng thông minh. Sự tách biệt này không chỉ nâng cao hiệu suất và hiệu quả, mà còn thúc đẩy khả năng tương tác giữa các chuỗi khối khác nhau, cung cấp nền tảng cho việc xây dựng một hệ sinh thái mở và liên kết.

Tóm lại, công nghệ chuỗi khối mô-đun cung cấp một phương pháp mới để giải quyết những hạn chế của chuỗi công khai truyền thống. Nó đạt được khả năng mở rộng cao hơn và chi phí giao dịch thấp hơn trên cơ sở duy trì tính phi tập trung và an toàn, có ý nghĩa sâu sắc đối với việc ứng dụng rộng rãi và phát triển lâu dài của công nghệ Blockchain.

Các loại chuỗi khối mô-đun

Chuỗi khối mô-đun dựa trên đặc điểm kiến trúc của nó, có thể được phân chia thành các loại khác nhau. Trong số các loại này, lớp khả dụng dữ liệu và lớp đồng thuận do sự phụ thuộc chặt chẽ vào nhau, thường được thiết kế như một tổng thể thống nhất. Điều này là do, khi nút nhận dữ liệu giao dịch, thường cũng xác định thứ tự của các giao dịch, đây là cốt lõi của tính bảo mật và không thể thay đổi của blockchain.

Dựa trên nguyên tắc thiết kế này, chúng ta có thể hiểu các dự án chuỗi khối mô-đun từ ba khía cạnh: tầng thực thi, tầng khả năng dữ liệu và tầng đồng thuận, tầng thanh toán.

lớp thực hiện: công nghệ Layer 2

Công nghệ Layer 2, như một sự mở rộng của lớp thực thi trong kiến trúc Blockchain, là một biểu hiện của khái niệm chuỗi khối mô-đun. Nó thông qua việc xây dựng các mạng, hệ thống hoặc công nghệ ngoài chuỗi trên Blockchain cơ sở, nhằm nâng cao khả năng mở rộng của chuỗi chính.

Giải pháp Layer 2 cho phép xử lý giao dịch nhanh hơn và tiết kiệm chi phí hơn, đồng thời duy trì tính bảo mật và phi tập trung của chuỗi khối nền tảng. Theo bảng dữ liệu, có thể thấy tỷ lệ gas tiêu thụ cho việc xác thực và thanh toán Layer 2 trên hệ sinh thái Ethereum trung bình thấp hơn 10%, tiết kiệm đáng kể chi phí giao dịch cho người dùng.

Công nghệ Rollup là giải pháp phổ biến nhất hiện nay của Layer 2, với ý tưởng cốt lõi là "thực hiện ngoài chuỗi, xác minh trên chuỗi", thực hiện các công việc tính toán ngoài chuỗi, sau đó tải dữ liệu calldata trở lại mạng chính.

Thực thi ngoài chuỗi

Trong mô hình Rollup, giao dịch được thực hiện ngoài chuỗi, trong khi chuỗi khối cơ sở chỉ chịu trách nhiệm xác minh chứng minh giao dịch trong hợp đồng thông minh và lưu trữ dữ liệu giao dịch gốc. Thiết kế này giảm nhẹ đáng kể gánh nặng tính toán cho chuỗi chính, giảm nhu cầu lưu trữ, từ đó cho phép xử lý giao dịch hiệu quả hơn.

Để giảm chi phí hơn nữa, Rollup đã áp dụng công nghệ đóng gói giao dịch. Có thể so sánh nó với việc vận chuyển hàng hóa trong logistics, việc gửi riêng lẻ từng hàng hóa sẽ phát sinh cước phí cao. Công nghệ Rollup thông qua việc đóng gói nhiều giao dịch lại với nhau, chỉ cần một lần "vận chuyển", từ đó giảm đáng kể chi phí cho mỗi giao dịch.

Xác minh trên chuỗi

Xác minh trên chuỗi là chìa khóa cho tính bảo mật của mạng Layer 2. Mạng Layer 2 phải cung cấp chứng minh mã hóa để giải quyết những khác biệt tiềm tàng trên chuỗi khối nền tảng. Hiện tại, hai cơ chế chứng minh chính là chứng minh lỗi và chứng minh hiệu lực, chúng lần lượt hỗ trợ cho Optimistic Rollups và ZK Rollups.

Chứng minh sai sót của Optimistic Rollups

Optimistic Rollups áp dụng một giả định lạc quan, tức là tất cả các giao dịch đều mặc định là hợp lệ, trừ khi có bằng chứng rõ ràng cho thấy có lỗi. Mô hình này dựa vào bằng chứng lỗi trong thời gian thách thức (bằng chứng lừa đảo), bất kỳ người tham gia mạng nào cũng có thể nộp bằng chứng để thách thức trạng thái của hợp đồng thông minh, đảm bảo tính công bằng và minh bạch của mạng.

Hiện tại có 16 Layer 2 áp dụng cơ chế Optimistic Rollups, như: Arbitrum, OP, Base, Blast, v.v.

Chứng minh tính hợp lệ của ZK Rollups

Khác với Optimistic Rollups, ZK Rollups áp dụng một phương pháp thận trọng hơn, yêu cầu tất cả giao dịch phải trải qua chứng minh tính hợp lệ trước khi được chấp nhận. Cơ chế chứng minh này tương tự như một quy trình xác minh, đảm bảo rằng mọi giao dịch và tính toán trong mạng Layer 2 đều chính xác.

Nói ngắn gọn, chứng minh tính hiệu lực là nền tảng của ZK-Rollups, nó yêu cầu mỗi lô giao dịch phải kèm theo chứng minh tương ứng, từ đó đảm bảo rằng các hợp đồng thông minh trên chuỗi khối cơ sở có thể xác minh và phê duyệt sự thay đổi trạng thái. Đối với các nút xác minh, ZK Rollups cung cấp một cơ chế thanh toán không lỗi, vì mỗi giao dịch đều phải trải qua việc xác minh tính hiệu lực nghiêm ngặt.

Hiện tại có tổng cộng 11 Layer 2 sử dụng cơ chế ZK Rollups, như: Linea, Starknet, zkSync, v.v.

lớp khả năng truy cập dữ liệu và lớp đồng thuận

Celestia

Celestia như một người tiên phong trong lĩnh vực chuỗi khối mô-đun, bản chất của nó là một lớp khả năng dữ liệu, cung cấp nền tảng vững chắc cho việc phát triển dApps và Rollup. Bằng cách triển khai trên lớp khả năng dữ liệu và lớp đồng thuận của Celestia, các nhà phát triển ứng dụng có thể tập trung vào việc tối ưu hóa logic thực thi, trong khi để cho Celestia xử lý sự phức tạp của khả năng dữ liệu và cơ chế đồng thuận.

Thiết kế kiến trúc của Celestia cung cấp nhiều giải pháp đa dạng cho việc mở rộng mô-đun, cấu trúc của nó chủ yếu bao gồm ba loại sau:

• Rollup chủ quyền: Celestia cung cấp lớp khả dụng dữ liệu và lớp đồng thuận, trong khi lớp thanh toán và lớp thực thi được thực hiện độc lập bởi các chuỗi chủ quyền riêng.
• Kết toán Rollup (ví dụ dự án Cevmos): Dựa trên lớp DA và đồng thuận mà Celestia cung cấp, Cevmos cung cấp dịch vụ lớp kết toán, trong khi chuỗi ứng dụng đảm nhận vai trò của lớp thực thi.
• Celestium: lớp khả năng dữ liệu được đảm nhận bởi Celestia, lớp đồng thuận và lớp thanh toán dựa vào mạng lưới mạnh mẽ của Ethereum, chuỗi ứng dụng tiếp tục tập trung vào lớp thực thi.