Làm thế nào để vượt qua nghẽn cổ chai hiệu suất của Blockchain thông qua cơ chế phân mảnh

Tổng quan về quan điểm chính

• Sharding chia mạng lưới blockchain thành nhiều đơn vị hoạt động độc lập, từ đó cơ bản giảm bớt vấn đề tắc nghẽn mạng.
• Thông qua cơ chế xử lý song song, sharding có thể nâng cao đáng kể tốc độ xác nhận giao dịch và khả năng thông lượng của hệ thống.
• Những rủi ro về an toàn trong giao dịch xuyên phân đoạn và vấn đề tính nhất quán dữ liệu vẫn là thách thức trong ngành.

Tam giác khó khăn và hướng đột phá của blockchain

Công nghệ blockchain hiện đang rơi vào một tình huống khó xử: hoặc là có mức độ phi tập trung cao nhưng tốc độ chậm, hoặc là tốc độ nhanh nhưng hy sinh tính bảo mật. Đây chính là cái mà ngành công nghiệp thường gọi là “tam giác khó khăn” - rất khó để đáp ứng tất cả các yêu cầu một cách đồng thời giữa phi tập trung, tính bảo mật và khả năng mở rộng.

Hầu hết các chuỗi công khai lớp 1 đều đã gặp khó khăn với vấn đề này. Mỗi nút xác thực đều phải ghi lại và xử lý tất cả các giao dịch, mô hình “đồng bộ toàn bộ” này dẫn đến hiệu suất mạng trở thành nút thắt cổ chai. Sự xuất hiện của công nghệ phân mảnh đã cung cấp một hướng đi khả thi để giải quyết vấn đề này.

Bản chất kỹ thuật của phân mảnh: Ứng dụng tư duy chia nhỏ cơ sở dữ liệu vào blockchain

Khái niệm phân mảnh không phải tự dưng mà có, mà xuất phát từ công nghệ phân mảnh trong quản lý cơ sở dữ liệu truyền thống. Trong lĩnh vực cơ sở dữ liệu, phân mảnh có nghĩa là chia một tập dữ liệu lớn thành nhiều tập con nhỏ hơn, dễ quản lý.

Khi đưa tư tưởng này vào blockchain, phân đoạn trở thành một sự đổi mới trong kiến trúc: chia toàn bộ mạng lưới blockchain thành nhiều chuỗi con tương đối độc lập (phân đoạn), mỗi phân đoạn có thể xác minh và xử lý độc lập các giao dịch và hợp đồng thông minh trong phạm vi của nó. Thiết kế như vậy giữ cho đặc tính phi tập trung của mạng trong khi nâng cao đáng kể khả năng xử lý giao dịch.

Cách phân mảnh thay đổi logic xử lý dữ liệu

Để hiểu cơ chế hoạt động của sharding, trước tiên cần làm rõ sự khác biệt cơ bản giữa blockchain truyền thống và blockchain phân đoạn trong việc xử lý dữ liệu.

Xử lý tuần tự vs Xử lý song song

Trong kiến trúc truyền thống, mỗi nút xác thực đều phải lần lượt xử lý từng giao dịch trong mạng. Hãy tưởng tượng một con đường cao tốc chỉ có một làn đường, bất kể có bao nhiêu xe cũng phải xếp thành một hàng. Mô hình “xử lý tuyến tính” này mặc dù an toàn và đáng tin cậy, nhưng khả năng thông lượng bị hạn chế nghiêm trọng.

Công nghệ phân đoạn đã phá vỡ giới hạn này. Nó cho phép nhiều phân đoạn xử lý độc lập các tập giao dịch của riêng mình cùng một lúc, giống như việc thêm nhiều làn đường song song trên một con đường cao tốc. Khả năng xử lý song song này là giá trị cốt lõi của công nghệ phân đoạn.

Từ “lưu trữ toàn bộ” đến “lưu trữ theo nhu cầu”

Yêu cầu thiết kế ban đầu là mỗi nút lưu trữ bản sao đầy đủ của blockchain. Khối lượng dữ liệu ngày càng lớn, yêu cầu phần cứng của các nút tham gia cũng tăng theo, cuối cùng dẫn đến sự tập trung hóa mạng ngày càng tăng - chỉ những tổ chức có vốn đủ mạnh mới có thể chịu được chi phí.

Sharding đã thay đổi mô hình này. Mỗi nút chỉ cần duy trì dữ liệu của phân đoạn mà nó thuộc về, mà không cần lưu trữ toàn bộ lịch sử của mạng. Điều này có nghĩa là người dùng thông thường với phần cứng thông thường có thể trở thành người xác thực, từ đó đạt được sự phi tập trung đúng nghĩa.

Hai con đường thực hiện chính của phân mảnh

Trong việc mở rộng cơ sở dữ liệu, ngành công nghiệp thường sử dụng hai cách phân tách - phân tách theo chiều ngang và phân tách theo chiều dọc.

Chia tách theo chiều ngang: Tách dữ liệu theo hàng

Phân đoạn ngang là việc chia theo hàng dữ liệu, mỗi phân đoạn chứa một tập hợp dữ liệu liên tục. Trong ứng dụng blockchain, điều này tương đương với việc nhóm các giao dịch theo địa chỉ tài khoản hoặc các định danh khác, các phân đoạn khác nhau quản lý từng tập hợp giao dịch riêng của chúng.

Do vì mỗi dòng dữ liệu là độc lập, cách phân tách này sẽ không làm hỏng tính toàn vẹn của dữ liệu. Lấy mạng như Zilliqa làm ví dụ, chính nhờ vào việc phân chia theo chiều ngang mà nó đạt được khả năng xử lý hàng nghìn giao dịch mỗi giây.

Chia dọc: Phân tán dữ liệu theo cột

Phân tách dọc được thực hiện dựa trên các thuộc tính khác nhau của dữ liệu (cột). Ví dụ, bảng tài khoản bao gồm nhiều trường như tên, số dư, lịch sử giao dịch, phân tách dọc sẽ phân tán các trường này vào các đơn vị lưu trữ khác nhau.

Trong môi trường blockchain, ứng dụng phân tách dọc khá hạn chế, vì việc xác minh một giao dịch thường cần phải có thông tin đầy đủ liên quan đến nó, trong khi phân tách dọc lại làm tăng độ phức tạp trong việc thu thập dữ liệu.

Tại sao blockchain có xu hướng phân tách theo chiều ngang

So với phân tách dọc, phân tách ngang trong blockchain có những ưu điểm thể hiện ở ba khía cạnh:

1. Lợi thế mở rộng

Phân đoạn theo chiều ngang cho phép mỗi phân đoạn hoạt động và mở rộng độc lập. Các giao dịch mới chỉ cần được phân bổ vào phân đoạn tương ứng mà không cần phải tham gia vào toàn bộ mạng. Trong mô hình này, công suất của hệ thống có thể tăng trưởng theo lý thuyết theo cách tuyến tính.

2. Duy trì phi tập trung

Phân đoạn ngang đã giảm đáng kể nhu cầu tính toán và lưu trữ của từng nút. Một máy tính thông thường đã đủ để vận hành một nút phân đoạn, điều này cho phép bất kỳ ai cũng có thể tham gia vào mạng lưới, thực sự hiện thực hóa sự dân chủ. Phân đoạn dọc thì ngược lại, mỗi nút cần hiểu tất cả các chiều dữ liệu, điều này sẽ làm tăng ngưỡng tham gia.

3. Đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu

Trong phân đoạn ngang, mỗi mảnh đều lưu giữ hồ sơ giao dịch đầy đủ trong phạm vi của nó, các nút có thể xác minh độc lập tính xác thực của dữ liệu. Phương thức lưu trữ phân tán theo chiều dọc lại dễ dẫn đến tình trạng phân mảnh dữ liệu, làm tăng mức độ khó khăn trong việc duy trì tính nhất quán của dữ liệu.

Ba lợi ích chính của phân mảnh

Bước nhảy vọt chất lượng trong tốc độ giao dịch

Trong mạng phân đoạn, hàng nghìn giao dịch có thể được thực hiện đồng thời trong các phân đoạn khác nhau. Các dự án phân đoạn như Zilliqa đã chứng minh tiềm năng này - mạng có thể xác nhận hàng nghìn giao dịch trong vòng vài giây. So với mạng truyền thống xử lý theo luồng đơn, tốc độ chênh lệch là một bậc.

Giảm đáng kể chi phí vận hành

Mô hình truyền thống yêu cầu mỗi nút lưu trữ dữ liệu hoàn chỉnh và thực hiện tất cả các phép tính. Khi lịch sử blockchain tăng trưởng, điều này có nghĩa là chi phí phần cứng ngày càng tăng. Sharding đã thay đổi phương trình này: các nút chỉ xử lý dữ liệu của phân đoạn của mình, làm giảm đáng kể CPU, bộ nhớ và lưu trữ cần thiết. Kết quả là nhiều người có thể tham gia vào việc duy trì mạng với chi phí thấp, điều này rất quan trọng cho sức khỏe lâu dài của blockchain.

Nâng cao hiệu suất mạng tổng thể

Trong blockchain truyền thống, càng nhiều nút thì chi phí đồng bộ mạng càng cao. Sharding đã phá vỡ lời nguyền này. Bởi vì các nút mới tham gia có thể kết nối với bất kỳ phân đoạn nào thay vì toàn bộ mạng, khả năng thông lượng của hệ thống sẽ không giảm do mở rộng, mà có thể còn được tăng cường nhờ sự tham gia của nhiều người xác nhận hơn.

Những thách thức thực tế đối mặt với công nghệ phân mảnh

Mặc dù có những lợi thế rõ ràng, nhưng phân mảnh cũng mang đến những thách thức kỹ thuật mới.

Rủi ro của cuộc tấn công phân mảnh đơn

Tài nguyên cần thiết để tấn công một phân đoạn ít hơn nhiều so với việc tấn công toàn bộ mạng. Một kẻ tấn công nắm giữ 1% công suất tính toán của toàn mạng có thể đủ sức kiểm soát một phân đoạn cụ thể, từ đó gây ra thiệt hại trong phân đoạn đó. Mối đe dọa “tấn công một phân đoạn” là điều mà thiết kế phân đoạn phải nghiêm túc xem xét.

Độ phức tạp của giao dịch giữa các phân đoạn

Khi hai tài khoản nằm ở hai phân đoạn khác nhau thì sẽ xảy ra điều gì? Chuyển tiền giữa các phân đoạn không chỉ liên quan đến sự phối hợp giữa hai phân đoạn mà còn có thể gây ra rủi ro “chi tiêu gấp đôi” - nếu trạng thái giữa các phân đoạn không được đồng bộ đúng cách, một kẻ tấn công có thể sử dụng lại cùng một khoản tiền. Việc xử lý tốt các tình huống biên này là rất quan trọng đối với sự trưởng thành của giải pháp phân đoạn.

Vấn đề khả dụng dữ liệu

Giả sử một phân đoạn nào đó đột ngột không thể truy cập do nút ngoại tuyến. Điều này sẽ dẫn đến dữ liệu của phân đoạn đó tạm thời không khả dụng, từ đó ảnh hưởng đến sự ổn định của toàn bộ mạng lưới. Trong mạng phi tập trung, việc đảm bảo rằng dữ liệu vẫn có thể truy cập ngay cả khi một số nút gặp sự cố là một chủ đề lớn trong thiết kế hệ thống.

Độ phức tạp của cân bằng tải

Nếu phân bổ dữ liệu không đồng đều - chẳng hạn như một hợp đồng thông minh phổ biến rơi vào một phân mảnh cụ thể - phân mảnh đó sẽ trở thành nút thắt cổ chai về hiệu suất. Việc duy trì sự cân bằng tải giữa các phân mảnh đòi hỏi thiết kế thuật toán tinh vi và giám sát điều chỉnh liên tục.

Độ trễ đồng bộ nút

Các điều kiện mạng của các nút khác nhau rất khác nhau. Một nút có băng thông hạn chế sẽ làm chậm tiến độ đồng bộ của toàn bộ phân đoạn, từ đó giảm hiệu suất toàn mạng. Hiệu ứng “thùng gỗ” này thể hiện rõ hơn trong môi trường phân đoạn.

Kế hoạch phân đoạn trong Ethereum 2.0

Ethereum đã xác định phân mảnh là một mục tiêu quan trọng trong lộ trình nâng cấp. Ethereum 2.0 (còn gọi là Eth2 hoặc Serenity) là một sự tái cấu trúc kiến trúc cấp hệ thống, nhằm nâng cao đáng kể tốc độ xử lý giao dịch, hiệu quả năng lượng và khả năng mở rộng của mạng.

Lộ trình chính thức cho thấy, tính năng phân đoạn hoàn chỉnh sẽ được ra mắt ở giai đoạn cuối. Trước đó, cộng đồng Ethereum đã thực hiện một lượng lớn công việc xác thực trong môi trường thử nghiệm, nhằm đảm bảo rằng tính an toàn và đặc tính phi tập trung của hệ thống không bị tổn hại khi chính thức ra mắt.

Độ phức tạp của công việc này không thể xem nhẹ. Nhóm phát triển cần phải giới thiệu phân đoạn trong khi vẫn duy trì an toàn đồng thuận, đồng thời ngăn chặn các vectơ tấn công đã biết và tiềm ẩn. Tiến trình hiện tại cho thấy ngành công nghiệp có sự tự tin đáng kể vào tính khả thi của giải pháp phân đoạn này.

Triển vọng tương lai

Sharding đại diện cho một bước quan trọng trong việc blockchain tiến đến sự trưởng thành. Nó cung cấp một giải pháp công nghệ cạnh tranh để giải quyết “tam giác khó khăn”, mặc dù vẫn còn những thách thức cần phải vượt qua, nhưng tiềm năng của nó là rất lớn.

Ngày càng nhiều dự án và cơ sở hạ tầng đang nghiêm túc nghiên cứu về sharding. Việc chấp nhận chính thức của Ethereum, cùng với việc thực hành xác minh của các tiên phong như Zilliqa, cho thấy sharding đã chuyển từ thảo luận lý thuyết sang ứng dụng thực tế.

Bước tiếp theo là sự đầu tư nghiên cứu liên tục, kiểm toán an toàn nghiêm ngặt và thử nghiệm mạng toàn diện. Khi công nghệ trưởng thành và kinh nghiệm kỹ thuật được tích lũy, phân đoạn hy vọng sẽ trở thành tính năng tiêu chuẩn của hệ thống blockchain thế hệ mới.