Xem xét kỹ hơn các giải pháp khả năng mở rộng của Ethereum 2.0: Sharding, chuỗi Plasma và các kênh trạng thái

Tiêu đề gốc: "Ethereum 2.0: Làm cách nào để đạt được khả năng mở rộng? 》
Tác giả: Colin Schwarz
Biên soạn: Jhonny

Khi việc sử dụng mạng Ethereum tiếp tục mở rộng, điều này đạt được thông qua cơ chế mạnh mẽ và hiệu quả Việc mở rộng quy mô lâu dài và áp dụng rộng rãi mạng Ethereum đang ngày càng trở nên quan trọng. Cộng đồng Ethereum đã nghiên cứu cách mở rộng quy mô mạng Ethereum từ năm 2014 và đã nghiên cứu một số giải pháp để đạt được quy mô, cho dù đó là Ethereum hay các mạng blockchain khác. Hiện tại, cộng đồng Ethereum đã chọn sharding là cách tốt nhất để mở rộng mạng lưới.

Bài viết này trước tiên sẽ khám phá một số của hiện tại. Chúng tôi đã xem xét các giải pháp để mở rộng quy mô Ethereum và các chuỗi khối khác, một số giải pháp trong số đó có thể được kết hợp với sharding và sau đó chúng tôi sẽ khám phá chi tiết về sharding và lộ trình phát triển của nó.

Thảo luận về cách mở rộng Ethereum Trước đây , chúng ta cần hiểu "Tam giác bất khả thi của Blockchain." Nghịch lý tam giác này, lần đầu tiên được đề xuất bởi Vitalik Buterin, người sáng lập Ethereum, chỉ ra rằng mạng blockchain chỉ có thể đáp ứng đầy đủ hai tham số của ba đặc điểm sau. :Phân cấp, bảo mật và khả năng mở rộng. Một giải pháp lý tưởng cho bộ ba bất khả thi này là thỏa hiệp giữa ba bên. Hiện tại, mạng Ethereum Được phân quyền và bảo mật nhưng thiếu khả năng mở rộng. Nỗ lực mở rộng mạng Ethereum phải đảm bảo rằng tính phân cấp và bảo mật của mạng không bị xâm phạm để cung cấp giải pháp lâu dài, triệt để.

Một trong những ý tưởng sớm nhất để mở rộng quy mô chuỗi khối chỉ đơn giản là tăng kích thước của mỗi khối. Kích thước của một khối trên chuỗi khối Ethereum phụ thuộc vào giới hạn gas của khối. Giới hạn gas hiện tại của mỗi khối Ethereum là 8 triệu Gas. Ý tưởng là vì tốc độ tạo của mỗi khối vẫn giữ nguyên nên việc tăng gas cap sẽ cho phép thực hiện nhiều giao dịch hơn trong cùng thời gian, do đó tăng tốc độ và thông lượng của mạng.

Mặc dù ý tưởng này đúng về mặt kỹ thuật,Tăng kích thước khối vượt quá điểm tối ưu, thường tạo ra nhiều vấn đề hơn là giải quyết được và do tác động tiêu cực của phương pháp này, phương pháp này không thực sự làm tăng thông lượng.

Đầu tiên,Các khối lớn hơn có nghĩa là chúng khó xử lý hơn và có xu hướng dẫn đến độ trễ cao hơn. Điều này không tốt cho Mạng Ethereum. Điều này có nghĩa là sau khi kích thước khối tăng đến một điểm nhất định, chỉ những người có thiết bị phần cứng tiên tiến và đắt tiền (thợ mỏ) mới có thể khai thác thành công.

Thứ hai,Kích thước khối lớn hơn cũng có nghĩa là cần nhiều không gian lưu trữ hơn, điều này sẽ làm tăng dung lượng cần thiết cho mỗi nút mạng. Kích thước hiện tại của chuỗi khối Ethereum là khoảng 227GB, do đó, việc tăng gấp đôi kích thước khối sẽ tăng gấp đôi con số này mà không làm tăng đáng kể tốc độ và thông lượng giao dịch của mạng. Điều này một lần nữa sẽ mang lại lợi ích cho những người giàu có, những người có đủ khả năng mua phần cứng tốt hơn và nhiều bộ nhớ hơn.

Cuối cùng,Các khối lớn hơn sẽ khiến các nút khó đồng bộ hóa với mạng hơn . Điều này lại tạo lợi thế cho những người có nhiều tài nguyên hơn và khiến việc tổ chức lại mạng trở nên khó khăn hơn trong trường hợp xảy ra một cuộc tấn công lớn.

Tất cả những yếu tố này có nghĩa là khi kích thước khối Beyond một điểm tối ưu nhất định, mạng có nguy cơ tập trung cao hơn vìCách tiếp cận này sẽ tập trung sức mạnh mạng vào tay những người tham gia giàu có nhất, ngăn cản hầu hết người dùng có thiết bị phần cứng thông thường chạy các nút hoặc khai thác ETH. Do đó, cách tiếp cận này không phải là giải pháp khả thi để mở rộng mạng Ethereum bền vững lâu dài.

Cách thứ hai là cố gắng tăng tải trên chuỗi chính bằng cách sử dụng nhiều mạng altcoin khác nhau Khả năng mở rộng mạng. Đó là chuyển các giao dịch sang các mạng blockchain nhỏ hơn (có dung lượng mạng riêng) thay vì gửi tất cả các giao dịch đến một chuỗi chính duy nhất.

Phương pháp này có thể tăng thông lượng. NhưngChi phí là để làm mạng ' bảo mật của nó bị xâm phạm. Điều này là do các altcoin có vốn hóa thị trường nhỏ hơn và giá trị thấp hơn sẽ có nhiều khả năng bị tấn công hoặc kiểm soát hơn. Như Vitalik đã nói: "Bằng cách này, thông lượng được tăng lên N lần, nhưng độ bảo mật cũng giảm đi N lần." Do đó, phương pháp này chỉ an toàn khi giá trị của N nhỏ, tức là phương pháp này không thể cải thiện đáng kể khả năng mở rộng của mạng và đảm bảo tính bảo mật của mạng.

Phương pháp tương tự thứ ba được gọi là "khai thác hợp nhất", phương pháp này được áp dụng bởi các dự án như Namecoin. Tương tự như cách sử dụng nhiều loại tiền thay thế khác nhau, khai thác kết hợp làNỗ lực giảm tải trên chuỗi chính và tăng thông lượngbằng cách chuyển tải của chuỗi chính sang một số chuỗi bên khác nhau.

Nhưng không giống như altcoin,Tất cả các mạng blockchain sử dụng khai thác kết hợp Có cùng một công cụ khai thác và giao thức khai thác, (hoặc trong hệ thống PoS, có cùng trình xác nhận) . Phương pháp này làm tăng chi phí cho các cuộc tấn công tiềm năng, do đó làm cho phương pháp này trở nên an toàn hơn so với nhiều altcoin. Tuy nhiên, việc tăng thông lượng mạng lên N lần có nghĩa là công suất khai thác trong mạng cũng cần tăng N lần,Điều này dẫn đến rủi ro tập trung khai thác tương tự như việc tăng kích thước khối.

Do đó, kêu gọi ba cách không phải là giải pháp cho tình huống bất khả thi của blockchain Giải pháp lý tưởng cho tam giác và do đó không được nhóm Ethereum 2.0 chấp nhận.

gần nhất, ether Cộng đồng Fang đã nghiên cứu một số giải pháp mở rộng hứa hẹn hơn có thể cải thiện khả năng mở rộng mà không ảnh hưởng nghiêm trọng đến an ninh hoặc phân cấp mạng và hiện đang được một số dự án triển khai.

Một giải pháp liên quan đến việc sử dụng thứ gì đó như ZK-SNARKs hoặc Mimblewimble  Advanced công nghệ mật mã để tăng tốc độ xác minh nút. Hệ thống này tạo ra các bằng chứng mật mã khối trên chuỗi cho phép mỗi nút xác minh khối nhanh hơn và dễ dàng hơn. Bằng cách này, nút chỉ cần xác minh bằng chứng mật mã của khối mà không cần phải khối Genesis bắt đầu xác thực toàn bộ chuỗi. Đồng thời, ZK-rollups  và ZK-ZK-rollup cũng được cho là sẽ tăng thông lượng của Ethereum lên 30 lần.

Mặc dù các giải pháp này có thể tăng tốc độ giao dịch,Nhưng chúng không phải là giải pháp mở rộng hoàn chỉnh và Vitalik tin rằng có thể đạt được hiệu quả tương tự bằng cách sử dụng kinh tế học mật mã đơn giản hơn mà không cần sử dụng các kỹ thuật mã hóa thuần túy này.

01. Chuỗi plasma

Chuỗi plasma là một giải pháp mở rộng đầy hứa hẹn khácNó được triển khai trong blockchain Chuyển tài sản giữa nhau ( chẳng hạn như giữa chuỗi chính Ethereum và chuỗi Plasma) để tăng thông lượng của chuỗi khối với chức năng hợp đồng thông minh. Tài sản được gửi từ blockchain chính và được lưu trữ trên chuỗi Plasma. Tiền được lưu trữ trên chuỗi Plasma có thể được rút về chuỗi chính một cách an toàn thông qua một quá trình được gọi là thoát. Miễn là cơ chế đồng thuận của chuỗi chính được bảo mật, nó có thể được đảm bảo rút về chuỗi chính một cách an toàn.

Một ví dụ điển hình để hiểu chuỗi Plasm là chúng ta có thể so sánh chuỗi Plasma với việc mua chip trong sòng bạc: khách hàng có thể vào sòng bạc bằng tiền mặt và sử dụng tiền mặt để mua bất kỳ số lượng chip nào, sau đó sử dụng những con chip này theo ý muốn (với điều kiện phải tuân thủ các quy tắc và quy định của sòng bạc) và khi khách hàng muốn rời khỏi sòng bạc, họ có thể trả lại số chip có sẵn thành tiền tệ.

Điều này tương tự như Plasma trong chuỗi khối Ethereum. chuỗi hoạt động tương tự, ngoại trừ ở đây "tiền tệ" là Ethereum (ETH) và chip là một số altcoin gốc trong chuỗi Plasma. Theo cách này,Giao dịch đến từ Ethereum master Trên chuỗi được ủy quyền cho chuỗi Plasma, cho phép các nút chính phân bổ sức mạnh tính toántheo cách hợp lý và tiết kiệm chi phí hơn.

Chuỗi Plasma tương đối an toàn vì chuỗi Plasma được kết nối trực tiếp với Ethereum chuỗi chính Được kết nối và sử dụng Ethereum làm nguồn sự thật. Người dùng cũng có thể dựa vào tính bảo mật và các quy tắc của mạng chính Ethereum để đổi mã thông báo ETH hoặc Plasma của họ. Đồng thời, chuỗi Plasma sử dụng một công cụ có tên MapReduce, kết hợp với cấu trúc Merkle trie để đạt được xác minh gian lận nhanh chóng và đơn giản, nhằm chống lại hành vi gian lận của các tác nhân độc hại.

Nhà phát triển Ethereum Collin Cusce giải thích: "Những người dùng đã đặt cọc trên chuỗi Plasma sẽ tự giám sát và khi họ có thể chứng minh rằng có hành vi sai trái, Tranh chấp sẽ được giải quyết được gửi tới chuỗi gốc (tức là chuỗi chính Ethereum) dưới dạng chứng chỉ."

Chuỗi Plasma thậm chí còn bao gồm chức năng "khôi phục", tức là nếu một tác nhân độc hại trên chuỗi Plasma cố gắng thực hiện hành vi gian lận và yêu cầu chi tiêu của anh ta được chứng minh là không hợp lệ, thì "khôi phục" Chức năng sẽ được kích hoạt. Sau khi kích hoạt, tất cả số tiền liên quan sẽ được trả về trạng thái trước khi lừa đảo. Từ góc độ tính toán, chi phí của kiểu khôi phục này rất thấp, chỉ tiêu tốn 2 bit dung lượng trên chuỗi chính Ethereum.

Bằng cách này, chuỗi Plasma cho phép chuỗi chính Ethereum hoạt động mở rộng và hoạt động tốt hơn. Đồng thời, chuỗi Plasma duy trì mức độ bảo mật nhất định bằng cách coi chuỗi chính cũng như các công cụ và giao thức liên quan của nó là nguồn sự thật duy nhất.

So với các ý tưởng mở rộng khác đã thảo luận ở trên, chuỗi Plasma sáng tạo và an toàn hơn, nhưng giống như bất kỳ giải pháp nào,Plasma không phải là không có vấn đề và sự thỏa hiệp.

Trước hết, mạng Ethereum chỉ có thể được mở rộng ở một mức độ giới hạn bằng cách sử dụng chuỗi Plasma và không thể được mở rộng theo cấp số nhân. Mặc dù chuỗi Plasma được kết nối với chuỗi chính Ethereum và sử dụng chuỗi chính Ethereum làm nguồn thông tin chính xác duy nhất, Chuỗi Plasma không an toàn như chính chuỗi chính Ethereum, vì chuỗi Plasma dễ bị tấn công "tấn công từ chối truy cập (tấn công từ chối truy cập)". Vấn đề là các blockchain nhỏ hơn với ít nút hơn và ít người dùng hơn (như chuỗi Plasma) dễ bị tấn công hơn chuỗi Ethereum chính có nhiều nút hơn và nhiều người dùng hơn.

Nếu chuỗi Plasma bị tấn công quy mô lớn, tất cả người dùng chuỗi Plasma sẽ cần phải lưu tiền trên chuỗi Plasma được rút về chuỗi chính Ethereum. Nhưng vấn đề là nếu số lượng người dùng chuỗi Plasma đồng thời cố gắng rút về chuỗi chính vượt quá tài nguyên tính toán ngắn hạn của chuỗi chính Ethereum, thìBất kỳ người dùng nào không thể thoát vào lúc này sẽ gặp phải tình trạng truy cập bị từ chối, đây là một vấn đề bảo mật nghiêm trọng.

Câu hỏi thường gặp về Ethereum Sharding giải thích điều này: ".. .Trong trường hợp này, sẽ không có đủ không gian trong blockchain để xử lý kịp thời tất cả các lần thoát, do đó hệ thống sẽ trở nên không an toàn."

May mắn thay, có nhiều cách để giảm thiểu sự mất an toàn này của chuỗi Plasma. Ví dụ:Độ trễ thoát linh hoạt bằng cách cài đặt ( Cơ chế trì hoãn rút tiền), khi nhiều người dùng Plasma chain thực hiện yêu cầu rút tiền cùng lúc, thời gian rút tiền sẽ tự động được gia hạn. Phương pháp này có thể đảm bảo an toàn cho tiền của người dùng, nhưng nó vẫn có thể cho phép những kẻ tấn công mạnh mẽ khóa tiền của người dùng trong thời gian dài. Việc "từ chối dịch vụ kéo dài" này là một lỗi bảo mật nhưng nhẹ hơn nhiều so với việc "mất quyền truy cập hoàn toàn".

Và nếu chuỗi Plasma bị tấn công được thiết kế đặc biệt cho các giao dịch vi mô Tác động thời gian thoát dài hơn cũng sẽ nhỏ hơn khi giao dịch thay vì giao dịch có giá trị cao. Trên thực tế,Sử dụng chuỗi Plasma để thực hiện các giao dịch vi mô hợp lý nhất, vì phí giao dịch cao và thời gian giao dịch dài hơn của chuỗi chính Ethereum không có lợi cho các giao dịch vi mô. Điều đáng chú ý là tính không an toàn của chuỗi Plasma không ảnh hưởng đến tính bảo mật của chuỗi chính Ethereum.

Mặc dù chuỗi Plasma vẫn là một khái niệm tương đối mới và chưa được thử nghiệm, nhưng những lợi thế tiềm năng của nó dường như lớn hơn những nhược điểm của nó. Khi Dapp “Cryptokitties” xuất hiện trực tuyến trên mạng chính Ethereum, kết quả là khối lượng giao dịch tăng đột biến có tác động tiêu cực rõ ràng đến tính khả dụng của mạng, bao gồm cả việc tăng giá giao dịch và thời gian chờ đợi. Nếu Dapp này được xây dựng trên một chuỗi Plasma nhất định thì chuỗi chính Ethereum sẽ tự do thực hiện một số giao dịch quan trọng và có giá trị hơn và tính khả dụng của nó sẽ không bị ảnh hưởng lớn.

Vitalik cũng tin rằng Plasma nằm trong tam giác bất khả thi Không giống như các giải pháp khác được đề cập ở trên, chuỗi Plasma là một "sự thỏa hiệp theo một hướng khác" và "được cho là một sự thỏa hiệp nhẹ nhàng hơn", cho phép chuỗi Plasma "bổ sung (Ethereum)) hiện đã được cải thiện đáng kể." 

Có lẽ đặc điểm lớn nhất của giải pháp này dành cho chuỗi Plasma là Plasma và Shending không loại trừ lẫn nhau . Ethereum 2.0 sẽ triển khai hai giải pháp mở rộng quy mô này. Người dùng có thể chọn sử dụng chuỗi chính với shending, chuỗi Plasma hoặc cả hai, tùy thuộc vào nhu cầu và sở thích cá nhân của người dùng.

02. Kênh trạng thái

Một loại ether khác Kế hoạch mở rộng ngoài chuỗi dựa trên các chiến lược kênh để đạt được sự mở rộng, chẳng hạn như Lightning Network của Bitcoin hoặc Raiden Network của Ethereum. Các kênh trạng thái có nhiều và chuỗi Plasma chia sẻ những lợi ích và sự đánh đổi giống nhau nhưng hoạt động rất khác nhauở cấp độ kỹ thuật.

Không giống như chuỗi Plasma, mạng Raiden không phải là một chuỗi A riêng biệt , chuỗi khối được kết nối không liên tục với chuỗi chính Ethereum, Đó là mạng được kết nối với chuỗi chính Ethereum thông qua việc sử dụng hợp đồng thông minh Ethereum và có những người dùng khác với chuỗi chính.

Tất cả người dùng Raiden Network muốn giao dịch Một số lượng ETH nhất định được lưu trữ trong một hợp đồng thông minh được kết nối với chuỗi chính. Hợp đồng thông minh sẽ mở một kênh trong mạng Raiden, kênh này sẽ kết nối trực tiếp với người dùng khác. Khoản tiền gửi ETH được lưu trữ trong hợp đồng thông minh này sẽ dùng làm tài sản thế chấp cho các giao dịch của người gửi tiền.

Người dùng đã lưu trữ một lượng tài sản thế chấp nhất định có thể thực hiện nhiều giao dịch ETH nhất có thể trong mạng Raiden, miễn là như giao dịch Tổng số ETH bằng hoặc nhỏ hơn tổng số ETH mà người dùng thế chấp trong hợp đồng thông minh.

Ngoại trừ các bên mở kênh thanh toán,Không ai khác có thể truy cập Hợp đồng thông minh này và ETH được thế chấp sẽ đảm bảo rằng sẽ không có vấn đề chi tiêu gấp đôi hoặc các hình thức gian lận khác ở cả hai bên của giao dịch. Cả hai bên tham gia giao dịch cần cung cấp chữ ký điện tử liên quan đến khoản thế chấp ETH của họ, điều này khiến cả hai bên phải chịu trách nhiệm để sau khi giao dịch được xác nhận, không bên nào có thể rút khỏi giao dịch. Điều này đảm bảo tính công bằng và nhất quán của hệ thống cũng như tính bảo mật.

Nếu người dùng A muốn giao dịch với người dùng B khác thông qua kênh trạng thái thìNgười dùng A không nhất thiết phải mở kênh với người dùng B,Thay vào đó, bạn có thể sử dụng kênh trung gian hiện có giữa hai bên, miễn là có "ít nhất một đường dẫn khả dụng giữa hai bên, kết nối hai bên thông qua mạng kênh"  . Bằng cách này, ngay cả khi người dùng chỉ mở một hoặc hai kênh trong mạng kênh trạng thái, người dùng đó vẫn có thể giao dịch với số lượng lớn người dùng.

Tất nhiên,Không có phí xử lý đối với các giao dịch qua kênh trực tiếp và chỉ có một lượng tiền gửi ETH nhất định được thanh toán tuy nhiên, nếu một giao dịch yêu cầu phải thông qua nhiều kênh thanh toán, nhà giao dịch có thể phải trả một khoản phí nhỏ để sử dụng các kênh trung gian này. Khoản phí này tuân theo một thị trường phí cạnh tranh nhằm mục đích giữ mức phí ở mức thấp và tỷ lệ thuận với giá trị được gửi (tức là giá trị gửi càng cao thì mức phí có thể phải trả càng thấp).

Một trong những tính năng mạnh mẽ nhất của giải pháp kênh trạng thái là vì các giao dịch trong kênh trạng thái không yêu cầu sự đồng thuận trên toàn bộ mạng như trên chuỗi chính, Giao dịch có thể được hoàn thành gần như ngay lập tức. Ngoài ra, các giao dịch kênh trạng thái sẽ không chặn chuỗi chính theo bất kỳ cách nào, trừ khi tất cả các kênh được tạo và cuối cùng đóng cùng một lúc.

Giống như chuỗi Plasma, kênh trạng thái cũng bổ sung cho sharding và cả hai giải pháp mở rộng Ethereum đều đang được phát triển. Thật không may, giống như chuỗi Plasma, các giải pháp dựa trên kênh cũng dễ bị tấn công từ chối dịch vụ. Tuy nhiên, như đã được chỉ ra trước đây, những cuộc tấn công này có thể được giảm thiểu. Nói tóm lại, Mạng Raiden là một giải pháp kênh sẽ cho phép khả năng mở rộng đáng kể mà không có những ảnh hưởng không thể chấp nhận được về bảo mật hoặc phân cấp. Câu hỏi thường gặp về Sharding giải thích: "Có thể lập luận rằng việc mở rộng quy mô trên chuỗi thông qua sharding (và các công nghệ khác) và mở rộng quy mô ngoài chuỗi thông qua các kênh trạng thái đều cần thiết và bổ sung cho nhau." 

Tóm lại, mọi người đã khám phá nhiều giải pháp Lớp 1 để mở rộng Ethereum và các mạng blockchain khác mà không ảnh hưởng đến tính bảo mật và phân cấp của mạng. Một số chương trình đã thất bại và một số khác chỉ đạt được kết quả hạn chế.

Sau rất nhiều nghiên cứu,Cộng đồng Ethereum đã chọn sharding như một cách để đạt được- mạng quy mô Giải pháp hứa hẹn nhất để mở rộng và giải quyết nghịch lý tam giác bất khả thi của blockchain. Các giải pháp Lớp 2 như Plasma và các kênh trạng thái sẽ có thể được sử dụng với tính năng phân đoạn để mở rộng hơn nữa mạng Ethereum 2.0.

Ở trên, chúng tôi đã thảo luận về một số giải pháp mở rộng Lớp 2 nhằm mở rộng Ethereum và các mạng blockchain khác. Dưới đây chúng tôi sẽ thảo luận về shending, giải pháp Lớp 1 được cộng đồng Ethereum chọn làm cách để mở rộng mạng Ethereum. Sharding được coi là cách tốt nhất để đạt được sự mở rộng dài hạn trên quy mô lớn của mạng Ethereum.

Từ Sharding xuất phát từ thuật ngữ cơ sở dữ liệu và liên quan đến việc chuyển đổi một cơ sở dữ liệu lớn thành Chia thành nhiều phần nhỏ hơn, dễ quản lý hơn để dữ liệu có thể được truy cập và xử lý nhanh hơn và hiệu quả hơn.

Việc phân chia cơ sở dữ liệu sẽ cho phép tổng lượng dữ liệu vượt quá khả năng của bất kỳ phân đoạn nào. Việc chia mạng blockchain thành nhiều phân đoạn để tăng khả năng mở rộng của mạng tuân theo các nguyên tắc và mục tiêu giống như trước đây nhưng phức tạp hơn khi thực hiện. Giống như Casper và eWASM, sharding cũng là Một trong số các tính năng chính được mong đợi của Ethereum 2.0.

Bitcoin và các mạng blockchain khác cũng đã xem xét và thử nghiệm công nghệ Sharding để xử lý giao dịch phân đoạn hoặc trạng thái blockchain, mặc dù hầu hết các kế hoạch phân đoạn này không bao giờ được thực thi. Khái niệm shending của Ethereum 2.0 cũng sẽ được đề cập hai điểm nghẽn lớn sau: xử lý giao dịch bảo vệ và trạng thái blockchain [4]. Theo Câu hỏi thường gặp về shending chính thức trên GitHub: "Chúng tôi muốn có thể xử lý hơn 10.000 giao dịch mỗi giây mà không buộc mọi nút trở thành siêu máy tính hoặc lưu trữ hàng terabyte dữ liệu trạng thái. Điều này đòi hỏi một giải pháp toàn diện trong đó trạng thái Khối lượng công việc lưu trữ, giao dịch xử lý và thậm chí tải xuống và phát lại giao dịch được trải rộng trên các nút khác nhau."

Điều này nghe có vẻ hay, nhưng shending thực sự hoạt động như thế nào?

Chia rẽ và chinh phục

Trên mạng Ethereum hiện tại, mọi nút đều phải xác minh mọi giao dịch. Đây là một tính năng quan trọng để đảm bảo sự sống động của mạng. Ngay cả khi 80% nút Ethereum bị lỗi cùng lúc, mạng vẫn có thể hoạt động bình thường. Mặc dù việc có nhiều nút thực hiện cùng một hoạt động không thực sự làm chậm mạng Ethereum, nhưng cách tiếp cận này không nhất thiết dẫn đến việc sử dụng tối ưu tài nguyên mạng.

Chúng tôi sử dụng một ví dụ đơn giản để chỉ ra cách thực hiện hiệu quả hơn Sử dụng hiệu quả một số lượng lớn nút trong Ethereum: Giả sử có ba nút trên mạng Ethereum, nút A, nút B và nút C. Hiện tại, để xác minh một giao dịch nhất định (giả sử dữ liệu T), mỗi nút phải xác minh riêng toàn bộ tập dữ liệu của T để xác nhận giao dịch đó. Quá trình xác minh bảo mật mạng, nhưng nó tạo ra một nút cổ chai mà tất cả các giao dịch phải trải qua: mạng phải đợi cho đến khi mỗi nút xác minh từng giao dịch, do đó tổng số giao dịch được xử lý mỗi giây chỉ có thể cao bằng tổng công suất giao dịch của mỗi nút. .

Nhưng theo giao thức sharding (sharding) được đề xuất, T sẽ là Phân hủy thành T1, T2 và T3. Các nút A, B và C chỉ cần xử lý một trong những phân đoạn dữ liệu nhỏ hơn này để toàn bộ tập dữ liệu được xác thực.

Ngay cả trong ví dụ đơn giản này, bằng cách Phá vỡ dữ liệu thành ba bộ cũng có thể cải thiện đáng kể thông lượng và giảm thời gian giao dịch. Khi shending được triển khai trong mạng Ethereum một cách tối ưu, những cải tiến sẽ rất lớn. Tại thời điểm viết bài, có hơn 8.200 nút trên mạng Ethereum.

Theo thông số kỹ thuật Ethereum 2.0 mới nhất, chuỗi khối Ethereum 2.0 sẽ được chia thành 1024 chuỗi phân đoạn . Vì mỗi chuỗi phân đoạn sẽ có thể xử lý khối lượng giao dịch nhiều như mạng Ethereum hiện tại (và hơn thế nữa sau khi triển khai eWASM),Sharding sẽ tăng thông lượng và tốc độ mạng của Ethereum lên hơn 1.000 lần  Ngoài ra, Sau khi thêm các tính năng như zk- rollups Với các giải pháp Lớp 2 như Plasma, thông lượng và tốc độ giao dịch của mạng sẽ được cải thiện hơn nữa.

Sharding, Casper & amp; Chuỗi Beacon

Trước Chúng ta sẽ tìm hiểu chi tiết về cách thức hoạt động của sharding, rất đáng để hiểu Casper: Đây là cơ chế PoS (Proof of Stake) mà Ethereum 2.0 sẽ sử dụng, được thiết kế để thay thế cơ chế PoW (Proof of Work) hiện đang được mạng Ethereum sử dụng .

Casper sẽ được triển khai thông qua beacon chain, sẽ là Hệ thống chuỗi của mạng Ethereum 2.0 đảm bảo sự đồng thuận và trạng thái cuối cùng của toàn bộ mạng và sẽ tạo điều kiện giao tiếp giữa các chuỗi phân đoạn (tức là giao tiếp giữa các phân đoạn).

Cơ chế Casper không dựa vào khai thác phần cứng Thay vì tiêu tốn năng lượng và tính toán để đạt được sự đồng thuận, nó sẽ dựa vào các trình xác nhận để đạt được sự đồng thuận và các trình xác nhận sẽ cần phải cam kết 32 ETH để trở thành trình xác thực trên mạng Ethereum 2.0.

Lúc đầu, sharding và Casper được xây dựng bởi các nhóm khác nhau theo các lộ trình phát triển khác nhau, nhưng bắt đầu từ mùa xuân năm 2018, nhóm sharding và Casper đã bắt đầu hợp tác chặt chẽ, do đó Cho phép hai chế độ cùng phát triển và cùng hưởng lợi từ sự tiến bộ của nhau. Trình xác thực sẽ được phân tách bằng lát giao thức Casper và chuỗi đèn hiệu để xác minh và đạt được sự đồng thuận.

Do quy mô của Ethereum và công nghệ blockchain Do trước sự phức tạp vốn có, việc bảo vệ Ethereum không phải là một nhiệm vụ dễ dàng. Người viết chuỗi khối Brian Curran giải thích sự phức tạp: “…bằng cách chia các nút thành các tập hợp con nhỏ hơn cần có khả năng xử lý các nhóm giao dịch cụ thể trong khi cập nhật trạng thái mạng trong khi vẫn đảm bảo trạng thái Hiệu quả.”

Điều này có nghĩa là mạng Ethereum sẽ bị phân mảnh nếu bạn muốn hoạt động bình thường với mạng hiện tại thì Một hệ thống phức tạp phải được phát triển để xác định sự phân bổ trách nhiệm giữa chuỗi beacon và các phân đoạn, đồng thời thiết lập phương tiện liên lạc giữa các phân đoạn và giữa các phân đoạn với chuỗi beacon Hệ thống cũng phải bao gồm một cơ chế cho Cơ chế này sẽ đảm bảo rằng tất cả dữ liệu và giao dịch mạng vẫn hợp lệ và sẵn có, từ đó đạt được tính hữu hạn (cuối cùng).

Các nhà nghiên cứu và nhà phát triển Ethereum đã suy nghĩ rất nhiều, một hệ thống như vậy có thể làm được những gì thực hiện tốt nhất tất cả các chức năng này.

Trước khi đi xa hơn, cần chỉ ra ether đó Hệ thống sharding do Fang 2.0 đề xuất vẫn chưa thực sự bước vào giai đoạn sử dụng thực tế. Nhóm phát triển ứng dụng khách Ethereum 2.0 vẫn đang làm việc ở Giai đoạn 0, chủ yếu tập trung vào việc triển khai chuỗi đèn hiệu.

Nhiều chi tiết về Shending vẫn đang được nghiên cứu và phát triển, nhưng thông qua các thông số kỹ thuật Ethereum 2.0 mới nhất và các bài viết liên quan đến nghiên cứu Ethereum, chúng ta có thể thử hình dung mô hình sharding được đề xuất.

Đồng thuận & Cuối cùng

Sự ra đời của công nghệ sharding và quá trình chuyển đổi từ hệ thống PoW sang PoS, Điều này có nghĩa là cách thức đạt được sự đồng thuận và tính hữu hạn trong mạng Ethereum 2.0 sẽ rất khác so với cách thức đạt được trong mạng Ethereum hiện tại. Chúng ta sẽ bắt đầu với các khía cạnh cơ bản và sau đó trình bày chi tiết một số tính năng phức tạp hơn mà hệ thống cần triển khai.

Trong hệ thống Ethereum 2.0, tài khoản người dùng sẽ dành riêng cho một phân đoạn nhất định . Tương tự như các giao dịch trong chuỗi Ethereum 1.0 hiện tại, Giao dịch trong mỗi phân đoạn sẽ tương đối đơn giản, nhưng giao dịch giữa các phân đoạn (tức là giao dịch giữa các phân đoạn) sẽ tạo thêm một lớp phức tạp cho hệ thống. Chúng ta sẽ thảo luận vấn đề này sau.

Trong Ethereum 2.0, các giao dịch sẽ tuân theo các quy tắc hiện đang được phát triển Tối ưu hóa pass được nhóm thành từng " Gói giao dịch(gói giao dịch)". Các gói ưu đãi này phải được gói thông qua a Quy trình xác minh kép để được thêm vào chuỗi beacon chính:

Đầu tiên, các trình xác thực sẽ được chỉ định thường xuyên và ngẫu nhiên cho mỗi nhánh. trong chuôi. Sau khi được chỉ định cho chuỗi phân đoạn, người xác thực sẽ bỏ phiếu về tính hợp lệ của các gói giao dịch riêng lẻ.

Beacon nếu tiêu đề của trình xác thực bỏ phiếu ủng hộ Một ủy ban độc lập trên chuỗi phải xác minh phiếu bầu thông qua hợp đồng quản lý sharding [Lưu ý:Sẽ có một hợp đồng thông minh được gọi là hợp đồng quản lý sharding trên chuỗi chính của beacon chain và hợp đồng thông minh này sẽ chịu trách nhiệm quản lý Cách chuỗi chính chấp nhận dữ liệu trong tất cả các phân đoạn và liệu giao dịch có hợp lệ hay không]. Nếu Ủy ban Chuỗi Beacon cũng bỏ phiếu ủng hộ, gói giao dịch sẽ được thêm vào chuỗi chính và trở thành một phần của sổ cái công khai, thiết lập liên kết chéo bất biến với gói giao dịch trong phân đoạn.

Trong các giai đoạn sau của phân đoạn, khoảng cách giữa các phân đoạn và chính chain Kết nối sẽ trông như thế này: Nếu chuỗi chính hoặc bất kỳ phân đoạn nào của nó không hợp lệ thì toàn bộ mạng sẽ bị coi là không hợp lệ. Giống như trong một blockchain không có sharding, việc xác minh gói giao dịch sẽ mang lại những thay đổi cho trạng thái mạng, điều này sẽ được phản ánh trong các khía cạnh như số dư lưu trữ và tài khoản.

Sau một khoảng thời gian (~6,4 phút cứ sau 64 khối theo thông số kỹ thuật hiện tại), người xác thực trong mỗi phân đoạn sẽ được miễn nhiệm và quay trở lại phân đoạn lớn hơn. Trong nhóm trình xác thực, chuỗi beacon sẽ chỉ định lại trình xác thực một cách ngẫu nhiên cho từng phân đoạn.

Đăng ký tất cả các trình xác thực bằng bảng quản lý chuỗi beacon ,Bởi RANDAO và VDF cung cấp tính ngẫu nhiên, Cung cấp tính xác thực thông qua Casper FFG, đồng thời ghi lại và theo dõi các liên kết chéo giữa chuỗi đèn hiệu và phân đoạn. Trong Giai đoạn 2 của Ethereum 2.0, chuỗi đèn hiệu cũng sẽ lưu trữ các hợp đồng thực thi trạng thái .

Chuỗi đèn hiệu bằng cách sử dụng RANDAO và VDF (Chức năng trễ có thể xác minh) để cung cấp tính ngẫu nhiên và không thể đoán trước,Ngăn chặn những kẻ tấn công tiềm năng cố gắng dự đoán phân đoạn nào nút của họ sẽ được chỉ định. Logic là nếu kẻ tấn công không biết phân đoạn nào sẽ được phân bổ trước khi phân bổ thì chúng sẽ không thể hợp tác trước để phát động cuộc tấn công.

Hệ thống Ethereum 2.0 đạt được sự đồng thuận bằng cách chọn và phân bổ ngẫu nhiên các trình xác thực cũng như các gói giao dịch xác minh kép, đảm bảo an ninh mạng khỏi các cuộc tấn công và đảm bảo tính hữu hạn của mạng.   ;(tính chất dứt khoát).

Giao tiếp giữa các phân đoạn

Bây giờ, chúng ta đã hiểu rõ ràng về mối quan hệ giữa các giao dịch, phân đoạn và chuỗi đèn hiệu Có sự hiểu biết về các mối quan hệ và cách chúng phối hợp với nhau để đạt được sự đồng thuận và quyết định cuối cùng. Tuy nhiên,Để tạo ether Để mạng Fang đạt được hiệu quả tối đa, các phân đoạn phải có khả năng giao dịch với nhau và tham chiếu dữ liệu của nhau. Điều này sẽ yêu cầu liên lạc giữa các phân đoạn khác nhau trên mạng. Tại hội nghị Devcon 2018 tổ chức ở Praha năm ngoái, người sáng lập Ethereum Vitalik Buterin đã giải thích điều này:

"Hãy tưởng tượng Ethereum được chia thành hàng ngàn hòn đảo. Mỗi hòn đảo có thể làm công việc riêng của mình. Mỗi hòn đảo có chức năng riêng và thuộc về hòn đảo đó Mọi người (tức là tài khoản) đều có thể tương tác với nó, và họ có thể tự do tận hưởng tất cả các tính năng của nó. Nếu họ muốn liên lạc với các hòn đảo khác, họ phải sử dụng một loại giao thức nào đó."

Đây là một phép ẩn dụ hay gợi lên điều quan trọng nhất mà các nhà phát triển Ethereum phải giải quyết Vấn đề thứ nhất:Khi triển khai sharding Mặc dù mang lại tiềm năng mở rộng rất lớn, làm thế nào nhiều phân đoạn khác nhau có thể giao tiếp với nhau khác để cung cấp một hệ thống tích hợp liền mạch như mạng Ethereum hiện tại?

Như đã đề cập trong ví dụ tương tự về hòn đảo của Vitalik, để đảm bảo hiệu quả và an toàn, sự tương tác giữa mỗi phân đoạn cần tuân theo một giao thức đặc biệt. Các Shard cũng cần biết khi nào là thời điểm thích hợp để liên lạc với nhau và chỉ liên lạc khi cần thiết. Giao thức liên lạc được cộng đồng Ethereum chọn là được gọi là "mô hình biên nhận" , các biên nhận (biên nhận) này sẽ được lưu trữ trong beacon chain thông qua "bộ nhớ dùng chung được phân phối", nghĩa là các biên nhận này sẽ chỉ được lưu trữ được xem bởi các phân đoạn khác và không thể được sửa đổi bởi các phân đoạn. Tính năng này rất quan trọng vì nó cho phép các phân đoạn xác thực và hưởng lợi từ các hoạt động của nhau trong khi vẫn duy trì tính hữu hạn của từng phân đoạn.

Các ý tưởng phân chia ban đầu tập trung vào cách phù hợp nhất giữa các phân đoạn Phân phối dữ liệu và trách nhiệm tốt. Tuy nhiên, Vitalik gần đây đã tiết lộ hai đề xuất mới cho Giai đoạn 2.

Tinh thần của hai đề xuất này là ".. . Có một khung lớp đồng thuận tương đối tối thiểu nhưng vẫn cung cấp đủ chức năng để phát triển một khung phức tạp cung cấp cho chúng tôi tất cả chức năng hợp đồng thông minh mà chúng tôi cần với tư cách là lớp thứ hai”. phân đoạn và trách nhiệm được giao cho chuỗi đèn hiệu.

Ý tưởng thiết kế trước đây là chức năng sharding tương tự như tự động Chuỗi khối Ethereum, với các giao dịch riêng, ETH và hợp đồng thông minh. Với đề xuất mới này, hợp đồng thông minh và ETH Cấp độ khái niệm cơ bản sẽ chỉ tồn tại trên beacon chain và các phân đoạn sẽ tiếp tục có trạng thái và cách thực thi riêng. Điều này sẽ giúp giảm độ phức tạp của từng phân đoạn trong khi vẫn duy trì các khả năng khác nhau của mạng.

Vitalik tin rằng hệ thống Ethereum mới sẽ cung cấp đủ chức năng để triển khai "môi trường thực thi hỗ trợ các hợp đồng thông minh trong phân đoạn, giao tiếp giữa các phân đoạn và tất cả các chức năng khác, chúng tôi hy vọng sẽ sử dụng hợp đồng chuỗi đèn hiệu để xây dựng các chức năng này."

Hệ thống mới này sẽ được hoàn thiện bằng cách thêm ba loại giao dịch mới và hai cấu trúc dữ liệu mới vào trạng thái báo hiệu. Các loại giao dịch bao gồm NewExecutionScript, NewValidator và Withdrawal, các giao dịch này lần lượt thể hiện một tập lệnh thực thi có thể lưu trữ ETH, chức năng thêm trình xác thực mới và chức năng rút trình xác thực khỏi chuỗi báo hiệu.

Những thành phần mới này sẽ được sử dụng để tạo điều kiện thuận lợi cho việc giao tiếp và phân phối giữa các phân đoạn Một hệ thống như vậy trong đó tất cả các giao dịch ETH và tất cả việc thực thi hợp đồng thông minh có thể được thực hiện thông qua tính năng trừu tượng hóa Lớp 2 mà không cần đưa chúng vào các phân đoạn. Bằng cách sử dụng chuỗi đèn hiệu Các hợp đồng giới thiệu lớp trừu tượng này sẽ giúp giảm thiểu độ phức tạp của từng phân đoạn, điều này sẽ đơn giản hóa và cải thiện khả năng giao tiếp giữa các phân đoạn.

Ngoài sự phức tạp vốn có của nó, một vấn đề khác với giao tiếp giữa các phân đoạn là độ trễ. Nếu chúng tôi muốn gửi mã thông báo từ phân đoạn A đến phân đoạn B, phân đoạn A sẽ "hủy" mã thông báo đó và ghi lại địa chỉ cũng như số tiền đã gửi cũng như phân đoạn mục tiêu. Sau một thời gian, mỗi phân đoạn sẽ biết gốc trạng thái của các phân đoạn khác, điều này cho phép phân đoạn xác minh việc nhận và xác nhận rằng mã thông báo đã được chuyển. Tại thời điểm này, biên nhận từ phân đoạn A sẽ được tái chế bởi phân đoạn B và phân đoạn B sẽ xác minh tính hợp lệ của biên nhận để mã thông báo có thể bị hủy trong phân đoạn A và được lấy ở phân đoạn B.

Quá trình này sẽ khiến giao dịch được gửi và trên thực tế, thời gian xác nhận tạo ra sự chậm trễ làm giảm trải nghiệm người dùng và ảnh hưởng đến tốc độ cũng như khả năng mở rộng mà Ethereum 2.0 được cho là sẽ cung cấp. Giải pháp được đề xuất cho vấn đề này được gọi là Chuyển khoản nhanh giữa các phân đoạn thông qua các gốc biên nhận lạc quan, trong đó đơn giản như lưu trữ trạng thái có điều kiện và "lạc quan" về tính hợp lệ của giao dịch đã gửi.

Khi giao dịch được xác minh, nếu giao dịch thực sự hợp lệ, giao dịch sẽ được ghi lại vĩnh viễn, nếu không nó sẽ bị đảo ngược. Giao tiếp giữa các phân đoạn là một trong những vấn đề phức tạp nhất mà các nhà phát triển Ethereum 2.0 vẫn đang giải quyết. Ethereum 2.0 muốn giữ lại chuỗi 1.0 hiện tại Để đạt được những lợi thế của giao tiếp giữa các phân đoạn đồng thời cải thiện đáng kể khả năng mở rộng của nó, cần phải triển khai thành công giao tiếp giữa các phân đoạn.

Ngoài giao tiếp giữa các phân đoạn, sharding vẫn phải đối mặt với một số thách thức. Chúng tôi đã xem xét khả năng một phân đoạn duy nhất bị tấn công và cách chống lại cuộc tấn công này bằng cách chọn ngẫu nhiên và phân phối lại trình xác thực. Tuy nhiên,Mặc dù tính ngẫu nhiên này điều này tốt cho bảo mật mạng, nhưng khiến các nút khó tính toán gốc của phân đoạn và trạng thái mạng hơn vì các nút không thể truy cập vào các phân đoạn mà chúng sẽ được chỉ định trước.

Vì lý do tương tự,Rất khó triển khai ứng dụng khách nhẹ để có được thông tin chính xác về trạng thái của toàn bộ mạng. Một điều khác cần chú ý là phát hiện gian lận. Nếu một nút tuyên bố rằng một trạng thái hoặc nhóm giao dịch nhất định là không hợp lệ, thì nút đó sẽ thông báo cho các nút khác như thế nào để họ có thể theo dõi và từ chối gian lận?

Nhiều thách thức hơn có thể phát sinh khi bạn tiếp tục tiến bộ, nhưng điều thú vị là hầu hết các vấn đề chính được thảo luận ở trên đều đã được nhóm nghiên cứu giải quyết.

Sự phát triển của Ethereum 2.0 đang diễn ra, có tính đến năm mục tiêu thiết kế quan trọng:Bảo mật, phân cấp, khả năng phục hồi, độ bền và sự đơn giản. Giai đoạn 0 (Beacon Chain) của Ethereum 2.0 sẽ được ra mắt vào khoảng ngày 3 tháng 1 năm 2020. Để đảm bảo đạt được các mục tiêu trên, mỗi giai đoạn sau Giai đoạn 0 sẽ được triển khai dần dần với khoảng thời gian khoảng một năm.

Beacon chain sẽ được ra mắt trong giai đoạn 0 sẽ là chuỗi hệ thống của Ethereum 2.0 có chức năng đã được thảo luận trước đó. Thông qua các liên kết chéo giữa các phân đoạn và chuỗi đèn hiệu, việc liên lạc giữa các phân đoạn thời gian và giữa các phân đoạn và toàn bộ mạng đạt được.

Giai đoạn 1 sẽ giới thiệu tính năng phân đoạn cơ bản và về cơ bản sẽ là giai đoạn chạy thử nghiệm. hệ thống được phân chia hoàn toàn sẽ hoạt động và do đó, nó sẽ không thể hiện ngay tiềm năng mở rộng đầy đủ của phân đoạn. Giai đoạn này sẽ giải quyết sự đồng thuận và tính hữu hạn trên chuỗi phân đoạn và sẽ cho phép chuỗi báo hiệu giám sát việc thực hiện chuỗi phân đoạn.

Giai đoạn 2 sẽ thấy Ethereum 2.0 được phân chia và tích hợp đầy đủ . Sharding sẽ được nâng cấp từ "nhà sản xuất dữ liệu cơ bản" lên "chuỗi đầy đủ chức năng". Giai đoạn 2 cũng sẽ giới thiệu Máy ảo Ethereum eWASM mới.

Cần lưu ý rằng mặc dù các giai đoạn này chỉ mang tính khái niệm là riêng biệt, nhưng vì chúng có liên quan với nhau nên hầu hết vẫn sẽ được thực hiện đồng thời. Ngoài ra, các nhà phát triển vẫn đang nỗ lực cải thiện chuỗi khối Ethereum 1.0 (thường được gọi là Eth 1.x) và cũng sẽ tiếp tục ra mắt Ethereum 2.0.

Mục tiêu đã nêu của Eth 1.x là cải thiện hiệu suất bằng cách tối ưu hóa khách hàng Thông lượng giao dịch, triển khai "phí trạng thái" để đảm bảo hoạt động bền vững của các nút đầy đủ và ổn định phí giao dịch, đồng thời phát triển các tiện ích cuối cùng có thể kết nối Eth 1.x với chuỗi Eth 2.0.

Dựa vào dự báo thời gian triển khai ở giai đoạn hiện tại,Chúng ta có thể dự đoán tương lai trong Năm 2020 Xem phân chia dữ liệu vào cuối năm và phân chia hoàn toàn Ethereum vào năm 2021. Có rất nhiều nhà phát triển tài năng và đam mê đang làm việc để biến giấc mơ này thành hiện thực. Cá nhân tôi cũng hy vọng rằng shending có thể được triển khai thành công và nó sẽ giúp Ethereum cũng như các blockchain khác đạt được quy mô và được áp dụng rộng rãi.

Đặc biệt cảm ơn Aidan Hyman, Greg Markou và Cayman Nava vì đã xem xét bài viết này và đưa ra nhiều gợi ý có giá trị. Ngoài ra, điều này bài viết Bài báo không thể được viết nếu không có công sức của nhiều tác giả và nhà nghiên cứu lớn khác trong lĩnh vực này. Cảm ơn mọi người đã quan tâm đã đóng góp cho bài viết này Tác giả của file thông tin tham khảo!