Modular Blockchain – Tại sao chúng ta cần Mô đun hóa Blockchain?

Như chúng ta đã biết, các blockchain thế hệ thứ ba nhằm giải quyết các thiếu sót cơ bản bao gồm khả năng mở rộng và khả năng tương tác, có nghĩa là blockchain có thể duy trì việc áp dụng hàng loạt và không gặp phải các vấn đề như thời gian giao dịch chậm hay hệ thống rời rạc thiếu tương tác với nhau.

Một trong những giải pháp của blockchain thế hệ thứ 3 đang nổi lên hiện nay là Modular Blockchain. Chúng chia tách các nhiệm vụ (đồng thuận, dữ liệu khả dụng, thực thi, giải quyết tranh chấp) cho các lớp chuyên biệt xử lý, khi các module làm tốt nhiệm vụ của mình thì bài toán blockchain trilemma có thể giải.

Trước đi vào chi tiết chúng ta cùng nhìn lại Monolithic Blockchain (Blockchain nguyên khối) để hiểu tại sao lại cần mô đun hóa blockchain để giải quyết bài toán mở rộng nhé.

1. Blockchain nguyên khối

Cấu trúc blockchain nguyên khối

Các blockchains nguyên khối đã xuất hiện hơn một thập kỷ nay. Các blockchain này chủ yếu được đặc trưng bởi khả năng xử lý ba tính năng cốt lõi: sự đồng thuận (tùy thuộc vào việc chúng là PoW hay PoS), tính khả dụng của dữ liệu (số lượng không gian khối) và thực hiện các giao dịch. Một blockchain nguyên khối sẽ thực hiện tất cả ba thành phần cốt lõi đó trong cùng một không gian Layer 1. Do đó Monolithic Blockchain không thể giải được bài toán blockchain trilemma bởi vì các mục tiêu sẽ mâu thuẫn nhau:

• Mục tiêu Data availability: Nếu một blockchain nhằm mục đích có thông lượng cao, nó sẽ tăng không gian khối của nó và cố gắng có nhiều giao dịch hơn trong cùng một khối. Điều này sẽ gây áp lực cho các nhà cung cấp dịch vụ Node vì họ sẽ phải tăng dung lượng lưu trữ và có thể dẫn đến việc họ bỏ mạng lưới do không có đủ nguồn lực (dù là kỹ thuật hay tài chính). Kịch bản này sẽ làm giảm tính bảo mật và phân quyền.
• Mục tiêu Executive: Việc chuyển giao dịch nhanh chóng thông qua ít Node hơn và tất cả chúng đều đạt được sự đồng thuận sẽ dễ dàng hơn nhiều so với chuyển chúng qua một số lượng lớn các Node trải rộng trên toàn thế giới. Số lượng Validator trên mạng càng lớn thì mạng càng mất nhiều thời gian để xác thực các giao dịch. Nếu bạn muốn tăng thông lượng (tức là số lượng giao dịch đang được xử lý mỗi giây), mạng có thể giảm số lượng Node. Nhưng điều này, một lần nữa, đi kèm với cái giá phải trả là phân quyền và bảo mật.
• Mục tiêu Consensus: Tất cả các blockchain phi tập trung đều nhằm hoàn thành mục tiêu đồng thuận (consensus) với các yêu cầu đầu vào của Node ở mức thấp. Trong những ngày đầu của Bitcoin, bạn có thể sử dụng máy tính của riêng mình để khai thác Bitcoin. Tuy nhiên theo thời gian, độ khó khai thác tăng lên gấp bội và yêu cầu phần cứng rất cao. Còn POS thì vốn của các validator bị khóa (hay còn gọi là Stake).

Ưu điểm của Blockchain nguyên khối

Blockchain nguyên khối có tính liền mạch trong nội bộ mạng. Ở quy mô nhỏ nó có thể cung cấp cho tất cả người dùng trên một chuỗi duy nhất hoặc một nhóm chuỗi liên kết chặt chẽ với nhau sống trong một mạng duy nhất.

Blockchain nguyên khối thiết kế đơn giản hơn so với thiết kế mô đun

Hạn chế của Blockchain nguyên khối

Hạn chế lớn nhất của Blockchain nguyên khối là không thể giải được bài toán blockchain trilemma. Như đã nêu ở trên, các mục tiêu sẽ mâu thuẫn với nhau:

• Nếu một blockchain phi tập trung, nó sẽ an toàn. Nhưng để duy trì tính bảo mật, nó không thể không được mở rộng và do đó cung cấp thông lượng thấp hơn.
• Nếu một blockchain có thể mở rộng và phi tập trung, thì có khả năng nó không an toàn vì sẽ có rào cản đối với các Validator.
• Nếu một blockchain có thể mở rộng và an toàn, thì nó sẽ tập trung.

Không thể tối ưu hóa một monolithic blockchain để có được cả ba nhiệm vụ bảo mật, phi tập trung và khả năng mở rộng. Và đó là lý do tại sao, họ phải nhờ đến sự trợ giúp từ bên ngoài, chẳng hạn như các Sharding, Layer 2… Đây là nơi các modular blockchains xuất hiện và thay đổi toàn bộ cuộc chơi xung quanh thiết kế blockchain.

2. Modular blockchain là gì?

Mô đun hóa nghĩa là tách hệ thống thành một số bộ phận hoặc thành phần có thể quản lý được và được phát triển độc lập. Trong kiến trúc modular blockchain, lớp thực thi độc lập với lớp đồng thuận cơ sở và lớp dữ liệu khả dụng. Có thể chia các lớp cơ sở của modular blockchain như sau:

Lớp Consensus (lớp đồng thuận)

Lớp đồng thuận là lớp đồng ý về nội dung và trình tự giao dịch, duy trì tính bảo mật của blockchain cơ bản.

Hai cơ chế đồng thuận phổ biến nhất là POW và POS. Với Proof-of-work (PoW), tính bảo mật của mạng phụ thuộc vào phần cứng tính toán mà các thợ đào sử dụng, bạn cần phần cứng đắt tiền (theo thời gian sẽ lỗi thời và cần được nâng cấp). Với Proof of Stake (POS), bạn chỉ cần tạo một node (có thể rất dễ thiết lập) và gửi số vốn tối thiểu cần thiết để tham gia vào validator. Do đó, PoS giúp nhiều validator hơn tham gia vào sự đồng thuận của mạng lưới một cách dễ dàng.

Lớp Data availability (lớp dữ liệu khả dụng)

Lớp dữ liệu khả dụng là lớp đảm bảo rằng dữ liệu giao dịch có sẵn cho người dùng và nhà sản xuất khối (các Node đồng thuận). Điều này đảm bảo rằng dữ liệu giao dịch đằng sau tiêu đề khối (block header) được xuất bản và có sẵn để bất kỳ ai cũng có thể dễ dàng tính toán trạng thái và kiểm tra các chuyển đổi trạng thái.

Như trường hợp của Ethereum 2.0, Sharding giúp chia nhỏ lớp dữ liệu của Ethereum, các trình xác thực trên mạng sẽ lan rộng trên các mạng nhỏ hơn (các committees). Các mạng nhỏ hơn này sau đó xác minh các giao dịch khác nhau trên blockchain. Điều này giúp tăng không gian khối trên chuỗi đó một cách hiệu quả, do đó tăng thông lượng tổng thể của mạng.

Lớp Execution (lớp thực thi)

Lớp thực thi là lớp hỗ trợ thực hiện các giao dịch và cho phép triển khai và tương tác với các hợp đồng thông minh. Một lớp thực thi chỉ đơn giản là một chuỗi chuyên cung cấp môi trường cho các ứng dụng hoạt động và xử lý các giao dịch tương tác với các ứng dụng đó. Nó không có sự đồng thuận hoặc tính khả dụng của dữ liệu… nó giống như một bản rollup.

Lớp Settlement

Settlement là một lớp để hoàn thiện các giao dịch, giải quyết tranh chấp, xác thực bằng chứng và làm cầu nối giữa các lớp thực thi khác nhau.

3. Modular Blockchain hoạt động như thế nào?

Các modular blockchains hoạt động dựa trên nguyên tắc mô-đun, tức là tách một hệ thống thành các thành phần riêng biệt có thể được kết hợp theo nhiều cách khác nhau để đạt được các mục tiêu cụ thể. Tính mô-đun phụ thuộc vào sự chuyên môn hóa: mỗi thành phần chỉ có thể làm một số việc, nhưng phải làm tốt chúng. Bạn có thể nghĩ về các thành phần mô-đun như những miếng Lego có thể được kết hợp để tạo thành các cấu trúc khác nhau.

Chuỗi mô-đun là một thành phần nằm trong một “ngăn xếp mô-đun” (modular stack) lớn hơn của các chuỗi khối có thể được kết hợp để đạt được các mục đích khác nhau. Các blockchains mô-đun hoạt động như “các mô-đun có thể cắm được” và có thể được hoán đổi hoặc hợp nhất với nhau tùy thuộc vào trường hợp sử dụng.

4. Lợi ích của thiết kế mô đun là gì?

Các thiết kế blockchain mô-đun mang lại những lợi ích sau: khả năng mở rộng, tính linh hoạt và khả năng khởi chạy các blockchain mới.

Khả năng mở rộng

Những khó khăn về quy mô chủ yếu xảy ra khi một blockchain cố gắng xử lý tất cả các hoạt động cùng một lúc dưới một lớp duy nhất. Việc áp dụng mô-đun cho các blockchains (phân tách các nhiệm vụ giữa các lớp khác nhau) giúp cải thiện quy mô mà không đưa ra các giả định về niềm tin không tốt.

Ví dụ: Rollup tập trung vào việc thực thi cung cấp khả năng mở rộng lớn hơn các chuỗi thông thường. Tuy nhiên, họ vẫn đạt được mức độ bảo mật cao bằng cách dựa vào Ethereum để có được sự đồng thuận và tính khả dụng của dữ liệu.

Khả năng khởi chạy các blockchain mới

Việc khởi chạy một blockchain mới có thể khó khăn do nhu cầu xây dựng các đặc tính bảo mật của nó. Chuỗi POS có thể cần thiết lập phân phối rộng rãi các token để tránh rủi ro tập trung, trong khi chuỗi POW có thể cần thu hút các thợ đào để ngăn một số bên kiểm soát tỷ lệ băm của mạng.

Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu các nhà phát triển có thể tập trung vào mức tối thiểu, chẳng hạn như thực thi và cắm vào một thành phần modular blockchain khác để xử lý các tác vụ cụ thể, chẳng hạn như bảo mật? Bằng cách tận dụng các thiết kế mô-đun, các blockchains mới có thể khởi chạy nhanh hơn mà không phải lo lắng về việc lấy chính xác mọi phần của kiến trúc.

Tính linh hoạt

Tính mô-đun mang lại sự linh hoạt mà các chuỗi nguyên khối không thể cung cấp. Sự tập trung của Bitcoin vào phân quyền (decentralization) và bảo mật (security) sẽ tự động loại trừ khả năng mở rộng (scalability), trong khi các chuỗi thông lượng cao thường đánh đổi một số biện pháp phân quyền và bảo mật.

Các chuỗi mô-đun được xây dựng có mục đích mang lại tính linh hoạt cao hơn đối với việc đánh đổi và triển khai thiết kế. Ví dụ: một hệ thống modular blockchain có thể bao gồm các chuỗi mô-đun tập trung vào bảo mật và tính khả dụng của dữ liệu, trong khi các chuỗi khác tập trung vào thực thi. Dưới đây là cách cả hai đều được hưởng lợi từ thiết kế mô-đun:

• Lớp bảo mật và lớp dữ liệu khả dụng được hưởng lợi từ khả năng mở rộng bổ sung vì các giao dịch được xử lý riêng biệt. Nó chỉ cần thực thi tính hợp lệ ngoài chuỗi (off-chain execution) và đảm bảo tính khả dụng của dữ liệu ngoài chuỗi (off-chain data availability). Đây là cách khả năng mở rộng của Ethereum được hưởng lợi từ việc sử dụng các bản rollup.
• Lớp thực thi (được tối ưu hóa cho khả năng mở rộng) được hưởng lợi từ bảo mật bổ sung bằng cách tận dụng các thuộc tính của chuỗi mẹ. Đây là cách Lớp 2 được hưởng lợi từ sự phân quyền (decentralization) của Ethereum.

5. Hạn chế của Modular blockchain

Các thiết kế modular blockchain có những nhược điểm sau: bảo mật, độ phức tạp và giá trị token.

Security (Bảo mật)

Không giống như chuỗi nguyên khối, chuỗi mô-đun không thể đảm bảo chất lượng bảo mật của chính nó. Nếu lớp bảo mật (thường xử lý sự đồng thuận và tính khả dụng của dữ liệu) không hiệu quả, chuỗi mô-đun có nguy cơ thất bại. Ví dụ nếu lớp đồng thuận L1 thất bại thì L2 cũng có nguy cơ thất bại.

Sự phức tạp

Việc triển khai các thiết kế modular blockchain dẫn tới nhiều vấn đề phức tạp mới. Ví dụ: Các lớp thực thi phải yêu cầu các cơ chế phức tạp nhất định, chẳng hạn như bằng chứng gian lận (fraud proofs) và bằng chứng hợp lệ (validity proofs), cho phép lớp bảo mật thực thi tính hợp lệ của các chuyển đổi trạng thái ngoài chuỗi (off-chain).

Giá trị của native token

Một số chuỗi mô-đun có thể khó thu hút giá trị cho các token gốc của chúng do các ứng dụng hạn chế của chúng. Ví dụ: một mô đun hoàn toàn tập trung vào sự đồng thuận và tính khả dụng của dữ liệu thì token có thể sẽ ít tiện ích được sử dụng hơn so với một lớp thực thi. Việc thu hút người tham gia vào các mạng như vậy cũng có thể khó khăn hơn.

6. Một số modular blockchain điển hình

Chúng ta cùng xem xét một số cấu trúc mô đun điển hình như Ethereum 2.0, Polkadot, Cosmos, Near, Celestia.

Cấu trúc công nghệ của Ethereum 2.0

Ethereum 2.0 là bản nâng cấp toàn diện của Ethereum. Ethereum 2.0 chuyển từ cơ chế POW sang cơ chế đồng thuận POS; chuyển từ kiến trúc monolithic blockchain sang modular blockchain. Kiến trúc Ethereum 2.0 gồm chuỗi chính Beacon Chain, shard chains và máy ảo eWasm

Beacon Chain là lớp bằng chứng cổ phần (PoS) của Ethereum, nơi đạt được sự đồng thuận. Nó chịu trách nhiệm tạo các khối mới, đảm bảo các khối mới đó hợp lệ và thưởng cho validator bằng ETH để giữ cho mạng an toàn.

Shard chains giúp chia dữ liệu thành nhiều phần nhỏ và xử lý song song để mạng lưới đạt được hiệu suất cao hơn. Giai đoạn đầu, Ethereum triển khai 64 shard, số lượng shard có thể tăng lên theo nhu cầu trong tương lai.

Máy ảo eWASM sẽ cho phép các nhà phát triển viết mã bằng nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau – đặc biệt là ngôn ngữ đặc biệt của Ethereum, cộng với một loạt các cải tiến về hiệu suất. Có thể coi eWASM là EVM 2.0.

Trong tương lai, Ethereum 2.0 sẽ chỉ đảm nhận vai trò lớp đồng thuận (tập trung vào việc thiết lập phân quyền, chống lại sự kiểm duyệt và đảm bảo an ninh và độ tin cậy), còn Layer 2 sẽ đóng vai trò là lớp thực thi. Vậy nên đi cùng với xu thế phát triển của Ethereum 2.0 sẽ là sự phát triển của Layer 2. Đặc biệt là các giải pháp rollup sẽ được xây dựng trên các Shard.

Cấu trúc công nghệ của Polkadot

Relay chain là trái tim của hệ sinh thái Polkadot. Thực thể chính này chịu trách nhiệm bảo mật mạng và cung cấp thuật toán để đạt được sự đồng thuận giữa các validator. Nó không thực thi các phép tính phức tạp như dApp mà thay vào đó điều phối toàn bộ hệ thống với hiệu quả cao.

Parachains là các blockchain thứ cấp có thể chạy các phép tính phức tạp trên mạng Polkadot như ứng dụng DeFi và hợp đồng thông minh. Các Parachains chạy song song với nhau và xác thực các giao dịch của chúng với Relay chain. Tuy nhiên số lượng khe cắm cho các Parachains không phải là vô hạn.

Ngoài ra Polkadot còn có parathreads, chúng tương tự như parachain nhưng không có khe cắm chuyên dụng và Relay chain chỉ kích hoạt chúng khi cần thiết.

Cấu trúc công nghệ của Near

Near cũng dùng công nghệ sharding nhưng khác với Beacon chain của Ethereum 2.0, hệ thống NEAR’s Nightshade được mô hình hóa như một blockchain duy nhất, với mỗi khối chứa tất cả các giao dịch từ tất cả các shard. Không node tham gia nào cần phải tải xuống trạng thái đầy đủ (full state) hoặc toàn bộ khối logic (logical block) – thay vào đó, các node duy trì trạng thái được kết nối với các shard mà chúng cần xác thực giao dịch.

Để tăng cường an ninh cho mạng lưới, Near sử dụng Validator ẩn và Fisherman. Trong đó Validator ẩn khiến hacker tấn công không thể xác định Validator nào đang xác minh Shard mà họ nhắm tới. Còn Fisherman sẽ giúp tìm ra những giao dịch không hợp lệ, khi đó những Validator xác minh giao dịch đó sẽ bị phạt, Fisherman tìm ra lỗi sẽ nhận được phần thưởng.

Cấu trúc công nghệ của Celestia

Lớp đồng thuận và dữ liệu khả dụng (Consensus & Data Availability): Đảm bảo sự sẵn có của dữ liệu và đạt được sự đồng thuận một cách hiệu quả.

Lớp thực thi: Tham khảo dữ liệu hiện có và thực hiện các giao dịch.

Lớp dApps: Xây dựng các ứng dụng DeFi, DAO, NFT/Game…

Cấu trúc công nghệ của cosmos

Trong bối cảnh mỗi blockchain đang hoạt động độc lập với nhau, Cosmos (ATOM) được ví như “Internet của các blockchain”, giúp các blockchain giao tiếp với nhau một cách dễ dàng hơn.

Tendermint: Là một phần mềm open-source. Nó tạo điều kiện cho các Dev xây dựng một blockchain PoS nhanh chóng, có thể mở rộng và đảm bảo an toàn.

Cosmos SDK: Là công nghệ giúp các Dev xây dựng dApps trên các blockchain dựa trên Tendermint. Cosmos SDK được ứng dụng trong các dự án của Binance Chain, Loom, e-Money, TruStory, Sentinel và Terra.

Giao thức giao tiếp chuỗi khối liên kết (Interblockchain Communication Protocol – IBC): Là một hệ thống cho phép các blockchain khác nhau kết nối và tương tác với nhau.

7. Muiltichain

Multichain có thể coi là bản nâng cấp của Modular Blockchain. Trong không gian multichain, các blockchain tương tác thông qua hệ thống cross-chain (bridge hoặc service blockchain) mang lại tính liền mạch, tận dụng tài nguyên của các blockchain mang đến hồ thanh khoản tập trung và trải nghiệm tốt cho người dùng.

Một số dự án tiềm năng như Polygon, Cosmos, Polkadot và không ngoại trừ việc sẽ có giải pháp giúp các blockchain hiện tại có thể tương tác, kết nối liền mạch và đảm bảo an ninh. Layerzero là một trong những dự án được kỳ vọng mang lại hạ tầng cross-chain kết nối an toàn các blockchain.

8. Tổng kết

Có thể thấy trong ngắn và trung hạn thì nhu cầu của thị trường, đặc biệt là lĩnh vực DeFi, NFTs/Gamefi là blockchain giải quyết được bài toán blockchain trilemma. Và modular blockchain đang là ứng cử viên sáng giá nhất giúp blockchain cân bằng giữa bảo mật, phân quyền và khả năng mở rộng. Việc chuyên môn hoá giúp một ngành công nghiệp vận hành một cách có hiệu quả, và blockchain cũng không ngoại trừ. Xa hơn là blockchain hướng tới cấu trúc thị trường multichain, nơi các blockchain tương tác liền mạch, tận dụng tài nguyên, thế mạnh của các blockchain khác nhau mang đến hồ thanh khoản lớn và trải nghiệm tốt cho người dùng.