Nếu bạn đã xem xét tiền điện tử hoặc blockchain theo bất kỳ cách nào, có thể bạn đã bắt gặp các thuật ngữ như giao thức lớp một và lớp hai. Bạn có tò mò về những lớp này là gì và tại sao chúng tồn tại? Hãy thảo luận về kiến trúc lớp blockchain trong bài viết này.
Công nghệ chuỗi khối là sự kết hợp độc đáo của một số công nghệ hiện tại - mật mã, lý thuyết trò chơi, v.v. - với một loạt các ứng dụng có thể có như tiền điện tử. Mã hóa và giải mã dữ liệu là một ngành toán học và tính toán được gọi là mật mã. Việc nghiên cứu các mô hình toán học về tương tác chiến lược giữa những người ra quyết định hợp lý được gọi là lý thuyết trò chơi. Blockchain loại bỏ các bên trung gian, giảm chi phí và cải thiện hiệu quả bằng cách mang lại sự minh bạch và bảo mật.
Không có sự giám sát của cơ quan trung ương, công nghệ sổ cái phân tán (DLT) giữ thông tin được xác minh bằng mật mã giữa một nhóm người dùng đã đồng ý thông qua một giao thức mạng được xác định trước. Việc kết hợp các công nghệ này sẽ thúc đẩy sự tin tưởng giữa mọi người hoặc các bên, những người không có động cơ để làm như vậy. Chúng giúp các mạng blockchain có thể trao đổi giá trị và dữ liệu giữa những người dùng một cách an toàn.
Do thiếu cơ quan tập trung, các blockchains phải rất an toàn. Chúng cũng phải có khả năng mở rộng cực cao để xử lý ngày càng nhiều người dùng, giao dịch và các dữ liệu khác. Các lớp được sinh ra do yêu cầu về khả năng mở rộng đồng thời với việc duy trì bảo mật hàng đầu.
Cụm từ "mở rộng quy mô" trong công nghệ blockchain đề cập đến sự gia tăng tốc độ thông lượng của hệ thống, được đo bằng giao dịch mỗi giây. Với việc áp dụng rộng rãi tiền điện tử trong cuộc sống hàng ngày, các lớp blockchain hiện được yêu cầu để cải thiện an ninh mạng, lưu trữ hồ sơ và các chức năng khác.
Số lượng giao dịch được hệ thống xử lý mỗi giây được gọi là "thông lượng". Trong khi mạng thanh toán điện tử VisaNet của Visa có thể xử lý hơn 20.000 giao dịch mỗi giây, chuỗi chính của Bitcoin (BTC) không thể xử lý nhiều hơn bảy giao dịch mỗi giây.
Blockchain là lớp đầu tiên trong hệ sinh thái phi tập trung. Lớp hai là sự tích hợp của bên thứ ba được sử dụng cùng với lớp một để nâng cao số lượng các nút và kết quả là thông lượng hệ thống. Nhiều công nghệ blockchain lớp hai hiện đang được triển khai. Hợp đồng thông minh được sử dụng trong các giải pháp này để tự động hóa các giao dịch.
Các nhà phát triển chuỗi khối đang cố gắng mở rộng phạm vi quản lý chuỗi khối khi Bitcoin trở thành một lực lượng quan trọng hơn trong thế giới thương mại. Họ hy vọng sẽ giảm thời gian xử lý và tăng TPS bằng cách phát triển các lớp blockchain và tối ưu hóa khả năng mở rộng lớp hai.
Bộ ba blockchain đề cập đến quan điểm phổ biến cho rằng, về mặt phân quyền, bảo mật và khả năng mở rộng, mạng phi tập trung chỉ có thể cung cấp hai trong ba lợi ích tại bất kỳ thời điểm nào.
Các nhà khoa học máy tính đã phát minh ra định lý về tính nhất quán, tính khả dụng và khả năng chịu phân vùng (CAP) vào những năm 1980 để thể hiện có thể là khó khăn nhất trong số những khó khăn này. Định lý CAP nói rằng lưu trữ dữ liệu phi tập trung, chẳng hạn như blockchain, chỉ có thể đáp ứng đồng thời hai trong ba bảo đảm được đề cập ở trên.
Định lý này đã phát triển thành bộ ba blockchain trong bối cảnh của các mạng phân tán hiện tại. Khái niệm rộng rãi cho rằng cơ sở hạ tầng blockchain công cộng phải hy sinh tính bảo mật, phân quyền hoặc khả năng mở rộng.
Kết quả là, chén thánh của công nghệ blockchain là tạo ra một mạng có khả năng bảo mật không thể xuyên thủng qua một mạng phi tập trung rộng rãi đồng thời xử lý thông lượng giao dịch trên quy mô internet.
Trước khi đi sâu vào các động lực của bộ ba, hãy xác định khả năng mở rộng, bảo mật và phân quyền theo các thuật ngữ chung:
Khả năng mở rộng của blockchain đề cập đến khả năng xử lý khối lượng giao dịch cao hơn.
Bảo mật đề cập đến khả năng bảo mật dữ liệu trên blockchain khỏi nhiều loại tấn công khác nhau và khả năng bảo vệ của blockchain chống lại -chi tiêu.
Phân cấp là một loại dự phòng mạng để đảm bảo rằng mạng không bị kiểm soát bởi ít thực thể hơn.
Để thực hiện một giao dịch, trước tiên mạng phải đồng ý về tính hợp lệ của nó. Thỏa thuận có thể mất một thời gian nếu hệ thống có nhiều thành viên. Do đó, chúng tôi có thể chỉ ra rằng khả năng mở rộng tỷ lệ nghịch với phân quyền khi các thông số bảo mật giống hệt nhau.
Bây giờ, giả sử rằng hai blockchain bằng chứng công việc có cùng mức độ phân quyền và coi bảo mật là tỷ lệ băm của blockchain. Thời gian xác nhận giảm khi tỷ lệ băm tăng và khả năng mở rộng tăng khi bảo mật được cải thiện. Do đó, khả năng mở rộng và bảo mật tương xứng với sự phân quyền liên tục.
Do đó, một blockchain không thể tối ưu hóa đồng thời cho cả ba tính năng mong muốn, buộc nó phải đánh đổi. Ethereum là ví dụ gần đây nhất về tình thế tiến thoái lưỡng nan trong hành động. Nền tảng Ethereum đã chứng kiến sự bùng nổ về việc sử dụng do sự phát triển của các ứng dụng tài chính phi tập trung (DeFi) vào mùa hè này. Ethereum chỉ có thể phát triển đến một thời điểm nhất định.
Do nhu cầu tăng lên, phí giao dịch đã tăng đến mức một số người không thể tham gia vào blockchain. Phí Ethereum tăng là một ví dụ về tình thế tiến thoái lưỡng nan, vì chúng ta có thể thấy rằng Ethereum đã không mở rộng quy mô mà không phải hy sinh tính bảo mật hoặc phân quyền.
Trọng tâm của Ethereum là phân quyền và bảo mật, với số lượng giao dịch mỗi giây bị giới hạn (khả năng mở rộng). Để khuyến khích các thợ đào ưu tiên các giao dịch của họ, người dùng đã trả phí cao hơn. Tương tự, phân quyền và bảo mật đã được ưu tiên hơn khả năng mở rộng trong Bitcoin.
Không có gì bí mật khi khả năng mở rộng của các blockchain như Bitcoin và Ethereum hiện đang bị hạn chế. Do đó, một cộng đồng toàn cầu gồm các công ty khởi nghiệp, các tập đoàn và nhà công nghệ đang làm việc điên cuồng trên các giải pháp lớp một và lớp hai để giải quyết vấn đề nan giải về blockchain.
Mạng blockchain lớp một được thiết kế để tăng tốc độ, bảo mật và mở rộng. Lớp hai đề cập đến các cải tiến công nghệ và các sản phẩm có thể được sử dụng để mở rộng khả năng mở rộng của các mạng blockchain hiện có. Có được sự cân bằng hoàn hảo giữa hai lớp có thể là một yếu tố thay đổi cuộc chơi cho việc áp dụng blockchain và mở rộng các mạng phi tập trung.
Các nhà phát triển đang tiếp cận vấn đề từ nhiều khía cạnh khác nhau. Kích thước khối tăng lên trong Bitcoin Cash (BCH) là một nỗ lực để cải thiện khả năng mở rộng của Bitcoin. Tuy nhiên, không có bằng chứng cho thấy nó đang trở nên phổ biến hơn.
Bitcoin đang tìm cách giải quyết vấn đề bằng cách thêm một lớp vào lớp blockchain hiện có. Các giải pháp lớp hai sẽ gói nhiều giao dịch lại với nhau và chỉ truy vấn blockchain lớp cơ sở thỉnh thoảng, theo ý tưởng đằng sau các giải pháp mở rộng quy mô. Ethereum đang áp dụng một cách tiếp cận kết hợp, với việc sharding mở rộng quy mô blockchain lớp cơ sở và cộng đồng dự đoán một số giải pháp lớp hai để tăng cường thông lượng hơn nữa.
Trong trường hợp mạng phân tán của kiến trúc blockchain, mỗi người tham gia mạng duy trì, ủy quyền và cập nhật các mục nhập mới. Một tập hợp các khối với các giao dịch theo một thứ tự cụ thể đại diện cho cấu trúc của công nghệ blockchain. Các danh sách này có thể được lưu dưới dạng tệp phẳng (ở định dạng txt) hoặc cơ sở dữ liệu đơn giản. Kiến trúc chuỗi khối có thể ở dạng công khai, riêng tư hoặc liên kết.
Kiến trúc phân lớp của blockchain được phân loại thành sáu lớp.
Nội dung của blockchain được lưu trữ trên máy chủ trong trung tâm dữ liệu ở đâu đó trên quả địa cầu đáng yêu này. Khách hàng yêu cầu nội dung hoặc dữ liệu từ máy chủ ứng dụng trong khi duyệt web hoặc sử dụng bất kỳ ứng dụng nào, được gọi là kiến trúc máy chủ-máy khách.
Khách hàng hiện có thể kết nối với các ứng dụng khách ngang hàng và chia sẻ dữ liệu. Mạng ngang hàng (P2P) là một nhóm lớn các máy tính chia sẻ dữ liệu. Blockchain là một mạng lưới máy tính ngang hàng có chức năng tính toán, xác thực và ghi lại các giao dịch một cách có trật tự trong một sổ cái được chia sẻ. Kết quả là, một cơ sở dữ liệu phân tán được tạo ra, lưu trữ tất cả dữ liệu, giao dịch và các dữ liệu thích hợp khác. Một nút là một máy tính trong mạng P2P.
Cấu trúc dữ liệu của blockchain được biểu thị dưới dạng danh sách liên kết các khối trong đó các giao dịch được sắp xếp theo thứ tự. Cấu trúc dữ liệu của blockchain bao gồm hai yếu tố cơ bản:con trỏ và danh sách liên kết. Danh sách được liên kết là danh sách các khối được xâu chuỗi với dữ liệu và con trỏ đến khối trước đó.
Con trỏ là các biến tham chiếu đến vị trí của một biến khác và danh sách liên kết là danh sách các khối được xâu chuỗi với dữ liệu và con trỏ đến khối trước đó. Cây Merkle là một cây nhị phân của các hàm băm. Mỗi khối chứa mã băm gốc của cây Merkle và thông tin như băm của khối trước, dấu thời gian, nonce, số phiên bản khối và mục tiêu độ khó hiện tại.
Đối với hệ thống blockchain, cây Merkle cung cấp tính bảo mật, tính toàn vẹn và không thể bác bỏ. Hệ thống blockchain được xây dựng trên cây Merkle, mật mã và thuật toán đồng thuận. Bởi vì nó là khối đầu tiên trong chuỗi, khối genesis, tức là khối đầu tiên, không chứa con trỏ.
Để bảo vệ tính bảo mật và tính toàn vẹn của dữ liệu có trong blockchain, các giao dịch được ký điện tử. Khóa riêng tư được sử dụng để ký các giao dịch và bất kỳ ai có khóa công khai đều có thể xác minh người ký. Chữ ký điện tử phát hiện thao tác thông tin. Bởi vì dữ liệu được mã hóa cũng được ký, chữ ký điện tử đảm bảo tính thống nhất. Kết quả là, bất kỳ thao tác nào sẽ làm cho chữ ký không hợp lệ.
Không thể phát hiện ra dữ liệu vì nó đã được mã hóa. Nó không thể bị giả mạo một lần nữa, ngay cả khi nó bị bắt. Danh tính của người gửi hoặc chủ sở hữu cũng được bảo vệ bằng chữ ký điện tử. Do đó, chữ ký được liên kết hợp pháp với chủ sở hữu của nó và không thể bị coi thường.
Lớp mạng, thường được gọi là lớp P2P, chịu trách nhiệm giao tiếp giữa các nút. Khám phá, giao dịch và lan truyền khối đều được xử lý bởi lớp mạng. Lớp lan truyền là một tên khác của lớp này.
Lớp P2P này đảm bảo rằng các nút có thể tìm thấy nhau và tương tác, phổ biến và đồng bộ hóa để giữ cho mạng blockchain ở trạng thái hợp pháp. Mạng P2P là mạng máy tính trong đó các nút được phân phối và chia sẻ khối lượng công việc của mạng để đạt được mục đích chung. Các giao dịch của blockchain được thực hiện bởi các nút.
Lớp đồng thuận là điều cần thiết để các nền tảng blockchain tồn tại. Lớp đồng thuận là lớp quan trọng và cần thiết nhất trong bất kỳ chuỗi khối nào, cho dù đó là Ethereum, Hyperledger hay loại khác. Lớp đồng thuận chịu trách nhiệm xác thực các khối, sắp xếp chúng và đảm bảo rằng mọi người đều đồng ý.
Hợp đồng thông minh, chaincode và các ứng dụng phi tập trung (DApps) tạo nên lớp ứng dụng. Các giao thức của lớp ứng dụng được chia nhỏ thành các lớp ứng dụng và lớp thực thi. Lớp ứng dụng bao gồm các chương trình mà người dùng cuối sử dụng để giao tiếp với mạng blockchain. Tập lệnh, giao diện lập trình ứng dụng (API), giao diện người dùng và khuôn khổ đều là một phần của nó.
Mạng blockchain đóng vai trò là công nghệ back-end cho các ứng dụng này và chúng giao tiếp với nó thông qua các API. Các hợp đồng thông minh, các quy tắc cơ bản và chaincode đều là một phần của lớp thực thi.
Mặc dù một giao dịch di chuyển từ lớp ứng dụng sang lớp thực thi, nó vẫn được xác nhận và thực thi ở lớp ngữ nghĩa. Các ứng dụng cung cấp hướng dẫn cho lớp thực thi, lớp này thực hiện các giao dịch và đảm bảo tính chất xác định của blockchain.
Lớp số không của chuỗi khối được tạo thành từ các thành phần giúp biến chuỗi khối thành hiện thực. Đó là công nghệ cho phép Bitcoin, Ethereum và các mạng blockchain khác hoạt động. Các thành phần của lớp 0 bao gồm internet, phần cứng và kết nối sẽ cho phép lớp một chạy trơn tru.
Đây là lớp nền tảng và tính bảo mật của nó dựa trên tính bất biến của nó. Mạng Ethereum, hay lớp một, là những gì mọi người ám chỉ khi họ nói Ethereum. Lớp này chịu trách nhiệm về các quy trình đồng thuận, ngôn ngữ lập trình, thời gian khối, giải quyết tranh chấp cũng như các quy tắc và thông số duy trì chức năng cơ bản của mạng blockchain. Nó còn được gọi là lớp thực thi. Bitcoin là một ví dụ về blockchain lớp một.
Các giải pháp mở rộng quy mô này tăng cường thông lượng của mạng khi được sử dụng cùng nhau. Tuy nhiên, với số lượng ngày càng tăng của người dùng blockchain, lớp một dường như đang thiếu hụt. Quy trình đồng thuận bằng chứng công việc cổ xưa và vụng về vẫn đang được sử dụng trên blockchain lớp một.
Mặc dù cách tiếp cận này an toàn hơn các cách khác, nhưng nó bị giới hạn bởi tốc độ của nó. Các thợ mỏ được yêu cầu giải các thuật toán mật mã sử dụng sức mạnh tính toán. Do đó, cần nhiều sức mạnh và thời gian tính toán hơn trong thời gian dài. Ngoài ra, khối lượng công việc trên blockchain lớp một đã tăng lên khi số lượng người dùng tăng lên. Do đó, tốc độ và dung lượng xử lý đã chậm lại.
Proof-of-stake là một sự đồng thuận thay thế mà Ethereum 2.0 sẽ áp dụng. Cách tiếp cận đồng thuận này xác nhận các khối dữ liệu giao dịch mới dựa trên tài sản thế chấp đặt cược của những người tham gia mạng, dẫn đến quy trình hiệu quả hơn.
Sharding là một giải pháp mở rộng quy mô cho gánh nặng đối với vấn đề blockchain lớp một. Nói một cách đơn giản, sharding chia nhiệm vụ xác thực và xác thực các giao dịch thành các phần nhỏ hơn, dễ quản lý hơn. Do đó, khối lượng công việc có thể được phân phối qua mạng để sử dụng khả năng tính toán của nhiều nút hơn. Bởi vì mạng xử lý các phân đoạn này song song, một số giao dịch có thể được xử lý tuần tự và đồng thời.
Các mạng chồng chéo nằm trên cùng của lớp cơ sở được gọi là các giải pháp L2. Các giao thức sử dụng lớp hai để tăng khả năng mở rộng bằng cách loại bỏ một số tương tác khỏi lớp cơ sở. Do đó, các hợp đồng thông minh trên giao thức blockchain chính chỉ xử lý tiền gửi và rút tiền và đảm bảo rằng các giao dịch ngoài chuỗi tuân theo các quy định. Mạng Lightning của Bitcoin là một ví dụ về blockchain lớp hai.
Vậy, sự khác biệt giữa blockchain lớp một và lớp hai là gì? Blockchain là lớp đầu tiên trong hệ sinh thái phi tập trung. Lớp hai là sự tích hợp của bên thứ ba được sử dụng cùng với lớp một để nâng cao số lượng các nút và kết quả là thông lượng hệ thống. Hiện tại, nhiều công nghệ blockchain lớp hai đang được triển khai.
Các giao thức lớp hai đã bùng nổ phổ biến trong những năm gần đây và chúng đang chứng tỏ là cách tiếp cận hiệu quả nhất để giải quyết các vấn đề về quy mô trong mạng PoW, đặc biệt. Các giải pháp chia tỷ lệ lớp hai khác nhau được giải thích trong các phần bên dưới.
Chuỗi khối lồng nhau
Một blockchain hai lớp lồng nhau chạy trên lớp khác. Về bản chất, lớp một thiết lập các cài đặt, trong khi lớp hai tiến hành các thủ tục. Trên một chuỗi chính duy nhất, có thể có một số cấp blockchain. Hãy coi nó là một cấu trúc kinh doanh điển hình.
Thay vì để một người (ví dụ:người quản lý) tiến hành tất cả công việc, người quản lý đã giao nhiệm vụ cho cấp dưới, người này sau đó sẽ báo cáo lại cho ban quản lý khi họ hoàn thành. Do đó, khối lượng công việc của người quản lý được giảm bớt trong khi khả năng mở rộng được cải thiện. Ví dụ:Dự án OMG Plasma hoạt động như một chuỗi khối cấp hai cho giao thức cấp một của Ethereum, cho phép giao dịch rẻ hơn và nhanh hơn.
Kênh trạng thái
Kênh trạng thái cải thiện tổng dung lượng và tốc độ giao dịch bằng cách tạo điều kiện giao tiếp hai chiều giữa chuỗi khối và các kênh giao dịch ngoài chuỗi thông qua nhiều cách tiếp cận khác nhau. Để xác thực giao dịch qua kênh trạng thái, người khai thác không cần phải tham gia ngay lập tức.
Thay vào đó, đó là tài nguyên liền kề mạng được bảo vệ thông qua cơ chế đa chữ ký hoặc hợp đồng thông minh. "Trạng thái" cuối cùng của "kênh" và tất cả các chuyển đổi vốn có của nó được đăng lên blockchain cơ bản khi một giao dịch hoặc một lô giao dịch được hoàn thành trên một kênh trạng thái.
Các ví dụ về kênh trạng thái bao gồm Bitcoin Lightning và Mạng Raiden của Ethereum. Trong sự đánh đổi của bộ ba nan giải, các kênh nhà nước từ bỏ một số phân cấp để đổi lấy khả năng mở rộng tăng lên.
Sidechains
sidechain là một chuỗi giao dịch chạy dọc theo chuỗi khối và được sử dụng cho các giao dịch số lượng lớn. Sidechains có phương pháp đồng thuận của họ, có thể được điều chỉnh theo tốc độ và khả năng mở rộng và mã thông báo tiện ích thường được sử dụng như một phần của cơ chế truyền dữ liệu giữa chuỗi bên và chuỗi chính. Chức năng chính của chuỗi chính là cung cấp bảo mật chung và giải quyết tranh chấp.
Theo một số cách quan trọng, sidechains khác với các kênh trạng thái. Để bắt đầu, các giao dịch sidechain không phải là riêng tư giữa những người tham gia; thay vào đó, chúng được xuất bản công khai trên sổ cái. Hơn nữa, các vi phạm bảo mật trên chuỗi phụ không ảnh hưởng đến chuỗi chính hoặc các chuỗi phụ khác. Việc xây dựng một sidechain từ đầu cần một lượng thời gian và công việc đáng kể.
Bản tổng hợp
Rollups là các giải pháp mở rộng quy mô blockchain lớp hai thực hiện các giao dịch bên ngoài mạng lớp một và sau đó tải dữ liệu từ các giao dịch lên blockchain lớp hai. Lớp một có thể giữ các bản sao lưu an toàn vì dữ liệu nằm trên lớp cơ sở.
Người dùng được hưởng lợi từ các đợt tổng hợp vì chúng giúp tăng thông lượng giao dịch, mở rộng sự tham gia và giảm chi phí gas.
Lớp ứng dụng thường được gọi là lớp ba hoặc L3. Các dự án L3 hoạt động như một giao diện người dùng đồng thời che dấu các khía cạnh kỹ thuật của kênh giao tiếp. Các ứng dụng L3 là những gì mang lại cho blockchain khả năng ứng dụng trong thế giới thực của chúng, như được giải thích trong cấu trúc phân lớp của kiến trúc blockchain.
Các vấn đề phải đối mặt với việc lưu trữ dữ liệu phân tán, từ đó các blockchains phát sinh, đã được chuyển cho các blockchains. Để hiểu rõ hơn những khó khăn này và các vấn đề liên quan, thuật ngữ "bộ ba blockchain" đã được đặt ra để nhóm chúng lại.
Mặc dù từ "bộ ba tiến thoái lưỡng nan" vẫn còn, nhưng bộ ba tiến thoái lưỡng nan của blockchain chỉ là một phỏng đoán. Giả thuyết này được nghi ngờ là chính xác dựa trên các dữ liệu ban đầu, nhưng nó không được chứng minh và bác bỏ. Cần phải nghiên cứu thêm, mặc dù các giải pháp lớp một và lớp hai đã có một số thành công.
Một trong những lý do tại sao việc áp dụng chính thống tiền điện tử hiện nay là không thể trong kinh doanh blockchain là khả năng mở rộng. Khi nhu cầu về tiền điện tử ngày càng tăng, áp lực mở rộng các giao thức blockchain cũng sẽ tăng theo. Vì cả hai cấp độ blockchain đều có bộ hạn chế riêng, nên giải pháp cuối cùng sẽ là phát triển một hệ thống có thể giải quyết vấn đề nan giải về khả năng mở rộng.
Lớp một rất quan trọng vì nó đóng vai trò là nền tảng cho các hệ thống phi tập trung. Các vấn đề về khả năng mở rộng cơ bản của blockchain được giải quyết thông qua các giao thức lớp hai. Thật không may, hầu hết các giao thức lớp ba (DApps) hiện chỉ chạy trên lớp một, bỏ qua lớp hai. Không có gì ngạc nhiên khi các hệ thống này không hoạt động tốt như chúng tôi mong muốn.
Các ứng dụng lớp ba rất cần thiết vì chúng giúp phát triển các trường hợp sử dụng trong thế giới thực cho các blockchains. Tuy nhiên, chúng sẽ không thu được nhiều giá trị như chuỗi khối nền tảng của chúng, ngược lại với các mạng kế thừa.
