Vấn đề khả năng mở rộng
Hợp đồng thông minh làm cho blockchain hữu ích với hàng nghìn ứng dụng, nhưng thành công của nó đã tiết lộ một nút thắt. Ethereum xử lý khoảng 15 giao dịch mỗi giây. Visa xử lý 65,000. Để blockchain hỗ trợ các ứng dụng toàn cầu, nó cần được mở rộng.
Ethereum chậm vì thực thi tuần tự. EVM xử lý một giao dịch tại một thời điểm. Tắc nghẽn mạng là do thị trường không gian khối khan hiếm. 7 TPS của Bitcoin và 15 TPS của Ethereum đều gặp phải cùng một rào cản: việc xử lý tuần tự giới hạn thông lượng.
Nút thắt thực thi tuần tự
Việc thực thi tuần tự giới hạn thông lượng của blockchain. Các giao dịch được thực hiện lần lượt vì hệ thống không thể dự đoán giao dịch nào sẽ xung đột.
Xem xét hai giao dịch:
Giao dịch A: Alice gửi 10 ETH cho Bob
Giao dịch B: Carol tăng giá của một NFT lên 10%
Các giao dịch này không xung đột—chúng tác động đến các trạng thái hoàn toàn khác nhau. Chúng có thể thực hiện đồng thời. Nhưng Ethereum không biết điều này trước. EVM xử lý mọi giao dịch theo thứ tự để đảm bảo tính nhất quán.
Tại sao tuần tự: Hợp đồng thông minh chia sẻ trạng thái toàn cục, vì vậy khi một hợp đồng thay đổi dữ liệu chung, tất cả các giao dịch khác phải chờ. Nếu không biết trước các tài khoản và hợp đồng mà một giao dịch sẽ tác động, hệ thống không thể xác định giao dịch nào an toàn để chạy song song.
Hãy tưởng tượng Giao dịch C gọi một hợp đồng mà bên trong nó gọi ba hợp đồng khác, thay đổi sáu số dư tài khoản và cập nhật các cấu trúc dữ liệu phức tạp. EVM không thể dự đoán những tác động này cho đến khi giao dịch được thực thi, vì vậy để đảm bảo tính nhất quán, nó xử lý các giao dịch từng cái một.
Thực thi đơn luồng tạo ra một giới hạn thông lượng cơ bản, bất kể cải tiến phần cứng.
So sánh thông lượng
Ethereum: Khoảng 15 giao dịch mỗi giây. Một khối được tạo ra mỗi 12 giây và có thể chứa khoảng 180 giao dịch đơn giản (ít hơn nếu các giao dịch liên quan đến các hợp đồng thông minh phức tạp).
Bitcoin: Xấp xỉ 7 giao dịch mỗi giây. Một khối được tạo ra mỗi 10 phút và bị giới hạn khoảng 1 megabyte, chứa khoảng 2,400 giao dịch đơn giản.
Visa: Xấp xỉ 65,000 giao dịch mỗi giây vào thời điểm cao điểm (trung bình 24,000 TPS).
Các hệ thống thanh toán truyền thống xử lý từ hơn 1,000 đến 10,000 lần giao dịch mỗi giây so với blockchain. Khi mức độ sử dụng tăng lên, nút thắt cổ chai này giới hạn các ứng dụng khả thi.
Khi nhu cầu vượt quá khả năng, người dùng cạnh tranh để có không gian khối thông qua phí. Ở các giai đoạn cao điểm, giá gas của Ethereum đã vượt quá $50 cho một giao dịch đơn giản và hàng trăm đô la cho các tương tác hợp đồng thông minh phức tạp. Người dùng nhỏ không thể chi trả các khoản phí này, và nhiều ứng dụng trở nên không khả thi về mặt kinh tế.
Tại sao khối nhanh không hiệu quả
Việc tạo các khối nhanh hơn và lớn hơn nghe có vẻ đơn giản nhưng nó lại phát sinh hai vấn đề.
Khối nhanh hơn gây ra nhiều khối mồ côi hơn: Việc truyền khối mất thời gian. Khi một thợ đào tìm thấy một khối, họ phát tán nó đến mạng, và các thợ đào khác nhận, xác minh và chuyển sang xây dựng trên khối đó. Quá trình này mất vài giây.
Nếu các khối xuất hiện quá nhanh, nhiều thợ đào sẽ tìm thấy các khối hợp lệ trước khi nghe về các khối của nhau. Mỗi người xây dựng trên khối của riêng họ, tạo ra các nhánh chuỗi cạnh tranh, trong đó chỉ có một chuỗi tồn tại và các chuỗi khác trở thành khối mồ côi, lãng phí công việc tính toán.
Các khối mồ côi làm giảm tính bảo mật vì kẻ tấn công có thể lợi dụng sự nhầm lẫn để chi tiêu hai lần, làm cho mạng lưới kém ổn định hơn. Thời gian khối 12 giây của Ethereum được chọn cẩn thận để cân bằng thông lượng với tỷ lệ khối mồ côi thấp.
Khối lớn hơn tập trung hóa việc xác thực: Khối lớn hơn đồng nghĩa với việc có nhiều dữ liệu hơn để tải xuống, lưu trữ và xác thực. Một khối 10 megabyte mỗi 12 giây yêu cầu 72 megabyte mỗi phút—hơn 100 gigabyte mỗi ngày chỉ để duy trì sự đồng bộ.
Khi các khối lớn hơn, ít người có thể đủ băng thông và dung lượng lưu trữ để chạy các nút đầy đủ. Khi chỉ có các trung tâm dữ liệu lớn có thể xác thực chuỗi, mạng trở nên tập trung. Việc xác thực không cần cấp phép đòi hỏi bất kỳ ai cũng có thể chạy một trình xác thực trên phần cứng thường.
Các khối 1 megabyte của Bitcoin giữ cho chuỗi đủ nhỏ để các cá nhân có thể xác thực trên phần cứng thường. Tăng kích thước khối cải thiện thông lượng nhưng đánh đổi tính phi tập trung.
Bộ ba bất khả tri của Blockchain được xem xét lại
Bộ ba bất khả tri của Blockchain giải thích tại sao việc mở rộng quy mô lại khó khăn. Bạn có thể tối ưu hóa cho hai thuộc tính, nhưng không thể tối ưu hóa cả ba cùng một lúc:
Bảo mật: Chống lại các cuộc tấn công, đảm bảo tính nhất quán Khả năng mở rộng: Thông lượng giao dịch cao Phi tập trung: Nhiều trình xác thực độc lập
Lựa chọn của Bitcoin: Bảo mật + Phi tập trung → 7 TPS
Rất an toàn (chưa từng bị tấn công thành công)
Phi tập trung cao (hàng nghìn trình xác thực)
Thông lượng thấp (không thể hỗ trợ sử dụng toàn cầu)
Lựa chọn của Ethereum: Bảo mật + Phi tập trung → 15 TPS
Bảo mật mạnh mẽ (chưa từng bị tấn công thành công ở lớp cơ sở)
Phi tập trung hợp lý (hàng nghìn trình xác thực)
Thông lượng thấp (phí cao trong thời gian cao điểm)
Lựa chọn của Visa: Bảo mật + Khả năng mở rộng → 65,000 TPS
Bảo mật mạnh mẽ (bảo vệ chống gian lận, tuân thủ)
Thông lượng cao (mạng lưới thanh toán toàn cầu)
Hoàn toàn tập trung (một công ty kiểm soát mọi thứ)
Bộ ba bất khả tri là một giới hạn cơ bản. Tăng một thuộc tính đòi hỏi phải hy sinh một thuộc tính khác. Cải thiện thông lượng đơn giản mà không thay đổi kiến trúc sẽ luôn gặp giới hạn này.
Vấn đề trạng thái chia sẻ
Các hợp đồng thông minh chia sẻ trạng thái toàn cục ngăn cản việc thực thi song song.
Trong Ethereum, các hợp đồng thông minh có thể gọi bất kỳ hợp đồng nào khác. Một giao thức cho vay có thể tương tác với các oracle cung cấp giá, các hợp đồng token, hệ thống quản trị và các giao thức cho vay khác, tạo ra sự phụ thuộc ngăn cản việc thực thi song song.
Xem xét hai giao dịch:
Giao dịch 1: Người dùng A hoán đổi token X lấy token Y trên giao thức sàn giao dịch
Giao dịch 2: Người dùng B hoán đổi token Y lấy token Z trên cùng giao thức sàn giao dịch
Cả hai giao dịch đều thay đổi trạng thái của giao thức sàn giao dịch, cụ thể là dự trữ token. Nếu chúng thực hiện đồng thời, chúng có thể đọc cùng một giá trị dự trữ, thực hiện các phép tính dựa trên trạng thái cũ và ghi lại các cập nhật xung đột, ghi đè hiệu ứng của nhau và phá vỡ tính nhất quán.
Để ngăn chặn điều này, EVM xử lý chúng một cách tuần tự. Giao dịch 1 thực hiện xong hoàn toàn và cập nhật trạng thái, sau đó giao dịch 2 thực hiện với trạng thái mới. Điều này đảm bảo tính nhất quán nhưng giới hạn thông lượng.
Vấn đề trạng thái chia sẻ có nghĩa là mỗi giao dịch đều có khả năng phụ thuộc vào mọi giao dịch khác. Nếu không biết trước các phụ thuộc, hệ thống phải giả định rằng mọi thứ đều xung đột và xử lý tuần tự.
Nỗ lực mở rộng
Bốn phương pháp đã được thử để tăng thông lượng của blockchain:
Tăng kích thước khối: Xử lý nhiều giao dịch hơn trong mỗi khối. Khối lớn hơn yêu cầu băng thông và lưu trữ nhiều hơn, giảm số lượng người tham gia có thể xác thực. Hy sinh tính phi tập trung.
Giảm thời gian khối: Tạo khối thường xuyên hơn. Khối nhanh hơn làm tăng tỷ lệ khối mồ côi, giảm tính bảo mật. Khối 12 giây của Ethereum gần đạt giới hạn trước khi tỷ lệ khối mồ côi trở thành vấn đề.
Tối ưu hóa việc thực thi: Làm cho EVM nhanh hơn. Điều này cải thiện hiệu suất nhưng không giải quyết được nút thắt cổ chai trong việc thực thi tuần tự. Một bộ xử lý đơn luồng nhanh hơn vẫn có giới hạn về thông lượng.
Phần cứng mạnh hơn: Yêu cầu các trình xác thực chạy các máy chủ đắt tiền. Điều này cải thiện thông lượng nhưng giảm số lượng người có thể xác thực. Hy sinh tính phi tập trung.
Không có phương pháp nào trong số này phá vỡ bộ ba bất khả tri. Chúng đánh đổi một thuộc tính để lấy thuộc tính khác. Mở rộng mà không hy sinh bảo mật hoặc phi tập trung đòi hỏi thay đổi kiến trúc.
Các giải pháp mở rộng blockchain khác nhau cố gắng phá vỡ hoặc tránh bộ ba bất khả tri thông qua các phương pháp kiến trúc khác nhau.