Rollups, Sidechains, và các giải pháp thay thế L1

Vấn đề khả năng mở rộng của blockchain—mở rộng mà không hy sinh bảo mật hoặc phi tập trung—là thách thức cơ bản. Các phương pháp chính là sử dụng Layer 2 (rollups), sidechains, sharding và các blockchain thay thế Layer 1. Mỗi phương pháp thực hiện các đánh đổi khác nhau trong bộ ba bất khả tri của blockchain.

Giải pháp Layer 2: Rollups

Các giải pháp Layer 2: xử lý ngoài chuỗi, chứng minh trên chuỗi. Các giải pháp Layer 2 thực hiện các giao dịch ngoài blockchain chính (Layer 1), sau đó gửi các bằng chứng hoặc dữ liệu giao dịch trở lại Layer 1 để đảm bảo tính bảo mật.

Việc thực thi tốn kém, nhưng việc xác minh thì rẻ. Rollups chuyển việc thực thi ra ngoài chuỗi nơi nó có thể nhanh và rẻ, trong khi giữ việc xác minh trên chuỗi nơi nó kế thừa bảo mật của Layer 1.

Cách hoạt động của rollups:

1. Người dùng gửi giao dịch đến nhà điều hành rollup

2. Nhà điều hành thực hiện hàng nghìn giao dịch ngoài chuỗi

3. Nhà điều hành gom các giao dịch này lại và gửi một bản tóm tắt duy nhất lên Layer 1

4. Layer 1 xác minh bản tóm tắt (rẻ hơn nhiều so với việc thực thi lại từng giao dịch)

5. Layer 1 lưu trữ đủ dữ liệu để tái tạo trạng thái rollup nếu cần

Một giao dịch Layer 1 có thể bao gồm 1,000 giao dịch rollup. Việc nén 1,000-đối-1 này là lý do tại sao rollups có thể mở rộng.

Optimistic Rollups (Arbitrum, Optimism, Base):

Optimistic rollups giả định các giao dịch là hợp lệ trừ khi ai đó chứng minh ngược lại. Nhà điều hành gửi các lô giao dịch lên Layer 1 mà không cần bằng chứng. Bất kỳ ai cũng có thể kháng nghị một lô trong thời gian tranh chấp (thường là bảy ngày) bằng cách chứng minh nó không hợp lệ.

Nếu không ai kháng nghị trong thời gian tranh chấp, lô giao dịch được coi là cuối cùng. Nếu ai đó kháng nghị thành công, lô không hợp lệ sẽ bị hoàn tác, và nhà điều hành sẽ mất số tiền đặt cọc.

Sự lạc quan này mang lại thông lượng cao—không cần bằng chứng tốn kém cho mỗi lô. Nhưng việc rút tiền bị trì hoãn. Việc chuyển tài sản từ rollup trở lại Layer 1 yêu cầu chờ đợi thời gian tranh chấp để đảm bảo không ai kháng nghị việc rút tiền của bạn.

Zero-Knowledge Rollups (StarkNet, zkSync, Scroll):

ZK rollups tạo ra các bằng chứng mật mã rằng các giao dịch đã được thực hiện chính xác. Nhà điều hành gửi các lô giao dịch cùng với một bằng chứng zero-knowledge lên Layer 1. Layer 1 xác minh bằng chứng, điều này rẻ hơn nhiều so với việc thực thi lại các giao dịch.

Các bằng chứng zero-knowledge đảm bảo tính chính xác mà không tiết lộ chi tiết giao dịch hoặc yêu cầu sự tin tưởng. Nếu bằng chứng được xác minh, các giao dịch chắc chắn là chính xác về mặt toán học.

Điều này mang đến tính thống nhất cuối cùng ngay lập tức—không cần chờ đợi thời gian tranh chấp. Khi bằng chứng được xác minh trên Layer 1, việc rút tiền có thể hoàn tất ngay lập tức. Nhưng việc tạo ra các bằng chứng zero-knowledge tốn nhiều tài nguyên tính toán và yêu cầu phần cứng chuyên dụng.

Rollups kế thừa bảo mật của Layer 1—các giao dịch được bảo vệ bởi mô hình bảo mật của Ethereum. Chi phí giao dịch giảm từ 10 đến 100 lần so với Layer 1, và thông lượng tăng lên tương tự. Người dùng có thể sử dụng các ví và công cụ quen thuộc.

Nhưng rollups cũng tăng độ phức tạp—tài sản phải được chuyển giữa các lớp, optimistic rollups có thời gian rút tiền chậm, và ZK rollups yêu cầu tạo bằng chứng tốn kém. Tất cả các rollups vẫn bị giới hạn bởi khả năng sẵn có của dữ liệu Layer 1.

Sidechains: tính bảo mật riêng

Sidechains là các blockchain riêng biệt với cơ chế đồng thuận riêng, được kết nối với chuỗi chính thông qua các cầu nối. Polygon PoS là sidechain Ethereum được sử dụng rộng rãi nhất.

Không giống như rollups, sidechains không kế thừa bảo mật của chuỗi chính. Chúng chịu trách nhiệm về bảo mật của riêng mình thông qua các bộ xác thực và cơ chế đồng thuận riêng.

Cách hoạt động của sidechains:

1. Khóa tài sản trên chuỗi chính

2. Tài sản tương ứng được tạo trên sidechain

3. Giao dịch tự do trên sidechain với các quy tắc và tốc độ riêng

4. Khi sẵn sàng, đốt tài sản trên sidechain

5. Mở khóa tài sản tương ứng trên chuỗi chính

Sidechains có thể tối ưu hóa cho các thỏa hiệp khác nhau so với chuỗi chính. Chúng có thể hy sinh tính phi tập trung để đạt thông lượng cao hơn, hoặc sử dụng các cơ chế đồng thuận khác phù hợp hơn với các ứng dụng cụ thể.

Sidechains có thể thay đổi bất cứ luật hoặc tham số nào mà không có sự ràng buộc của Layer 1, đạt được thông lượng rất cao vì chúng không bị giới hạn bởi khả năng sẵn có của dữ liệu Layer 1, và chi phí vận hành thấp hơn. Các nhà phát triển có thể thử nghiệm mà không ảnh hưởng đến chuỗi chính.

Nhưng sidechains có mô hình bảo mật riêng—chúng không được bảo vệ bởi chuỗi chính, và các cầu nối giữa các chuỗi là mục tiêu tấn công phổ biến. Sidechains thường có ít bộ xác thực hơn chuỗi chính, giảm tính bảo mật trong khi lại phân mảnh thanh khoản trên nhiều chuỗi.

Sharding: các chuỗi song song

Sharding chia blockchain thành nhiều chuỗi song song xử lý giao dịch cùng lúc. Thay vì một chuỗi xử lý tất cả các giao dịch, nhiều shard xử lý các tập hợp con của giao dịch song song.

Sharding là mở rộng theo chiều ngang—thay vì làm một chuỗi nhanh hơn, nó tạo ra nhiều chuỗi chạy song song.

Cách hoạt động của sharding:

1. Chia tài khoản và hợp đồng thành nhiều shard

2. Mỗi shard xử lý các giao dịch chỉ ảnh hưởng đến tài khoản của nó

3. Giao dịch giữa các shard yêu cầu sự phối hợp giữa các shard

4. Một beacon chain điều phối các shard và đảm bảo tính nhất quán

Nếu có 64 shard mỗi shard xử lý 15 giao dịch mỗi giây, tổng thông lượng đạt 960 giao dịch mỗi giây.

Sharding có những thách thức lớn. Giao tiếp giữa các shard phức tạp và chậm, và bảo mật trên mỗi shard giảm vì tập hợp các validator bị chia nhỏ. Trạng thái trở nên phân mảnh—bạn không thể dễ dàng truy vấn qua các shard—và thiết kế giao thức phức tạp hơn nhiều.

Ethereum đang triển khai sharding, nhưng việc triển khai đầy đủ sẽ mất nhiều năm và yêu cầu thay đổi cơ bản trong giao thức.

Các blockchain thay thế Layer 1

Các blockchain thay thế Layer 1 thiết kế lại toàn bộ kiến trúc từ những nguyên tắc cơ bản để đạt được các thỏa hiệp khác nhau trong trilemma. Solana, Sui, Aptos và Avalanche mỗi chuỗi đều có cách tiếp cận khác nhau để giải quyết vấn đề mở rộng.

Thay vì xây dựng trên mô hình thực thi tuần tự của Ethereum, các thay thế cho L1 thiết kế lại cơ chế đồng thuận, môi trường thực thi và cấu trúc dữ liệu để tối ưu hóa cho thông lượng cao hơn.

Các phương pháp phổ biến bao gồm thực thi song song, nơi các giao dịch độc lập được xử lý đồng thời sử dụng nhiều lõi CPU (điều này yêu cầu biết trước các giao dịch nào xung đột trước khi thực thi). Đồng thuận tối ưu sử dụng bằng chứng cổ phần với các tham số khác nhau—ít trình xác thực hơn, thời gian khối nhanh hơn, đảm bảo tính thống nhất cuối cùng khác nhau—đổi một phần tính phi tập trung để tăng tốc độ. Các máy ảo khác nhau thay thế EVM bằng các môi trường thực thi tối ưu hóa cho xử lý song song hoặc các trường hợp sử dụng cụ thể. Các cấu trúc dữ liệu mới thiết kế lại cách lưu trữ giao dịch và trạng thái để truy cập và sửa đổi nhanh hơn.

Các blockchain thay thế L1 có thể đạt được thông lượng cao hơn nhiều—từ 1.000 đến hơn 50.000 TPS—với chi phí giao dịch thấp hơn và thời gian xác nhận nhanh hơn. Nhiều chuỗi được xây dựng đặc biệt cho các trường hợp sử dụng cụ thể.

Nhưng các chuỗi này ít được kiểm chứng hơn so với Ethereum hoặc Bitcoin. Chúng thường có ít trình xác thực hơn, đánh đổi tính phi tập trung để tăng tốc độ, và hệ sinh thái của chúng nhỏ hơn với ít ứng dụng và công cụ hơn. Yêu cầu phần cứng cao hơn—xác thực tốn kém hơn—trong khi sức ảnh hưởng của mạng ủng hộ các chuỗi đã được thiết lập và làm cho các L1 mới khó thu hút người dùng và nhà phát triển hơn.

So sánh các giải pháp

Mỗi giải pháp mở rộng đều có những đánh đổi khác nhau:

Sử dụng Ethereum L1 để đảm bảo khả năng bảo mật tối đa cho các giao dịch có giá trị cao. Sử dụng optimistic rollups cho các ứng dụng đa năng cần bảo mật L1 với chi phí thấp hơn. Sử dụng ZK rollups cho các ứng dụng cần tính xác nhận ngay lập tức với bảo mật của L1. Sử dụng sidechains cho các trường hợp sử dụng chuyên biệt chấp nhận khả năng bảo mật riêng. Sharding là để mở rộng lâu dài cho các chuỗi đã được thiết lập nhưng vẫn đang được phát triển. Sử dụng các L1 thay thế cho các ứng dụng ưu tiên thông lượng và chi phí hơn tính phi tập trung tối đa.

Lựa chọn đúng phụ thuộc vào yêu cầu bảo mật, nhu cầu thông lượng, hạn chế chi phí và ưu tiên phi tập trung.

Con đường phía trước

Các Layer 2, sidechains, sharding, các thay thế cho L1—mỗi phương pháp đều có những đánh đổi khác nhau. Một số kế thừa bảo mật của Ethereum nhưng thêm độ phức tạp. Một số hy sinh tính phi tập trung để tăng tốc độ. Những phương pháp khác thiết kế lại toàn bộ kiến trúc từ những nguyên tắc cơ bản.

Solana tiếp cận thách thức mở rộng một cách khác biệt: sắp xếp mọi thứ trước bằng Bằng chứng lịch sử, sau đó thực hiện các giao dịch không xung đột một cách đồng thời.