Sự phát triển của Blockchain

Bây giờ bạn đã hiểu cách các cơ chế đồng thuận và mật mã học nguyên thủy hoạt động, hãy khám phá cách những khái niệm này phát triển từ việc chuyển giá trị đơn giản của Bitcoin đến các nền tảng blockchain có thể lập trình ngày nay.

Mỗi blockchain chính đại diện cho các quyết định kỹ thuật và đánh đổi khác nhau, được định hình bởi các ràng buộc cơ bản mà chúng ta đã học.

Bitcoin

Bitcoin không được thiết kế để trở thành một máy tính đa mục đích; nó được xây dựng để giải quyết một vấn đề cụ thể: tạo ra tiền kỹ thuật số hoạt động mà không cần ngân hàng hoặc chính phủ. Mọi quyết định thiết kế trong Bitcoin đều phản ánh trọng tâm duy nhất này.

Đồng thuận

Bitcoin sử dụng triển khai Proof of Work gốc mà Satoshi đã thiết kế. Thợ mỏ cạnh tranh để tìm một nonce (số ngẫu nhiên) mà khi được băm với dữ liệu khối, tạo ra một hash bắt đầu bằng một số lượng số rezo cụ thể.

Mạng tự động điều chỉnh độ khó mỗi 2,016 khối (khoảng hai tuần) để duy trì thời gian khối trung bình là 10 phút.

Thời gian này không phải là tùy ý. Các khối nhanh hơn sẽ gây ra sự phân tách mạng nơi thợ mỏ làm việc trên các phiên bản blockchain khác nhau. Các khối chậm hơn sẽ làm cho giao dịch chậm một cách đau đớn.

Mô hình UTXO

Bitcoin không theo dõi số dư tài khoản như ngân hàng làm. Thay vào đó, nó theo dõi từng "đồng tiền" riêng lẻ bằng cách sử dụng UTXO (Unspent Transaction Outputs), hoạt động tương tự như tiền mặt vật lý.

Hãy tưởng tượng bạn có ba tờ 20 đô la trong ví và muốn mua thứ gì đó có giá 35 đô la. Bạn không thể chia một tờ 20 đô la, vì vậy bạn đưa cho thu ngân hai tờ (40 đô la) và nhận lại 5 đô la tiền thối. Bitcoin hoạt động hoàn toàn giống như vậy:

Giả sử Alice đã nhận bitcoin trong ba giao dịch riêng biệt:

• UTXO #1: 0.5 BTC (từ Bob)
• UTXO #2: 0.3 BTC (từ Carol)
• UTXO #3: 0.8 BTC (từ Dave)

"Số dư" của Alice là 1.6 BTC, nhưng không có tài khoản đơn lẻ nào lưu trữ con số này. Thay vào đó, blockchain ghi lại ba UTXO riêng biệt mà Alice có thể chi tiêu.

Khi Alice muốn gửi 1.0 BTC cho Eve, cô ấy phải:

• Chọn các UTXO có tổng ít nhất 1.0 BTC (cô ấy chọn UTXO #1 và #3, tổng cộng 1.3 BTC)
• Tạo một giao dịch nơi cô ấy gửi 1.0 BTC cho Eve và 0.3 BTC trở lại cho chính mình như tiền thối
• Ký giao dịch bằng private key của mình để chứng minh cô ấy sở hữu các UTXO đầu vào

Giao dịch tiêu thụ UTXO #1 và #3 (bây giờ chúng đã "được chi tiêu") và tạo ra hai UTXO mới: một cho Eve và một UTXO tiền thối cho Alice.

Mô hình này cho phép các tính năng mạnh mẽ:

• Xử lý Song song: Vì mỗi UTXO chỉ có thể được chi tiêu một lần, các giao dịch sử dụng UTXO khác nhau không xung đột. Thợ mỏ có thể xác thực hàng nghìn giao dịch đồng thời mà không lo lắng về chi tiêu kép, miễn là mỗi giao dịch tham chiếu đến UTXO khác nhau.
• Quyền riêng tư: Không có tài khoản toàn cầu nào tiết lộ tổng số dư của bạn. Bitcoin của bạn được phân tán trên nhiều UTXO, khiến người quan sát khó xác định tổng tài sản của bạn. Mỗi UTXO có thể được liên kết với một địa chỉ khác nhau, che khuất thêm các mẫu sở hữu.
• Xác minh Đơn giản: Mỗi giao dịch có thể được xác minh độc lập bằng cách kiểm tra rằng các UTXO đầu vào tồn tại và chưa được chi tiêu, và các chữ ký số hợp lệ. Bạn không cần duy trì trạng thái tài khoản phức tạp hoặc lo lắng về thứ tự giao dịch ảnh hưởng đến số dư.
• Thao tác Nguyên tử: Hoặc một giao dịch thành công hoàn toàn (tiêu thụ tất cả đầu vào và tạo tất cả đầu ra) hoặc thất bại hoàn toàn. Không có rủi ro trạng thái một phần nơi một số tiền bị khấu trừ nhưng không được chuyển.

Ethereum

Trong khi Bitcoin giải quyết thanh toán kỹ thuật số, Vitalik Buterin nhận ra một cơ hội lớn hơn: điều gì sẽ xảy ra nếu blockchain có thể chạy bất kỳ chương trình nào, không chỉ chuyển tiền? Tầm nhìn này dẫn đến Ethereum: máy tính blockchain đa mục đích đầu tiên.

Mô hình UTXO của Bitcoin hoạt động hoàn hảo cho thanh toán nhưng trở nên cồng kềnh cho các ứng dụng phức tạp cần trạng thái bền vững, logic phức tạp và khả năng kết hợp giữa các chương trình khác nhau.

Đồng thuận

Ethereum ban đầu sử dụng Proof of Work nhưng đã chuyển sang Proof of Stake vào năm 2022 thông qua "The Merge." Quá trình chuyển đổi này duy trì bảo mật trong khi đạt được những lợi ích quan trọng:

• Tính thống nhất cuối cùng về mặt toán học: Sau khoảng 13 phút, các giao dịch trở nên không thể đảo ngược về mặt toán học
• Hiệu quả về mặt năng lượng: Không còn tiêu thụ điện năng khổng lồ
• Có khả năng nâng cấp trong tương lai: Proof of Stake cho phép sharding: chia mạng thành các chuỗi song song để có thông lượng cao hơn

Mô hình Account

Ethereum thay thế hệ thống UTXO của Bitcoin bằng số dư dựa trên tài khoản quen thuộc, cho phép:

• Smart Contract: Các chương trình sống trên blockchain và duy trì trạng thái riêng của chúng
• External Account: Các tài khoản do người dùng kiểm soát như địa chỉ Bitcoin
• Lời gọi Inter-Contract: Smart contract có thể tương tác với nhau một cách liền mạch

Trong Ethereum, có hai loại tài khoản:

• Externally Owned Account (EOA): Được kiểm soát bởi người dùng với private key, tương tự như địa chỉ Bitcoin. Chúng có số dư và có thể gửi giao dịch.
• Contract Account: Được kiểm soát bởi code, không có private key. Chúng có số dư VÀ lưu trữ code có thể thực thi cộng với dữ liệu bền vững.

Vì lý do này, trên Ethereum, smart contract là các chương trình tự động sống trên blockchain, duy trì trạng thái riêng của chúng và có thể được gọi bởi các tài khoản khác.

Mô hình tài khoản này đảm bảo sự bền vững cho dữ liệu trạng thái tồn tại qua các giao dịch. Một smart contract có thể nhớ thông tin từ các tương tác trước đó, duy trì cấu trúc dữ liệu phức tạp và phát triển theo thời gian.

Điều này làm cho các ứng dụng như giao thức cho vay, hệ thống quản trị và các công cụ tài chính phức tạp trở nên khả thi.

Tất cả điều này có thể nhờ Ethereum Virtual Machine (EVM), chạy trên mọi node và làm cho blockchain có thể lập trình. Nó định nghĩa những chương trình nào có thể chạy, cách chúng thực thi và tài nguyên nào chúng tiêu thụ.

Solana

Ethereum chứng minh rằng blockchain có thể hỗ trợ tính toán đa mục đích, nhưng thành công này tiết lộ các ràng buộc về khả năng mở rộng. Khi các ứng dụng phi tập trung được áp dụng rộng rãi, tắc nghẽn mạng dẫn đến phí giao dịch cao và thời gian xác nhận chậm hơn.

Những hạn chế này xuất phát từ các quyết định kiến trúc cơ bản trong thiết kế của Ethereum, mà Solana cố gắng giải quyết thông qua các đổi mới kiến trúc bằng cách thiết kế lại các thành phần blockchain cốt lõi từ các nguyên tắc đầu tiên.

Đồng thuận

Solana sử dụng Proof of Stake nhưng thêm một đổi mới quan trọng: Proof of History. Thay vì chờ đợi sự đồng thuận về thời điểm các sự kiện xảy ra, Solana tạo ra một đồng hồ mật mã đánh dấu thời gian tất cả các giao dịch trước khi đồng thuận, cho phép các validator xử lý giao dịch song song vì họ đã biết thứ tự đúng.

Việc sắp xếp thời gian này cho phép đồng thuận nhanh hơn nhiều: Solana tạo ra các khối mỗi 400 mili giây so với 12 giây của Ethereum.

Solana Virtual Machine

EVM xử lý giao dịch tuần tự vì smart contract chia sẻ trạng thái toàn cầu: khi một contract sửa đổi dữ liệu chung, tất cả các giao dịch khác phải chờ. Điều này tạo ra nút thắt khi việc sử dụng mạng tăng lên.

Solana suy nghĩ lại kiến trúc này một cách cơ bản:

• Chương trình Stateless: Không giống như Ethereum nơi smart contract lưu trữ dữ liệu bên trong, các chương trình Solana là stateless. Tất cả dữ liệu sống trong các tài khoản riêng biệt mà các chương trình đọc từ và ghi vào. Sự tách biệt này cho phép xử lý song song vì các chương trình không cạnh tranh cho trạng thái chung.
• Song song hóa Giao dịch: Các giao dịch Solana phải khai báo trước những tài khoản nào chúng sẽ đọc và sửa đổi. Runtime sau đó có thể thực thi các giao dịch không xung đột đồng thời trên nhiều lõi CPU. Nếu Giao dịch A sửa đổi Tài khoản X và Giao dịch B sửa đổi Tài khoản Y, chúng có thể chạy song song.
• Thực thi Tối ưu: SVM sử dụng kiến trúc dựa trên register thay vì cách tiếp cận dựa trên stack của EVM, giảm overhead của việc di chuyển dữ liệu trong quá trình tính toán. Các chương trình biên dịch thành native machine code thay vì bytecode, loại bỏ overhead diễn giải.
• Chi phí Có thể Dự đoán: Thay vì giá gas cố định của Ethereum được xác định từ nhiều năm trước, Solana sử dụng thị trường phí động nơi chi phí giao dịch phản ánh nhu cầu mạng thực tế và tài nguyên tính toán được tiêu thụ.

Kết quả là Solana có thể xử lý hơn 5,000 giao dịch mỗi giây (TPS) so với 15 TPS của Ethereum, trong khi duy trì tính thống nhất cuối cùng dưới một giây và phi tập trung. Hiệu suất này đến từ các quyết định kiến trúc ưu tiên thực thi song song hơn mô hình xử lý tuần tự được kế thừa từ tính toán đơn luồng.