Sharding là gì? Tổng quan về giải pháp mở rộng của Ethereum

1. Giao thức Sharding là gì?

Sharding là giải pháp nhằm tăng cường khả năng mở rộng của mạng lưới blockchain. Khái niệm này dựa trên việc chia mạng lưới thành các phần nhỏ hơn gọi là shard, mỗi shard có khả năng hoạt động như một mạng lưới con độc lập.

Mỗi shard có thể xử lý một phần của tất cả các giao dịch trên mạng lưới, giúp tăng cường hiệu suất và tốc độ xử lý. Thay vì phải chờ đợi sự xác nhận từ toàn bộ mạng lưới, các giao dịch có thể được xử lý một cách song song trên các shard khác nhau, làm giảm thời gian cần thiết cho việc xác nhận giao dịch.

Bằng cách này, Sharding không chỉ giúp cải thiện khả năng mở rộng của mạng lưới mà còn tạo ra một hệ thống blockchain linh hoạt và hiệu quả hơn, đồng thời tăng cường khả năng chống chịu tấn công và giảm bớt rủi ro mất mát dữ liệu.

2. Khả năng mở rộng của Blockchain

Trong khi các loại tiền mã hóa đang ngày càng được sử dụng nhiều hơn ở một số quốc gia nhất định, tốc độ xử lí giao dịch của chúng vẫn chưa đủ nhanh để được sử dụng trên quy mô lớn. Cụ thể Bitcoin, loại tiền mã hóa phổ biến nhất hiện nay chỉ có thể xử lý tối đa 7 giao dịch/ giây (tps) trong điều kiện tối ưu. Trong khi đó, con số này của PayPal và VISA lần lượt là 115 tps và 2000 tps, vượt hơn rất nhiều lần so với Bitcoin. Điều đó chỉ ra rằng, công nghệ Blockchain nếu muốn trở thành một cuộc cách mạng trong việc tái cơ cấu hệ thống tài chính thì nó phải chứng minh khả năng mở rộng và xử lý được số lượng giao dịch tối thiểu là bằng VISA hiện nay.

Blockchain Ethereum hiện đang thực hiện một số dự án như Plasma và Raiden nhằm mục đích gia tăng số lượng giao dịch xử lý ngang bằng VISA. Tuy nhiên những dự án này lại dự tính sử dụng các kênh ngoài chuỗi hoặc kênh phụ thay thế để mở rộng hệ thống Blockchain chính. Trong khi đó, đối với các nền tảng Blockchain khác thì tốc độ xử lý giao dịch phụ thuộc vào chức năng và giao thức chúng sử dụng. IOTA tại hiện có thể xử lý 500-800 tps, ngoài ra là Waves đã đạt đến vài trăm giao dịch mỗi giây và Ripple đã đạt trên 13 tps. NEO đang sử dụng công nghệ có tên là Delegated Byzantine Fault Tolerance và hiện tại có thể đạt đến 1000 tps.

Mới đây, một nền tảng Blockchain có tên là Zilliqa cho thấy khả năng xử lý 2488 tps bằng “phương pháp Sharding – một giao thức an toàn được xây dựng theo quy mô trong một mạng lưới phân tán mở và ít yêu cầu quyền truy cập, giúp duy trì khả năng phục hồi và bảo mật.”

Hãy tưởng tượng mình ngồi trong một khán phòng lớn và đang dự một kỳ thi với 500 người khác. Giả sử có 50 giám thị giám sát và chấm điểm các bài thi. Hãy tưởng tượng mỗi bài trong số 500 bài kiểm tra đó phải được tất cả 50 người giám thị chấm điểm và điểm thi của bạn được lấy trung bình cộng của các điểm số trên. Bạn có thể tưởng tượng phải mất bao lâu để chấm điểm tất cả các bài kiểm tra đó không? Cách chấm điểm như vậy không phải là phương pháp có thể mở rộng hoặc khả thi theo bất kỳ cách thức nào và nó chỉ khó khăn hơn khi số lượng học sinh làm bài kiểm tra tăng lên. Điều này tương tự như những thách thức mà Ethereum Blockchain phải đối mặt khi nó trở nên phổ biến và được sử dụng nhiều cho các giao dịch.

Bây giờ, hãy tưởng tượng rằng thay vì tất cả 50 giám thị đều phải chấm điểm 500 bài kiểm tra, công việc này hiện đã được chia thành nhiều phần. Mỗi giám thị chỉ chịu trách nhiệm chấm điểm cho 10 bài thi và điểm mà mỗi giám thị đánh giá là điểm cuối cùng dành cho các học sinh đó. Nếu giám thị không chắc chắn về cách chấm điểm cho một câu hỏi cụ thể, giám thị sẽ tham khảo ý kiến của các giám thị khác để biết thêm thông tin trước khi chấm điểm.

Tóm lại, đây là vấn đề hiện tại với blockchain Ethereum và cách Sharding có thể giải quyết vấn đề khả năng mở rộng để cho phép tăng tốc độ giao dịch và áp dụng rộng rãi hơn.

Chuỗi khối Ethereum hiện yêu cầu tất cả các nút trên mạng phải lưu trữ và xử lý tất cả các giao dịch diễn ra. Vấn đề với blockchain Ethereum là nó đòi hỏi tất cả các nút phải hoạt động đầy đủ. Mặc dù quá trình này đảm bảo tính bảo mật cao hơn, nhưng đây là một phương pháp rất chuyên sâu và không thể mở rộng khi cộng đồng Ethereum đang phát triển. Số lượng các nút càng lớn thì blockchain càng chậm và càng ít khả năng mở rộng.

Hiện tại, blockchain Ethereum phải chọn để đáp ứng hai trong số ba thuộc tính dưới đây:

Tính bảo mật
Khả năng mở rộng
Khả năng phân cấp

3. Cơ chế hoạt động của Sharding

Sharding hoạt động bằng cách chia mạng lưới blockchain thành các phần nhỏ gọi là shard. Mỗi shard tương tự như một phần của mạng lưới độc lập, có khả năng xử lý các giao dịch riêng biệt mà không cần phải phụ thuộc vào các shard khác.

Khi một giao dịch mới được tạo ra trên mạng lưới, hệ thống sẽ phân loại nó và gửi tới shard tương ứng để xử lý. Các shard hoạt động song song và độc lập với nhau, cho phép nhiều giao dịch có thể được xử lý cùng một lúc.

Sau khi giao dịch được xác nhận trên shard của mình, thông tin về giao dịch sẽ được đồng bộ hóa và kết hợp với các block khác trên mạng lưới. Quá trình này giúp giảm độ trễ và tăng cường hiệu suất của mạng lưới blockchain.

Tóm lại, sharding giúp tăng cường khả năng mở rộng và hiệu suất của blockchain bằng cách chia mạng lưới thành các phần nhỏ, từ đó tối ưu hóa quá trình xử lý giao dịch và giảm độ trễ.

4. Ứng dụng của Sharding trong Blockchain Layer 2

Trong lớp 2 của blockchain, sharding mang lại nhiều lợi ích đáng kể cho hệ sinh thái blockchain, bao gồm:

Tăng tốc độ xử lý: Sharding cho phép mạng lưới xử lý nhiều giao dịch cùng một lúc bằng cách chia thành các shard độc lập. Điều này giúp tăng tốc độ xử lý và giảm độ trễ trong quá trình xác nhận giao dịch.
Giảm chi phí giao dịch: Nhờ vào khả năng xử lý song song trên các shard, sharding giúp giảm chi phí giao dịch bằng cách tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên mạng lưới.
Nâng cao khả năng mở rộng: Bằng cách chia mạng lưới thành các phần nhỏ, sharding tạo điều kiện cho việc mở rộng mạng lưới một cách linh hoạt và hiệu quả. Điều này đặc biệt quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng blockchain với lượng giao dịch lớn.
Cải thiện hiệu suất tổng thể: Sharding giúp cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống blockchain bằng cách tăng cường khả năng xử lý và giảm độ trễ, từ đó tạo ra một trải nghiệm người dùng tốt hơn và tăng cường sự tin cậy vào hệ thống.

5. Ưu điểm và nhược điểm của Sharding trong Blockchain Layer 2

4.1. Ưu điểm

Tăng tốc độ xử lý: Bằng cách chia mạng lưới thành các shard độc lập, sharding giúp tăng cường khả năng xử lý của blockchain. Điều này dẫn đến việc cải thiện tốc độ xử lý giao dịch và giảm độ trễ trong quá trình xác nhận giao dịch.
Giảm Chi Phí Giao Dịch: Sharding giúp tối ưu hóa sử dụng tài nguyên mạng lưới, từ đó giảm chi phí giao dịch cho người dùng. Việc xử lý song song trên các shard cũng giúp giảm thiểu các chi phí liên quan đến mạng lưới.
Nâng Cao Khả Năng Mở Rộng: Bằng cách chia mạng lưới thành các phần nhỏ, sharding tạo điều kiện cho việc mở rộng mạng lưới một cách linh hoạt và hiệu quả. Điều này rất quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng blockchain với lượng giao dịch lớn.
Cải Thiện Hiệu Suất Tổng Thể: Sharding giúp cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống blockchain bằng cách tăng cường khả năng xử lý và giảm độ trễ. Điều này tạo ra một trải nghiệm người dùng tốt hơn và tăng cường sự tin cậy vào hệ thống.

4.2. Nhược điểm

Phức tạp trong triển khai: Việc phân chia mạng lưới thành các shard độc lập và đảm bảo tính đồng nhất của dữ liệu giữa chúng có thể gặp phải nhiều thách thức kỹ thuật.
Rủi ro bảo mật: Một cuộc tấn công nhắm vào một shard có thể ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống nếu không được xử lý cẩn thận.
Khả năng tương thích: Sự tương thích giữa các shard khác nhau có thể là một thách thức, đặc biệt khi có sự phân tách lớn về dữ liệu hoặc giao thức. Việc đảm bảo tính nhất quán và tương thích giữa các shard là một vấn đề cần được giải quyết.
Quản lý tài nguyên: Quản lý tài nguyên giữa các shard có thể phức tạp và đòi hỏi các giải pháp quản lý tài nguyên thông minh để đảm bảo sự cân bằng và công bằng. Việc quản lý tài nguyên không hiệu quả có thể dẫn đến hiệu suất kém và không công bằng trong mạng lưới.

Cùng với Sharding, có nhiều phương pháp và giải pháp khác được áp dụng cho Layer-2. Những giải pháp này chủ yếu tập trung vào xử lý các giao dịch ngoài chuỗi, hoạt động độc lập với cơ sở hạ tầng của mạng lưới nhưng vẫn áp dụng mô hình bảo mật phi tập trung của Blockchain. Các giải pháp này bao gồm State Channels và Rollups; cũng như các cơ chế bảo mật riêng biệt với mạng lưới cơ sở như Plasma và Sidechain.

5. Tại sao Proof-of-Stake cần thiết cho sharding?

Bởi PoW dựa vào năng lượng hash, và cần phải có một cách để ngăn cản kẻ xấu thao túng mạng lưới với phần lớn năng lượng hash, xét đến việc dữ liệu giao dịch hiện đang ở dạng shard hoặc mảnh nhỏ hơn. Hay chúng ta cũng có thể hiểu là khả năng bị tấn công sẽ tăng lên khi năng lượng hash cho một phân đoạn nhất định thấp hơn đáng kể so với năng lượng cần thiết để cung cấp cho toàn bộ mạng.

Đây là thời điểm để Proof-of-Stake chứng minh tầm quan trọng trong việc đảm bảo một EVM hoàn chỉnh an toàn, phân cấp và có thể mở rộng. PoS sẽ cho phép Ethereum loại bỏ khả năng tập trung năng lượng hash của một kẻ tấn công vào một shard duy nhất, thông qua việc sử dụng mẫu ngẫu nhiên hiệu quả. Một hệ thống dựa trên Proof-of-Stake sẽ loại bỏ lỗ hổng bảo mật ‘51% Attack’, rủi ro này có thể xảy ra nếu Sharding được thực hiện trong một hệ thống dựa trên Proof-of-Work.

Đọc thêm: