Bitcoin hệ thống kiến thức cơ bản về mạng lớp hai

Sự trỗi dậy của ký tự Bitcoin đã mang lại sức sống mới cho hệ sinh thái Bitcoin, khiến nhiều người quay lại chú ý đến Bitcoin, và cũng có người cho rằng điều này đã mở ra chiếc hộp Pandora của hệ sinh thái Bitcoin. Trong nhiều phát triển công nghệ của hệ sinh thái Bitcoin, việc xây dựng lớp hai là rất quan trọng. Bài viết này dựa trên những bài viết nổi tiếng trên mạng, các cuộc trao đổi với các chuyên gia trong ngành, cũng như những trải nghiệm của nhóm trong thiết kế và phát triển sản phẩm Web3, tổng hợp những kiến thức cơ bản về lớp hai của Bitcoin. Hy vọng có thể khơi gợi ý tưởng, thu hút thêm nhiều người hoàn thiện các ý tưởng liên quan, thúc đẩy sự phát triển của lĩnh vực này.

Thế giới blockchain bắt đầu với Bitcoin và kết thúc với hệ sinh thái Bitcoin. Ethereum cũng có thể được coi là một khám phá công nghệ sidechain của Bitcoin.

Trong bài viết này, "xây dựng lớp hai" và "xây dựng mạng lớp hai" có nghĩa tương tự nhau, trong đó xây dựng lớp hai là một khái niệm rộng hơn. Để giữ cho đồng nhất với cách nói thường dùng trong ngành, bài viết cũng sẽ sử dụng cụm từ "xây dựng mạng lớp hai".

1. Sứ mệnh của Layer2

Để hiểu những vấn đề cơ bản cần giải quyết trong việc xây dựng lớp hai của Bitcoin, trước tiên chúng ta hãy nói về các đặc điểm cơ bản của hệ thống blockchain.

1.1 Các đặc tính cơ bản và nhu cầu của blockchain

Chúng tôi mượn khái niệm mà Vitalik đã đề xuất: Blockchain là một "máy tính thế giới". Hiểu blockchain từ góc độ này sẽ rõ ràng hơn về nhiều đặc tính của nó. Dưới đây là một số đặc tính cơ bản được tóm tắt:

Công khai và minh bạch: Đây là đặc điểm lưu trữ dữ liệu và thực hiện chỉ thị của "máy tính thế giới" blockchain, cũng là đặc điểm nội tại yêu cầu sự tham gia tính toán của nhiều nút phân tán toàn cầu. Đặc điểm này đáp ứng quyền biết dữ liệu của người sử dụng, là kết quả chung giữa yêu cầu hợp tác nội bộ của "máy tính thế giới" và nhu cầu bên ngoài của người sử dụng.

Phi tập trung: Đây là đặc điểm cấu trúc của "máy tính thế giới" này, mức độ phi tập trung và khả năng chịu lỗi về lý thuyết đều dựa trên lý thuyết tướng Byzantine. Mức độ phi tập trung là một chỉ số quan trọng về độ an toàn của blockchain, cũng là nền tảng của một số đặc điểm.

An toàn: An toàn được tạo thành từ nhu cầu nội tại do đặc điểm kiến trúc của "máy tính thế giới" và nhu cầu bên ngoài của người sử dụng. Ở cấp độ vi mô, an toàn được đảm bảo bởi các công nghệ liên quan đến mật mã, ở cấp độ vĩ mô được đảm bảo bởi tính phi tập trung của kiến trúc, do đó không bị ảnh hưởng bởi việc giả mạo dữ liệu vi mô hoặc sự phá hoại kiến trúc vĩ mô mà ảnh hưởng đến an toàn của "máy tính thế giới".

Khả năng tính toán: Một chức năng chính của máy tính thế giới blockchain là khả năng tính toán. Để đo lường chỉ số này, thường được xem xét liệu nó có hoàn chỉnh Turing hay không. Một số chuỗi được thiết kế cố ý không hoàn chỉnh Turing để duy trì các đặc điểm chính của nó. Ví dụ, trong mạng Bitcoin, Satoshi Nakamoto không chỉ làm cho mã lệnh của nó không hoàn chỉnh Turing, mà còn cố ý cắt giảm một số tập lệnh trong quá trình phát triển, nhằm duy trì tính ổn định và an toàn. Tất cả các công nghệ hoàn chỉnh Turing đều nhằm mở rộng khả năng tính toán của blockchain. Từ góc độ thiết kế phân lớp, các hệ thống đơn giản hơn phù hợp hơn để làm nền tảng.

Hiệu suất: Trong trường hợp có cùng khả năng tính toán, hiệu suất là một khả năng chính khác để xem xét máy tính trong thế giới blockchain này. Thường được đo bằng TPS, tức là số lượng giao dịch được xử lý mỗi giây.

Lưu trữ: Blockchain được mô tả là "máy tính thế giới", vì vậy nó chắc chắn phải có một chức năng lưu trữ, đó là khả năng ghi lại dữ liệu. Hiện tại, hầu hết đều lưu trữ trong khối, còn lưu trữ trên chuỗi ngoài khối chuyên nghiệp hơn vẫn đang trong quá trình phát triển.

Quyền riêng tư: Quyền riêng tư là một yêu cầu phân khúc trong "máy tính toàn cầu", tức là yêu cầu giữ nguyên phạm vi quyền hạn của nhà sản xuất và người sử dụng dữ liệu trong quá trình tính toán và lưu trữ. Điều này chủ yếu được thúc đẩy bởi nhu cầu bên ngoài của người sử dụng.

Còn một chỉ số tổng hợp về khả năng mở rộng, thường chỉ khả năng mở rộng của toàn bộ kiến trúc, đặc điểm này ảnh hưởng đến hầu hết các đặc điểm cơ bản, ở cấp độ kiến trúc, khả năng mở rộng của hệ thống là một chỉ số rất quan trọng.

Trong những đặc tính cơ bản của các blockchain này, hầu hết bị hạn chế bởi tam giác bất khả thi trong mối quan hệ phát triển lẫn nhau. Ví dụ, giả thuyết DSS tức là phi tập trung, tính bảo mật và khả năng mở rộng.

Trong hệ thống phân tán, tam giác không thể xảy ra tương tự là nguyên tắc CAP, đề cập đến việc trong một hệ thống phân tán, tính nhất quán, khả năng sử dụng và khả năng chịu lỗi phân vùng không thể đạt được đồng thời. Hệ thống blockchain là một hệ thống phân tán có vấn đề tướng Byzantine, do đó cũng áp dụng cho nguyên tắc CAP.

1.2 Vai trò của việc xây dựng lớp thứ hai

Xây dựng lớp hai cần hoàn thành những vai trò nào? Cung cấp những chức năng gì? Xây dựng lớp hai nhất định phải mở rộng những thiếu sót của hệ thống lớp một, và những việc không phù hợp để hoàn thành trên hệ thống lớp một sẽ được thực hiện trên việc xây dựng lớp hai.

Từ những đặc điểm của blockchain đã được tóm tắt ở trên, có thể rút ra một kết luận sơ bộ rằng nhất định phải mở rộng những khả năng cơ bản này: công khai minh bạch, phi tập trung, an toàn, khả năng tính toán, hiệu suất, lưu trữ, quyền riêng tư, v.v. Ngoài những khả năng cơ bản về mặt kỹ thuật này, còn có một vấn đề kinh tế rất quan trọng cần giải quyết, đó là giảm chi phí, thường thì chi phí tổng hợp để thực hiện giao dịch trên một lớp mạng thường khá cao, cần sử dụng mạng lớp hai để giảm những chi phí này.

Tóm lại, để tăng dung lượng, giảm chi phí và tùy chỉnh các đặc tính, tất cả các giải pháp đều là xây dựng lớp hai. Đối với các đặc tính tùy chỉnh, hiện tại vẫn chưa rõ ràng, hoặc thường bị ẩn trong hai đặc tính trước đó, có một số điều khó hiểu. Chúng ta có thể hiểu rằng, các đặc tính của mạng lớp một cần mức độ khác nhau cho nhiều ứng dụng, có thể điều chỉnh lại mức độ thực hiện của các đặc tính khác nhau trên lớp hai cho một số ứng dụng.

Trong việc xây dựng lớp hai, khả năng cơ bản của blockchain sẽ có những lựa chọn khác nhau, sẽ giảm bớt một số đặc tính, thậm chí loại bỏ một số đặc tính, để đổi lấy sự cải thiện rõ rệt của một số đặc tính. Ví dụ: một số lớp hai để cải thiện hiệu suất sẽ giảm mức độ phi tập trung, sẽ giảm độ an toàn; một số lớp hai để tăng thông lượng, như mạng Lightning, sẽ thay đổi cấu trúc của hệ thống và cách thức thanh toán. Cũng có một số sẽ không giảm bớt các đặc tính cơ bản mà tăng cường một đặc tính nào đó, chẳng hạn như cách xử lý RGB, rõ ràng đã tăng cường tính riêng tư và khả năng chống kiểm duyệt, nhưng tăng độ khó trong việc thực hiện kỹ thuật.

Giảm chi phí nên là một yêu cầu cơ bản trong tất cả các xây dựng lớp hai.

1.3 Tại sao cần thiết phải thực hiện thiết kế phân lớp?

Thiết kế phân lớp là một phương pháp và lý thuyết mà con người sử dụng để xử lý các hệ thống phức tạp, thông qua việc chia nhỏ hệ thống thành nhiều cấu trúc lớp khác nhau và xác định mối quan hệ cũng như chức năng giữa các lớp, nhằm đạt được tính mô-đun, khả năng bảo trì và khả năng mở rộng của hệ thống, từ đó nâng cao hiệu quả và độ tin cậy trong thiết kế hệ thống.

Đối với một hệ thống giao thức rộng lớn và phức tạp, việc sử dụng phân tầng sẽ có những lợi ích rõ ràng. Việc này giúp mọi người dễ hiểu, dễ phân công thực hiện và dễ dàng cải tiến từng mô-đun. Giống như thiết kế mô hình bảy lớp ISO/OSI trong mạng máy tính, nhưng trong thực tế, có thể hợp nhất một số lớp, chẳng hạn như giao thức mạng cụ thể TCP/IP là giao thức bốn lớp.

Cụ thể nói về những ưu điểm của việc phân lớp giao thức:

1.Các tầng là độc lập với nhau. Một tầng không cần biết tầng tiếp theo được thực hiện như thế nào, mà chỉ cần biết tầng đó cung cấp dịch vụ qua giao diện giữa các tầng. Như vậy, độ phức tạp của toàn bộ vấn đề giảm đi. Nói cách khác, cách thức làm việc của tầng trước không ảnh hưởng đến công việc của tầng tiếp theo, vì vậy khi thiết kế công việc của mỗi tầng, chỉ cần đảm bảo giao diện không thay đổi, có thể điều chỉnh cách thức làm việc trong tầng một cách tự do.

2. Tính linh hoạt tốt. Khi bất kỳ một lớp nào thay đổi, chỉ cần mối quan hệ giữa các lớp giữ nguyên thì các lớp ở trên hoặc dưới lớp đó đều không bị ảnh hưởng. Khi một lớp xuất hiện đổi mới công nghệ hoặc một lớp gặp vấn đề trong công việc, sẽ không ảnh hưởng đến công việc của các lớp khác, khi loại bỏ vấn đề cũng chỉ cần xem xét vấn đề riêng của lớp đó.

3. Cấu trúc có thể tách rời. Mỗi tầng có thể áp dụng công nghệ phù hợp nhất để thực hiện. Sự phát triển công nghệ thường không đối xứng, việc phân chia theo cấp độ hiệu quả tránh được hiệu ứng thùng gỗ, sẽ không bị ảnh hưởng bởi sự không hoàn thiện của một khía cạnh công nghệ nào đó đến hiệu quả công việc tổng thể.

4. Dễ dàng thực hiện và duy trì. Cấu trúc này làm cho việc triển khai và gỡ lỗi một hệ thống lớn và phức tạp trở nên dễ dàng hơn, vì toàn bộ hệ thống đã được chia thành nhiều hệ thống con tương đối độc lập. Khi tiến hành gỡ lỗi và bảo trì, có thể gỡ lỗi riêng từng lớp, tránh tình trạng không tìm thấy hoặc giải quyết sai vấn đề.

5.Có thể thúc đẩy công việc tiêu chuẩn hóa. Bởi vì chức năng của mỗi lớp và các dịch vụ mà nó cung cấp đã được mô tả chính xác. Lợi ích của việc tiêu chuẩn hóa là có thể thay thế một lớp nào đó một cách tùy ý, rất thuận tiện cho việc sử dụng và nghiên cứu.

Ý tưởng thiết kế phân lớp mô-đun là phương pháp xử lý phổ biến trong lĩnh vực kỹ thuật đối với một chức năng lớn, cần nhiều người hợp tác và liên tục cải tiến dự án kỹ thuật, và đây là phương pháp đã được kiểm nghiệm qua thực tiễn và hiệu quả.

2. Một số ý tưởng xây dựng Layer2 của Bitcoin

Bitcoin có ba lộ trình xây dựng nổi bật cho lớp thứ hai:

(1)Lộ trình mở rộng dựa trên chuỗi, rất giống với lớp hai của EVM, là cấu trúc blockchain;

(2)Dựa trên lộ trình phân tán, với mạng lưới ánh sáng làm đại diện, là cấu trúc phân tán.

(3)Dựa trên hệ thống tập trung, với chỉ mục tập trung làm đại diện, là cấu trúc tập trung.

Hai cách đầu tiên đều có những đặc điểm riêng, đã có một số sản phẩm đang sử dụng và những sản phẩm đang được khám phá. Đối với cách đầu tiên, nhờ vào sự phát triển mạnh mẽ của Ethereum và những cuộc khám phá về các chuỗi mô phỏng Bitcoin khác, việc mở rộng lớp thứ hai dựa trên chuỗi tương đối dễ dàng hơn, có nhiều trường hợp tham khảo hơn. Cách thứ hai dựa trên phân tán thường khó khăn hơn, phát triển chậm hơn một chút, điển hình là mạng Lightning. Cách thứ ba rất gây tranh cãi, vì nó không giống như một sự xây dựng lớp thứ hai, nhưng dường như lại hoàn thành chức năng của một sự xây dựng lớp thứ hai.

Giải pháp xây dựng lớp hai nào tốt hơn? Chúng ta sử dụng kết quả kiểm tra thị trường làm tiêu chuẩn đo lường, mạng lớp hai nào có tổng giá trị khóa (TVL) cao hơn, thì đó là giải pháp tối ưu. Theo thời gian và sự phát triển của công nghệ, giải pháp tối ưu này sẽ là một quá trình biến đổi.

Đối với định nghĩa mạng lớp hai của Bitcoin, chỉ cần dựa vào mạng Bitcoin, và thiết lập mối liên hệ kỹ thuật với mạng Bitcoin, một số đặc tính lại vượt trội hơn mạng lớp một của Bitcoin, đều được coi là xây dựng mạng lớp hai của Bitcoin. Nói cách khác: chỉ cần tiêu tốn BTC làm gas, với BTC là tài sản nền tảng, mở rộng hiệu suất của Bitcoin thì hệ thống đó đều được coi là xây dựng lớp hai. Dựa trên đánh giá này, chúng ta nên chấp nhận loại xây dựng mạng lớp hai thứ ba, tức là xây dựng lớp hai có cấu trúc tập trung.

Sự phát triển công nghệ của Bitcoin, như việc sửa đổi OP_RETURN, Taproot, chữ ký Schnorr, MAST, Tapscript, nên được thiết kế để kết nối lớp một và lớp hai, không nên sử dụng quá nhiều công nghệ này để phát triển tính năng, vì mạng lớp một dù có mở rộng đến đâu cũng sẽ không có sự đột phá chất lượng, mà phải tiến hành xây dựng lớp hai. Nhưng trong trường hợp không có sản phẩm lớp hai Bitcoin tốt hơn, những khả năng công nghệ kết nối lớp một và lớp hai này sẽ bị sử dụng quá mức trong một khoảng thời gian.

2.1 Xây dựng lớp thứ hai dựa trên chuỗi

Các chuỗi mô phỏng Bitcoin ban đầu đã thực hiện nhiều khám phá, như "Colorcoin", "CovertCoins" và "MasterCoin"; các chuỗi mô phỏng Bitcoin mở rộng khác nhau, như BCH, BSV, BTG; các công nghệ sidechain khác nhau đều dựa trên các trường hợp xây dựng mở rộng chuỗi, có thể nói đây là một dạng lớp hai theo nghĩa rộng.

Bao gồm Ethereum, cũng là một cuộc khám phá cải tiến dựa trên Bitcoin. Vitalik trong trường hợp không thuyết phục được các nhóm dự án khác, đã tự thành lập đội ngũ để phát hành sách trắng, phát triển hệ thống blockchain thế hệ mới nhằm giải quyết những vấn đề không hoàn hảo của Bitcoin: hệ thống không tài khoản UTXO, ngôn ngữ thực thi không đủ Turing hoàn chỉnh, khả năng mở rộng kém, và những vấn đề khác. Cuộc khám phá này của Ethereum mặc dù không phải là một xây dựng lớp hai trực tiếp trên Bitcoin, nhưng từ góc độ rộng lớn hơn, đó là một cuộc khám phá xây dựng dựa trên chuỗi.

Khám phá cải tiến không hoàn hảo của Ethereum so với Bitcoin, cũng như sự phát triển và xác thực của các lớp hai trên Ethereum, đã cung cấp các trường hợp tham khảo cho sự phát triển mạng lớp hai dựa trên chuỗi của Bitcoin. Nhiều giải pháp Rollup khác nhau, giải pháp cross-chain, công nghệ kênh tin nhắn, cũng như công nghệ phân mảnh của chính Ethereum,