Kiến thức cơ bản về mạng lớp hai của Bitcoin

Sự trỗi dậy của các ký tự trên Bitcoin đã thổi vào hệ sinh thái Bitcoin một sinh khí mới, khiến nhiều người quay lại quan tâm đến Bitcoin. Có quan điểm cho rằng, điều này đã mở ra hộp Pandora của hệ sinh thái Bitcoin. Trong nhiều phát triển công nghệ của hệ sinh thái Bitcoin, việc xây dựng lớp thứ hai là vô cùng quan trọng. Bài viết này dựa trên một số bài viết nổi tiếng, trao đổi với nhiều chuyên gia trong ngành, cũng như những trải nghiệm khám phá của đội ngũ chúng tôi trong thiết kế và phát triển sản phẩm Web3, đã tóm tắt kiến thức cơ bản về lớp thứ hai của Bitcoin. Cách làm này giúp tóm tắt và học hỏi, cũng hy vọng có thể khơi gợi ý tưởng, thu hút nhiều người hoàn thiện các suy nghĩ 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 cuộc khám phá công nghệ sidechain của Bitcoin.

Trong bài viết này, khái niệm "xây dựng lớp hai" và "xây dựng mạng lớp hai" được sử dụng một cách chung. Thông thường, "xây dựng mạng lớp hai" có nghĩa hẹp hơn, trong khi "xây dựng lớp hai" thì rộng hơn. Tuy nhiên, để phù hợp với cách diễn đạt thường dùng trong ngành, chúng tôi cũng sẽ sử dụng "xây dựng mạng lớp hai", cả hai đều chỉ cùng một khái niệm trong bài viết này.

1. Nhiệm vụ phổ biến mà Layer2 cần hoàn thành

Để hiểu các vấn đề cơ bản cần giải quyết trong việc xây dựng lớp hai của Bitcoin, chúng ta bắt đầu từ các đặc điểm cơ bản của hệ thống blockchain.

1.1 Các đặc tính cơ bản và nhu cầu cơ bản của blockchain

Bài viết này mượn khái niệm do Vitalik đưa ra: Blockchain là một "máy tính thế giới". Từ góc độ này, việc hiểu rõ nhiều đặc điểm của blockchain sẽ rõ ràng hơn. Trong phần sau, chúng tôi cũng sẽ phân tích khả năng phát triển của "máy tính thế giới" này dựa trên cấu trúc von Neumann.

Chúng ta hãy tóm tắt một số đặc điểm cơ bản:

Công khai và minh bạch: Đây là đặc điểm lưu trữ dữ liệu và thực hiện chỉ lệnh của "máy tính thế giới" blockchain, đồng thời cũng là đặc điểm nội tại cần sự tham gia tính toán của nhiều nút phân tán toàn cầu. Đặc điểm này hoàn toàn đáp ứng quyền được biết của người dùng về dữ liệu, là kết quả chung giữa yêu cầu hợp tác nội tại của "máy tính thế giới" và nhu cầu bên ngoài của người dùng. Đặc tính riêng tư được đề cập sau đây nhằm đáp ứng nhu cầu bên ngoài của người dùng, đồng thời không làm tổn hại đến yêu cầu hợp tác của "máy tính thế giới".

Phi tập trung: Tính năng này là đặc trưng kiến trúc của "máy tính thế giới", mức độ phi tập trung và khả năng chịu lỗi, về lý thuyết đều được hỗ trợ bởi lý thuyết tướng Byzantine ( với những tình huống có thể không trung thực trong số các cộng tác viên, tức là những tình huống không tuân thủ giao thức ). Hệ thống không phải tướng Byzantine về lý thuyết không phải là hệ thống blockchain, chúng ta sẽ thấy hai trường hợp của hệ thống không phải blockchain trong xây dựng lớp hai sau này. Mức độ phi tập trung là một chỉ số quan trọng về an ninh của blockchain, cũng là nền tảng cho một số đặc tính.

Độ an toàn: Độ an toàn là sự kết hợp của nhu cầu nội tại do đặc điểm kiến trúc của "máy tính thế giới" tạo ra và nhu cầu bên ngoài của người sử dụng. Từ góc độ vi mô, độ an toàn được đảm bảo bởi các công nghệ liên quan đến mật mã, trong khi từ góc độ vĩ mô, nó 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 hủy kiến trúc vĩ mô cho sự 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, chúng ta thường xem xét xem nó có phải là Turing hoàn chỉnh hay không. Một số chuỗi được thiết kế cố ý không hoàn chỉnh Turing để duy trì các đặc tính chính của chúng. Ví dụ, mạng Bitcoin, Satoshi Nakamoto không chỉ không làm cho mã lệnh của nó hoàn chỉnh Turing, mà còn cố ý loại bỏ một số tập lệnh trong quá trình phát triển, nhằm duy trì sự ổn định và an toàn. Tất cả các công nghệ hoàn chỉnh Turing đều nhằm mở rộng khả năng tính toán của blockchain. Từ quan điểm thiết kế phân lớp, các hệ thống đơn giản hơn phù hợp hơn với việc trở thành lớp nền.

Hiệu suất: Trong trường hợp có cùng khả năng tính toán, hiệu suất là một khả năng chính khác để đánh giá máy tính của thế giới blockchain. Thông thường, người ta sử dụng TPS, tức là số lượng giao dịch được xử lý mỗi giây để đo lường.

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

Quyền riêng tư: Quyền riêng tư là một nhu cầu phân khúc trong "máy tính thế giới", tức là yêu cầu giữ quyền hạn của nhà sản xuất và người sử dụng dữ liệu trong quá trình tính toán và lưu trữ ( Chúng tôi cũng đưa tính chống kiểm duyệt vào phần quyền riêng tư ). Điều này chủ yếu được thúc đẩy bởi nhu cầu bên ngoài của người sử dụng.

Còn có 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 tính cơ bản, ở cấp độ kiến trúc, khả năng mở rộng của hệ thống là một chỉ số rất quan trọng. Ngoài ra còn có một số khả năng kết nối, hoặc một số khả năng cho các tình huống cụ thể khác, ở đây không bàn luận quá nhiều, khi gặp những tình huống đặc biệt này, sẽ phân tích chi tiết hơn.

Trong những đặc tính cơ bản của các blockchain này, hầu hết đều bị giới hạn bởi tam giác không thể. Ví dụ, giả thuyết DSS tức là phi tập trung (Decentralization, D), an ninh (Security, S) và khả năng mở rộng (Scalability, S).

Trong hệ thống phân tán, tam giác không thể xảy ra tương tự là nguyên lý CAP, CAP đề cập đến trong một hệ thống phân tán Consistency( tính nhất quán), Availability( khả dụng), Partition tolerance( khả năng chịu phân vùng) không thể đạt được cả ba. Hệ thống blockchain là hệ thống phân tán có vấn đề tướng Byzantine, vì vậy cũng áp dụng cho nguyên lý CAP.

1.2 Vai trò của xây dựng lớp hai

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

Chúng ta có thể có một kết luận sơ bộ từ những đặc điểm blockchain được tóm tắt ở trên, đó là 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 ( thông lượng ), lưu trữ, quyền riêng tư, v.v. Ngoài những khả năng cơ bản từ góc độ 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 cho việc thực hiện giao dịch trong một mạng lớp một thường khá cao, cần sử dụng mạng lớp hai để giảm những chi phí này.

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

Trong việc xây dựng lớp hai, khả năng cơ bản của blockchain sẽ có sự lựa chọn khác nhau, sẽ giảm bớt một số đặc điểm, thậm chí bỏ qua một số đặc điểm, để đổi lấy sự cải thiện đáng kể của một số đặc điểm. Ví dụ: một số lớp hai để cải thiện hiệu suất sẽ giảm mức độ phi tập trung và giảm độ an toàn; một số lớp hai để tăng thông lượng, như mạng Lightning, sẽ thay đổi cấu trúc hệ thống và cách thức thanh toán. Còn một số lớp khác sẽ không giảm bớt các đặc điểm cơ bản mà tăng cường một số đặc điểm, chẳng hạn như cách xử lý RGB, rõ ràng đã tăng cường tính riêng tư và khả năng chống kiểm duyệt, nhưng cũng làm tăng độ khó trong việc thực hiện kỹ thuật. Trong các trường hợp sau, chúng ta sẽ thấy việc xây dựng lớp hai đồng thời giảm hoặc thay đổi một vài đặc điểm.

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

1.3 Tại sao phải thực hiện thiết kế phân lớp?

Thiết kế phân lớp là một phương pháp và lý thuyết cho con người xử lý các hệ thống phức tạp, thông qua việc chia hệ thống thành nhiều cấu trúc cấp độ và xác định các mối quan hệ và 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 thiết kế và độ tin cậy của hệ thống.

Đối với một hệ thống giao thức rộng lớn và đồ sộ, việc sử dụng phân lớp sẽ có những lợi ích rõ rệt. Làm như vậy giúp mọi người dễ dàng hiểu, dễ dàng phân công thực hiện và dễ dàng cải tiến theo từng mô-đun. Giống như thiết kế mô hình bảy lớp ISO/OSI trong mạng máy tính, nhưng trong việc thực hiện cụ thể, có thể kết hợp một số lớp, ví dụ, giao thức mạng cụ thể TCP/IP là giao thức bốn lớp.

Cụ thể nói về ưu điểm của việc phân tầng 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 dịch vụ mà tầng đó cung cấp thông qua giao diện giữa các tầng. Như vậy, độ phức tạp của toàn bộ vấn đề giảm xuống. 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 ở mỗi tầng, chỉ cần đảm bảo giao diện không thay đổi, có thể tự do điều chỉnh cách thức làm việc trong tầng.

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

3. Cấu trúc có thể được chia tách. Mỗi lớp đều có thể áp dụng công nghệ phù hợp nhất để thực hiện. Sự phát triển công nghệ thường không đồng nhất, việc phân chia theo cấp độ hiệu quả tránh được hiệu ứng chiếc thùng, không bị ảnh hưởng bởi sự không hoàn thiện của công nghệ ở một khía cạnh nào đó đến hiệu suất làm việc tổng thể.

4. Dễ dàng thực hiện và duy trì. Cấu trúc này làm cho việc thực hiện và gỡ lỗi một hệ thống lớn và phức tạp trở nên dễ xử lý, vì toàn bộ hệ thống đã được phân tách thành một số hệ thống con tương đối độc lập. Khi thực hiện gỡ lỗi và bảo trì, có thể gỡ lỗi riêng từng lớp, tránh việc không tìm thấy và 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 tự do, rất thuận tiện cho việc sử dụng và nghiên cứu.

Ý tưởng thiết kế mô-đun phân lớp 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 các dự án kỹ thuật, và đây là phương pháp đã được kiểm nghiệm qua thực tiễn, có hiệu quả.

2. Một số hướng xây dựng Layer2 của Bitcoin

Chúng tôi sử dụng việc xây dựng lớp thứ hai của Bitcoin làm ví dụ để thực hiện phân tích liên quan. Lớp thứ hai của Bitcoin có ba hướng xây dựng lớp thứ hai nổi bật:

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

(2) một loại là dựa trên tuyến đường phân phối, với mạng lưới ánh sáng làm đại diện, là cấu trúc phân phối.

(3) còn một loại là tuyến đường dựa trên hệ thống tập trung, đại diện cho chỉ mục tập trung, là cấu trúc tập trung.

Hai phương pháp đầu tiên đều có đặc điểm riêng, đã có một số sản phẩm đang sử dụng và những sản phẩm đang được khám phá. Đối với phương pháp đầu tiên, nhờ sự phát triển mạnh mẽ của Ethereum và những khám phá của 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. Phương pháp thứ hai dựa trên phân phối thường khó khăn hơn, phát triển cũng chậm hơn, điển hình là Mạng Lightning. Phương pháp thứ ba rất gây tranh cãi, vì nó không giống như một xây dựng lớp thứ hai, nhưng dường như lại hoàn thành chức năng của việc xây dựng lớp thứ hai.

Giải pháp xây dựng lớp hai nào tốt hơn? Chúng ta sử dụng một kết quả từ thị trường làm tiêu chí đánh giá, mạng lớp hai nào có Tổng Giá Trị Đã Khóa TVL(Total Value Locked) cao, thì giải pháp 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 thay đổi.

Đối với định nghĩa về mạng lớp hai của Bitcoin, chỉ cần dựa vào mạng Bitcoin, và thiết lập liên kết kỹ thuật với mạng Bitcoin, một số đặc tính còn ưu việt 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, lấy BTC làm tài sản nền tảng, mở rộng hiệu suất của Bitcoin, hệ thống nào cũng được coi là xây dựng lớp hai. Theo đánh giá này, chúng ta nên công nhận loại hình xây dựng mạng lớp hai thứ ba, tức là xây dựng lớp hai cấu trúc tập trung.

Sự phát triển của công nghệ Bitcoin như sửa đổi OP_RETURN, Taproot, chữ ký Schnorr, MAST, Tapscript nên được thiết kế nhằm kết nối lớp một và lớp hai, không nên sử dụng quá nhiều chức năng phát triển từ những công nghệ này, vì mạng lớp một dù có mở rộng đến đâu cũng sẽ không có sự đột phá chất lượng, nên cần phải xây dựng lớp hai. Tuy nhiên, trong trường hợp không có sản phẩm lớp hai Bitcoin tốt hơn, khả năng 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 trong giai đoạn đầu đã thực hiện nhiều khám phá, như "Colorcoin" (, đồng tiền màu ), "CovertCoins" và "MasterCoin"; các chuỗi mô phỏng Bitcoin mở rộng khác nhau, như BC