Bài viết này nhằm mục đích minh họa các nguyên lý của công nghệ thực thi đồng thời, những điểm tương đồng, khác biệt và thách thức giữa các dự án này thông qua Aptos, Sui, Linera và Fuel.
Khi nhìn vào sự phát triển của công nghệ blockchain, chúng ta có thể thấy một xu hướng mạnh mẽ là L1 mới tập trung vào thực thi đồng thời. Ý tưởng này không phải là mới, vì thực thi đồng thời hiện đang được sử dụng trong môi trường thực thi Sealevel của Solana. Tuy nhiên, hiệu suất ấn tượng của DeFi và NFT trong thị trường bull vừa qua cho thấy nhu cầu cấp thiết phải cải thiện. Một số dự án nổi tiếng hiện đang áp dụng khái niệm thực thi đồng thời là Aptos, Sui, Linera và Fuel.
Nền tảng hợp đồng thông minh cho phép tạo ra một loạt các ứng dụng phi tập trung. Để thực thi các ứng dụng này, cần có một công cụ tính toán dùng chung. Mỗi nút trong mạng chạy công cụ tính toán này và thực thi ứng dụng và tương tác của người dùng với ứng dụng. Khi các nút nhận được kết quả tương tự từ việc thực thi, chúng sẽ đạt được sự đồng thuận và đưa chuỗi về phía trước.
1. Vấn đề thực sự nằm ở đâu?
Nền tảng hợp đồng thông minh cho phép tạo ra một loạt các ứng dụng phi tập trung. Để thực hiện các ứng dụng này, cần có một công cụ tính toán dùng chung. Mỗi node trong mạng lưới chạy công cụ tính toán này, thực thi ứng dụng và tương tác của người dùng với ứng dụng. Khi các node nhận được kết quả tương tự từ việc thực thi, chúng sẽ đạt được sự đồng thuận và chuỗi sẽ được chuyển tiếp.
Máy ảo Ethereum là công cụ thống trị trong việc thực thi Hợp đồng thông minh (SC), với khoảng 20 sự thi hành khác nhau. Kể từ khi được phát minh, EVM đã được các nhà phát triển áp dụng rộng rãi. Ngoài Ethereum và L2 của Ethereum, một số chuỗi khác như Polygon, BNB Smart Chain và Avalanche c Chain đã sử dụng EVM làm công cụ thực thi của họ và đang nỗ lực thay đổi cơ chế đồng thuận để tăng thông lượng mạng.
Một tính năng hạn chế chính của EVM là thực thi tuần tự. Về cơ bản, EVM đặt tất cả các giao dịch khác vào trạng thái tạm dừng mỗi khi có một giao dịch được thực hiện, cho đến khi quá trình thực hiện giao dịch hoàn tất và trạng thái chuỗi khối được cập nhật. Ngay cả khi hai giao dịch là độc lập, ví dụ: một khoản thanh toán từ Alice cho Bob và một khoản thanh toán khác từ Carol cho Dave, EVM không thể thực hiện các giao dịch này song song. Mặc dù mô hình thực thi này cho phép các trường hợp sử dụng thú vị như khoản vay nhanh, nhưng nó không hiệu quả cũng như không thể mở rộng.
Việc thực hiện tuần tự các giao dịch này là một trong những nút thắt chính trong thông lượng mạng. Đầu tiên, nó khiến các giao dịch trong khối mất nhiều thời gian hơn để thực hiện, do đó hạn chế thời gian của khối. Ngoài ra, nó giới hạn số lượng giao dịch có thể được thêm vào một khối. Thông lượng trung bình của Ethereum là khoảng 17 giao dịch/giây. Thông lượng thấp này có nghĩa là trong thời gian hoạt động cao, những người khai thác/ xác thực mạng không thể xử lý tất cả các giao dịch và có thể dẫn đến các cuộc chiến đấu thầu phí để đảm bảo thực hiện ưu tiên giao dịch và tăng phí giao dịch. Phí trung bình trên Ethereum vượt quá 0,2 ETH (~800 đô la) tại một số thời điểm, khiến nhiều người dùng bỏ cuộc. Vấn đề thứ hai với việc thực thi tuần tự là sự kém hiệu quả của các nút mạng. Việc thực hiện các hướng dẫn tuần tự không được hưởng lợi từ bộ xử lý đa lõi, dẫn đến việc sử dụng phần cứng thấp và không hiệu quả. Điều này cản trở khả năng mở rộng và dẫn đến tiêu thụ năng lượng không cần thiết.
2. Thực thi đồng thời có thể giải quyết vấn đề này không?
Những hạn chế cơ bản của cấu trúc EVM tạo tiền đề cho một lĩnh vực mới của L1 tập trung vào thực thi song song (PE). Tính đồng thời cho phép phân chia quá trình xử lý giao dịch giữa nhiều lõi bộ xử lý, tăng mức sử dụng phần cứng và cho phép khả năng mở rộng tốt hơn. Trong chuỗi thông lượng cao, việc tăng tài nguyên phần cứng có liên quan trực tiếp đến số lượng giao dịch có thể được thực hiện. Trong thời gian hoạt động cao, các node trình xác nhận có thể ủy quyền nhiều lõi hơn để xử lý tải giao dịch bổ sung. Thay đổi quy mô của tài nguyên máy tính cho phép mạng đạt được thông lượng cao hơn trong thời gian có nhu cầu cao, cải thiện đáng kể trải nghiệm người dùng.
Một ưu điểm khác của phương pháp này là độ trễ xác nhận giao dịch được cải thiện. Việc mở rộng quy mô mạnh mẽ của tài nguyên nút cho phép các giao dịch xác nhận có độ trễ thấp. Các giao dịch không cần phải đợi hàng chục hoặc hàng trăm khối hoặc trả phí quá mức để được ưu tiên. Những cải tiến về thời gian xác nhận làm tăng tốc độ thực hiện của giao dịch, mở ra cơ hội cho các chuỗi khối có độ trễ thấp. Đảm bảo độ trễ thấp trong việc thực hiện các giao dịch sẽ cho phép thực hiện một số trường hợp bất khả thi trước đây.
Thay đổi chế độ thực thi của chuỗi để cho phép PE không phải là một ý tưởng mới và một số dự án đã khám phá nó. Một cách tiếp cận là thay thế mô hình kế toán được EVM sử dụng từ mô hình kế toán sang mô hình đầu ra giao dịch chưa chi tiêu (UTXO). Bitcoin sử dụng mô hình thực thi UTXO, cho phép các giao dịch được xử lý song song, khiến nó trở nên lý tưởng cho các khoản thanh toán. Do chức năng hạn chế của UXTO, các phần mở rộng được yêu cầu để thực hiện các tương tác phức tạp theo yêu cầu của hợp đồng thông minh. Ví dụ: Cardano sử dụng mô hình UTXO mở rộng cho việc này và Findora sử dụng mô hình UTXO kết hợp triển khai hai mô hình kế toán và cho phép người dùng thay đổi các loại tài sản ở giữa.
Một cách tiếp cận khác đối với PE không thay đổi mô hình kế toán mà thay vào đó tập trung vào việc cải thiện kiến trúc của trạng thái chuỗi. Một ví dụ về cách tiếp cận này là khung Sealevel của Solana và bài viết này tập trung vào cách tiếp cận thứ hai.
3. Thực thi đồng thời hoạt động như thế nào?
Thực thi song song hoạt động bằng cách xác định các giao dịch độc lập và thực hiện chúng đồng thời. Hai giao dịch phụ thuộc lẫn nhau nếu việc thực hiện một giao dịch ảnh hưởng đến việc thực hiện một giao dịch khác. Ví dụ: các giao dịch AMM trong cùng một nhóm phụ thuộc lẫn nhau và phải được thực hiện tuần tự.
Mặc dù khái niệm xử lý song song là đơn giản, nhưng vấn đề nằm ở chi tiết. Thách thức chính là xác định hiệu quả các giao dịch “độc lập”. Việc sắp xếp các giao dịch độc lập đòi hỏi phải hiểu cách mỗi giao dịch thay đổi bộ nhớ chuỗi khối hoặc trạng thái chuỗi. Các giao dịch tương tác với cùng một hợp đồng thông minh có thể thay đổi trạng thái hợp đồng cùng một lúc và do đó không thể thực hiện cùng một lúc. Với mức độ kết hợp hiện tại giữa các ứng dụng, việc xác định các yếu tố phụ thuộc là một nhiệm vụ đầy thách thức.
4. Xác định giao dịch độc lập
Trong phần này, các phương pháp được sử dụng bởi các công cụ thực thi song song khác nhau sẽ được so sánh. Cuộc thảo luận tập trung vào các cách kiểm soát truy cập trạng thái (bộ nhớ). Trạng thái chuỗi khối có thể được coi là bộ lưu trữ RAM. Mỗi tài khoản trên chuỗi hoặc hợp đồng thông minh có một bộ vị trí lưu trữ có thể sửa đổi. Các giao dịch phụ thuộc lẫn nhau là những giao dịch cố gắng thay đổi cùng một vị trí bộ nhớ trong cùng một khối. Các chuỗi khác nhau sử dụng các kiến trúc bộ nhớ khác nhau và các cơ chế khác nhau để xác định các giao dịch phụ thuộc.
Một số chuỗi trong danh mục này được xây dựng trên công nghệ do Diem phát triển, dự án chuỗi khối mà Facebook đã loại bỏ. Đội ngũ của Diem đã tạo ra ngôn ngữ hợp đồng thông minh Move để cải thiện cụ thể việc thực thi SC. Aptos, Sui và Linera là ba dự án cao cấp thuộc loại này. Ngoài họ, Fuel là một dự án nổi tiếng khác tập trung vào PE, sử dụng ngôn ngữ SC của riêng mình.
5. Aptos
Aptos xây dựng trên ngôn ngữ Move của Diem và MoveVM để tạo chuỗi thông lượng cao cho phép thực thi song song. Cách tiếp cận của Aptos là phát hiện các yếu tố phụ thuộc trong khi minh bạch đối với người dùng/nhà phát triển, điều đó có nghĩa là các giao dịch không bắt buộc phải nêu rõ họ đang sử dụng phần nào của trạng thái (vị trí bộ nhớ). Aptos sử dụng một bản sửa đổi của Bộ nhớ giao dịch phần mềm (STM) được gọi là Block-STM. Trong Block-STM, các giao dịch được sắp xếp trước trong các khối và được phân chia giữa các luồng của bộ xử lý trong quá trình thực hiện để thực hiện tối ưu. Trong thực thi, việc thực hiện một giao dịch được giả định là không có sự phụ thuộc. Các vị trí bộ nhớ được sửa đổi bởi giao dịch được ghi lại. Tất cả các kết quả giao dịch sẽ được xác nhận sau khi thực hiện. Trong quá trình xác minh, nếu một giao dịch được phát hiện đã truy cập vào một vị trí bộ nhớ được sửa đổi bởi giao dịch trước đó, thì giao dịch đó được tuyên bố là không hợp lệ. Kết quả giao dịch sẽ được làm mới và giao dịch sẽ được thực hiện lại. Quá trình này lặp lại cho đến khi tất cả các giao dịch trong khối đã được thực hiện. Block-STM có thể cải thiện tốc độ thực thi khi sử dụng nhiều lõi xử lý. Tốc độ phụ thuộc vào mức độ phụ thuộc lẫn nhau của các giao dịch. Kết quả của nhóm Aptos cho thấy việc sử dụng 32 lõi có thể tăng tốc độ lên 8 lần với mức độ phụ thuộc lẫn nhau cao và 16 lần với mức độ phụ thuộc lẫn nhau thấp. Nếu tất cả các giao dịch trong một khối phụ thuộc lẫn nhau, thì Block-STM sẽ có hình phạt hiệu suất nhỏ hơn so với thực hiện tuần tự. Aptos tuyên bố rằng phương pháp này có thể đạt được thông lượng 160.000 TPS.
Aptos là gì? Tiềm năng của blockchain nền tảng layer 1 tiền thân từ Diem (Meta)
6. Sui
Một cách tiếp cận PE khác là yêu cầu các giao dịch nêu rõ những phần nào của trạng thái chuỗi mà chúng đã sửa đổi. Solana và Sui hiện đang sử dụng phương pháp này. Solana coi các ô bộ nhớ là tài khoản và một giao dịch phải nêu rõ tài khoản nào nó sửa đổi. Sui cũng sử dụng một cách tiếp cận tương tự.
Sui cũng xây dựng dựa trên công nghệ của Diem với MoveVM. Tuy nhiên, Sui sử dụng một phiên bản khác của ngôn ngữ Move. Việc triển khai Sui Move thay đổi mô hình lưu trữ cốt lõi và quyền đối với tài sản của Diem. Điều này thể hiện sự khác biệt chính của nó so với Aptos sử dụng Diem Move cốt lõi. (Chúng tôi đã phân tích sự khác biệt giữa Sui và Aptos trước đây. Nếu bạn quan tâm, vui lòng truy cập Allrecord để cấu trúc lại.) Sui Move xác định mô hình lưu trữ trạng thái để giúp xác định các giao dịch độc lập dễ dàng hơn. Trong Sui, các trạng thái lưu trữ được định nghĩa là các đối tượng. Các đối tượng thường đại diện cho tài sản và có thể được chia sẻ, điều đó có nghĩa là nhiều người dùng có thể sửa đổi một đối tượng. Mỗi đối tượng có một ID duy nhất trong môi trường thực thi Sui và có một con trỏ bên trong tới địa chỉ của chủ sở hữu. Sử dụng các khái niệm này, thật dễ dàng để xác định các quan hệ phụ thuộc bằng cách kiểm tra xem các giao dịch có sử dụng cùng các đối tượng hay không.
Bằng cách giảm tải công việc khai báo các phụ thuộc cho nhà phát triển, việc triển khai công cụ thực thi trở nên dễ dàng hơn, điều đó có nghĩa là về mặt lý thuyết, nó có thể có hiệu suất và khả năng mở rộng tốt hơn. Tuy nhiên, điều này phải trả giá bằng trải nghiệm nhà phát triển sẽ kém lý tưởng hơn.
Sui vẫn chưa hoạt động, dự án vừa mới hoạt động trên mạng thử nghiệm của họ. Những người sáng lập Sui tuyên bố rằng việc triển khai thực thi song song và sử dụng cơ chế đồng thuận Narwhal & Tusk có thể dẫn đến thông lượng vượt quá 100.000 giao dịch/giây. Nếu đúng, Sui sẽ là một cải tiến lớn so với thông lượng ~2400 giao dịch/giây hiện tại của Solana và sẽ vượt qua thông lượng của Visa và Mastercard.
Sui là gì? Toàn cảnh hệ sinh thái Sui blockchain
7. Linera
Linera là phần bổ sung mới nhất cho không gian xử lý song song và gần đây họ đã công bố vòng tài trợ đầu tiên do a16z dẫn đầu. Không có nhiều thông tin chi tiết về việc triển khai dự án. Tuy nhiên, dựa trên thông báo gọi vốn của họ, chúng tôi biết nó dựa trên giao thức FastPay cũng đã được phát triển tại Facebook. Fastpay dựa trên công nghệ có tên là Byzantine Consistent Broadcast. Công nghệ này tập trung vào việc tăng tốc các khoản thanh toán độc lập, chẳng hạn như các khoản thanh toán diễn ra trong mạng lưới điểm bán hàng. Nó cho phép một nhóm người xác thực đảm bảo tính toàn vẹn của các khoản thanh toán miễn là hơn hai phần ba trong số đó là trung thực. Fastpay là một biến thể của hệ thống Real Time Gross Settlement (RTGS) được sử dụng trong mạng lưới của các ngân hàng và tổ chức tài chính.
Linera có kế hoạch xây dựng một blockchain dựa trên FastPay, tập trung vào sự giải quyết nhanh và độ trễ thấp bằng cách thực hiện song song các giao dịch thanh toán. Điều đáng chú ý là Sui cũng sử dụng phương thức Byzantine Consistent Broadcast cho các khoản thanh toán đơn giản. Đối với các giao dịch khác, Sui sử dụng các cơ chế đồng thuận của riêng mình, Narwhal và Tusk, để xử lý hiệu quả các giao dịch phức tạp và phụ thuộc hơn như giao dịch DeFi.
8. Fuel
Fuel nhằm mục đích trở thành lớp thực thi trong ngăn xếp blockchain mô-đun. Điều này có nghĩa là Fuel không triển khai sự đồng thuận và không lưu trữ dữ liệu chuỗi khối trên Fuel Chain. Đối với một blockchain chức năng, Fuel tương tác với các chuỗi khác (như Ethereum hoặc Celestia) để có sự đồng thuận và tính khả dụng của dữ liệu.
Fuel sử dụng UTXO để tạo danh sách truy cập nghiêm ngặt, sử dụng danh sách để kiểm soát quyền truy cập vào cùng một trạng thái. Mô hình được xây dựng trên khái niệm thứ tự giao dịch cổ điển. Trong sơ đồ này, thứ tự của các giao dịch trong các khối giúp đơn giản hóa rất nhiều việc phát hiện sự phụ thuộc giữa các giao dịch. Để triển khai kiến trúc này, Fuel đã xây dựng một máy ảo mới có tên là FuelVM và một ngôn ngữ mới có tên là Sway. FuelVM là một triển khai EVM tương thích và đơn giản hóa, hướng dẫn hiệu quả các nhà phát triển vào hệ sinh thái Fuel. Ngoài ra, do Fuel tập trung vào các ngăn xếp blockchainmô-đun, nên việc thực thi Fuel SC có thể diễn ra trên mạng chính Ethereum. Cách tiếp cận này phù hợp với tầm nhìn của Ethereum như một lớp tính sẵn có của dữ liệu và thanh toán tập trung vào cuộn sau khi sáp nhập.
Như một bằng chứng về khái niệm, nhóm Fuel đã tạo AMM kiểu Uniswap có tên là SwaySwap, hiện đang chạy trên mạng thử nghiệm để chứng minh hiệu suất được cải thiện của FuelVM so với EVM.
9. Những thách thức của việc thực hiện các giải pháp song song
Các phương thức thực thi song song có vẻ hợp lý và đơn giản. Tuy nhiên, vẫn còn một số thách thức để thảo luận. Đầu tiên là ước tính tỷ lệ giao dịch thực tế có thể được tăng tốc bằng cách thực thi song song này. Thách thức thứ hai là tính phi tập trung của mạng, nghĩa là, nếu các trình xác nhận có thể dễ dàng mở rộng quy mô sức mạnh tính toán của họ để tăng thông lượng, thì làm thế nào các full nodes, thường sử dụng phần cứng hàng hóa, có thể theo kịp để đảm bảo tính chính xác của chuỗi?
10. Tỷ lệ giao dịch song song
Ước tính chính xác tỷ lệ phần trăm giao dịch trên chuỗi có thể được thực hiện song song là một thách thức. Ngoài ra, tùy thuộc vào loại hoạt động mạng, tỷ lệ phần trăm này có thể rất khác nhau giữa các khối. Ví dụ: hoạt động đúc NFT có thể dẫn đến sự gia tăng các giao dịch phụ thuộc. Điều đó nói rằng, chúng ta có thể sử dụng một số giả định để có được ước tính sơ bộ về tỷ lệ phần trăm trung bình của các giao dịch có thể song song hóa. Ví dụ: chúng ta có thể giả định rằng hầu hết các giao dịch chuyển ETH và ERC20 là độc lập. Do đó, chúng tôi có thể giả định rằng khoảng 25% chuyển ETH và ERC20 đơn giản là phụ thuộc lẫn nhau. Mặt khác, tất cả các giao dịch AMM trong cùng một nhóm đều phụ thuộc lẫn nhau. Xét rằng hầu hết các AMM thường bị chi phối bởi một vài nhóm và các giao dịch AMM có khả năng tổng hợp cao và tương tác với nhiều nhóm, chúng ta có thể giả định một cách an toàn rằng ít nhất 50% giao dịch AMM phụ thuộc lẫn nhau.
Bằng cách thực hiện một số phân tích về các loại giao dịch của Ethereum, chúng ta có thể thấy rằng trong số khoảng 1,2 triệu giao dịch hàng ngày bằng Ethereum, 20-30% là chuyển ETH, 10-20% là chuyển stablecoin và 10-15% là DEX Đối với chuyển, 4 -6% là giao dịch NFT, 8-10% là phê duyệt ERC20 và 12-15% là chuyển khoản ERC20 khác. Sử dụng những con số và giả định này, chúng tôi có thể ước tính rằng PE có thể tăng tốc khoảng 70-80% giao dịch trên nền tảng SC. Điều này có nghĩa là việc thực hiện tuần tự các giao dịch phụ thuộc có thể chiếm 20-30% tổng số giao dịch. Nói cách khác, thông lượng PE có thể cao hơn 3 – 5 lần nếu sử dụng cùng giới hạn khí. Một số thử nghiệm về xây dựng các EVM thực thi song song cũng cho thấy các ước tính tương tự. Trên thực tế, các chuỗi thông lượng cao sẽ đạt được thông lượng cao hơn ít nhất 100 lần so với Ethereum bằng cách sử dụng giới hạn gas trên mỗi khối cao hơn và thời gian tạo khối ngắn hơn. Thông lượng tăng lên yêu cầu các nút trình xác thực mạnh mẽ xử lý các khối này. Nhu cầu này dẫn đến vấn đề tập trung hóa của mạng lưới.
11. Mạng lưới tập trung
Một lời chỉ trích phổ biến khác về xử lý song song là nó thúc đẩy mạnh mẽ việc tập trung hóa mạng. Trong mạng thông lượng cao, mạng có thể xử lý hàng chục nghìn giao dịch mỗi giây. Các nút của trình xác thực được khuyến khích bằng phí và phần thưởng mạng để xử lý các giao dịch này và đầu tư vào các máy chủ chuyên dụng hoặc kiến trúc đám mây có thể mở rộng để xử lý các giao dịch này. Tình hình sẽ khác đối với các công ty hoặc cá nhân sử dụng chuỗi và cần chạy các nút đầy đủ để tương tác với chuỗi. Các thực thể này không thể đủ khả năng cho các máy chủ phức tạp để xử lý tải lượng giao dịch lớn như vậy. Điều này sẽ thúc đẩy người dùng trên chuỗi dựa vào các nhà cung cấp nút RPC chuyên dụng như Infura, dẫn đến việc tập trung hơn.
Nếu không có tùy chọn chạy node toàn diện bằng phần cứng cấp độ người tiêu dùng, chuỗi thông lượng cao có thể trở thành một hệ thống khép kín trong đó một nhóm nhỏ các thực thể có quyền lực tuyệt đối đối với mạng. Trong trường hợp này, các thực thể này có thể phối hợp để xem xét các giao dịch, thực thể và thậm chí cả ứng dụng, biến các chuỗi này thành các hệ thống được phép không thể phân biệt được với Web 2.
Hiện tại, các yêu cầu để chạy full node trên mạng thử nghiệm Sui thấp hơn so với các yêu cầu trên nút mạng thử nghiệm Aptos. Tuy nhiên, chúng tôi hy vọng những yêu cầu này sẽ thay đổi đáng kể khi mạng chính khởi chạy và các ứng dụng bắt đầu xuất hiện trên chuỗi. Những người ủng hộ phi tập trung hóa đã và đang đề xuất các giải pháp cho những vấn đề được dự báo trước này. Trong số các giải pháp có việc sử dụng các nút nhẹ để xác minh tính chính xác của các khối thông qua bằng chứng hợp lệ zk hoặc bằng chứng gian lận. Nhóm của Fuel đã rất tích cực trong vấn đề này và liên kết với cộng đồng Ethereum về tầm quan trọng của việc phân cấp. Các nhóm Aptos và Sui vẫn chưa xác định rõ ràng các ưu tiên để triển khai các phương pháp này hoặc các cách khác để thúc đẩy phân cấp. Nhóm Linera thảo luận ngắn gọn về những vấn đề này trong bài viết giới thiệu của họ, nhưng việc triển khai giao thức vẫn chưa xác nhận lời hứa này.
12. Kết luận
Các công cụ thực thi song song dự kiến sẽ cải thiện thông lượng của các nền tảng hợp đồng thông minh. Bằng cách kết hợp các đổi mới trong cơ chế đồng thuận, việc thực hiện song song các giao dịch có thể cho phép thông lượng chuỗi tiếp cận hoặc vượt quá 100 nghìn TPS. Hiệu suất như vậy có thể so sánh với Visa và Mastercard, cho phép một số trường hợp sử dụng đầy thách thức hiện nay như trò chơi trực tuyến đầy đủ và thanh toán vi mô phi tập trung. Những cải tiến ấn tượng này phải đối mặt với thách thức đảm bảo tính phi tập trung. Chúng tôi mong muốn những người sáng lập làm việc để giải quyết những vấn đề này.
Thông tin lấy từ Alliance DAO và có một vài sửa đổi nhỏ
Tác giả: Mohamed Fouda
