Kiến thức cơ bản về mạng lớp hai của Bitcoin

Sự trỗi dậy của các văn bản Bitcoin đã mang lại sức sống mới cho hệ sinh thái Bitcoin, khiến nhiều người chú ý trở lại đến Bitcoin. Có quan điểm cho rằng điều này đã mở ra chiếc hộp Pandora của hệ sinh thái Bitcoin. Trong sự phát triển công nghệ của hệ sinh thái Bitcoin, việc xây dựng lớp thứ hai là vô cùng quan trọng. Bài viết này tổng hợp kiến thức cơ bản về lớp thứ hai của Bitcoin, hy vọng có thể khơi dậy nhiều người hoàn thiện các ý tưởng liên quan, thúc đẩy sự phát triển của lĩnh vực này.

Có quan điểm cho rằng, 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, "xây dựng lớp hai" và "xây dựng mạng lớp hai" được coi là cùng một khái niệm, trong đó khái niệm sau tương đối hẹp, còn khái niệm trước thì rộng hơn. Để phù hợp với cách nói thường dùng trong ngành, bài viết cũng sẽ sử dụng "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, chúng ta bắt đầu từ các đặc điểm cơ bản của hệ thống blockchain.

1.1 Các đặc tính cơ bản và nhu cầu của blockchain

Chúng ta sử dụng khái niệm do Vitalik đưa ra: "Blockchain là một máy tính thế giới" để hiểu nhiều đặc tính của blockchain. Sau đó, chúng ta sẽ sử dụng cấu trúc von Neumann của máy tính để phân tích khả năng phát triển của "máy tính thế giới" này.

Các đặc tính cơ bản của blockchain bao gồm:

• Công khai minh bạch: Đặc điểm lưu trữ dữ liệu và thực thi lệnh của blockchain, cũng là nhu cầu nội bộ của sự hợp tác giữa các nút phân phối. Đáp ứng quyền được biết về dữ liệu của người sử dụng.

• Phi tập trung: Đặc điểm cấu trúc của blockchain, mức độ và khả năng chịu lỗi được hỗ trợ bởi lý thuyết tướng Byzantine. Đây là một chỉ số quan trọng về độ an toàn.

• An toàn: Được hình thành từ nhu cầu nội tại do đặc điểm kiến trúc và nhu cầu bên ngoài của người sử dụng. Ở mức vi mô, được đảm bảo bởi mật mã học, ở mức vĩ mô, được đảm bảo bởi sự phi tập trung.

• Tính toán: Một trong những chức năng chính, thường được đo bằng khả năng hoàn chỉnh Turing. Một số chuỗi được thiết kế không hoàn chỉnh Turing để duy trì các đặc tính.

• Hiệu suất: chỉ số năng lực chính trong trường hợp có cùng khả năng tính toán, thường được đo bằng TPS.

• Lưu trữ: khả năng ghi lại dữ liệu, hiện tại chủ yếu được lưu trữ trong khối.

• Quyền riêng tư: Nhu cầu giữ phạm vi quyền dữ liệu trong quá trình tính toán và lưu trữ, bao gồm khả năng chống kiểm duyệt.

Các đặc điểm này thường bị ràng buộc bởi "tam giác không thể", chẳng hạn như giả thuyết DSS ( phi tập trung, tính an toàn, khả năng mở rộng ) và nguyên tắc CAP ( tính nhất quán, tính khả dụng, khả năng chống phân vùng ).

1.2 Vai trò của việc xây dựng lớp thứ hai

Xây dựng lớp hai chủ yếu được sử dụng để mở rộng những thiếu sót của hệ thống lớp một, hoàn thành những việc mà hệ thống lớp một không thể thực hiện. Các tác dụng chính bao gồm:

• Mở rộng khả năng cơ bản: công khai minh bạch, phi tập trung, an ninh, khả năng tính toán, hiệu suất, lưu trữ, quyền riêng tư, v.v.
• Giảm chi phí: Chi phí tổng hợp của việc thực hiện giao dịch trên một lớp mạng là khá cao
• Tùy chỉnh đặc tính: Điều chỉnh mức độ thực hiện của các đặc tính khác nhau cho một số ứng dụng nhất định.

Tóm tắt thành tăng dung lượng, giảm chi phí, đặc điểm tùy chỉnh ở ba khía cạnh. Việc xây dựng lớp thứ hai sẽ cân nhắc các khả năng cơ bản khác nhau, có thể giảm hoặc từ bỏ một số đặc điểm để đổi lấy sự cải thiện đáng kể của các đặc điểm khác.

1.3 Tại sao phải thực hiện thiết kế phân lớp?

Thiết kế theo lớp là phương pháp luận để xử lý các hệ thống phức tạp, thông qua việc phân chia cấu trúc theo lớp để đạt được tính mô-đun, khả năng bảo trì và khả năng mở rộng. Đối với hệ thống giao thức đồ sộ, thiết kế theo lớp có những ưu điểm sau:

1. Các lớp độc lập, chỉ cần chú ý đến giao diện giữa các lớp.
2. Tính linh hoạt tốt, sự thay đổi của lớp đơn không ảnh hưởng đến các lớp khác
3. Cấu trúc có thể phân tách, các lớp có thể áp dụng công nghệ phù hợp nhất
4. Dễ dàng thực hiện và duy trì
5. Thúc đẩy tiêu chuẩn hóa

Thiết kế mô-đun phân lớp là phương pháp hiệu quả để xử lý các dự án phức tạp, hợp tác nhiều người và cải tiến liên tục trong lĩnh vực công nghệ.

2. Một số ý tưởng xây dựng Layer2 của Bitcoin

Xây dựng lớp thứ hai của Bitcoin chủ yếu có ba hướng:

1. Lộ trình mở rộng dựa trên chuỗi: tương tự như lớp hai EVM, là cấu trúc blockchain
2. Tuyến đường dựa trên phân phối: đại diện là mạng Lightning, là cấu trúc phân phối
3. Tuyến đường dựa trên hệ thống tập trung: đại diện cho chỉ mục tập trung, là cấu trúc tập trung

Hai cách đầu tiên có những đặc điểm riêng, đã có sản phẩm được sử dụng và khám phá. Cách đầu tiên do sự phát triển của Ethereum, có nhiều trường hợp tham khảo. Cách thứ hai khó khăn hơn, phát triển chậm hơn. Cách thứ ba gây tranh cãi, nhưng cũng có thể được xem là mở rộng lớp hai.

Hiện tại không có giải pháp tối ưu, cần phải kiểm tra qua thị trường, xem giải pháp nào có tổng giá trị khóa (TVL) cao hơn. Theo thời gian và sự phát triển công nghệ, giải pháp tối ưu sẽ thay đổi.

Chỉ cần dựa vào mạng Bitcoin, thiết lập mối liên kết công nghệ, một số đặc điểm vượt trội hơn mạng lớp một, đều có thể được coi là xây dựng mạng lớp hai của Bitcoin. Nghĩa là tiêu tốn BTC làm gas, lấy BTC làm tài sản nền tảng, hệ thống mở rộng hiệu suất Bitcoin đều được tính là xây dựng lớp hai.

2.1 Xây dựng lớp thứ hai dựa trên chuỗi

Giai đoạn đầu, Bitcoin đã thực hiện nhiều khám phá mô phỏng chuỗi, chẳng hạn như "coin màu", các nhánh phân tách mở rộng khác nhau, chuỗi bên, v.v. Ethereum cũng có thể được coi là một khám phá cải tiến của Bitcoin.

Sự phát triển của Ethereum đã cung cấp tham khảo cho lớp hai dựa trên chuỗi của Bitcoin. Nhiều giải pháp Rollup, giải pháp cross-chain, công nghệ kênh thông điệp, v.v., đã khiến hệ sinh thái Ethereum phát triển mạnh mẽ. Nhưng đây chỉ là một cách xây dựng lớp hai, vẫn cần các công nghệ khác để hoàn thiện toàn bộ hệ sinh thái.

Bitcoin dựa trên chuỗi lớp hai chủ yếu bao gồm hai loại chuỗi:

1. Mô hình tài khoản tương thích EVM: như Ethereum, Polygon, BSC, Arbitrum, v.v.
2. Mô hình UTXO tương tự Bitcoin: như Nervos CKB, Chia, v.v.

Lợi ích của việc xây dựng lớp thứ hai dựa trên chuỗi:

• Giữ lại hầu hết các đặc tính cơ bản của blockchain
• Giải quyết vấn đề hoàn chỉnh Turing
• Giảm đáng kể chi phí giao dịch
• Mở rộng khả năng mạng ở một mức độ nhất định
• Việc hiện thực hóa công nghệ tương đối dễ dàng, đã có nhiều trường hợp khám phá.
• Việc chuyển đổi ứng dụng cấp trên dễ dàng

Nhược điểm:

• Vẫn bị hạn chế bởi blockchain, hiệu suất nâng cao có giới hạn
• Có thể giảm độ an toàn
• Cần mở rộng thêm lớp 3/4( trên lớp 2 của lớp 2 )

Dự kiến sẽ có nhiều dự án lớp hai dựa trên chuỗi xuất hiện, có nhiều lớp hai trong các lĩnh vực dọc khác nhau, đáp ứng nhu cầu ứng dụng khác nhau. Giá trị của chúng sẽ được quyết định bởi số lượng ứng dụng cấp trên và tổng giá trị.

2.2 Xây dựng lớp thứ hai dựa trên hệ thống phân tán

Loại lớp hai này không phải là cấu trúc blockchain, mà là hệ thống phân phối dựa trên Channel. Mạng Lightning là đại diện điển hình.

Hệ thống phân tán được chia thành hai loại tầng hai:

1. Chỉ hoàn thành việc truyền giá trị: như mạng lưới ánh sáng
2. Hoàn thành việc truyền giá trị và tính toán Turing hoàn chỉnh: như RGB

Loại này có độ khó cao hơn, liên quan đến tổng giá trị dung lượng trong kênh, tính nghiêm ngặt của giao dịch, vấn đề ngăn chặn tiêu dùng thứ hai, v.v. Phát triển chậm, ít trường hợp trưởng thành.

Việc triển khai tính toán Turing đầy đủ trên Channel là một thách thức lớn hơn. Chẳng hạn, giao thức RGB thực hiện tính toán Turing đầy đủ trên hệ thống phân tán thông qua việc xác thực của khách hàng và niêm phong một lần.

Các trường hợp đã có bao gồm: Mạng Lightning, RGB, v.v. Mạng Raiden của Ethereum và Plasma cũng thuộc loại này.

Ưu điểm lớp hai dựa trên hệ thống phân tán:

• Hệ thống trở nên phi tập trung
• Có thể chứa vô số nút
• Tính riêng tư và khả năng chống kiểm duyệt tốt hơn
• Về lý thuyết có khả năng mở rộng vô hạn và hiệu suất rất cao

Nhược điểm:

• Thực hiện kỹ thuật phức tạp
• Thuật toán định tuyến, phân chia giá trị và thuật toán đóng gói phức tạp
• Thiếu kinh nghiệm thực hiện dự án và cơ sở hạ tầng
• Việc thực hiện hệ thống hoàn chỉnh Turing là một thách thức lớn.

Dự kiến chỉ sẽ tồn tại một vài dự án song song, do khả năng mở rộng vô hạn và độ khó về kỹ thuật. Các hệ thống loại này yêu cầu thiết kế và ý tưởng mở hơn, có thể chứa đựng nhiều người tham gia hơn. Dựa trên các đội phát triển ứng dụng lớp hai như vậy cũng sẽ thúc đẩy sự phát triển của lớp hai.

2.3 Xây dựng lớp hai dựa trên hệ thống tập trung

Như cấu trúc chỉ mục tập trung của Ordinals, hoặc bộ chỉ mục của một số nút chức năng. Ý tưởng này ít được công nhận vì quá tập trung, dẫn đến khả năng mở rộng mạng lớp một hạn chế.

Ưu điểm của lớp hai dựa trên hệ thống tập trung:

• Hệ thống rất trưởng thành, có nhiều trường hợp sử dụng và giải pháp tối ưu.
• Turing hoàn chỉnh hoàn toàn
• Hiệu suất vượt trội

Nhược điểm:

• Tầng hai cực kỳ tập trung
• Tất cả các đặc tính cơ bản của blockchain đều phụ thuộc vào một lớp mạng.

Dự kiến chỉ sẽ tồn tại một số lượng nhỏ dự án, có thể chỉ tồn tại trong một giai đoạn. Khi các giải pháp lớp hai dựa trên chuỗi và cấu trúc phân tán trở nên trưởng thành, hầu hết các lớp hai tập trung có thể biến mất, chỉ để lại một số tình huống cụ thể.

3. Các vấn đề liên quan đến xây dựng lớp hai

3.1 Công nghệ kết nối giữa tầng một và tầng hai

Công nghệ phát triển của Bitcoin chính nó ( như OP_RETURN sửa đổi, Taproot, chữ ký Schnorr, MAST, Tapscript ) nên chủ yếu được sử dụng để kết nối lớp một và lớp hai, chứ không phải phát triển quá nhiều tính năng.

Các công nghệ kết nối phổ biến bao gồm:

• Công nghệ chuỗi chéo
• Công nghệ xác minh tách biệt
• Công nghệ sidechain
• Kỹ thuật Kênh Nhà nước
• Công nghệ Plasma

Chất lượng công nghệ kết nối có thể tham khảo các chỉ số sau:

• Một lớp có thể xác thực giao dịch của lớp hai hay không
• Tài sản một lớp có thể trốn thoát suôn sẻ khi lớp hai sụp đổ hay không
• Công nghệ kết nối có làm giảm bớt một số tính năng của hệ thống không

3.2 Tham khảo cấu trúc von Neumann để xem sự phát triển của blockchain

Bởi vì blockchain là "máy tính toàn cầu", có thể so sánh và phân tích với cấu trúc Von Neumann của máy tính truyền thống.

Quy luật phát triển của hệ thống blockchain tương tự như máy tính truyền thống, hiện đang ở giai đoạn tương tự như trước 286, vẫn đang mở rộng khả năng xử lý và lưu trữ, những gì có thể làm còn hạn chế.

So sánh sự phát triển giữa máy tính truyền thống và "máy tính thế giới":

1. Mở rộng CPU tương tự như khả năng tính toán và thông lượng của lớp một và lớp hai.
2. Mở rộng bộ nhớ từ không gian trên chuỗi cạnh tranh đến việc sử dụng lưu trữ blockchain chuyên nghiệp
3. Thiết bị đầu vào và đầu ra tương tự như oracle, trong ứng dụng tầng trên có nhu cầu nhiều hơn.
4. Chuỗi đặc biệt và chức năng tương tự như GPU, thẻ thiết bị chuyên dụng khác
5. Ứng dụng trên chuỗi và ứng dụng lớp trên có thể so sánh với sự tiến hóa của hệ điều hành và phần mềm ứng dụng.
6. Ứng dụng từ tài chính dần mở rộng ra các lĩnh vực rộng lớn hơn, tương tự như máy tính truyền thống từ nghiên cứu khoa học quân sự đến doanh nghiệp gia đình cá nhân.

4. Tình hình xây dựng Layer2 hiện tại của Bitcoin

4.1 Các dự án Bitcoin tầng hai đã hoạt động

1. Mạng lưới ánh sáng ( Lightning Network ): Xây dựng lớp hai dựa trên phân phối

   • Được đề xuất vào năm 2015, chính thức triển khai vào năm 2018
   • Đặc điểm: Nhanh, chi phí thấp, có thể mở rộng
   • Thực hiện giao dịch ngoại tuyến thông qua kênh thanh toán
   • Đối mặt với các thách thức về tính ổn định, thuật toán định tuyến, giao diện người dùng, v.v.

2. Liquid: Xây dựng lớp thứ hai dựa trên chuỗi

   • Giải pháp sidechain được Blockstream ra mắt vào năm 2015
   • Đặc điểm: xác nhận giao dịch nhanh, tính riêng tư của giao dịch, thông lượng cao
   • Sử dụng công nghệ Giao dịch Bí mật và công nghệ Cố định Liên bang

3. Rootstock(RSK): Xây dựng lớp thứ hai dựa trên chuỗi

   • Được đề xuất vào năm 2015, chính thức ra mắt vào năm 2018
   • Đặc điểm: Neo được neo hai chiều với Bitcoin, hỗ trợ hợp đồng thông minh
   • Cung cấp chức năng tương tự như Ethereum cho hệ sinh thái Bitcoin

4. RGB: Xây dựng lớp hai dựa trên phân tán + Turing hoàn chỉnh

   • Xuất phát từ năm 2016, được phát triển bởi Hiệp hội tiêu chuẩn LNP/BP
   • Đặc điểm: Hệ thống hợp đồng thông minh có thể mở rộng và bảo mật
   • Dựa trên xác thực khách hàng và khái niệm niêm phong một lần

5. Stacks: Xây dựng lớp thứ hai dựa trên chuỗi

   • Được đề xuất vào năm 2013, tiến hành ICO vào năm 2017
   • Đặc điểm: xác thực danh tính phi tập trung, lưu trữ và chức năng hợp đồng thông minh
   • Sử dụng cơ chế đồng thuận "Stacking"

6. Các dự án mới nổi khác:

   • B² Network:Mạng lớp hai Bitcoin dựa trên ZK-Rollup