Sharding là một kỹ thuật mở rộng quy mô blockchain nhằm chia mạng thành các phân đoạn song song nhỏ hơn được gọi là phân đoạn. Mỗi phân đoạn hoạt động như một blockchain nhỏ, xử lý các giao dịch và hợp đồng thông minh của riêng nó mà không phụ thuộc vào chuỗi chính cho mọi nhiệm vụ. Thiết kế phân tán này cho phép mạng tổng thể xử lý nhiều hoạt động hơn cùng một lúc, tăng cả tốc độ và công suất.
Trong hướng dẫn này, chúng tôi sẽ giải thích phân mảnh blockchain là gì, các loại, lợi ích và mọi chi tiết quan trọng khác cần biết về nó.
1) Tại sao chuỗi khối cần phân mảnh
Hầu hết các blockchain ban đầu đều được xây dựng với mỗi nút xác minh mọi giao dịch để bảo mật. Mặc dù mô hình này đáng tin cậy nhưng nó không có quy mô tốt khi có hàng nghìn người dùng tham gia mạng. Càng thêm nhiều nút và giao dịch, hệ thống càng trở nên chậm hơn, dẫn đến thời gian xác nhận lâu hơn và phí cao hơn.
Sharding giải quyết vấn đề này bằng cách phân phối công việc xác thực trên nhiều nhóm nút. Thay vì yêu cầu tất cả các nút xử lý cùng một giao dịch, mỗi phân đoạn sẽ xử lý một phần trong tổng khối lượng công việc.
Thiết kế này giữ cho các chuỗi khối được phân cấp nhưng hiệu quả, hỗ trợ khối lượng giao dịch cao hơn mà không làm hệ thống quá tải.
2) Cách thức hoạt động của sharding trong chuỗi khối
Trong một chuỗi khối được phân chia, dữ liệu của mạng được phân chia theo chiều ngang, với mỗi phân đoạn chứa tập hợp tài khoản, hợp đồng và lịch sử giao dịch riêng. Các phân đoạn này xử lý hoạt động đồng thời, sau đó gửi thông tin cập nhật đến chuỗi điều phối trung tâm được gọi là beacon hoặc chuỗi gốc.
Mỗi nút trong mạng phân đoạn được gán cho một phân đoạn, chỉ lưu trữ một phần dữ liệu đầy đủ. Điều này làm giảm đáng kể các yêu cầu lưu trữ và tính toán cần thiết để tham gia vào mạng. Trình xác thực luân chuyển giữa các phân đoạn theo thời gian, cải thiện tính bảo mật và ngăn chặn bất kỳ nhóm nào kiểm soát phân đoạn vĩnh viễn.
Xử lý giao dịch song song
Ưu điểm chính của phân đoạn là tính song song. Vì các phân đoạn hoạt động độc lập nên nhiều giao dịch có thể được xác thực cùng một lúc thay vì phải chờ một hàng đợi toàn cầu duy nhất. Kết quả là thông lượng cao hơn đáng kể, thường được đo bằng hàng nghìn giao dịch mỗi giây, so với vài chục giao dịch trong các hệ thống không được phân chia.
Giao tiếp giữa các phân đoạn
Để duy trì mạng thống nhất, các phân đoạn phải trao đổi dữ liệu một cách an toàn thông qua cơ chế phối hợp. Khi một giao dịch liên quan đến các tài khoản trên các phân đoạn khác nhau, hệ thống sẽ sử dụng giao thức liên lạc giữa các phân đoạn để định tuyến thông tin một cách an toàn. Điều này ngăn cản việc chi tiêu gấp đôi và đảm bảo tất cả các phân đoạn đều đồng ý về trạng thái chung.
3) Các loại phân đoạn chuỗi khối
Các nhà phát triển sử dụng một số loại phân đoạn tùy thuộc vào những gì họ muốn tối ưu hóa. Mỗi cách tiếp cận giải quyết những thách thức khác nhau liên quan đến lưu trữ, tính toán và xác thực giao dịch. Ba loại chính là phân đoạn mạng, giao dịch và trạng thái.
Phân đoạn mạng
Phân đoạn mạng chia các nút thành các nhóm nhỏ hơn để xử lý các tập hợp con cụ thể của các giao dịch trong mạng. Mỗi nhóm phân đoạn chỉ xác thực các nhiệm vụ được giao, giảm khối lượng công việc trên mỗi nút và tăng hiệu quả. Đây là một trong những hình thức sharding đơn giản và được sử dụng phổ biến nhất.
Tuy nhiên, phân mảnh mạng yêu cầu chỉ định trình xác thực an toàn để ngăn chặn các nút độc hại chiếm lấy phân đoạn. Cơ chế ngẫu nhiên và luân phiên giúp đảm bảo sự tham gia công bằng và duy trì sự tin cậy của mạng.
Phân chia giao dịch
Trong phân chia giao dịch, các giao dịch được nhóm dựa trên các quy tắc được xác định trước-chẳng hạn như địa chỉ tài khoản hoặc số nhận dạng hợp đồng thông minh-và được xử lý bởi các phân đoạn cụ thể. Điều này giữ các dữ liệu liên quan lại với nhau và giúp mạng xử lý song song hàng nghìn giao dịch. Nó đặc biệt hiệu quả đối với các chuỗi khối có hoạt động người dùng cao.
Phân đoạn trạng thái
Phân đoạn trạng thái là hình thức tiên tiến nhất và tập trung vào việc phân tách dữ liệu được lưu trữ của chuỗi khối. Mỗi phân đoạn chỉ giữ một phần trạng thái đầy đủ của mạng, chẳng hạn như số dư tài khoản hoặc thông tin hợp đồng thông minh. Phương pháp này làm giảm đáng kể nhu cầu lưu trữ trên mỗi nút và tăng cường khả năng mở rộng.
4) Lợi ích của phân mảnh
Lợi ích chính của phân mảnh là khả năng mở rộng. Bằng cách xử lý đồng thời nhiều giao dịch trên các phân đoạn, mạng có thể tăng thông lượng đáng kể trong khi vẫn giữ mức phí ở mức thấp. Điều này làm cho công nghệ chuỗi khối trở nên thiết thực hơn đối với các dịch vụ tài chính, trò chơi và ứng dụng doanh nghiệp yêu cầu khối lượng giao dịch cao.
Sharding cũng cải thiện hiệu quả bằng cách giảm yêu cầu phần cứng cho các nhà khai thác nút. Vì mỗi nút lưu trữ ít dữ liệu hơn nên nhiều người dùng hơn có thể tham gia xác thực mạng mà không cần thiết bị đắt tiền. Điều này giúp duy trì sự phân quyền trong khi mở rộng quyền truy cập vào hệ sinh thái.
5) Các thách thức và rủi ro bảo mật
Mặc dù sharding nâng cao hiệu suất nhưng nó cũng tạo ra những thách thức kỹ thuật mới. Nhu cầu phối hợp các giao dịch giữa các phân đoạn làm tăng thêm độ phức tạp và tăng nguy cơ xảy ra lỗi đồng bộ hóa. Một hệ thống được thiết kế kém có thể gặp phải tình trạng dữ liệu không khớp hoặc quá trình xác nhận bị chậm trễ.
Bảo mật là một mối lo ngại lớn khác vì mỗi phân đoạn đại diện cho một tập hợp con nhỏ hơn của mạng. Nếu kẻ tấn công kiểm soát đủ trình xác thực trong một phân đoạn, chúng có thể thao túng dữ liệu của phân đoạn đó. Các nhà phát triển chuỗi khối chống lại điều này bằng cách luân phiên các trình xác thực và sử dụng tính ngẫu nhiên của mật mã để đảm bảo việc phân chia phân đoạn.
6) Ví dụ về phân chia trong thực tế
Lộ trình của Ethereum bao gồm một bản nâng cấp lớn có tên Danksharding, mở rộng trong giai đoạn phân chia dữ liệu ban đầu. Danksharding sẽ cho phép Ethereum xử lý lượng lớn dữ liệu một cách hiệu quả đồng thời hỗ trợ cuộn lớp 2. Cách tiếp cận kết hợp này nhằm mục đích kết hợp khả năng mở rộng với khả năng phân cấp mạnh mẽ.
Các dự án khác như NEAR Protocol và Zilliqa đã sử dụng thành công shending. NEAR sử dụng phân đoạn trạng thái động điều chỉnh dựa trên tải mạng, trong khi Zilliqa là một trong những chuỗi khối công khai đầu tiên chứng minh mức tăng thông lượng trong thế giới thực bằng cách sử dụng xác thực dựa trên phân đoạn.
7) Sharding so với các giải pháp có khả năng mở rộng khác
Sharding khác với các phương pháp mở rộng quy mô ngoài chuỗi như cuộn lên hoặc chuỗi bên. Rollups xử lý các giao dịch bên ngoài chuỗi chính và định kỳ gửi kết quả trở lại, trong khi sharding sẽ tự cơ cấu lại lớp cơ sở. Điều này khiến sharding trở thành một giải pháp nền tảng giúp tăng vĩnh viễn dung lượng mạng.
Trong thực tế, hầu hết các blockchain sẽ kết hợp cả hai cách tiếp cận. Sharding có thể xử lý khối lượng lớn dữ liệu ở cấp độ cốt lõi, trong khi các giải pháp Lớp 2 quản lý khối lượng công việc dành riêng cho ứng dụng. Cùng nhau, chúng tạo thành một hệ thống nhiều lớp có khả năng đáp ứng nhu cầu toàn cầu.
8) Tương lai của phân mảnh trong chuỗi khối
Sharding tiếp tục phát triển khi các nhà phát triển cải tiến thiết kế và cải thiện giao tiếp giữa các phân đoạn. Những cải tiến sắp tới như Proto-Danksharding trong EIP-4844 của Ethereum nhằm mục đích làm cho dữ liệu sẵn có nhanh hơn và rẻ hơn. Những cập nhật này đặt nền tảng cho việc áp dụng blockchain rộng rãi ở cấp độ quy mô web.
Ngoài Ethereum, nghiên cứu về bằng chứng không có kiến thức và kiến trúc mô-đun có thể nâng cao hơn nữa hiệu quả của sharding. Việc kết hợp phân mảnh với mô hình tổng hợp bằng chứng hoặc mô hình đồng thuận kết hợp có thể giải quyết bộ ba bất khả thi lâu dài của blockchain về khả năng mở rộng, bảo mật và phân cấp.
Những bài học rút ra quan trọng
Sharding chia blockchain thành các phân đoạn nhỏ hơn có thể xử lý các giao dịch song song, cải thiện đáng kể khả năng mở rộng. Nó cho phép tốc độ giao dịch nhanh hơn, phí thấp hơn và phân phối tài nguyên tốt hơn mà không phải hy sinh tính phân quyền. Tuy nhiên, nó cũng đưa ra những thách thức bảo mật và phối hợp phức tạp mà các nhà phát triển phải giải quyết một cách cẩn thận.
Khi các dự án như Ethereum, NEAR và Zilliqa tiếp tục tinh chỉnh cách triển khai của mình, sharding đang nổi lên như một nền tảng của thiết kế chuỗi khối thế hệ tiếp theo. Những tiến bộ trong tương lai hứa hẹn mang lại hiệu quả và tính linh hoạt cao hơn nữa, mở đường cho các hệ thống phi tập trung có thể mở rộng trên toàn cầu.
