Ý tưởng về Blockchain bắt nguồn từ một ý tưởng về chuỗi dữ liệu bất biến được mô tả lần đầu năm 1991 bởi 2 nhà nghiên cứu W. Scott Stornetta và Stuart Haber. Nhưng phải đến năm 2008, nhờ những cải tiến của khoa học máy tính mà Blockchain mới thực sự được ứng dụng, đó chính là Bitcoin. Blockchain được phát minh bởi một người (hoặc một nhóm) ẩn danh Satoshi Nakamoto.

Các blockchain thế hệ đầu tiên được thiết kế để cải thiện hệ thống tài chính bằng cách cung cấp một nền tảng tiền tệ phi tập trung đặt quyền kiểm soát về tay của mọi người.

Các blockchain thế hệ thứ hai thêm một lớp “điều kiện” vào các giao dịch để mọi người có thể đồng ý với các điều khoản trong hợp đồng thông minh (smart contract) thay vì dựa vào các bên trung gian.

Các blockchain thế hệ thứ ba nhằm giải quyết các thiếu sót cơ bản bao gồm khả năng mở rộng và khả năng tương tác, có nghĩa là blockchain có thể duy trì việc áp dụng hàng loạt và không gặp phải các vấn đề như thời gian giao dịch chậm hay hệ thống rời rạc thiếu tương tác với nhau.

Khả năng mở rộng là gì?

Cụm từ “scaling” trong công nghệ chuỗi khối đề cập đến sự gia tăng tốc độ thông lượng của hệ thống, được đo bằng số lượng giao dịch mỗi giây. Với việc áp dụng rộng rãi tiền mã hóa trong cuộc sống hàng ngày, các lớp chuỗi khối hiện được yêu cầu để cải thiện an ninh mạng, lưu trữ hồ sơ và các chức năng khác.

Số lượng giao dịch được xử lý bởi một hệ thống mỗi giây được gọi là “thông lượng”. Trong khi mạng thanh toán điện tử VisaNet của Visa có thể xử lý hơn 20.000 giao dịch mỗi giây, thì chuỗi chính của Bitcoin (BTC) không thể xử lý hơn 7 giao dịch mỗi giây (TPS – Transactions Per Second), còn Ethereum (ETH) là 15 TPS.

Chuỗi khối là lớp đầu tiên trong một hệ sinh thái phi tập trung. Lớp hai là sự tích hợp của bên thứ ba được sử dụng cùng với lớp một để tăng cường số lượng nút và kết quả là tăng thông lượng hệ thống. Nhiều công nghệ blockchain lớp hai hiện đang được triển khai. Hợp đồng thông minh được sử dụng trong các giải pháp này để tự động hóa các giao dịch.

Bộ ba bất khả thi của blockchain

 Blockchain trilemma – là bài toán đề cập đến 3 yếu tố Bảo mật, phi tập trung, khả năng mở rộng.

• Khả năng mở rộng của blockchain đề cập đến khả năng xử lý khối lượng giao dịch cao hơn.
• Bảo mật đề cập đến khả năng bảo mật dữ liệu trên chuỗi khối khỏi các loại tấn công khác nhau và khả năng bảo vệ chuỗi khối chống lại chi tiêu gấp đôi.
• Phân cấp là một loại dự phòng mạng nhằm đảm bảo rằng mạng không bị kiểm soát bởi số ít thực thể.

Bộ ba bất khả thi của chuỗi khối đề cập đến quan niệm phổ biến rằng, về phân cấp, bảo mật và khả năng mở rộng, các mạng phi tập trung chỉ có thể chọn 2 trong số 3 yếu tố và phải hy sinh yếu tố còn lại. Ví dụ nếu blockchain lựa chọn bảo mật và phi tập trung thì sẽ phải hy sinh khả năng mở rộng. 

Phí Ethereum tăng lên là một ví dụ về bộ ba bất khả thi, vì chúng ta có thể thấy rằng Ethereum đã không thể mở rộng quy mô nếu không hy sinh tính bảo mật hoặc phân cấp. Trọng tâm của Ethereum là phân cấp và bảo mật, với số lượng giao dịch mỗi giây bị hạn chế (khả năng mở rộng). Để khuyến khích những người khai thác ưu tiên giao dịch của họ, người dùng đã trả phí cao hơn. Tương tự, tính phi tập trung và bảo mật được ưu tiên hơn khả năng mở rộng trong Bitcoin.

Không có gì bí mật khi khả năng mở rộng của các chuỗi khối như Bitcoin và Ethereum hiện đang bị hạn chế. Do đó, một cộng đồng toàn cầu bao gồm các công ty khởi nghiệp, tập đoàn và nhà công nghệ đang làm việc điên cuồng trên các giải pháp lớp 1 và lớp 2 để giải quyết bộ ba bất khả thi của chuỗi khối. 

Cấu trúc lớp của kiến ​​trúc blockchain

Trong trường hợp mạng lưới phân tán của kiến ​​trúc chuỗi khối, mỗi người tham gia mạng duy trì, ủy quyền và cập nhật các mục mới. Một tập hợp các khối với các giao dịch theo thứ tự cụ thể đại diện cho cấu trúc của công nghệ chuỗi khối. Các danh sách này có thể được lưu dưới dạng tệp (ở định dạng txt) hoặc cơ sở dữ liệu đơn giản. Kiến trúc chuỗi khối có thể ở dạng công khai, riêng tư hoặc tập đoàn. Blockchain có thể được phân loại thành sáu lớp:

Lớp cơ sở hạ tầng phần cứng (Hardware infrastructure layer) 

Nội dung của chuỗi khối được lưu trữ trên một máy chủ trong trung tâm dữ liệu ở đâu đó trên trái đất. Client yêu cầu nội dung hoặc dữ liệu từ máy chủ ứng dụng trong khi duyệt web hoặc sử dụng bất kỳ ứng dụng nào, được gọi là kiến trúc máy khách-máy chủ (client-server).

Giờ đây, Client có thể kết nối với client ngang hàng và chia sẻ dữ liệu. Mạng ngang hàng (P2P) là một nhóm lớn các máy tính chia sẻ dữ liệu. Chuỗi khối là một mạng ngang hàng gồm các máy tính tính toán, xác thực và ghi lại các giao dịch một cách có trật tự trong một sổ cái chung. Kết quả là, một cơ sở dữ liệu phân tán được tạo, lưu trữ tất cả dữ liệu, giao dịch và dữ liệu thích hợp khác. Một nút là một máy tính trong mạng P2P.

Lớp dữ liệu (data layer)

Cấu trúc dữ liệu của chuỗi khối được thể hiện dưới dạng danh sách các khối được liên kết trong đó các giao dịch được sắp xếp. Cấu trúc dữ liệu của chuỗi khối bao gồm hai yếu tố cơ bản: con trỏ (pointer) và danh sách liên kết (linked list). Danh sách được liên kết là danh sách các khối được xâu chuỗi với dữ liệu và con trỏ tới khối trước đó.

Con trỏ là các biến tham chiếu đến vị trí của một biến khác và danh sách được liên kết là danh sách các khối được xâu chuỗi có dữ liệu và con trỏ tới khối trước đó. Cây Merkle là một cây nhị phân gồm các giá trị băm. Mỗi khối chứa hàm băm gốc của cây Merkle và thông tin như hàm băm, dấu thời gian, nonce, số phiên bản khối và mục tiêu độ khó hiện tại của khối trước đó.

Đối với các hệ thống chuỗi khối, cây Merkle cung cấp tính bảo mật, tính toàn vẹn và không thể bác bỏ. Hệ thống chuỗi khối được xây dựng trên cây Merkle, mật mã và thuật toán đồng thuận. Vì là khối đầu tiên trong chuỗi nên khối gốc, tức là khối đầu tiên, không chứa con trỏ.

Để bảo vệ tính bảo mật và tính toàn vẹn của dữ liệu chứa trong chuỗi khối, các giao dịch được ký điện tử. Khóa riêng được sử dụng để ký các giao dịch và bất kỳ ai có khóa chung đều có thể xác minh người ký. Chữ ký số phát hiện thao tác thông tin. Vì dữ liệu được mã hóa cũng được ký, chữ ký điện tử đảm bảo tính thống nhất.

Dữ liệu không thể được phát hiện vì nó được mã hóa. Nó không thể bị giả mạo một lần nữa, ngay cả khi nó bị bắt. Danh tính của người gửi hoặc chủ sở hữu cũng được bảo vệ bằng chữ ký điện tử. Do đó, chữ ký được liên kết hợp pháp với chủ sở hữu của nó và không thể bị coi thường.

Lớp mạng lưới (Network layer)

Lớp mạng, thường được gọi là lớp P2P, chịu trách nhiệm liên lạc giữa các nút. Khám phá, giao dịch và lan truyền khối đều được xử lý bởi lớp mạng.

Lớp P2P này đảm bảo rằng các nút có thể tìm thấy nhau và tương tác, lan truyền và đồng bộ hóa để giữ cho mạng chuỗi khối ở trạng thái hợp pháp. Mạng P2P là mạng máy tính trong đó các nút được phân phối và chia sẻ khối lượng công việc của mạng để đạt được mục đích chung. Các giao dịch của chuỗi khối được thực hiện bởi các nút.

Lớp đồng thuận (Consensus layer)

Lớp đồng thuận là điều cần thiết để các nền tảng blockchain tồn tại. Lớp đồng thuận là lớp cần thiết và quan trọng nhất trong bất kỳ chuỗi khối nào, cho dù đó là Ethereum, Bitcoin hay loại khác. Lớp đồng thuận chịu trách nhiệm xác thực các khối, sắp xếp chúng và đảm bảo rằng mọi người đều đồng ý.

Lớp ứng dụng (Application layer)

Hợp đồng thông minh, mã chuỗi và ứng dụng phi tập trung (DApps) tạo nên lớp ứng dụng. Các giao thức ở lớp ứng dụng được chia nhỏ hơn thành ứng dụng và các lớp thực thi. Lớp ứng dụng bao gồm các chương trình mà người dùng cuối sử dụng để giao tiếp với mạng chuỗi khối. Tập lệnh, giao diện lập trình ứng dụng (API), giao diện người dùng và khung đều là một phần của nó.

Mạng chuỗi khối đóng vai trò là công nghệ phụ trợ cho các ứng dụng này và các ứng dụng này giao tiếp với blockchain thông qua API. Hợp đồng thông minh, quy tắc cơ bản và mã chuỗi (codechain) đều là một phần của lớp thực thi.

Mặc dù một giao dịch chuyển từ lớp ứng dụng sang lớp thực thi, nhưng nó được xác thực và thực thi ở lớp ngữ nghĩa. Các ứng dụng đưa ra hướng dẫn cho lớp thực thi, lớp này thực hiện các giao dịch và đảm bảo tính chất quyết định của chuỗi khối.

Giải thích các lớp của blockchain

Lớp 0 (Layer 0)

Lớp 0 của chuỗi khối được tạo thành từ nhiều thành phần giúp chuỗi khối trở thành hiện thực. Đó là công nghệ cho phép Bitcoin, Ethereum và các mạng chuỗi khối khác hoạt động. Các thành phần của lớp 0 bao gồm internet, phần cứng và các kết nối sẽ cho phép lớp một chạy trơn tru.

Lớp một (Layer 1)

Đây là lớp nền tảng và tính bảo mật của nó dựa trên tính bất biến. Mạng Ethereum, hay lớp một, là những gì mọi người ám chỉ khi họ nói Ethereum. Lớp này phụ trách các quy trình đồng thuận, ngôn ngữ lập trình, thời gian tạo khối, giải quyết tranh chấp cũng như các quy tắc và tham số duy trì chức năng cơ bản của mạng chuỗi khối. Nó còn được gọi là lớp thực hiện. Bitcoin là một ví dụ về blockchain lớp một.

Vấn đề với lớp một

Các giải pháp mở rộng này giúp tăng thông lượng của mạng khi được sử dụng cùng nhau. Tuy nhiên, với số lượng người dùng blockchain ngày càng tăng, lớp một dường như đang bị thiếu hụt. Quy trình đồng thuận bằng chứng công việc lỗi thời và vụng về vẫn đang được sử dụng trên chuỗi khối lớp một.

Mặc dù phương pháp này an toàn hơn các phương pháp khác, nhưng nó bị giới hạn bởi tốc độ của nó. Những người khai thác được yêu cầu giải các thuật toán mã hóa bằng sức mạnh tính toán. Do đó, cần nhiều sức mạnh tính toán và thời gian hơn trong thời gian dài. Ngoài ra, khối lượng công việc trên blockchain lớp một đã tăng lên khi số lượng người dùng tăng lên. Kết quả là tốc độ và năng lực xử lý đã bị chậm lại.

Phương pháp khả thi

Proof-of-stake là một sự đồng thuận thay thế mà Ethereum 2.0 sẽ áp dụng. Cách tiếp cận đồng thuận này xác nhận các khối dữ liệu giao dịch mới dựa trên tài sản thế chấp stake của những người tham gia mạng, dẫn đến một quy trình hiệu quả hơn.

Sharding là một giải pháp mở rộng cho gánh nặng đối với vấn đề chuỗi khối lớp một. Nói một cách đơn giản, sharding chia nhiệm vụ xác thực và xác thực giao dịch thành các phần nhỏ hơn, dễ quản lý hơn. Do đó, khối lượng công việc có thể được phân phối qua mạng để sử dụng khả năng tính toán của nhiều nút hơn. Do mạng xử lý song song các phân đoạn này nên một số giao dịch có thể được xử lý tuần tự và đồng thời.

Lớp hai (Layer 2)

Các mạng chồng chéo nằm trên cùng của lớp cơ sở được gọi là giải pháp L2. Các giao thức sử dụng lớp hai để tăng khả năng mở rộng bằng cách loại bỏ một số tương tác khỏi lớp cơ sở. Do đó, các hợp đồng thông minh trên giao thức chuỗi khối chính chỉ giải quyết các khoản tiền gửi và rút tiền và đảm bảo rằng các giao dịch ngoài chuỗi tuân theo các quy định. Lightning Network của Bitcoin là một ví dụ về blockchain lớp hai.

Vì vậy, sự khác biệt giữa blockchain lớp một và lớp hai là gì? Chuỗi khối là lớp đầu tiên trong một hệ sinh thái phi tập trung. Lớp hai là sự tích hợp của bên thứ ba được sử dụng cùng với lớp một để tăng cường số lượng nút và kết quả là tăng thông lượng hệ thống. Hiện đang có nhiều công nghệ blockchain lớp hai đang được triển khai hiện nay như: Side chain, State channels, rollup…

Lớp ba (Layer 3)

Lớp ứng dụng thường được gọi là lớp ba hoặc L3. Các dự án L3 hoạt động như một giao diện người dùng trong khi che giấu các khía cạnh kỹ thuật của kênh liên lạc. Các ứng dụng L3 là thứ mang lại cho các chuỗi khối khả năng ứng dụng trong thế giới thực.

Điểm mấu chốt

Một trong những lý do tại sao hiện nay không thể áp dụng tiền mã hóa chính thống trong kinh doanh chuỗi khối là khả năng mở rộng. Khi nhu cầu về tiền mã hóa tăng lên, áp lực mở rộng các giao thức chuỗi khối cũng tăng theo. Bởi vì cả hai cấp độ chuỗi khối đều có những hạn chế riêng, nên giải pháp cuối cùng sẽ là phát triển một hệ thống có thể giải quyết bộ ba bất khả thi về khả năng mở rộng.

Lớp 1 rất quan trọng vì nó đóng vai trò là nền tảng cho các hệ thống phi tập trung. Các vấn đề về khả năng mở rộng của chuỗi khối cơ bản được giải quyết thông qua các giao thức lớp 2. Thật không may, hầu hết các giao thức lớp 3 (DApps) hiện chỉ chạy trên lớp 1, bỏ qua lớp 2. Không có gì ngạc nhiên khi các hệ thống này không hoạt động tốt như chúng ta mong muốn.

Các ứng dụng lớp 3 rất cần thiết vì chúng giúp phát triển các trường hợp sử dụng trong thế giới thực cho các chuỗi khối. Tuy nhiên, chúng sẽ không thu được nhiều giá trị như chuỗi khối nền tảng của chúng, trái ngược với các mạng cũ.