Một bài viết giải thích chi tiết về thực thi song song Layer1: Aptos, Sui, Linera và Fuel thực hiện như thế nào?
Tuyển chọn TechFlowTuyển chọn TechFlow
Một bài viết giải thích chi tiết về thực thi song song Layer1: Aptos, Sui, Linera và Fuel thực hiện như thế nào?
Khi nhìn lại quá trình phát triển của công nghệ blockchain, ta có thể thấy một xu hướng mạnh mẽ đang nổi lên, đó là các L1 mới tập trung vào thực thi song song.
Chuyên sâu báo cáo Web3
Tác giả: Mohamed Fouda
Biên dịch: TechFlow
Khi nhìn lại sự tiến hóa của công nghệ blockchain, ta có thể thấy một xu hướng mạnh mẽ đang nổi lên: các L1 mới đang chú trọng vào thực thi song song.
Đây không phải là công nghệ mới; hiện tại Solana đã sử dụng trong môi trường thực thi Sealevel.
Tuy nhiên, trong thị trường tăng giá trước đây, hiệu suất ấn tượng của DeFi và NFT đã cho thấy rõ ràng rằng công nghệ cần được cải thiện cấp bách.
Trong chu kỳ thị trường tới, một số dự án nổi bật áp dụng tư tưởng thực thi song song sẽ xuất hiện, bao gồm Aptos, Sui, Linera và Fuel.
Bài viết này sẽ thảo luận về điểm giống và khác nhau giữa các dự án này, cũng như những thách thức mà họ đang đối mặt.
Vấn đề
Các nền tảng hợp đồng thông minh có thể tạo ra nhiều ứng dụng phi tập trung. Để thực thi các ứng dụng này, cần có một bộ máy tính toán chung. Mỗi nút trong mạng đều chạy bộ máy này để thực hiện các ứng dụng và tương tác giữa người dùng với ứng dụng. Khi các nút đạt được kết quả giống nhau từ quá trình thực thi, họ sẽ đạt được sự đồng thuận và thúc đẩy chuỗi phát triển.
Máy ảo Ethereum (EVM) là bộ máy thực thi hợp đồng thông minh (SC) phổ biến nhất, với khoảng 20 cách triển khai khác nhau.
Kể từ khi EVM ra đời, nó đã đạt được khối lượng phát triển viên sử dụng đáng kể.
Ngoài Ethereum và các L2 của Ethereum, nhiều chuỗi khác như Polygon, BNB Smart Chain và Avalanche C-chain cũng sử dụng EVM làm bộ máy thực thi, tập trung vào việc thay đổi cơ chế đồng thuận để nâng cao thông lượng mạng.
Một hạn chế lớn của EVM là thực thi tuần tự giao dịch. Về cơ bản, EVM thực thi từng giao dịch một, tạm dừng tất cả các giao dịch khác cho đến khi giao dịch hiện tại hoàn tất và trạng thái blockchain được cập nhật. Ngay cả khi hai giao dịch độc lập với nhau, ví dụ như một khoản thanh toán từ Alice đến Bob và một khoản khác từ Carol đến Dave, EVM cũng không thể thực thi song song chúng. Mặc dù mô hình thực thi này cho phép các trường hợp sử dụng thú vị như vay chớp nhoáng (flash loans), nhưng nó vừa kém hiệu quả vừa thiếu khả năng mở rộng.
Việc thực thi tuần tự giao dịch là một trong những điểm nghẽn chính về thông lượng mạng:
- Thứ nhất, nó dẫn đến thời gian thực thi giao dịch lâu hơn trong khối, giới hạn thời gian khối;
- Hơn nữa, nó giới hạn số lượng giao dịch có thể thêm vào khối để các nút có thể xử lý và xác nhận khối.
Thông lượng trung bình của Ethereum khoảng 17 tx/giây. Thông lượng thấp này nghĩa là trong giai đoạn hoạt động cao, ví dụ như đợt mint NFT, các thợ đào/mãnh xác thực mạng không thể xử lý hết mọi giao dịch, dẫn đến cuộc chiến đấu giá phí để đảm bảo ưu tiên thực thi, khiến phí giao dịch tăng mạnh. Phí trung bình trên Ethereum đôi khi vượt quá 0,2 ETH (khoảng 800 USD), khiến nhiều người dùng e ngại sử dụng Ethereum.
Vấn đề thứ hai của thực thi tuần tự là hiệu suất thấp ở các nút mạng. Việc thực thi tuần tự không tận dụng được lợi thế từ nhiều lõi xử lý, dẫn đến sử dụng phần cứng kém hiệu quả và gây lãng phí năng lượng. Điều này cản trở khả năng mở rộng và tiêu tốn năng lượng không cần thiết.
Liệu thực thi song song có giải quyết được vấn đề này?
Giới hạn trong cấu trúc EVM đã tạo điều kiện cho lĩnh vực L1 mới theo hướng thực thi song song (PE). Song song cho phép phân chia xử lý giao dịch giữa nhiều lõi xử lý, nâng cao hiệu suất sử dụng phần cứng và do đó cải thiện khả năng mở rộng. Trên các chuỗi thông lượng cao, tăng tài nguyên phần cứng sẽ tỷ lệ thuận với số lượng giao dịch có thể thực thi.
Trong giai đoạn hoạt động cao, các nút xác thực có thể phân bổ thêm lõi để xử lý tải giao dịch tăng thêm. Việc mở rộng tài nguyên tính toán một cách linh hoạt cho phép mạng đạt thông lượng cao hơn trong thời gian nhu cầu cao, cải thiện đáng kể trải nghiệm người dùng.
Một lợi ích khác của phương pháp này là giảm độ trễ xác nhận giao dịch. Việc mở rộng tài nguyên nút một cách linh hoạt giúp đảm bảo độ trễ thấp ngay cả dưới mọi tải mạng có thể xảy ra.
Giao dịch không cần chờ hàng chục hay hàng trăm khối, cũng không cần trả phí cao để được ưu tiên xác nhận. Thời gian xác nhận được cải thiện nâng cao tính kết thúc giao dịch, mở đường cho các blockchain độ trễ thấp. Đảm bảo độ trễ thấp trong thực thi giao dịch làm cho nhiều trường hợp sử dụng trước đây không khả thi trở nên khả thi.
Thay đổi mô hình thực thi chuỗi để cho phép PE không phải là ý tưởng mới, một số dự án đã thử nghiệm điều này. Một cách tiếp cận là thay thế mô hình kế toán từ mô hình Tài khoản (Accounts) mà EVM sử dụng bằng mô hình Đầu ra Giao dịch Chưa chi tiêu (UTXO). Mô hình thực thi UTXO được dùng trong Bitcoin, cho phép xử lý giao dịch song song, rất phù hợp với thanh toán.
Nhưng vì UTXO có chức năng hạn chế, cần mở rộng để hỗ trợ các tương tác phức tạp cần thiết cho hợp đồng thông minh. Ví dụ, Cardano sử dụng mô hình UTXO mở rộng cho mục đích này, trong khi Findora sử dụng mô hình UTXO lai, tích hợp cả hai mô hình kế toán và cho phép người dùng chuyển đổi loại tài sản giữa hai mô hình.
Một cách tiếp cận PE khác không thay đổi mô hình tài khoản, mà tập trung cải thiện kiến trúc trạng thái chuỗi và cách sửa đổi trạng thái. Ví dụ như khuôn khổ Sealevel của Solana.
Thực thi song song hoạt động như thế nào?
Thực thi song song hoạt động bằng cách xác định các giao dịch độc lập và thực thi chúng đồng thời. Hai giao dịch được coi là liên quan nếu việc thực thi một giao dịch ảnh hưởng đến kết quả thực thi giao dịch kia. Ví dụ, các giao dịch AMM trong cùng một nhóm thanh khoản là liên quan và phải được thực thi tuần tự.
Mặc dù khái niệm xử lý song song nghe có vẻ đơn giản, nhưng khó khăn nằm ở chi tiết — thách thức chính là làm sao để nhận diện hiệu quả các giao dịch "độc lập". Việc phân loại giao dịch độc lập đòi hỏi hiểu biết về cách mỗi giao dịch thay đổi bộ nhớ blockchain hoặc trạng thái chuỗi. Các giao dịch tương tác với cùng một hợp đồng thông minh (ví dụ như nhóm thanh khoản AMM) có thể đồng thời thay đổi trạng thái hợp đồng, do đó không thể thực thi đồng thời.
Với mức độ khả năng kết hợp giữa các ứng dụng hiện nay, việc xác định xem các giao dịch có liên quan hay không là một nhiệm vụ đầy thách thức. Hãy tưởng tượng một giao dịch AMM đổi UNI sang USDC, và AMM tìm ra lộ trình hiệu quả nhất là UNI -> ETH -> DAI -> AAVE -> USDC. Tất cả các nhóm thanh khoản tham gia giao dịch này không thể xử lý bất kỳ giao dịch nào khác cho đến khi giao dịch hoàn tất, rồi sau đó mới cập nhật trạng thái của tất cả các nhóm tham gia.
Nhận diện giao dịch độc lập
Trong phần này, so sánh các phương pháp được sử dụng bởi các bộ máy thực thi song song khác nhau. Trọng tâm là các phương pháp kiểm soát truy cập trạng thái (bộ nhớ). Trạng thái blockchain có thể được coi như bộ nhớ RAM, mỗi tài khoản hoặc hợp đồng thông minh trên chuỗi sở hữu một loạt vị trí bộ nhớ có thể bị thay đổi. Các giao dịch liên quan là những giao dịch cố gắng thay đổi cùng một vị trí bộ nhớ trong cùng một khối. Các chuỗi khác nhau sử dụng kiến trúc bộ nhớ và cơ chế khác nhau để nhận diện các giao dịch này.
Nhiều chuỗi thuộc nhóm này được xây dựng dựa trên công nghệ phát triển từ dự án blockchain Diem đã ngừng hoạt động của Facebook. Nhóm Diem đã tạo ra ngôn ngữ hợp đồng thông minh Move, chuyên cải thiện việc thực thi SC. Aptos, Sui và Linera là ba dự án nổi bật thuộc nhóm này. Ngoài nhóm này, Fuel là một dự án nổi bật khác tập trung vào PE, sử dụng ngôn ngữ SC riêng.
Aptos
Aptos được xây dựng dựa trên ngôn ngữ Move và MoveVM của Diem, tạo ra một chuỗi thông lượng cao với khả năng thực thi song song.
Phương pháp của Aptos là phát hiện mối liên hệ một cách minh bạch với người dùng/phát triển viên, tức là không yêu cầu giao dịch phải khai báo rõ ràng phần trạng thái (vị trí bộ nhớ) mà chúng sử dụng.
Aptos sử dụng một phiên bản sửa đổi của Software Transactional Memory (STM), gọi là Block-STM.
Trong Block-STM, các giao dịch được sắp xếp trước trong khối và phân chia giữa các luồng xử lý để thực thi.
Trong quá trình thực thi, các giao dịch được giả định là không liên quan. Các vị trí bộ nhớ bị thay đổi bởi giao dịch được ghi lại. Sau khi thực thi, kết quả của tất cả giao dịch được xác minh. Trong quá trình xác minh, nếu một giao dịch được phát hiện truy cập vào vị trí bộ nhớ đã bị giao dịch trước đó sửa đổi, giao dịch đó sẽ bị hủy bỏ. Kết quả của giao dịch bị xóa và thực thi lại.
Quá trình này lặp lại liên tục cho đến khi tất cả giao dịch trong khối được thực thi.
Khi sử dụng nhiều lõi xử lý, Block-STM tăng tốc độ thực thi, mức độ tăng phụ thuộc vào mức độ liên quan giữa các giao dịch.
Kết quả từ đội ngũ Aptos cho thấy, sử dụng 32 lõi có thể tăng hiệu suất lên 8 lần với mức độ liên quan cao và 16 lần với mức độ liên quan thấp. Nếu tất cả giao dịch trong một khối đều phụ thuộc lẫn nhau, Block-STM sẽ gây ra chút tổn thất hiệu suất so với thực thi tuần tự. Aptos tuyên bố phương pháp này có thể đạt thông lượng 160.000 TPS.
Sui
Một phương pháp PE khác là yêu cầu các giao dịch khai báo rõ ràng phần trạng thái chuỗi mà chúng sửa đổi. Phương pháp này hiện được sử dụng bởi Solana và Sui.
Solana gọi các đơn vị bộ nhớ là tài khoản, và giao dịch phải nêu rõ tài khoản nào bị thay đổi. Sui cũng sử dụng cách tiếp cận tương tự.
Sui cũng được xây dựng dựa trên công nghệ Diem thông qua MoveVM. Tuy nhiên, Sui sử dụng một phiên bản khác của ngôn ngữ Move.
Cách triển khai Sui Move thay đổi mô hình lưu trữ cốt lõi và quyền tài sản của Diem, tạo nên sự khác biệt lớn so với Aptos sử dụng Diem Move chuẩn.
Sui Move định nghĩa một mô hình lưu trữ trạng thái cho phép dễ dàng nhận diện giao dịch độc lập hơn.
Trong Sui, trạng thái lưu trữ được định nghĩa là Objects. Object thường đại diện cho tài sản và có thể được chia sẻ, nghĩa là nhiều người dùng có thể sửa đổi cùng một object.Mỗi Object trong môi trường thực thi Sui có một ID duy nhất và con trỏ nội bộ trỏ đến địa chỉ chủ sở hữu. Nhờ các khái niệm này, rất dễ dàng nhận diện mối liên quan bằng cách kiểm tra xem các giao dịch có dùng chung Object hay không.
Việc chuyển trách nhiệm khai báo mối liên quan sang phía nhà phát triển khiến việc triển khai bộ máy thực thi trở nên dễ dàng hơn, về lý thuyết có thể mang lại hiệu suất và khả năng mở rộng tốt hơn. Tuy nhiên, điều này đi kèm với trải nghiệm phát triển kém lý tưởng hơn.
Sui vẫn chưa khởi chạy, gần đây mới ra mắt mạng thử nghiệm.
Các nhà sáng lập Sui tuyên bố rằng việc triển khai thực thi song song cùng cơ chế đồng thuận Narwhal và Tusk có thể đạt thông lượng trên 100.000 tx/giây. Nếu đúng như vậy, thông lượng này sẽ vượt xa mức khoảng 2.400 tx/giây hiện tại của Solana, thậm chí còn vượt cả Visa và Mastercard.
Linera
Linera là thành viên mới nhất trong lĩnh vực xử lý song song, gần đây thông báo vòng tài trợ đầu tiên do a16z dẫn dắt. Hiện chưa có nhiều chi tiết về cách triển khai dự án. Tuy nhiên, theo bài đăng công bố tài trợ, ta biết rằng nó dựa trên giao thức FastPay được phát triển tại Facebook.
FastPay dựa trên công nghệ tên gọi Byzantine Consistent Broadcast, tập trung tăng tốc các khoản thanh toán độc lập, ví dụ như các giao dịch tại điểm bán hàng. Nó cho phép một nhóm các nút xác thực đảm bảo tính toàn vẹn của thanh toán miễn là hơn 2/3 nút là trung thực. FastPay là một biến thể của hệ thống thanh toán bù trừ thời gian thực (RTGS), được dùng trong mạng giữa các ngân hàng và tổ chức tài chính.
Dựa trên FastPay, Linera dự định xây dựng một blockchain tập trung vào thanh toán nhanh và độ trễ thấp thông qua việc thực thi song song các giao dịch thanh toán. Đáng chú ý, Sui cũng sử dụng Byzantine Consistent Broadcast cho các khoản thanh toán đơn giản. Với các giao dịch khác, Sui sử dụng cơ chế đồng thuận riêng Narwhal và Tusk để xử lý hiệu quả các giao dịch phức tạp và có liên quan như DeFi.
Fuel
Fuel tập trung vào vai trò là tầng thực thi trong blockchain mô-đun, nghĩa là Fuel không triển khai cơ chế đồng thuận hay lưu trữ dữ liệu chuỗi trên chính chuỗi Fuel. Để hoạt động như một blockchain đầy đủ, Fuel tương tác với các chuỗi khác để đạt được đồng thuận và tính sẵn có dữ liệu, ví dụ như Ethereum hoặc Celestia.
Fuel sử dụng UTXO để tạo danh sách truy cập nghiêm ngặt, tức là dùng một danh sách để kiểm soát việc truy cập vào cùng một phần trạng thái. Mô hình này dựa trên khái niệm sắp xếp giao dịch theo chuẩn. Trong sơ đồ này, việc sắp xếp giao dịch trong khối giúp đơn giản hóa đáng kể việc phát hiện mối liên quan giữa các giao dịch. Để thực hiện kiến trúc này, Fuel đã xây dựng một máy ảo mới gọi là FuelVM và một ngôn ngữ mới gọi là Sway.
FuelVM là một phiên bản đơn giản hóa và tương thích với EVM, giúp các nhà phát triển dễ dàng gia nhập hệ sinh thái Fuel.
Hơn nữa, vì Fuel tập trung vào blockchain mô-đun, việc thực thi hợp đồng thông minh trên Fuel có thể được giải quyết trên mạng chính Ethereum. Cách tiếp cận này phù hợp với tầm nhìn của Ethereum sau hợp nhất: trở thành một tầng thanh toán và sẵn có dữ liệu tập trung vào Rollup. Trong kiến trúc này, Fuel có thể thực hiện thực thi thông lượng cao và gửi batch lên Ethereum để thanh toán.
Để kiểm chứng khái niệm, nhóm Fuel đã tạo một AMM tên là SwaySwap, tương tự Uniswap, và đang chạy trên mạng thử nghiệm. Mục tiêu là chứng minh hiệu suất của FuelVM vượt trội so với EVM.
Thách thức của các phương pháp thực thi song song
Các phương pháp thực thi song song dường như hợp lý và trực tiếp, nhưng hiện tại vẫn còn nhiều thách thức. Thứ nhất là ước tính tỷ lệ thực tế của các giao dịch có thể được tăng tốc bằng cách thực thi song song. Thách thức thứ hai là tính phi tập trung của mạng: nếu các nút xác thực có thể dễ dàng mở rộng năng lực tính toán để tăng thông lượng, thì các nút đầy đủ (full node) làm sao theo kịp để đảm bảo tính đúng đắn của chuỗi?
Tỷ lệ giao dịch có thể thực thi song song
Việc ước tính chính xác tỷ lệ giao dịch trên chuỗi có thể thực thi song song là một thách thức. Hơn nữa, tỷ lệ này có thể thay đổi đáng kể giữa các khối tùy theo loại hoạt động mạng.
Ví dụ, một đợt mint NFT có thể dẫn đến sự bùng nổ các giao dịch có độ liên quan cao. Tuy nhiên, ta có thể sử dụng một số giả định để ước lượng sơ bộ tỷ lệ trung bình của các giao dịch có thể thực thi song song.
Ví dụ, ta có thể giả định rằng phần lớn giao dịch ETH và ERC20 là độc lập, tức là khởi tạo từ các địa chỉ khác nhau và nhận vào các địa chỉ khác nhau. Vì vậy, ta có thể ước tính khoảng 25% giao dịch ETH và ERC20 là liên quan, ví dụ như gửi tiền vào hợp đồng hoặc tập hợp tài sản từ ví nóng của sàn vào ví lạnh.
Mặt khác, tất cả các giao dịch AMM trong cùng một nhóm thanh khoản đều liên quan. Xét rằng hầu hết các AMM thường bị chi phối bởi một vài nhóm thanh khoản, và các giao dịch AMM có tính kết hợp cao khi tương tác với nhiều nhóm, ta có thể an toàn giả định ít nhất 50% giao dịch AMM là liên quan.
Phân tích các loại giao dịch trên Ethereum cho thấy, trong khoảng 1,2 triệu giao dịch mỗi ngày, 20-30% là chuyển ETH, 10-20% là chuyển stablecoin, 10-15% là giao dịch DEX, 4-6% là giao dịch NFT, 8-10% là phê duyệt ERC20, và 12-15% là các loại chuyển ERC20 khác.
Sử dụng các con số và giả định này, ta có thể ước tính rằng PE có thể tăng tốc khoảng 70-80% giao dịch trên nền tảng SC.
Điều này nghĩa là thực thi tuần tự các giao dịch liên quan chiếm khoảng 20-30% tổng số giao dịch. Nói cách khác, nếu sử dụng giới hạn Gas tương tự, có tiềm năng tăng thông lượng lên 3-5 lần nhờ PE.
Một số thí nghiệm về xây dựng EVM thực thi song song cho thấy ước tính tương tự, với mức tăng thông lượng bền vững từ 3-5 lần.
Trong thực tế, các chuỗi thông lượng cao sử dụng giới hạn Gas cao hơn và thời gian khối ngắn hơn để đạt thông lượng vượt ít nhất 100 lần so với Ethereum. Thông lượng tăng này đòi hỏi các nút xác thực mạnh để xử lý các khối này, dẫn đến thách thức thứ hai: sự tập trung hóa mạng.
Sự tập trung hóa mạng
Trên các mạng thông lượng cao, mạng có thể xử lý hàng chục nghìn giao dịch mỗi giây.
Các nút xác thực được khuyến khích bằng phí và phần thưởng để xử lý các giao dịch này, và đầu tư vào máy chủ chuyên dụng hoặc kiến trúc đám mây có thể mở rộng. Tuy nhiên, đối với các công ty hoặc cá nhân sử dụng chuỗi và cần vận hành nút đầy đủ để tương tác, tình hình lại khác. Những thực thể này không thể gánh nổi chi phí máy chủ phức tạp để xử lý tải giao dịch khổng lồ. Điều này khiến người dùng trên chuỗi phải phụ thuộc vào các nhà cung cấp nút RPC chuyên biệt như Infura, dẫn đến sự tập trung hóa nhiều hơn.
Nếu không lựa chọn chạy nút đầy đủ bằng phần cứng tiêu dùng, các chuỗi thông lượng cao có thể trở thành hệ thống đóng, nơi một nhóm nhỏ thực thể nắm quyền lực tuyệt đối đối với mạng. Trong trường hợp đó, các thực thể này có thể phối hợp để kiểm duyệt giao dịch, thực thể hoặc thậm chí các ứng dụng như Tornado Cash, biến các chuỗi này thành hệ thống cho phép giống Web2.
Hiện tại, yêu cầu vận hành nút đầy đủ trên mạng thử nghiệm Sui thấp hơn so với nút thử nghiệm Aptos. Tuy nhiên, ta dự đoán rằng các yêu cầu này sẽ thay đổi đáng kể khi mainnet khởi chạy và các ứng dụng bắt đầu xuất hiện trên chuỗi.
Các nhà vận động cho tính phi tập trung đang đề xuất các giải pháp để giải quyết các vấn đề dự kiến này. Các giải pháp bao gồm sử dụng nút nhẹ, xác minh tính đúng đắn của khối thông qua bằng chứng ZK hoặc bằng chứng gian lận.
Nhóm Fuel rất tích cực trong lĩnh vực này, phù hợp với tinh thần cộng đồng Ethereum về tầm quan trọng của tính phi tập trung. Hiện chưa rõ liệu các nhóm Aptos và Sui có ưu tiên triển khai các phương pháp này hay các biện pháp thúc đẩy phi tập trung khác hay không. Nhóm Linera đã thảo luận sơ lược về các vấn đề này trong bài giới thiệu, nhưng việc triển khai giao thức chưa xác nhận cam kết này.
Tổng kết
Các bộ máy thực thi song song là giải pháp hứa hẹn để nâng cao thông lượng nền tảng hợp đồng thông minh.
Kết hợp với các đổi mới trong cơ chế đồng thuận, việc thực thi song song giao dịch có thể đưa thông lượng chuỗi lên mức gần hoặc vượt 100.000 TPS, hiệu suất này có thể so sánh với Visa và Mastercard, cho phép thực hiện nhiều trường hợp sử dụng thách thức nhất hiện nay, như game hoàn toàn trên chuỗi và thanh toán vi mô phi tập trung.
Tuy nhiên, những cải tiến ấn tượng về thông lượng này không phải không có thách thức, đặc biệt là về đảm bảo tính phi tập trung. Chúng tôi mong đợi các nhà sáng lập cam kết giải quyết những vấn đề này.
Chào mừng tham gia cộng đồng chính thức TechFlow
Nhóm Telegram:https://t.me/TechFlowDaily
Tài khoản Twitter chính thức:https://x.com/TechFlowPost
Tài khoản Twitter tiếng Anh:https://x.com/BlockFlow_News
@MohamedFFouda
