Sharding là gì? Tại sao công nghệ này lại được nhắc đến nhiều trong thế giới blockchain? Khi ngày càng có nhiều người dùng và giao dịch gia nhập mạng lưới, nhu cầu mở rộng hệ thống một cách hiệu quả trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Sharding được xem là một trong những giải pháp tiềm năng giúp cải thiện hiệu suất và khả năng mở rộng của blockchain. Vậy Sharding hoạt động như thế nào, có những lợi ích và rủi ro gì đi kèm? Hãy cùng tìm hiểu chi tiết qua bài viết dưới đây.
Sharding là gì?
Sharding là một nền tảng công nghệ đã được áp dụng vào blockchain dưới hình thức chia mạng lưới ra ra thành nhiều mảnh nhỏ, ở mỗi mảnh nhỏ sẽ được động lập hoạt động cùng với hợp đồng thông minh cùng dữ liệu liên quan đến tài khoản. Toàn bộ nó đều là thành phần độc lập với nguồn dữ liệu đến từ những mảnh khác. Do đó mà những gánh nặng được đặt lên mỗi node sẽ dần giảm đi, mạng lưới trở nên nhanh nhẹn hơn khi thực thi các khối lượng giao dịch.
Công nghệ Sharding được tạo ra bởi Vitalik Buterin là cha đẻ Ethereum và sự xuất hiện của Sharding được đánh giá là góp phần cho việc mở rộng thêm quy mô ở mạng lưới Ethereum trong tương lai. Ngày nay, mạng lưới Ethereum đang có mức sở hữu TPS tương đối khiêm tốn, tính toán trung bình nằm ở khoảng 15 TPS. Khi mạng lưới Ethereum có sự phát triển ngày càng mạnh mẽ thì lượng người dùng gia nhập cũng sẽ theo đó mà tăng lên, nếu tốc độ sử giao dịch ở mỗi giây là 15 thì sẽ xảy ra tình trạng nghẽn mạng và làm tăng chi phí và người dùng cũng sẽ phải bỏ ra nhiều thời gian để chờ đợi.
>> Xem thêm: TPS là gì? Hiểu đúng về tốc độ giao dịch trong mạng blockchain
Các vấn đề Sharding có thể giải quyết là gì?
Trong Blockchain có một tam giác bất khả thi (Blockchain Trilemma) thể hiện những đặc tính mà Blockchain đang nỗ lực để đạt được, nhưng hiện tại blockchain chỉ đạt được 2 trong 3 đặc tính này. Cụ thể 3 đặc tính đó là:
- Khả năng mở rộng mạng lưới: Chuỗi có thể tiến hành xử lý số lượng giao dịch lớn hơn khả năng để xác minh thông thường của một node.
- Tính phi tập trung: Ở mạng lưới, chuỗi có thể vận hành mà không chịu sự phụ thuộc tin cậy ở bất ký nhóm nhỏ có các nhân tố tập trung.
- Khả năng bảo mật: Chuỗi đủ khả năng để chống lại một xác suất phần trăm lớn những nút tham gia đang nỗ lực tấn công mạng lưới.
Những giải pháp ở hiện tại chỉ hoàn thành được 2 trong 3 đặc tính trên, cụ thể:
- Blockchain truyền thống (Traditional chains) có thể kể đến như Ethereum, Bitcoin (trước khi dùng Sharding và Proof of Stake), Litecoin…phụ thuộc vào việc tất cả người dùng đều cùng nhau chạy một node một cách hoàn chỉnh để xác minh tất cả giao dịch, từ đó nó sẽ có đủ khả năng để phân quyền và thực hiện bảo mật nhưng lại không có khả năng để mở rộng.
- Mạng lưới có chỉ số TPS (Typical high-TPS chains) cao thì sẽ phụ thuộc vào một vài lượng nhỏ những nút (thường từ 10 đến 100) để thực hiện việc kéo dài sự đồng thuận các nút với nhau và người dùng buộc phải đặt niềm tin ở những nút này. Điều này sẽ giúp mở rộng một cách an toàn nhưng nó lại không theo hướng phi tập trung.
- Hệ sinh thái multi-chain (Multi-chain ecosystems) sẽ sở hữu ứng dụng không giống nhau ở những chuỗi khác nhau, đồng thời áp dụng giao thức cross-chain với mục đích để thực hiện trao đổi. Điều trên thể hiện tính phi tập trung và có khả năng mở rộng nhưng mức độ an toàn lại không được đảm bảo, do kẻ xấu sẽ chỉ cần lợi dụng được phần lớn đa số những nút đồng thuận ở đa chuỗi (thường sẽ <1%) nhằm phá vỡ chuỗi đó, kéo theo hiệu ứng gợn sóng làm thiệt hại nặng nề cho những ứng dụng ở dây chuyền khác.
Do đó, công nghệ Sharding sẽ hỗ trợ cho Blockchain chạm đến được cả 3 đặc tính được nhắc đến ở trên.
Các dạng triển khai Sharding trong Blockchain
Trong mô hình Sharding, việc mở rộng khả năng xử lý giao dịch thường gắn liền với việc gia tăng số lượng phân đoạn (shard) trong mạng lưới Blockchain. Tùy vào cách phân chia và xử lý dữ liệu, Sharding có thể được chia thành 3 nhóm chính:
Phân mảnh mạng lưới (Network Sharding)
Khi một block mới được tạo, các giao thức trong mạng phải phối hợp để xác minh tính hợp lệ, nhằm đảm bảo tính minh bạch và chính xác cho toàn hệ thống. Tuy nhiên, nếu việc tổ chức không hiệu quả, có thể phát sinh lỗi nghiêm trọng trong cấu trúc chuỗi.
Do đó, Sharding thường bắt đầu bằng việc chia nhỏ mạng lưới thành các phân đoạn độc lập, giúp giảm thiểu giao tiếp giữa các node. Mỗi shard sẽ xử lý một phần giao dịch, với các nhóm thợ đào được phân bổ ngẫu nhiên và hoạt động tách biệt để xác minh dữ liệu.
Phân mảnh trạng thái (State Sharding)
Với phương pháp này, trạng thái của Blockchain được phân phối cho từng phân đoạn riêng biệt. Mục tiêu là giảm khối lượng dữ liệu mà mỗi node phải lưu trữ, từ đó tối ưu hiệu suất toàn hệ thống. Đây là hình thức phức tạp nhất trong 3 loại Sharding, vì đòi hỏi việc quản lý trạng thái phải cực kỳ chính xác và đồng bộ.
Phân mảnh giao dịch (Transaction Sharding)
Ở dạng này, các giao dịch được phân loại và điều phối tới các shard khác nhau dựa trên các tiêu chí cụ thể. Cách thức ghi nhận và tổ chức sổ cái ở từng mạng Blockchain sẽ ảnh hưởng đến cơ chế phân bổ này. Nhờ đó, hệ thống có thể xử lý nhiều giao dịch cùng lúc mà không làm nghẽn toàn mạng.
Công nghệ Sharding được vận hành như thế nào?
Như được đề cập ở trên trong phần Sharding là gì, công nghệ này sẽ gồm việc phân mảnh lượng lớn cơ sở dữ liệu thuộc cùng một nhóm định dạng thành các cơ sở dữ liệu quy mô nhỏ hơn. Và như đã biết thì Blockchain được cấu tạo từ rất nhiều node mà mỗi node đều thành phần quan trọng thuộc mạng lưới, chia sẻ nguồn lực nhằm tính toán để tạo ra những khối ở Blockchain. Hiện nay, Ethereum đang sở hữu hơn 8.200 node vận hành liên tục để thực hiện việc duy trì mạng lưới của, mô hình xử lua theo tuyến tính được Ethereum ưu tiên sử dụng, nghĩa là mỗi node thuộc mạng lưới đều phải thực hiện xử lý các hoạt động.
Sharding sẽ di chuyển mô hình vận hành sang mô hình theo hướng xử lý song song, nghĩa là những giao dịch sẽ được tiến hành đồng thời và song song ở mỗi node, chia nhỏ khối lượng công việc mà mạng đảm nhận đồng thời giúp gia tăng băng thông giao dịch của mạng lưới. Hơn thế nữa, những node ở mạng lưới kể từ bây giờ sẽ chỉ tiến hành một vài hoạt động cụ thể chứ không nhất thiết là toàn bộ những hoạt động giống như ở mô hình xử lý theo tuyến tính cũ.
Thường thì Sharding sẽ được tiến hành ở những mạng lưới có áp dụng cơ chế về sự đồng thuận Proof-of-Stake, cụ thể những node sẽ xác thực những giao dịch dựa vào số lượng token được họ stake vào. Hệ thống từ Sharding sẽ phân bổ cho những stake nhiệm vụ xử lý những mảnh khác nhau, tiến hành những giao dịch ở mạng lưới.
Việc sử dụng Sharding vào mạng lưới công nghệ có áp dụng cơ chế đồng thuận theo Proof-of-Work sẽ không dễ dàng. Nguyên nhân đến từ những node ở mạng lưới sẽ gặp những rào cản trong việc xác thực giao dịch chỉ với lượng thông tin xuất hiện ở 1 mảnh mà không phải ở toàn bộ mạng lưới.
Những node ở mạng lưới Proof-of-Work sẽ trở thành node toàn diện, có thể lưu trữ lại tất cả những bản ghi về lịch sử dữ liệu của Blockchain. Đây là điều có yêu cầu về dung lượng và sức mạnh tính toán rất cao, làm cho việc xử lý cũng như mở rộng quy mô trở nên không còn dễ dàng. Công nghệ Sharding hỗ trợ những node giờ đây không bắt buộc phải lưu trữ tất cả các hoạt động ở mạng lưới mà chỉ cần tiến hành lưu trữ nguồn dữ liệu có mối liên quan ở mỗi mảnh.
Những node có thể sẽ nhận biết được liệu rằng giao dịch đã tiến hành hay chưa bởi quá trình “Shard Sharing”. Đây chính là quá trình mà ở thông tin của mỗi phân mảnh được chia ra cho những node, người dùng có thể nhận được những giao dịch mà không phải lữu cũng như xử lý tất cả thông tin.
Phân vùng ngang và phân vùng dọc trong Sharding
Khi khối lượng dữ liệu ngày càng tăng trong các hệ thống giao dịch, việc phân chia dữ liệu trở thành một yếu tố thiết yếu để tối ưu hiệu suất. Hai phương pháp phổ biến được áp dụng là phân vùng theo chiều ngang và phân vùng theo chiều dọc. Dù mục tiêu chung là giảm tải cho hệ thống và cải thiện khả năng xử lý, nhưng cách tiếp cận của mỗi phương pháp lại hoàn toàn khác biệt.
So sánh phân vùng ngang và phân vùng dọc
Với phân vùng ngang, dữ liệu được chia nhỏ thành từng nhóm bản ghi (theo hàng) và được phân phối lên nhiều node hoặc hệ thống cơ sở dữ liệu khác nhau. Mỗi node chỉ quản lý một phần cụ thể trong tổng thể, giúp giảm tải xử lý và tăng tốc độ truy cập. Do mỗi dòng dữ liệu là một đơn vị độc lập, việc tách rời không ảnh hưởng đến tính toàn vẹn tổng thể.
Ngược lại, phân vùng dọc chia dữ liệu dựa theo cột, nghĩa là mỗi phân vùng chỉ chứa một số thuộc tính nhất định của toàn bộ dữ liệu. Ví dụ, trong một bảng thông tin khách hàng, các cột như Tên và Trạng thái có thể được lưu trữ riêng biệt với Mô tả và Ảnh.
Vì sao giới blockchain ưu tiên phân vùng ngang?
Trong bối cảnh mạng lưới phi tập trung, phân vùng theo chiều ngang thường được ưu tiên hơn phân vùng theo chiều dọc vì một số lý do then chốt, bao gồm:
- Mở rộng hệ thống dễ dàng hơn: Việc chia nhỏ dữ liệu thành các phân đoạn riêng biệt giúp hệ thống xử lý nhiều tác vụ cùng lúc. Mỗi phân đoạn hoạt động gần như độc lập, giúp tăng thông lượng giao dịch và giảm thời gian xử lý. Trong khi đó, phân vùng dọc dễ khiến việc khôi phục hoặc truy xuất dữ liệu đầy đủ trở nên phức tạp hơn, từ đó hạn chế khả năng mở rộng.
- Tối ưu hoá mô hình phân quyền: Một trong những giá trị cốt lõi của blockchain là phân tán dữ liệu. Khi dữ liệu được chia ngang, mỗi node chỉ cần xử lý một phần nhỏ, giúp nhiều node tham gia hơn mà không cần tài nguyên quá lớn. Trái lại, phân vùng dọc yêu cầu node truy cập vào toàn bộ các phần dữ liệu (tất cả cột), điều này khiến việc duy trì sự phân tán trở nên khó khăn hơn.
- Bảo đảm tính toàn vẹn và an toàn dữ liệu: Mỗi phân đoạn trong phân vùng ngang chứa đầy đủ thông tin cần thiết để xác minh giao dịch hoặc khối dữ liệu. Điều này giúp đảm bảo rằng node nắm giữ một phần blockchain vẫn có thể xác minh tính chính xác và nguyên vẹn. Phân vùng dọc lại gây rủi ro khi chia nhỏ khối dữ liệu theo từng phần rời rạc, ảnh hưởng tới độ an toàn và tính toàn vẹn của toàn bộ mạng.
Lợi thế của Sharding là gì?
Hãy cũng chuyển sang nghiên cứu những lợi ích vô cùng tiềm năng mà công nghệ Sharding có thể đem đến cho mạng blockchain:
Tăng tốc độ xử lý giao dịch
Sharding mở ra cơ hội để thực hiện xử lý đồng thời những giao dịch. Thay vì phải thực hiện xử lý những giao dịch theo mỗi bước nối tiếp nhau, sharding sẽ cấp phép cho những giao dịch được thực hiện việc xử lý song song, tuy nhiên phải ở những phân đoạn không giống nhau.
Nhờ sự hoạt động theo hướng độc lập của mỗi phân đoạn mà có thể thấy tốc độ xử lý giao dịch có sự gia tăng đáng kinh ngạc. Điều này ngoài việc đẩy nhanh tốc độ xử lý giao dịch có nghĩa là toàn bộ hệ thống của mạng lưới có khả năng để xử lý lượng người dùng lớn hơn, thúc đẩy số đông thực hiện theo.
Giảm bớt chi phí để xử lý và thực hiện lưu trữ
Thiết kế blockchain truyền thống thường yêu cầu tất cả các node đều phải lưu trữ toàn bộ giao dịch, đẩy mạnh nhu cầu liên quan đến phần cứng nếu blockchain phát triển. Nhưng ở Sharding thì ngược lại, mỗi node chỉ chịu trách nhiệm cho việc xử lý cũng như lưu trữ một phần nguồn dữ liệu trong toàn bộ mạng lưới, quà đó làm giảm hao hụt tài nguyên khi chỉ để một node tham dự trong mạng lưới.
Vì vậy mà càng có nhiều người dùng gia nhập hơn thông qua tư cách là thành viên xác thực, đẩy mạnh tăng cường tính phi tập trung từ mạng lưới mà không bắt buộc gánh chi phí cao. Nó làm giảm đi những vấn đề mà trong đó chỉ các pháp nhân sở hữu tài nguyên về máy tính đắt tiền hoặc cấp cao mới đc tham gia vào quy trình thực tế, do đó việc duy trì đặc tính dân chủ hóa mà blockchain luôn hướng tới.
Cải thiện hiệu suất trong mạng lưới
Công nghệ Sharding có thể hỗ trợ cải thiện về hiệu suất cũng như dung lượng tổng quan của mạng lưới. Ở những blockchain truyền thống, nếu có nhiều node gia nhập vào mạng thì hiệu suất chắc chắn sẽ giảm, điều này có liên quan đến nghịch lý về nhu cầu tăng cường giao tiếp cùng đồng bộ hóa nguồn dữ liệu giữa những node.
Nhưng công nghệ sharding sẽ thay đổi kịch bản đã được định sẵn nữa. Do mỗi phân mảnh vận hành một cách độc lập và song song nhau nên hệ thống đủ khả năng để có thể xử lý lượng giao dịch lớn cùng mức độ tính toán dày đặc hơn. Nếu một node mới gia nhập, nó có thể được bổ sung vào một phân mảnh thay vì tất cả mạng lưới, vì vậy nâng cao tính mở rộng về quy mô từ mạng lưới. Kết quả là hiệu quả được cải thiện một cách rõ ràng và đem lại trải nghiệm mượt mà cho người dùng.
Hãy lưu ý rằng, các tiến bộ và nâng cấp ở tương lai liên quan đến công nghệ sharding sẽ có thể hình thành nên các lợi khác hoặc cũng có thể là củng cố thêm tính bền vững cho những lợi ích đang có, nối tiếp và duy trì hệ sinh thái blockchain.
Rào cản của Sharding là gì?
Tuy sharding đem lại một vài lợi ích vô cùng tiềm năng hỗ trợ cho mạng lưới blockchain hoạt động hiệu quả hơn. Tuy nhiên, quy trình này cũng đề ra một loạt rào cản, thách thức mà sharding vẫn cần phải cải thiện để trở nên hoàn hảo hơn:
Các cuộc tấn công để nắm kiểm soát nhiều phân đoạn đơn
Ở môi trường sharding, sức mạnh về tính toán với mục tiêu kiểm soát một phân mảnh độc lập thấp hơn rất nhiều so với nguồn sức mạnh cần dùng để kiểm soát hoàn toàn mạng lưới. Điều này đặt các phân mảnh này trong trạng thái dễ bị “kiểm soát phân đoạn” hoặc “tấn công một phần trăm” hơn, kéo theo kẻ tấn công cùng một lượng tài nguyên khá nhỏ khi so với mạng lưới của hệ thống có thể đủ khả năng kiểm soát đc một phân mảnh độc lập.
Những giao dịch phân mảnh chéo
Những giao dịch thực hiện ở những phân đoạn khác nhau (hay phân đoạn chéo) đã đặt ra một thách thức cho những nhà phát triển. Những giao dịch chéo có độ phức tạp cao và sẽ dễ dẫn tới chi tiêu tăng lên gấp đôi nếu không có kinh nghiệm quản lý tốt. Nếu một phân đoạn thiếu đi sự quan sát chính xác về trạng thái từ phân đoạn kia ở quá trình giao, các trader có thể tận dụng điều trên nhằm chi tiêu gấp đôi (Double Spending).
Những vấn đề liên quan đến tính khả dụng của dữ liệu
Công nghệ Sharding làm cho việc duy trì trạng thái mở hoàn toàn trở thành một nỗ lực khá khó khăn. Khi một vài phân đoạn cụ thể không có tính khả dụng nếu được yêu cầu (do những node duy trì phân mảnh đó đang ở trạng thái ngoại tuyến), điều này có thể kéo theo những vấn đề tính năng khả dụng của nguồn dữ liệu, gây ra gián đoạn mạng lưới một cách hoàn toàn
Vấn đề về bảo mật mạng lưới
Công nghệ Sharding đặt ra yêu cầu đối với việc triển khai một giao thức có sự mạnh mẽ cao sẽ hỗ trợ cho việc cân bằng giữa những phân mạnh. Nếu không thể tiến hành chính xác, điều này sẽ dẫn đến vấn đề phân bổ dữ liệu thiếu sự đồng điều và gây sự mất cân bằng trong nguồn tài nguyên, kết quả là khả năng ổn định mạng lưới sẽ dần mất đi
Vấn đề về đồng bộ hóa node
Thực hiện đồng bộ hóa các node có thể tạo nên sự chậm trễ vì mất thời gian cho việc chia sẻ cũng như cập nhật nguồn thông tin giữa những node khác nhau. Và hơn thế nữa, khi một node xử lý giao dịch chậm hơn hay kết nối mạng bị gián đoạn thì nó có thể gây ra tình trạng làm chậm đi toàn bộ quá trình thực hiện đồng bộ hóa, khiến hiệu suất xét về tổng thể của mạng blockchain giảm đi.
>> Xem thêm: TVL là gì? Hiểu rõ Total Value Locked để đánh giá tiềm năng DeFi
Nền tảng Ethereum có sử dụng Sharding hay không?
Ethereum có kế hoạch ứng dụng Sharding trên nền tảng của họ như một khía cạnh của phiên bản nâng cấp Ethereum 2.0 (Eth2 hay Serenity). Đây là phiên bản nâng cấp từ blockchain Ethereum với mục đích cải thiện tốc độ, nâng cao hiệu quả và tính năng mở rộng của hệ thống, cho phép nó có thể xử lý được nhiều giao hơn đồng thời giảm bớt tình trạng tắc nghẽn.
Cho đến hiện tại, việc thực hiện nâng cấp đang được tiến hành theo mỗi giai đoạn, cùng giai đoạn cuối là giai đoạn 2 thì sẽ bao gồm việc thực hiện đầy đủ các đặc tính sharding. Những nhà phát triển của Ethereum đều mong rằng các nâng cấp này sẽ là giải pháp hoàn hảo cho những thách thức hiện tại về tính năng mở rộng cũng như chi phí thực hiện giao dịch còn chưa giải quyết được.
Tuy nhiên, có một điều quan trọng buộc phải lưu ý chính là hoạt động triển khai sharding kèm theo những khó khăn riêng, đặc biệt phải nhắc đến việc duy trì khả năng bảo mật cũng như phân quyền của mạng. Vì vậy, những nhà phát triển của Ethereum đang cân nhắc về việc thử nghiệm diện rộng vào quá trình chuyển đổi trên nhằm đảm bảo việc nâng cấp sẽ thuận lợi hơn nếu được triển khai một cách đầy đủ.
Kết luận
Sharding là gì và vì sao được xem là giải pháp tiềm năng cho bài toán mở rộng Blockchain? Về cơ bản, Sharding mang đến cách tiếp cận mới giúp cải thiện hiệu suất mà không làm mất đi tính phi tập trung. Dù còn nhiều thách thức, công nghệ này đang được nhiều nền tảng lớn như Ethereum tích cực triển khai, đặc biệt qua bản nâng cấp Cancun thuộc lộ trình Ethereum 2.0. Trong tương lai, hiệu quả của Sharding sẽ phụ thuộc vào quá trình thử nghiệm, tối ưu liên tục và sự chấp nhận rộng rãi trong cộng đồng.
