Tóm tắt

Sharding là quá trình chia một blockchain thành các "mảnh" nhỏ hơn để giải quyết các vấn đề về khả năng mở rộng liên quan đến mạng Layer 1.

Sharding giúp tăng tốc độ giao dịch, giảm thiểu chi phí xử lý và lưu trữ, đồng thời nâng cao hiệu suất mạng.

Sharding cũng có một số nhược điểm tiềm ẩn như vấn đề bảo mật mạng và độ phức tạp của giao dịch xuyên shard.

Giới thiệu
Công nghệ blockchain mang lại tiềm năng chưa từng có về phi tập trung, minh bạch và bảo mật, nhưng cũng đối mặt với thách thức lớn về khả năng mở rộng. Khả năng mở rộng là một trong ba yếu tố của "tam nan blockchain", cùng với bảo mật và phi tập trung. Ngành blockchain luôn nỗ lực đạt được cả ba yếu tố này, và "sharding" chính là giải pháp chiến lược có thể giúp thực hiện điều đó.

Sharding là gì?
Sharding là một khái niệm mượn từ quản lý cơ sở dữ liệu truyền thống, đề cập đến quá trình chia một cơ sở dữ liệu lớn thành các phần nhỏ hơn và dễ quản lý hơn, gọi là "shard". Khi áp dụng vào blockchain, sharding giúp cải thiện khả năng mở rộng trong khi vẫn duy trì nguyên tắc phi tập trung. Về bản chất, sharding chia mạng blockchain thành các phần nhỏ, mỗi phần có thể xử lý song song các giao dịch và hợp đồng thông minh.

Sharding hoạt động như thế nào?
Để hiểu cách sharding hoạt động trong mạng blockchain, trước tiên cần nắm được cách dữ liệu blockchain thường được lưu trữ và xử lý. Có nhiều phương pháp xử lý dữ liệu, nhưng hai phương pháp chính là xử lý tuần tự và xử lý song song.

Thông thường, mỗi node blockchain chịu trách nhiệm xử lý toàn bộ khối lượng giao dịch trong mạng. Phương pháp xử lý dữ liệu này được gọi là "xử lý tuần tự". Nói cách khác, mỗi node phải duy trì và lưu trữ tất cả thông tin quan trọng, chẳng hạn như số dư tài khoản và lịch sử giao dịch. Về cơ bản, mỗi node phải xử lý tất cả hoạt động, dữ liệu và giao dịch của mạng.

Mặc dù mô hình này giúp tăng cường bảo mật blockchain bằng cách ghi lại mọi giao dịch trên tất cả các node, nhưng nó cũng làm chậm đáng kể tốc độ xử lý dữ liệu. Xử lý song song, cho phép thực hiện nhiều hoạt động cùng lúc, chính là giải pháp cho vấn đề này.

Sharding chia nhỏ hoặc "phân tách" khối lượng công việc giao dịch trên toàn mạng blockchain, trở thành giải pháp hiệu quả cho bài toán này. Điều này có nghĩa là không phải tất cả các node đều cần quản lý hoặc xử lý toàn bộ khối lượng công việc của blockchain.

Thay vào đó, sharding phân phối khối lượng công việc thông qua phân vùng ngang. Trong quá trình này, dữ liệu được chia thành các tập con ngang, mỗi shard hoạt động như một cơ sở dữ liệu độc lập, có thể xử lý giao dịch tách biệt với các shard khác.

Phân vùng ngang và phân vùng dọc
Phân vùng ngang và phân vùng dọc là hai phương pháp chính để mở rộng cơ sở dữ liệu. Cả hai đều nhằm mục đích quản lý hiệu quả các tập dữ liệu lớn, nhưng cách thức hoạt động cơ bản của chúng khác nhau. Sharding là một phương pháp phổ biến để triển khai phân vùng ngang.

Trong phân vùng ngang, dữ liệu được chia thành các hàng và phân phối trên các node (hoặc cơ sở dữ liệu) khác nhau. Mỗi node (hoặc cơ sở dữ liệu) chứa một tập con dữ liệu. Vì mỗi hàng trong bảng là một thực thể duy nhất, việc tách chúng không làm ảnh hưởng đến tính toàn vẹn dữ liệu. Ví dụ điển hình của phân vùng ngang là sự phân phối của các mạng blockchain như Ethereum và Bitcoin.

Phân vùng dọc, ngược lại, chia dữ liệu thành các cột thay vì hàng. Mỗi phân vùng trong phân vùng dọc chứa một tập con dữ liệu cho mỗi thực thể hoặc toàn bộ tập dữ liệu, nhưng chỉ cho một nhóm thuộc tính cụ thể. Ví dụ, một bảng khách hàng có các cột như "tên", "trạng thái", "mô tả" và "ảnh" có thể lưu trữ "tên" và "trạng thái" trong một bảng, còn "mô tả" và "ảnh" trong bảng khác.

Tại sao phân vùng ngang được ưa chuộng hơn?
Trong các mạng blockchain, phân vùng ngang thường được ưa chuộng hơn phân vùng dọc vì ba lý do chính: khả năng mở rộng, phi tập trung và bảo mật.

Khả năng mở rộng: Sharding cung cấp giải pháp bằng cách chia nhỏ dữ liệu thành các "mảnh" nhỏ hơn và dễ quản lý. Mỗi shard có thể hoạt động độc lập, xử lý nhiều giao dịch cùng lúc, từ đó cải thiện tốc độ và hiệu suất mạng. Phân vùng dọc, phân phối các cột trên các cơ sở dữ liệu khác nhau, có thể làm phức tạp việc truy xuất thông tin giao dịch hoặc khối đầy đủ, hạn chế khả năng mở rộng.

Phi tập trung: Phù hợp với triết lý cốt lõi của blockchain, phân vùng ngang hỗ trợ phi tập trung. Nếu các node chỉ cần xử lý một phần dữ liệu tổng thể (một shard), khối lượng tính toán và lưu trữ sẽ giảm, cho phép nhiều node hơn tham gia vào mạng. Ngược lại, phân vùng dọc có hạn chế là mỗi node cần truy cập tất cả các phân vùng (tất cả các cột dữ liệu) để hiểu và xác thực dữ liệu khối đầy đủ.

Bảo mật và tính toàn vẹn dữ liệu: Phân vùng ngang duy trì tính toàn vẹn dữ liệu vì mỗi shard (hoặc phân vùng) chứa dữ liệu giao dịch đầy đủ, đảm bảo mỗi node có một bản sao đầy đủ và chính xác của phần blockchain mà nó quản lý. Phân vùng dọc về bản chất chia nhỏ dữ liệu khối trên các node khác nhau, khiến việc đảm bảo tính toàn vẹn và bảo mật dữ liệu - yếu tố quan trọng nhất của mạng blockchain - trở nên khó khăn hơn.

Sharding có những lợi ích gì?
Dưới đây là phân tích chi tiết về những lợi ích tiềm năng mà sharding mang lại cho công nghệ blockchain:

Tăng tốc độ giao dịch: Sharding cho phép xử lý song song các giao dịch. Thay vì xử lý giao dịch tuần tự, sharding cho phép xử lý đồng thời các giao dịch trên các shard khác nhau. Mỗi shard hoạt động độc lập, giúp tăng đáng kể tốc độ giao dịch. Điều này không chỉ đẩy nhanh tốc độ giao dịch mà còn giúp mạng xử lý được nhiều người dùng hơn, thúc đẩy việc áp dụng rộng rãi.

Ziliqa là một ví dụ về mạng blockchain đang sử dụng sharding để giải quyết vấn đề khả năng mở rộng. Với cơ chế sharding này, Ziliqa có thể xử lý hàng nghìn giao dịch mỗi giây.

Giảm thiểu chi phí xử lý và lưu trữ: Thiết kế blockchain truyền thống yêu cầu mỗi node lưu trữ tất cả giao dịch. Khi blockchain phát triển, nhu cầu về phần cứng cũng tăng theo. Tuy nhiên, với sharding, mỗi node chỉ cần chịu trách nhiệm xử lý và lưu trữ một phần nhỏ dữ liệu mạng, giúp giảm tài nguyên cần thiết để node tham gia mạng.

Do đó, càng nhiều người tham gia trở thành trình xác thực, mức độ phi tập trung của mạng càng được tăng cường mà không phát sinh chi phí cao. Điều này giúp giảm bớt vấn đề chỉ các thực thể có tài nguyên máy tính đắt tiền mới có thể tham gia quy trình, duy trì tính dân chủ của mạng blockchain.

Nâng cao hiệu suất mạng: Sharding giúp cải thiện hiệu suất và dung lượng tổng thể của mạng. Trong các blockchain truyền thống, việc tăng số lượng node tham gia mạng có thể dẫn đến tăng giao tiếp và đồng bộ hóa giữa các node, làm giảm hiệu suất.

Sharding thay đổi tình hình này. Vì mỗi shard có thể hoạt động độc lập và song song, hệ thống có thể xử lý nhiều giao dịch và tính toán hơn. Các node mới được thêm vào các shard thay vì toàn bộ mạng, giúp tăng khả năng mở rộng. Hiệu suất cao hơn và giao dịch mượt mà hơn đảm bảo trải nghiệm người dùng tốt hơn.

Lưu ý rằng những phát triển và cải tiến trong tương lai của công nghệ sharding có thể mang lại thêm lợi ích hoặc tăng cường những lợi ích hiện có, liên tục tối ưu hóa hệ sinh thái blockchain.

Sharding có những hạn chế gì?
Mặc dù sharding mang lại nhiều lợi ích tiềm năng để cải thiện hiệu quả mạng blockchain, nhưng nó cũng đặt ra những thách thức độc đáo. Một số điểm yếu tiềm ẩn của sharding bao gồm:

Tấn công chiếm quyền điều khiển một shard: Trong môi trường sharding, sức mạnh tính toán cần thiết để chiếm quyền điều khiển một shard thấp hơn nhiều so với toàn bộ mạng. Do đó, từng shard riêng lẻ dễ bị tấn công "1%" hoặc "chiếm quyền điều khiển shard". Những kẻ tấn công với tài nguyên hạn chế có thể chiếm quyền điều khiển một shard so với việc tấn công toàn mạng.

Giao dịch xuyên shard: Các giao dịch liên quan đến nhiều shard (xuyên shard) đặt ra thách thức đặc biệt. Giao dịch xuyên shard rất phức tạp, và việc quản lý kém có thể dẫn đến vấn đề double-spending. Trong quá trình giao dịch, nếu một shard không thể theo dõi chính xác trạng thái của shard khác, người dùng có thể lợi dụng điểm yếu này để thực hiện "double-spending".

Vấn đề khả dụng dữ liệu: Sharding làm phức tạp việc duy trì trạng thái của toàn mạng. Nếu các node duy trì một số shard bị ngắt kết nối, những shard này có thể trở nên không khả dụng khi cần, gây ra vấn đề khả dụng dữ liệu và làm gián đoạn toàn mạng.

Bảo mật mạng: Sharding yêu cầu các giao thức ổn định để cân bằng tải giữa các shard. Triển khai không tốt có thể dẫn đến phân phối dữ liệu không đồng đều hoặc mất cân bằng tài nguyên, có khả năng gây mất ổn định mạng.

Đồng bộ hóa node: Đồng bộ hóa node có thể gây độ trễ mạng do thời gian cần thiết để chia sẻ và cập nhật thông tin giữa các node. Ngoài ra, nếu tốc độ xử lý của node chậm hoặc kết nối mạng trễ, quá trình đồng bộ hóa có thể chậm hơn nữa, làm giảm hiệu suất tổng thể của mạng blockchain.

Sharding có được triển khai trên Ethereum không?
Ethereum đã lên kế hoạch triển khai sharding như một phần của bản nâng cấp Ethereum 2.0. Ethereum 2.0, còn được gọi là "Eth2" hoặc "Serenity", là bản nâng cấp blockchain Ethereum nhằm cải thiện tốc độ, hiệu quả và khả năng mở rộng của mạng, từ đó tăng khả năng xử lý giao dịch và giảm tắc nghẽn.

Tính đến thời điểm hiện tại, bản nâng cấp đang được triển khai theo từng giai đoạn, với giai đoạn cuối cùng (Giai đoạn 2) bao gồm triển khai đầy đủ sharding. Các nhà phát triển Ethereum hy vọng bản nâng cấp sẽ giải quyết những thách thức hiện tại của mạng, chẳng hạn như khả năng mở rộng và chi phí giao dịch.

Tuy nhiên, việc triển khai sharding vốn dĩ đầy thách thức, đặc biệt là trong việc duy trì bảo mật và phi tập trung mạng. Do đó, các nhà phát triển Ethereum đã cân nhắc kỹ lưỡng và thử nghiệm rộng rãi quá trình chuyển đổi này để đảm bảo bản nâng cấp thành công khi triển khai đầy đủ.

Kết luận
Nhìn chung, sharding đại diện cho bước tiến đáng kể trong việc giải quyết tam nan blockchain. Mặc dù nó mang lại những phức tạp và nhược điểm tiềm ẩn, sharding hứa hẹn nâng cao khả năng mở rộng mà không ảnh hưởng đến tính phi tập trung, mở ra vô số triển vọng cho tương lai của mạng blockchain.

Đây chính là lý do nhiều blockchain đang khám phá sharding như một giải pháp tiềm năng. Ethereum đang tích hợp sharding như một phần của bản nâng cấp Ethereum 2.0 để giải quyết vấn đề khả năng mở rộng. Việc triển khai sharding dự kiến sẽ được thực hiện thông qua bản nâng cấp Cancun, một thành phần quan trọng trong kế hoạch tổng thể. Tuy nhiên, giống như bất kỳ công nghệ đang phát triển nào, sự thành công của sharding sẽ phụ thuộc vào nghiên cứu, phát triển liên tục và quá trình thử nghiệm nghiêm ngặt.