Tính song song là điều cần thiết cho Blockchain
Ngày 18 tháng 10 năm 2023 - Chia sẻ bài viết này trên Twitter | Facebook | Telegram
Thế hệ đồng thuận mạng đầu tiên thực hiện theo nguyên tắc tuần tự, vì Blockchain có cấu trúc tuyến tính. Xử lý tuần tự thường là dấu hiệu của mọi công nghệ mới. Hiệu quả thấp thường cản trở việc ứng dụng đại trà hoặc sử dụng công nghệ rộng hơn. Trong lịch sử, bạn có thể tìm thấy nhiều công nghệ trong đó tính song song dẫn đến khả năng ứng dụng hoặc hiệu quả cao hơn. Chúng tôi sẽ đưa ra một vài ví dụ. Ngày nay chúng ta có thể thấy các ví dụ về song song hóa trong ngành công nghiệp Blockchain. Cardano có một số lợi thế.
Đặc điểm của một hệ thống tuần tự
Trong công nghệ máy tính, hệ thống tuần tự là hệ thống trong đó các hoạt động được thực hiện lần lượt theo một thứ tự cụ thể. Các nhiệm vụ hoặc hướng dẫn được thực hiện lần lượt theo thứ tự chúng được nhận hoặc lập trình.
Các hệ thống tuần tự thường có một bộ xử lý duy nhất, chỉ thực hiện một lệnh tại một thời điểm. Nghĩa là với cùng một đầu vào, chúng sẽ luôn tạo ra cùng một đầu ra. Điều này là do thứ tự thực hiện là cố định và không thay đổi.
Tính đồng bộ hóa (synchronization) là điều cần thiết vì mỗi thao tác phải được hoàn thành trước khi thao tác tiếp theo có thể bắt đầu. Không cần có các cơ chế đồng bộ hóa rõ ràng như khóa hoặc ngữ nghĩa được yêu cầu trong các hệ thống song song để ngăn chặn tình trạng đua tranh.
Nói chung, có thể nói rằng các hệ thống theo tuần tự thưởng sẽ dễ hiểu, thiết kế và triển khai đơn giản hơn. Chúng mang tính xác định (deterministic0 và không có vấn đề về đồng bộ hóa. Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của chúng là hiệu suất thấp, bị hạn chế bởi tốc độ của bộ xử lý đơn khi thực hiện các lệnh.
Cải thiện hiệu suất trong hệ thống tuần tự thường liên quan đến việc tăng tốc độ bộ xử lý hoặc tối ưu hóa mã để giảm số lượng lệnh. Tuần tự có thể không mở rộng tốt khi khối lượng công việc ngày càng tăng vì có thể nhiểu nhiệm vụ cần phải được xử lý cùng một lúc. Các nguồn tài nguyên có thể không được sử dụng đúng mức với hệ thống tuần tự.
Một mạng phi tập trung chung với sự đồng thuận mạng đơn giản mà Cardano đang có, có cả hai khía cạnh tuần tự và song song. Tuy nhiên, các dự án có thể khác nhau ở một số chi tiết.
Blockchain có cấu trúc đặc thù là tuyến tính. Nghĩa là, một khối mới luôn được thêm vào sau khối trước đó. Phiên bản hiện tại của Ouroboros PoS có tính chất tuần tự, vì một khối mới được tạo ra đều đặn. Bitcoin và Ethereum giống nhau về mặt này. Sự khác biệt giữa các mạng này chỉ là ở độ dài của khoảng thời gian đóng block.
Có nhiều node (CPU) trong mạng phân tán, nhưng do thời gian sản xuất khối, một khối mới được tạo ra bởi một node tại một thời điểm. Mỗi node trong mạng có thể có các giao dịch tương tự trong mem-pool (nhưng các giao dịch có thể đến theo thứ tự khác nhau), nhưng chỉ các giao dịch từ một mem-pool mới được sử dụng trong quá trình sản xuất khối. Tuy nhiên, Việc khuếch tán khối trong mạng lại diễn ra song song.
Đặc điểm của hệ thống song song
Hệ thống song song đề cập đến một hệ thống trong đó nhiều nhiệm vụ hoặc thao tác được thực hiện đồng thời, tức là cùng một lúc. Các hệ thống này thường yêu cầu sự tham gia của nhiều bộ xử lý đa lõi, có thể thực hiện đồng thời các tác vụ khác nhau.
Các hệ thống song song sẽ hỗ trợ tính đồng thời, trong đó một số tác vụ dường như chạy cùng lúc. Các cơ chế đồng bộ hóa như khóa hoặc ngữ nghĩa thường được sử dụng để ngăn chặn tình trạng cạnh tranh và đảm bảo rằng các luồng đồng thời chạy các hoạt động loại trừ lẫn nhau một cách chính xác.
Các hệ thống song song có thể tận dụng tốt hơn khả năng của bộ xử lý đa lõi hoặc tài nguyên máy tính phân tán. Nó cải thiện hiệu suất và khả năng mở rộng. Tuy nhiên, điều này cũng mang lại một số thách thức về mặt công nghệ. Các hệ thống song song thường phức tạp hơn trong việc thiết kế và triển khai so với các hệ thống tuần tự do nhu cầu đồng bộ hóa và liên lạc giữa các tác vụ đồng thời. Đồng bộ hóa và liên lạc có thể gây ra chi phí đáng kể và có thể làm giảm hiệu suất đạt được.
Ethereum PoS hiện tại liên quan đến một dạng song song trong đó nhiều người xác thực chứng thực một khối được đề xuất. Một khối mới được nhiều người xác thực phê duyệt trước khi nó được thêm vào blockchain. Tuy nhiên, quá trình phê duyệt này không có nghĩa là khối đã được hoàn thiện. Cơ chế đồng thuận của Ethereum có thể xác thực các khối hiệu quả hơn và giảm đáng kể thời gian hoàn tất giao dịch (finalized).
Tính hoàn tất (Finality) đề cập đến thời điểm mà các giao dịch trong một khối được coi là không thể đảo ngược.
Cả Bitcoin và Cardano đều sử dụng cơ chế đồng thuận xác suất (Probabilistic Finality), có nghĩa là tính hoàn tất của các giao dịch có tính xác suất và xác suất này tăng lên khi mỗi khối mới được thêm vào. Tính hoàn tất đạt được một cách tuần tự vì mỗi khối mới được thêm vào chuỗi sẽ làm tăng tính hoàn tất của các giao dịch trước đó. Đây có thể được coi là một quá trình chậm và không hiệu quả (tuy nhiên, nó có những ưu điểm khác, chẳng hạn như tính bền vững).
Trong Ethereum, tính hoàn tất rõ ràng hơn và có thể đạt được nhanh hơn. Một khối được coi là hoàn thiện khi nó được đưa vào chuỗi và có đủ người xác thực đã chứng thực tính hợp lệ của nó. Quá trình này có thể được thực hiện song song vì các Trình xác thực khác nhau có thể chứng thực cho các khối khác nhau cùng một lúc.
Đây là một ví dụ về cách song song hóa có thể làm cho sự đồng thuận của mạng hiệu quả hơn.
Song song hóa mang lại hiệu quả và sự ứng dụng
Tôi tin rằng một trong những lý do dẫn đến việc ứng dụng mạng Blockchain ở mức thấp hiện nay là do khả năng mở rộng và hiệu quả thấp. Mạng giao dịch phi tập trung toàn cầu hoặc thậm chí các ứng dụng phi tập trung (chủ yếu là DeFi) là một khái niệm hợp lý có thể đột phá nhiều ngành công nghiệp và đẩy khả năng của Internet lên một tầm cao mới. Việc triển khai các yếu tố song song khác sẽ cho phép ứng dụng mạng Blockchain cao hơn trong vòng một (hoặc hai) thập kỷ tới.
Chúng ta hãy nhìn lại lịch sử về một số công nghệ có tính tuần tự ngay từ đầu và tính song song đó đã giúp được chấp nhận và sử dụng nhiều hơn.
Bạn có biết kết nối đầu tiên giữa các máy tính trông như thế nào không? Nó diễn ra tuần tự. Một đường dẫn duy nhất được sử dụng để truyền dữ liệu giữa hai điểm. Dữ liệu (byte) được gửi tuần tự từ điểm A đến điểm B. Nếu Internet như vậy thì nó sẽ không bao giờ cất cánh được. Các mạng hiện đại sử dụng kỹ thuật định tuyến đa đường để truyền dữ liệu đồng thời qua nhiều đường dẫn. Nó có thể tăng băng thông bằng cách tạo nhiều danh sách chờ truyền. Nó cũng cung cấp một mức độ chịu lỗi lớn.
Trong ổ cứng truyền thống, dữ liệu được đọc tuần tự từ đĩa quay. Các đĩa có một đầu đọc (và ghi) phải được đặt ở nơi chứa dữ liệu. Dữ liệu chủ yếu được lưu trữ tuần tự để có thể đọc được trong một lần. Tuy nhiên, với sự ra đời của công nghệ RAID (Mảng dự phòng độc lập), dữ liệu có thể được phân phối trên nhiều ổ đĩa và đọc hoặc ghi song song, cải thiện đáng kể hiệu suất.
CPU truyền thống là lõi đơn, nghĩa là chúng chỉ có thể xử lý một thao tác tại một thời điểm. Khi cần làm việc song song nhiều tác vụ, CPU phải nhanh chóng chuyển đổi giữa các tác vụ riêng lẻ (chủ yếu là UI và một số tác vụ khác). Các CPU hiện đại có nhiều lõi, nghĩa là chúng có thể xử lý đồng thời nhiều hoạt động bằng cách chia khối lượng công việc cho nhiều lõi. Nhờ đó, bạn có thể nghe một bài hát, tải dữ liệu từ Internet, viết tin nhắn và chạy phần mềm chống vi-rút ở chế độ nền.
Một hệ thống cơ sở dữ liệu truyền thống xử lý các truy vấn theo cách tuần tự. Điều này có nghĩa là khi một truy vấn được thực thi, hệ thống cơ sở dữ liệu sẽ truy xuất hoặc cập nhật dữ liệu một bản ghi tại một thời điểm. Ví dụ: nếu bạn đang chạy truy vấn để tìm nạp dữ liệu từ một bảng có hàng triệu bản ghi, hệ thống cơ sở dữ liệu sẽ quét từng bản ghi một cho đến khi tìm thấy bản ghi khớp với tiêu chí truy vấn. Tuy nhiên, khi khối lượng dữ liệu tăng lên, cách tiếp cận tuần tự này trở nên kém hiệu quả hơn. Trong cơ sở dữ liệu song song, khi một truy vấn được thực thi, hệ thống cơ sở dữ liệu sẽ chia dữ liệu thành các tập hợp con và xử lý đồng thời từng tập hợp con.
Ghép kênh (Multiplexing) là phương pháp kết hợp nhiều tín hiệu tương tự hoặc số thành một tín hiệu trên một phương tiện dùng chung. Mục đích là để chia sẻ một nguồn tài nguyên khan hiếm – một phương tiện truyền dẫn vật lý. Ví dụ, trong viễn thông, nhiều cuộc gọi điện thoại có thể được thực hiện bằng một đường dây. Tín hiệu ghép kênh được truyền qua kênh liên lạc như cáp. Việc ghép kênh chia dung lượng của kênh liên lạc thành nhiều kênh logic, một kênh cho mỗi tín hiệu tin nhắn hoặc luồng dữ liệu được truyền. Một quá trình ngược lại, được gọi là tách kênh, trích xuất các kênh gốc ở đầu thu.
Còn nhiều ví dụ tương tự nữa và các yếu tố song song hóa có thể được tìm thấy trong hầu hết mọi công nghệ hiện đại, đặc biệt là trong thế giới máy tính và mạng.
Đạt được sự đồng thuận của mạng trong một mạng phi tập trung là rất kém hiệu quả. Sự kém hiệu quả tăng lên cùng với số lượng node giữa đó xảy ra sự đồng thuận vì cần phải có sự giao tiếp lẫn nhau. Việc xử lý tuần tự này có thể trở thành nút cổ chai khi mạng đang xử lý một khối lượng giao dịch lớn. Bản chất tuần tự của việc sản xuất khối có thể hạn chế tốc độ các giao dịch được xác nhận và thêm vào blockchain.
Hãy xem xét các hình thức song song có thể có trong ngành công nghiệp Blockchain.
Song song hóa trong ngành công nghiệp Blockchain
Có nhiều lựa chọn hơn để đạt được sự song song cao hơn trong ngành công nghiệp Blockchain. Kiến trúc phân lớp dường như là một giải pháp đơn giản hơn.
Kiến trúc phân lớp là một phương pháp tổ chức các hệ thống thành các lớp riêng biệt, trong đó mỗi lớp cung cấp dịch vụ cho lớp bên trên và sử dụng các dịch vụ từ lớp bên dưới nó.
Một giải pháp phức tạp hơn là nỗ lực đạt được sự song song hóa trên lớp đầu tiên, tức là trong sự đồng thuận mạng của blockchain.
Kiến trúc phân lớp cho phép xử lý song song các giao dịch, cải thiện khả năng mở rộng và hiệu quả. Tuy nhiên, lớp thứ hai (vẫn còn sớm đối với lớp thứ ba) vẫn phụ thuộc khá nhiều vào khả năng mở rộng của Blockchain. Việc chuyển tài sản qua lại giữa các lớp thường yêu cầu giao dịch on-chain.
Việc xử lý giao dịch ở lớp thứ hai không phụ thuộc vào sự đồng thuận mạng của lớp thứ nhất (Blockchain). Các lớp thứ hai khác nhau có thể có các thuộc tính khác nhau. Khả năng mở rộng cao hơn thường đạt được bẳng cách đánh đổi Phi tập trung và bảo mật thấp hơn.
Quá trình song song hóa trong Hydra hoặc Lightning Network xảy ra bằng cách tạo các kênh liên lạc giữa những người dùng. Giao dịch trong các kênh chỉ được xác minh bởi người dùng có liên quan đến giao dịch. Lightning Network sẽ cho phép mở một kênh giữa 2 người tham gia. Hydra sẽ cho phép người dùng mở nhiều kênh cho số lượng người tham gia ít hơn.
Do đó, nhiều giao dịch song song ở các kênh khác nhau có thể diễn ra cùng một lúc. Vì các kênh độc lập với nhau nên các node không cản trở nhau trong việc xác minh giao dịch.
Sidechains và Rollups là các giải pháp khác cho phép xử lý song song các giao dịch và thực hiện hợp đồng thông minh. Việc xử lý được thực hiện off-chain, nhưng vẫn có sự phụ thuộc vào các giao dịch on-chain. Mỗi loại lớp thứ hai đều có một số ưu điểm và nhược điểm, rất khó để dự đoán loại nào sẽ phổ biến nhất trong tương lai.
Hiện tại, giao tiếp giữa các lớp vẫn là một nút cổ chai tiềm ẩn. Nếu sự đồng thuận của mạng Blockchain không có quy mô tốt, người dùng có thể khó tận dụng được lớp thứ hai. Do đó, lớp thứ hai có thể không phải là giải pháp cuối cùng và các nhóm phải đạt được độ song song cao hơn ở cấp độ đồng thuận mạng.
Các công nghệ như Trình Input Endoser hoặc sharding cho phép đồng thuận mạng song song cao hơn.
Trình Input Endoser cho phép tách việc lựa chọn và xác thực trước các giao dịch khỏi quá trình sản xuất khối. Trong mạng, có một số loại khối mà các node có thể hoạt động song song. Mỗi loại khối có một mục đích khác nhau. Có một số sự phụ thuộc giữa tất cả các loại khối và chỉ một loại khối được sử dụng để duy trì tính tuyến tính. Tài nguyên máy tính được sử dụng tốt hơn trong mạng và Input Endoser tăng thông lượng giao dịch.
Sharding là một kỹ thuật trong đó mạng được chia thành các phần (hoặc phân đoạn) nhỏ hơn, mỗi phần có thể xử lý các giao dịch và hợp đồng thông minh một cách độc lập. Điều này cho phép đạt được mức độ song song vì các giao dịch trong các phân đoạn khác nhau có thể được xử lý đồng thời. Tuy nhiên, các phân đoạn vẫn phụ thuộc vào nhau và do đó việc giao tiếp giữa các phân đoạn xảy ra. Cần phải duy trì trạng thái tổng thể thống nhất trong toàn hệ thống, tức là trên các phân đoạn.
Cardano có lợi thế nhất định do nhóm phát triển đã quyết định sử dụng mô hình kế toán UTxO. Với mô hình này, việc đạt được sự đồng thuận mạng song song cao hơn là tương đối dễ dàng. Việc xác thực các giao dịch và hợp đồng thông minh phần lớn độc lập với nhau. Mô hình UTxO giúp nhóm thiết kế Bộ Input Endoser dễ dàng.
Mặt khác, mô hình này là thách thức đối với các nhà phát triển ứng dụng. Lý tưởng nhất là họ nên xem xét việc thiết kế các ứng dụng có nhận thức về tính song song. Có thể mất một thời gian trước khi chúng ta thấy các ứng dụng tận dụng tối đa tiềm năng song song hóa.
Ethereum xử lý tuần tự tốt hơn. Việc xây dựng một ứng dụng tương đối dễ dàng và các nhóm không phải giải quyết vấn đề đồng thời. Mặt khác, thereum thể khó đạt được sự song song cao hơn của hệ thống (ảnh hưởng đến khả năng mở rộng quy mô).
Lời kết
Sự song song hóa đã có tác động sâu sắc đến thế giới. Nếu không có sự song song hóa, nhiều tiến bộ công nghệ mà chúng ta thấy ngày nay sẽ không thể thực hiện được. Khả năng thực hiện nhiều tác vụ cùng lúc rất quan trọng trong việc xử lý khối lượng dữ liệu ngày càng tăng được tạo ra trong kỷ nguyên kỹ thuật số của chúng ta.
Tính toán song song đã cho phép phát triển các máy tính và máy chủ hiệu suất cao có thể xử lý khối lượng dữ liệu lớn và thực hiện các phép tính phức tạp một cách nhanh chóng. Nó là nền tảng cho việc đào tạo các mô hình AI phức tạp. Song song hóa trong mạng đã cải thiện đáng kể tốc độ, độ tin cậy và hiệu quả của việc truyền và xử lý dữ liệu. Hiện tại, nhiều nhóm, bao gồm cả IOG, sử dụng các kỹ thuật song song hóa để cải thiện khả năng mở rộng và hiệu quả của mạng Blockchain. Điều này sẽ cho phép sử dụng rộng rãi hơn công nghệ này và phá vỡ nhiều ngành công nghiệp, về cơ bản theo cách tương tự như cách máy tính hoặc Internet đã thành công trong quá khứ.
Nguồn bài viết tại đây
Đọc thêm các bài viết liên quan tại thẻ Tags bên dưới