Khi mức sử dụng Ethereum tăng lên, việc chạy một nút đầy đủ sẽ tốn nhiều tài nguyên và băng thông hơn. Điều này dẫn đến việc ít người có thể chạy các nút đầy đủ hơn, làm giảm tính phân cấp của mạng. Ngoài ra, Ethereum gặp khó khăn trong việc mở rộng quy mô khi nhu cầu giao dịch tăng lên, dẫn đến tắc nghẽn mạng và phí gas cao.

Các khách hàng không quốc tịch do Vitalik đề xuất vào năm 2017 đưa ra một giải pháp tiềm năng cho cả những thách thức phi tập trung mà Ethereum phải đối mặt. Ý tưởng chính đằng sau các máy khách không trạng thái là giảm yêu cầu về lưu trữ và băng thông để chạy một nút đầy đủ, giúp nhiều người hơn có thể tham gia và phân cấp mạng. Bài tiểu luận này sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách thức hoạt động của khách hàng không quốc tịch cũng như những lợi ích và hạn chế tiềm ẩn của chúng.

Trạng thái Ethereum là gì?

Để hiểu các khách hàng không có trạng thái, trước tiên chúng ta cần hiểu khái niệm “trạng thái” trong Ethereum. Trạng thái Ethereum đề cập đến trạng thái hiện tại của tất cả các tài khoản, hợp đồng, số dư, nonce và lưu trữ trong thế giới Ethereum. Nó có thể được coi là cơ sở dữ liệu lưu trữ tất cả thông tin liên quan về mạng Ethereum tại một thời điểm nhất định.

Trạng thái được duy trì trong bộ ba Merkle Patricia, về cơ bản là cây Merkle đã sửa đổi để lưu trữ các cặp khóa-giá trị. Giá trị băm gốc của trie này tóm tắt toàn bộ trạng thái. Sau mỗi khối mới, trạng thái sẽ cập nhật dựa trên các giao dịch trong khối đó. Băm gốc trạng thái mới được bao gồm trong tiêu đề khối.

Khi nhiều tài khoản, hợp đồng và giao dịch được thêm vào theo thời gian, trạng thái Ethereum ngày càng lớn hơn. Ngày nay, kích thước trạng thái là hơn 1TB và tăng hàng chục gigabyte mỗi năm. Tình trạng đang phát triển này là nền tảng cho các vấn đề về phân cấp.

Tại sao tăng trưởng nhà nước lại gây ra vấn đề

Kích thước trạng thái Ethereum ngày càng tăng gây ra một số vấn đề chính:

• Thời gian đồng bộ hóa dài hơn cho các nút mới - Phải mất một thời gian rất dài để một nút mới đồng bộ hóa bằng cách xử lý tất cả các thay đổi trạng thái lịch sử. Điều này cản trở sự phân cấp bằng cách khiến việc chạy các nút đầy đủ mới trở nên khó khăn hơn. Việc đồng bộ hóa một nút mới từ nguồn gốc hiện mất nhiều ngày, có thể lên đến vài tuần trên phần cứng của người tiêu dùng. Điều này thể hiện rào cản lớn trong việc tạo ra các nút mới một cách hiệu quả và cho phép nhiều người tham gia tham gia mạng hơn.
• Yêu cầu phần cứng ngày càng tăng - Trạng thái lớn hơn đòi hỏi nhiều bộ nhớ, bộ nhớ và sức mạnh xử lý hơn để lưu trữ, truy cập và cập nhật. Điều này chặn người dùng có ít nguồn lực hơn chạy các nút. Ở mức tối thiểu, việc chạy nút Ethereum được đồng bộ hóa hoàn toàn hiện cần có ổ SSD có dung lượng 1-2TB. Điều này nằm ngoài tầm với của nhiều nhà khai thác nút tiềm năng.
• Sử dụng nhiều băng thông hơn - Việc phát sóng các khối mới cũng phải bao gồm trạng thái cập nhật, yêu cầu nhiều băng thông hơn. Điều này làm tăng chi phí cho các nhà khai thác nút. Hiện nay nhà nước thống trị hầu hết các khối phát sóng, vì vậy kích thước khối tiếp tục tăng. Nhiều băng thông hơn đồng nghĩa với chi phí cao hơn cho các nhà khai thác nút.
• Xác minh khối chậm hơn - Việc đọc và cập nhật trạng thái lớn hơn khiến việc xác minh khối chậm hơn, hạn chế thông lượng giao dịch. Mỗi giao dịch yêu cầu nhiều lần đọc và ghi lưu trữ để cập nhật số dư, số dư, trạng thái hợp đồng, v.v. Trạng thái lớn hơn có nghĩa là số lần đọc/ghi trên mỗi khối nhiều hơn, giảm số lượng giao dịch có thể được xử lý mỗi giây.
• Chi phí lưu trữ vĩnh viễn - Sau khi dữ liệu được thêm vào trạng thái, dữ liệu đó phải được lưu trữ vĩnh viễn. Điều này tạo ra sự tăng trưởng trạng thái không giới hạn. Hiện tại chưa có cơ chế chủ động xóa dữ liệu trạng thái cũ, không sử dụng. Vì vậy, chi phí duy trì trạng thái tăng vô thời hạn miễn là Ethereum tiếp tục hoạt động.

Giải thích về khách hàng không quốc tịch

Các máy khách không quốc tịch cung cấp một cách để xác minh các khối mới mà không cần truy cập vào trạng thái Ethereum đầy đủ. Họ sử dụng bằng chứng mật mã được gọi là “nhân chứng” để chứng minh tính hợp lệ của các thay đổi trạng thái trong một khối mà không cần có dữ liệu trạng thái cơ bản.

Đây là cách khách hàng không quốc tịch làm việc ở mức cao:

• Máy khách chỉ lưu trữ các tiêu đề khối và gốc trạng thái, không lưu trữ dữ liệu trạng thái đầy đủ. Tiêu đề khối chứa siêu dữ liệu như hàm băm gốc của bộ ba trạng thái sau khi khối đó được xử lý.
• Khi xác minh một khối mới, khách hàng sẽ nhận được một “nhân chứng” cùng với khối đó. Nhân chứng này là một tập hợp các bằng chứng Merkle chứng minh các cập nhật trạng thái cụ thể từ các giao dịch là hợp lệ.
• Nhân chứng chứa bằng chứng Merkle về các giá trị trạng thái cụ thể cần thiết để xử lý giao dịch. Ví dụ: số dư tài khoản hoặc dung lượng lưu trữ hợp đồng được cập nhật.
• Khách hàng sử dụng nhân chứng để đảm bảo các giao dịch có hiệu lực đối với trạng thái gốc được biết đến cuối cùng. Các bằng chứng xác thực rằng các thay đổi trạng thái khớp với gốc trước đó.
• Nếu hợp lệ, máy khách sẽ cập nhật lên trạng thái gốc mới được cung cấp trong tiêu đề khối. Trạng thái gốc mới này sẽ được sử dụng để xác minh khối tiếp theo.

Bằng cách sử dụng nhân chứng để xác minh trạng thái thay vì lưu trữ toàn bộ trạng thái cục bộ, các máy khách không có trạng thái sẽ đạt được một số lợi ích:

• Thời gian đồng bộ rất nhanh - không cần phát lại các thay đổi trạng thái lịch sử. Một máy khách không trạng thái có thể đồng bộ hóa gần như ngay lập tức chỉ với các tiêu đề khối.
• Yêu cầu lưu trữ thấp - gốc trạng thái chỉ có 32 byte. Thay vì hàng trăm GB trạng thái, chỉ cần các tiêu đề khối.
• Ít băng thông hơn - chỉ chuyển tiêu đề chặn và nhân chứng, không chuyển trạng thái đầy đủ. Việc sử dụng băng thông được giảm thiểu.
• Xác minh nhanh - nhân chứng chỉ chứa các tập hợp con trạng thái có liên quan. Chỉ những tài khoản/bộ nhớ được cập nhật mới được chứng minh.
• Hỗ trợ khách hàng dễ dàng - khách hàng nhẹ có thể dễ dàng xác minh bằng chứng. Mô hình máy khách nhẹ rất tương thích với xác minh không trạng thái.

Những thách thức với khách hàng không quốc tịch

Mặc dù các khách hàng không quốc tịch mang lại một số lợi ích lớn nhưng cũng có những thách thức kỹ thuật đáng kể cần vượt qua:

• Kích thước nhân chứng - nhân chứng có thể quá lớn để truyền tải hiệu quả. Nếu sử dụng bằng chứng Merkle đầy đủ, chúng có thể vượt quá giới hạn kích thước khối.
• Tạo nhân chứng - tạo nhân chứng tối ưu là điều phức tạp đối với những người đề xuất khối. Người đề xuất phải tập hợp các mảnh bằng chứng phù hợp để xác minh từng giao dịch.
• Không có động cơ khuyến khích nhân chứng - việc cung cấp nhân chứng không nhận được phần thưởng trực tiếp. Không giống như khai thác, không có cấu trúc khuyến khích tích hợp nào cho việc tạo nhân chứng.
• Dữ liệu tạm thời - nhân chứng chứng minh trạng thái tại một thời điểm, cần được tái tạo. Các nhân chứng không thể được sử dụng lại khi trạng thái tiến triển.
• Lưu trữ trạng thái - ai đó vẫn cần duy trì trạng thái đầy đủ để đưa ra nhân chứng. Xác minh không quốc tịch dựa vào việc tạo ra nhân chứng có trạng thái.
• Các ứng dụng phức tạp - một số hợp đồng có thể dựa vào các tập hợp con nhà nước lớn, các nhân chứng đầy đủ. Ví dụ: hợp đồng cập nhật nhiều vị trí lưu trữ cho mỗi giao dịch.

Phương pháp khả thi

Các nhà nghiên cứu đã đề xuất nhiều giải pháp khác nhau để giải quyết những thách thức này:

• Cây Verkle - cấu trúc dữ liệu đặc biệt để giảm kích thước nhân chứng. Cây Verkle sử dụng các cam kết mật mã ngắn gọn để giảm thiểu kích thước bằng chứng.
• Bộ nhớ đệm nhân chứng - người đề xuất có thể duy trì các nhân chứng gần đây để sử dụng lại. Việc lưu lại các nhân chứng vào bộ nhớ đệm có khả năng liên quan sẽ giúp khấu hao chi phí tạo.
• Khuyến khích giao thức - cơ chế khen thưởng cho việc cung cấp nhân chứng hữu ích. Cơ cấu khuyến khích mới có thể bù đắp cho việc tạo ra nhân chứng.
• Rễ trạng thái trung gian - theo dõi rễ theo thời gian để tránh bằng chứng tái sinh. Duy trì một phần rễ có thể tái sử dụng các mảnh chứng kiến.
• Tiền thuê nhà nước - yêu cầu thanh toán để duy trì trạng thái lâu dài, cắt bỏ những khoản không sử dụng. Thuê buộc dọn dẹp kho lưu trữ cũ để hạn chế kích thước bằng chứng.
• Mô hình nhân chứng được phân vùng - xử lý trạng thái phân chia giữa người đề xuất và người xác minh. Yêu cầu một số nút đề xuất chuyên dụng tạo ra nhân chứng.

Có sự cân bằng giữa các phương pháp này và cần nghiên cứu sâu hơn để khám phá các cách triển khai tối ưu. May mắn thay, sự đổi mới nhanh chóng diễn ra trong mật mã không tri thức có thể mở ra những khả năng mới cho các khách hàng không quốc tịch hiệu quả.

Tác động tiềm tàng

Nếu những trở ngại kỹ thuật có thể được khắc phục, các khách hàng không quốc tịch có thể thúc đẩy Ethereum một cách đáng kể:

• Đồng bộ hóa và xác minh nhanh hơn để hỗ trợ thông lượng giao dịch cao hơn. Xác thực không trạng thái sẽ tăng tốc đáng kể việc xử lý khối.
• Giảm yêu cầu về tài nguyên để chạy các nút, cải thiện khả năng phân cấp. Máy tính xách tay và những người có sở thích có thể chạy các nút đầy đủ trên thực tế.
• Hỗ trợ tốt hơn cho các client nhẹ như ví di động. Bằng chứng trạng thái có khả năng tương thích cao với mô hình máy khách nhẹ.
• Giới thiệu phân đoạn mượt mà hơn, với xác minh không trạng thái giữa các phân đoạn. Giao dịch chéo có thể sử dụng bằng chứng trạng thái hiệu quả.
• Khả năng xóa và cắt bớt dữ liệu trạng thái cũ không còn hữu ích. Tăng trưởng của bang có thể được quản lý tích cực thay vì không giới hạn.
• Linh hoạt hơn cho các nhà khai thác nút để tùy chỉnh trạng thái dựa trên nhu cầu. Các nút có thể điều chỉnh chính sách lưu giữ trạng thái cho phù hợp với các trường hợp sử dụng.
• Chuyển sang mô hình trong đó tính toán và băng thông quan trọng hơn dung lượng lưu trữ. Kiến trúc chuyển sang mô hình thân thiện với đám mây hơn.

Ngoài ra còn có một số rủi ro tiềm ẩn, như tính dễ bị tổn thương trước các cuộc tấn công DDoS ngày càng tăng và lịch sử chuỗi khối chỉ được lưu trữ một cách đáng tin cậy bởi một số nhà khai thác nút. Tuy nhiên, bằng chứng mật mã có thể làm giảm những rủi ro này. Nhìn chung, khách hàng không quốc tịch là một trong những cách tiếp cận hứa hẹn nhất để khắc phục những hạn chế hiện tại của Ethereum.

Phần kết luận

Quy mô trạng thái ngày càng tăng của Ethereum đặt ra những thách thức cho việc phân cấp khi việc áp dụng tăng lên. Các khách hàng không trạng thái đưa ra một lối thoát bằng cách cho phép các nút xác minh các giao dịch mà không cần trạng thái blockchain đầy đủ. Điều này cuối cùng có thể cho phép điện thoại di động chạy các nút Ethereum, làm tăng đáng kể tính phân cấp.

Tuyên bố từ chối trách nhiệm:

1. Bài viết này được in lại từ [Mirror]. Mọi bản quyền đều thuộc về tác giả gốc [YQ]. Nếu có ý kiến phản đối việc tái bản này, vui lòng liên hệ với nhóm Gate Learn , họ sẽ xử lý kịp thời.
2. Tuyên bố miễn trừ trách nhiệm pháp lý: Các quan điểm và ý kiến trình bày trong bài viết này chỉ là của tác giả và không cấu thành bất kỳ lời khuyên đầu tư nào.
3. Việc dịch bài viết sang các ngôn ngữ khác được thực hiện bởi nhóm Gate Learn. Trừ khi được đề cập, việc sao chép, phân phối hoặc đạo văn các bài viết đã dịch đều bị cấm.