Định nghĩa shard

Sharding là giải pháp kỹ thuật giúp mở rộng mạng blockchain bằng cách chia mạng lưới thành các phần nhỏ hơn gọi là “shard”. Mỗi shard xử lý một phần giao dịch và hợp đồng thông minh, thay vì tất cả nút xác thực cùng xử lý toàn bộ giao dịch trên mạng. Cơ chế phân vùng này cho phép xử lý song song, tăng mạnh thông lượng giao dịch và giảm yêu cầu tài nguyên cho từng nút xác thực, qua đó nâng cao khả năng mở rộng cho blockchain.

Nguồn gốc công nghệ Sharding

Sharding không chỉ xuất hiện trong lĩnh vực blockchain mà có nguồn gốc từ ngành quản trị cơ sở dữ liệu truyền thống. Trong các hệ cơ sở dữ liệu, sharding được ứng dụng để xử lý dữ liệu lớn bằng cách chia nhỏ thành nhiều phần và phân bổ lên các máy chủ khác nhau, nhằm tăng hiệu quả vận hành.

Khi Bitcoin, Ethereum và các blockchain chủ đạo gặp giới hạn về khả năng mở rộng – đặc biệt khi tốc độ xử lý giao dịch không đáp ứng được nhu cầu ứng dụng lớn – các nhà nghiên cứu bắt đầu đưa sharding vào blockchain. Sharding là yếu tố cốt lõi trong kế hoạch nâng cấp Ethereum 2.0, nhằm giải quyết tình trạng tắc nghẽn mạng.

Việc ứng dụng sharding cho blockchain đánh dấu bước chuyển từ mô hình xác thực nút đầy đủ sang kiến trúc phân tầng có khả năng mở rộng tối ưu, tạo nền tảng cho các ứng dụng thương mại quy mô lớn trong lĩnh vực blockchain.

Cơ chế hoạt động: Sharding vận hành như thế nào

Quá trình vận hành sharding trên blockchain gồm các bước chính:

1. Phân vùng mạng: Chia mạng blockchain thành nhiều shard, mỗi shard có nhóm nút xác thực riêng biệt.
2. Gán nút xác thực: Các nút xác thực được phân bổ ngẫu nhiên vào các shard, thường dựa trên thuật toán đồng thuận hoặc ngẫu nhiên; tính ngẫu nhiên này bảo đảm an toàn cho shard.
3. Phân tách trạng thái: Trạng thái toàn cục blockchain được chia nhỏ, mỗi shard chỉ duy trì và xác thực dữ liệu liên quan đến shard của mình.
4. Giao tiếp liên shard: Giao dịch liên quan đến nhiều shard cần giao thức đặc biệt để truyền thông và chia sẻ dữ liệu giữa các shard.
5. Đồng thuận phân tầng: Kiến trúc sharded áp dụng mô hình đồng thuận hai tầng – đồng thuận nội bộ trong từng shard, sau đó kết quả được gửi lên chuỗi chính hoặc beacon chain để xác nhận cuối cùng.
6. Đảm bảo truy xuất và toàn vẹn dữ liệu: Dù mạng bị phân vùng, vẫn phải bảo đảm khả năng truy xuất và toàn vẹn dữ liệu, thường thông qua xác minh mẫu dữ liệu.

Rủi ro và thách thức của Sharding

Mặc dù sharding mở rộng khả năng blockchain, công nghệ này cũng đặt ra các thách thức về kỹ thuật và bảo mật:

1. Giảm bảo mật: Yêu cầu tính toán hoặc đặt cọc xác thực trên từng shard thấp hơn toàn mạng, dễ bị tấn công chiếm đoạt shard đơn (single-shard takeover).
2. Giao dịch liên shard phức tạp: Giao dịch liên quan nhiều shard cần cơ chế phối hợp phức tạp, gây tăng độ trễ và giảm thông lượng.
3. Vấn đề truy xuất dữ liệu: Đảm bảo dữ liệu liên quan luôn sẵn sàng sau khi chia shard là thách thức kỹ thuật lớn.
4. Tăng trưởng trạng thái đột biến: Số lượng shard tăng kéo theo độ phức tạp quản lý trạng thái liên shard tăng theo cấp số nhân.
5. Cân bằng phân quyền và số lượng shard: Tăng số shard giúp tăng thông lượng, nhưng giảm số validator trên mỗi shard lại làm yếu bảo mật, đòi hỏi cân bằng giữa hai yếu tố này.
6. Khó khăn triển khai: Chuyển đổi blockchain hiện tại sang kiến trúc sharded cần chia tách chuỗi và tái cấu trúc hệ thống quy mô lớn, kỹ thuật rất phức tạp.

Những thách thức này là chủ đề nghiên cứu trọng tâm của ngành blockchain hiện nay với nhiều dự án nỗ lực tìm giải pháp tối ưu.

Sharding là hướng phát triển quan trọng, có thể xóa bỏ nút thắt thông lượng của các mạng blockchain hiện nay. Nhờ phân phối tải mạng qua các shard, blockchain đạt khả năng mở rộng tuyến tính về lý thuyết: dung lượng mạng tăng cùng số lượng nút xác thực. Đây là yếu tố quyết định cho việc blockchain được ứng dụng rộng rãi, vì nó liên quan trực tiếp đến năng lực xử lý số lượng giao dịch tương đương hệ thống tài chính truyền thống. Khi Ethereum và các nền tảng lớn triển khai sharding, công nghệ này sẽ được kiểm nghiệm thực tế trong những năm tới, và có thể trở thành tiêu chuẩn cho kiến trúc blockchain hiệu suất cao. Sharding không chỉ là cải tiến kỹ thuật mà còn là thay đổi lớn về tư duy thiết kế blockchain: chuyển từ bảo mật tuyệt đối sang cân bằng tối ưu giữa bảo mật, phân quyền và khả năng mở rộng.