Scalability là gì và blockchain đã làm gì để cải thiện khả năng này?

Scalability là gì?

Khả năng mở rộng của blockchain là năng lực của một mạng lưới trong việc xử lý lượng giao dịch ngày càng lớn một cách hiệu quả mà vẫn giữ vững hiệu suất, bảo mật và tính phi tập trung. Khi blockchain phát triển từ một ý tưởng mới mẻ thành nền tảng hạ tầng cốt lõi cho tài sản số và ứng dụng phi tập trung, khả năng mở rộng đã trở thành một thách thức kỹ thuật trọng yếu của ngành.

Blockchain là sổ cái công khai, ghi nhận giao dịch mà không cần bên trung gian tập trung. Các bản ghi giao dịch lưu trên blockchain được xác thực bởi các nút phân tán trên mạng. Tuy nhiên, quá trình xác thực phi tập trung này tạo ra giới hạn cố hữu về khả năng mở rộng, khiến một số blockchain mất nhiều thời gian để xác thực và xác nhận giao dịch.

Chỉ số TPS (giao dịch mỗi giây) của blockchain thường thấp hơn đáng kể so với các tổ chức tập trung. Ví dụ, mạng thanh toán truyền thống có thể xác thực giao dịch với tốc độ vượt 17.000 TPS, trong khi nhiều blockchain chỉ xử lý được TPS ở mức một hoặc hai chữ số. Một số mạng lớn chỉ đạt khoảng 4,6 TPS, khiến mạng không thể xử lý khối lượng giao dịch lớn một cách hiệu quả, dẫn đến chậm tốc độ và tăng phí giao dịch trong thời gian cao điểm.

Vấn đề này càng nghiêm trọng hơn do giới hạn kỹ thuật như kích thước khối bị giới hạn. Thường, kích thước khối nhỏ khoảng 1 MB sẽ giới hạn số giao dịch được xử lý trong mỗi khối. Ngoài ra, trong nhiều kiến trúc blockchain, mỗi khi xác thực giao dịch mới, các nút cần tham chiếu hoặc tải về một phần lịch sử giao dịch. Vì vậy, việc mở rộng blockchain càng tốn thời gian khi kích thước blockchain tăng và chiếm nhiều bộ nhớ trên toàn mạng.

Blockchain không thể đơn giản mở rộng bằng cách thêm nhiều nút, vì cách này thực tế làm giảm hiệu suất do tăng chi phí truyền thông và phức tạp đồng thuận. Mỗi blockchain có giới hạn hiệu suất riêng tùy vào kiến trúc nền tảng và cơ chế đồng thuận. Do đó, nhiều giải pháp mở rộng đã được phát triển phù hợp với từng nhu cầu và hạn chế kỹ thuật, nhằm nâng cao hiệu suất mạng. Các giải pháp này được phân loại theo khía cạnh hiệu suất: hiệu suất đọc, hiệu suất ghi và khả năng lưu trữ. Ngoài ra, có các giải pháp cho từng lớp kiến trúc blockchain như Layer 0 (lớp mạng), Layer 1 (on-chain) và Layer 2 (off-chain). Vì sự đa dạng và phức tạp của giải pháp mở rộng, bài viết này tập trung vào các giải pháp dựa trên lớp dữ liệu, gồm cả on-chain lẫn off-chain.

Những yếu tố gây ra vấn đề khả năng mở rộng là gì?

Nhiều nhà phát triển và nghiên cứu cố gắng mở rộng mạng blockchain, nhưng luôn gặp phải bộ ba blockchain (blockchain trilemma). Bộ ba này cho rằng blockchain khó có thể đồng thời đạt bảo mật, phi tập trung và khả năng mở rộng—thường chỉ tối ưu được hai yếu tố cùng lúc. Ví dụ, blockchain riêng tư có thể mở rộng và bảo mật tốt nhưng phải đánh đổi tính phi tập trung vì phụ thuộc vào số validator hạn chế. Blockchain dựa trên đồ thị có hướng (DAG) có thể mở rộng và phi tập trung, nhưng thường kém bảo mật và chưa được kiểm chứng trước các tấn công phức tạp. Các blockchain công khai giữ bảo mật và phi tập trung nhưng phải hy sinh khả năng mở rộng, dẫn đến thông lượng giao dịch thấp.

Nghiên cứu cho thấy thông lượng là chỉ số thường được nhắc đến nhất về khả năng mở rộng blockchain, vì nó tác động trực tiếp tới trải nghiệm người dùng và giá trị mạng lưới. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng mở rộng liên quan chặt chẽ với nhau, tạo nên bài toán tối ưu hóa phức tạp. Ví dụ, hiệu suất đồng thuận và kích thước khối ảnh hưởng lớn đến thông lượng và độ trễ, còn thay đổi một tham số lại ảnh hưởng dây chuyền đến các chỉ số khác. Những yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng mở rộng blockchain gồm:

• Thông lượng: Là tổng số giao dịch giao thức xử lý mỗi giây, đo bằng TPS. Thông lượng là chỉ số chính để so sánh khả năng mở rộng các mạng blockchain. Hệ thống tập trung có TPS rất cao so với blockchain phi tập trung, xử lý khối lượng lớn hiệu quả mà không tắc nghẽn. Tuy vậy, so sánh này không hoàn toàn công bằng do hệ thống tập trung không phải tuân thủ các yêu cầu đồng thuận và bảo mật như blockchain phi tập trung.

• Độ trễ: Hay thời gian hoàn tất giao dịch, là thời gian từ khi gửi giao dịch đến khi xác nhận cuối cùng và không thể đảo ngược. Độ trễ thấp giúp xác thực hiệu quả hơn và nâng cao trải nghiệm người dùng, vì không phải chờ lâu để xác nhận. Tuy nhiên, muốn đạt độ trễ thấp thường phải đánh đổi bảo mật hoặc phi tập trung, do đồng thuận nhanh dễ bị tấn công hoặc yêu cầu xác thực tập trung hơn.

• Kích thước khối: Là lượng dữ liệu tối đa lưu trữ trong mỗi khối, quyết định số lượng giao dịch được bao gồm. Ví dụ, một số mạng blockchain có kích thước khối khoảng 1 MB. Khối lớn lưu trữ nhiều giao dịch hơn, tăng thông lượng và giảm phí khi nhu cầu cao. Tuy nhiên, khối lớn đòi hỏi nhiều tài nguyên tính toán để xử lý, tăng nhu cầu băng thông cho các nút truyền khối trên mạng. Blockchain cũng có thể từ chối khối vượt giới hạn kích thước, gây tồn đọng giao dịch.

• Nút mạng: Gồm nút đầy đủ (lưu lịch sử blockchain) và nút nhẹ (chỉ lưu một phần dữ liệu). Số lượng nút tăng khi giao dịch nhiều để duy trì bảo mật và phi tập trung. Do đó, số lượng và loại nút ảnh hưởng trực tiếp đến thông lượng và độ trễ—tức khả năng mở rộng. Tuy nhiên, nhiều nút cũng gây tăng chi phí truyền thông và kéo dài thời gian đồng thuận, tạo thêm thách thức mở rộng.

• Lưu trữ: Là tổng dung lượng blockchain và kích thước dữ liệu lịch sử. Tốc độ tăng lưu trữ phụ thuộc số nút, khối lượng giao dịch và kích thước khối. Nút đầy đủ cần lưu trữ nhiều hơn nút nhẹ, vì phải giữ toàn bộ lịch sử giao dịch. Dù nút nhẹ giảm yêu cầu lưu trữ, nhưng nếu quá dựa vào nút nhẹ sẽ tăng khối lượng công việc chung, ảnh hưởng bảo mật mạng và tác động tới thông lượng, phi tập trung.

• Năng lượng tính toán: Là sức mạnh xử lý và điện năng tiêu thụ cho xác thực giao dịch và tạo khối (khai thác trong một số mô hình đồng thuận). Tiêu thụ năng lượng phụ thuộc vào cơ chế đồng thuận. Ví dụ, blockchain dùng Proof of Work (PoW) tiêu thụ nhiều năng lượng hơn Proof of Stake (PoS), do PoW cần giải mật mã bằng tính toán chuyên sâu, còn PoS dựa vào staking token.

• Chi phí: Là tổng chi phí xác thực giao dịch, gồm phí giao dịch của người dùng và chi phí vận hành cho nút mạng. Nhiều blockchain cho phép validator hoặc miner ưu tiên giao dịch trả phí cao, tạo thị trường phí. Giao dịch phí thấp có thể xác thực lâu hoặc bị loại khỏi khối khi mạng tắc nghẽn, gây nút thắt mở rộng cho người dùng không muốn trả phí cao.

Những giải pháp khả năng mở rộng dựa trên lớp dữ liệu đang có là gì?

Các giải pháp mở rộng hiện tại được thiết kế nhằm giải quyết các vấn đề trọng yếu như thời gian tạo khối, chi phí giao dịch, tắc nghẽn mạng và giới hạn bộ nhớ. Từ đó, hai nhóm chính xuất hiện: giải pháp mở rộng on-chain và off-chain. Ngoài ra, các giải pháp này còn được phát triển trên các lớp kiến trúc khác nhau như lớp mạng (Layer 0), lớp blockchain nền tảng (Layer 1), và các lớp thứ cấp (Layer 2). Giải pháp Layer 1 và Layer 2 là phổ biến và được ngành áp dụng rộng rãi.

Giải pháp mở rộng on-chain áp dụng thay đổi lên giao thức và tham số cốt lõi của blockchain. Ví dụ, một số đề xuất tăng kích thước khối để cho phép nhiều giao dịch trong mỗi khối. Tuy nhiên, tăng kích thước khối có thể dẫn đến tập trung hóa vì đòi hỏi nhiều băng thông và lưu trữ, khiến các nhà vận hành nút nhỏ bị loại trừ. Khối lớn cũng dễ được lan truyền và xác thực bởi miner/validator nhiều nguồn lực, dẫn đến tập trung hóa việc tạo khối. Nhóm giải pháp on-chain gồm giảm dữ liệu khối bằng soft fork, tăng kích thước khối bằng hard fork, sharding mở rộng ngang, và kiến trúc DAG. Hai phương pháp sau đặc biệt sáng tạo và được trình bày chi tiết dưới đây:

• Giải pháp DAG: Kiến trúc đồ thị có hướng (DAG) là cách tiếp cận khác biệt so với blockchain truyền thống. Hệ thống DAG xác thực giao dịch bằng cách tham chiếu các giao dịch trước trong cấu trúc đồ thị thay vì chuỗi khối tuyến tính. DAG không dùng miner truyền thống hoặc staking token lớn để xác thực, nhờ vậy giảm mạnh phí mạng và loại bỏ nhu cầu khai thác tiêu tốn năng lượng. Mạng DAG có thể đạt thông lượng lý thuyết trên 10.000 TPS và loại bỏ nguy cơ double-spend nhờ cấu trúc xác thực đặc thù. Ví dụ: IOTA (MIOTA) với cấu trúc Tangle. Đặc biệt, mạng DAG càng nhiều người tham gia càng tăng tốc độ xác thực, vì mỗi giao dịch mới giúp xác thực giao dịch trước đó. Do đó, kiến trúc DAG có thể vừa phi tập trung vừa mở rộng tốt với phí tối thiểu. Tuy nhiên, DAG thường kém bảo mật trước một số kiểu tấn công độc hại, nhất là khi giao dịch ít, và khó xác thực hoàn tất tuyệt đối cho giao dịch.

• Sharding: Sharding là giải pháp mở rộng ngang, chia mạng blockchain thành nhiều shard xử lý song song. Mỗi shard xử lý một phần giao dịch riêng, cho phép nhiều nút xử lý đồng thời, giảm thời gian xử lý tổng thể và tăng thông lượng mạng. Tuy nhiên, triển khai sharding an toàn rất phức tạp, vì blockchain cần cơ chế bảo mật cho từng shard trước nguy cơ validator độc hại tấn công một shard. Ngoài ra, sharding hiệu quả nhất với giao dịch nội bộ từng shard, còn giao dịch giữa các shard cần phối hợp bổ sung và có thể chậm hơn. Ví dụ: Ethereum (ETH) với nâng cấp Ethereum 2.0 hoặc dự án RapidChain. Sharding là giải pháp on-chain hứa hẹn nhưng cần thiết kế kỹ để bảo toàn bảo mật và tính nguyên tử giao dịch.

Giải pháp mở rộng off-chain

Giải pháp off-chain xác thực giao dịch ngoài mạng blockchain chính, giảm tải cho lớp nền tảng. Trong các kiến trúc này, chỉ trạng thái hoặc kết quả cuối cùng mới được truyền lại mainnet, tạo thành state channel hoặc payment channel. Ví dụ, Lightning Network chỉ yêu cầu trả phí on-chain khi mở/đóng kênh, còn giao dịch trung gian diễn ra off-chain với chi phí tối thiểu. Nhờ vậy, phí giao dịch giảm mạnh và thông lượng tăng rõ rệt. Có nhiều nhóm giải pháp off-chain với đặc điểm và ứng dụng riêng. Một số phương pháp trọng điểm gồm:

• Giải pháp side-chain: Side-chain cho phép chuyển tài sản hai chiều giữa chuỗi cha (mainnet) và side chain với cơ chế đồng thuận riêng. Side chain thường dùng xác minh thanh toán đơn giản (SPV) hoặc bằng chứng mật mã để xác thực giao dịch độc lập với chuỗi chính. Chuyển tài sản giữa chuỗi cha và side chain dựa vào cơ chế khóa và kết quả mật mã, chỉ mở khóa bằng bằng chứng SPV từ chuỗi cha hoặc side chain, đảm bảo tài sản không bị double-spend. Cơ chế SPV cũng giúp validator trên side chain truyền trạng thái về chuỗi cha để xác nhận. Side chain có thể thử nghiệm các đồng thuận, thời gian khối và tính năng mới mà không ảnh hưởng bảo mật chuỗi chính. Ví dụ: Loom Network áp dụng side chain chuyên biệt cho hệ sinh thái blockchain, hỗ trợ phát triển ứng dụng phi tập trung mở rộng.

• Giải pháp child-chain: Kiến trúc child-chain tạo phân cấp, child chain liên kết trực tiếp với validator của chuỗi cha. Mỗi child chain xử lý giao dịch bằng đồng thuận tối ưu riêng cho ứng dụng cụ thể. Chuỗi cha ghi nhận trạng thái hoàn tất và cam kết trạng thái từ child chain, tạo điểm neo bảo mật. Chuỗi cha còn cung cấp bảo đảm bảo mật và giải quyết tranh chấp, bảo vệ child chain khỏi tấn công, vì hành vi gian lận đều bị khiếu nại và xác minh trên chuỗi cha. Kiến trúc này cho phép mở rộng cao mà vẫn giữ bảo mật nhờ đồng thuận chuỗi cha. Ví dụ: Ethereum Plasma xây dựng cấu trúc blockchain phân cấp với bằng chứng gian lận đảm bảo an toàn.

• Giải pháp interchain: Interchain tạo hệ sinh thái liên kết, mô phỏng mạng cục bộ cho blockchain. Phương pháp này liên kết nhiều blockchain độc lập qua giao thức truyền thông chung, đảm bảo tương thích các mạng. Kiến trúc interchain gồm nhiều subchain và nút chuyên biệt để giao tiếp, chuyển tài sản giữa chuỗi. Các chuỗi trong hệ sinh thái có thể dùng đồng thuận khác nhau, còn giao thức interchain đảm bảo tương tác đa chuỗi. Ví dụ: Cosmos (ATOM) triển khai kiến trúc interchain với giao thức Inter-Blockchain Communication (IBC), kết hợp Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT) và Proof of Stake (PoS) để tạo hệ sinh thái blockchain mở rộng. Phương pháp này cho phép khả năng mở rộng lý thuyết không giới hạn, vì chuỗi mới có thể thêm vào mà không ảnh hưởng hiệu suất chuỗi hiện có.

Triển vọng về khả năng mở rộng

Tiến trình phát triển các giải pháp mở rộng chủ yếu hướng đến cân bằng tối ưu giữa ba trụ cột của bộ ba blockchain: phi tập trung, khả năng mở rộng và bảo mật. Ngành nhận thấy việc hy sinh bất kỳ yếu tố nào đều hạn chế nghiêm trọng giá trị và ứng dụng blockchain.

Với on-chain, các đề xuất thường nhắm vào mã nguồn gốc, có thể dẫn đến hard fork (yêu cầu mọi nút nâng cấp) hoặc soft fork (thay đổi tương thích ngược). Tuy nhiên, đồng thuận cho thay đổi nền tảng này rất khó về mặt kỹ thuật lẫn chính trị, điển hình qua nhiều đề xuất nâng cấp blockchain gây tranh cãi. Do đó, các phương án như Segregated Witness (SegWit) hoặc soft fork thường khả thi hơn. Giải pháp kiểu SegWit giúp tách hoặc tối ưu hóa lưu trữ dữ liệu chữ ký xác thực giao dịch vốn chiếm nhiều không gian khối, cho phép nhiều giao dịch hơn với kích thước khối hiện tại. Tuy nhiên, tối ưu này có thể ảnh hưởng mô hình bảo mật hoặc yêu cầu thay đổi phần mềm ví và hạ tầng.

Một giải pháp on-chain đầy tiềm năng khác là sharding, chia blockchain thành nhiều shard song song để tăng khả năng mở rộng nền tảng. Sharding giúp mạng xử lý giao dịch số lượng lớn đồng thời thay vì tuần tự, giảm độ trễ và tăng tổng thông lượng theo số shard. Tuy nhiên, triển khai sharding an toàn vẫn rất khó, đặc biệt về bảo mật giữa các shard và xử lý giao dịch cross-shard hiệu quả.

Với off-chain, các dự án đã chứng minh khả năng đạt TPS hơn một triệu với công nghệ như Lightning Network cho kênh thanh toán, lý thuyết đạt TPS vô hạn với child chain kiểu Plasma triển khai đúng. Các giải pháp Layer 2 này cải thiện trải nghiệm người dùng nhờ giao dịch tức thì, phí thấp, đồng thời vẫn tận dụng bảo mật của blockchain Layer 1. Sự tích hợp và phát triển các giải pháp mở rộng này có thể giúp giải quyết vấn đề cố hữu về khả năng mở rộng, thúc đẩy phổ cập khi người dùng không còn bị cản trở bởi xác nhận giao dịch chậm và phí mạng cao vào thời điểm cao điểm.

Trong tương lai, hệ sinh thái blockchain thành công nhất có thể sẽ áp dụng mô hình đa tầng, kết hợp giao thức Layer 1 tối ưu với Layer 2 mạnh mẽ để đạt khả năng mở rộng toàn cầu mà vẫn bảo toàn bảo mật và phi tập trung. Nghiên cứu liên tục về bằng chứng không kiến thức, optimistic rollup và giao thức tương tác cross-chain cho thấy thách thức về khả năng mở rộng, tuy lớn, đang được giải quyết bằng những giải pháp kỹ thuật sáng tạo.

Kết luận

Các mạng blockchain đối diện thách thức lớn về khả năng mở rộng do đặc điểm công nghệ nền tảng như mạng lưới nút phân tán, yêu cầu đồng thuận và giới hạn kích thước khối. Kết quả là nhiều blockchain có TPS thấp so với hệ thống tập trung, khó xử lý khối lượng giao dịch lớn hiệu quả, gây chậm tốc độ, tắc nghẽn mạng và phí giao dịch cao khi nhu cầu tăng.

Để vượt qua hạn chế này, các dự án blockchain áp dụng và thử nghiệm giải pháp mở rộng khác nhau phù hợp từng trường hợp sử dụng và yêu cầu kỹ thuật. Tuy nhiên, các yếu tố ảnh hưởng khả năng mở rộng liên kết phức tạp, khiến cải thiện tổng thể khó thực hiện nếu không đánh đổi giữa bảo mật, phi tập trung và hiệu suất. Bộ ba blockchain vẫn là giới hạn nền tảng định hướng không gian thiết kế giải pháp mở rộng.

Các ví dụ về giải pháp mở rộng lớp dữ liệu gồm phương pháp on-chain (DAG, sharding) và off-chain (side chain, child chain, interchain). Mỗi giải pháp có ưu và nhược điểm riêng, xoay quanh vị trí khác nhau trên bộ ba blockchain. Giải pháp on-chain thường bảo mật mạnh nhưng có thể giảm phi tập trung hoặc khó triển khai, còn off-chain tăng khả năng mở rộng nhưng thêm phức tạp và giả định về độ tin cậy.

Nhìn chung, phát triển giải pháp mở rộng blockchain đang hội tụ vào một số hướng tiềm năng, đặc biệt sharding cho Layer 1 và các kênh thanh toán/rollup off-chain cho Layer 2. Sự kết hợp các phương pháp này, cùng nghiên cứu về cơ chế đồng thuận và kỹ thuật mật mã mới, cho thấy khả năng mở rộng blockchain sẽ tiếp tục được nâng cao mạnh mẽ trong thời gian tới. Khi các giải pháp này trưởng thành và được triển khai rộng rãi, blockchain có thể hiện thực hóa tiềm năng thành nền tảng cho ứng dụng phi tập trung và hệ thống tài chính toàn cầu, mang lại lợi ích phi tập trung và bảo mật mà vẫn đáp ứng hiệu suất như kỳ vọng của hạ tầng số hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

Khả năng mở rộng blockchain là gì và tầm quan trọng đối với tiền điện tử?

Khả năng mở rộng blockchain là năng lực xử lý nhiều giao dịch hiệu quả. Đối với tiền điện tử, khả năng mở rộng cao giúp tăng tốc độ và thông lượng giao dịch, thúc đẩy phổ cập và giảm tắc nghẽn mạng.

Bitcoin và Ethereum hiện đối mặt những thách thức mở rộng nào?

Bitcoin và Ethereum xử lý giao dịch chậm và phí cao. Khi người dùng tăng, tắc nghẽn mạng càng nghiêm trọng, đòi hỏi giải pháp Layer 2 và nâng cấp giao thức để tăng thông lượng, giảm chi phí.

Layer 2 (L2) là gì và những ví dụ như Lightning Network, Rollup?

Layer 2 là giao thức off-chain tăng tốc độ và năng lực giao dịch blockchain. Lightning Network hỗ trợ thanh toán nhanh qua kênh thanh toán, Rollup xử lý giao dịch ngoài chuỗi và tổng hợp lên chuỗi, nâng cao thông lượng, giảm chi phí.

Sharding cải thiện khả năng mở rộng blockchain ra sao?

Sharding chia blockchain thành các chuỗi song song, xử lý giao dịch đồng thời. Mỗi shard xử lý giao dịch độc lập, tăng thông lượng, tốc độ, giảm tắc nghẽn, nâng cao khả năng mở rộng tổng thể.

Sự khác biệt giữa sidechain và mainnet, và chúng cải thiện khả năng mở rộng như thế nào?

Sidechain xử lý giao dịch, tính toán phụ riêng biệt với mainnet, giảm tắc nghẽn cho mainnet. Việc phân bổ này tăng thông lượng, năng lực xử lý tổng thể, giúp mạng blockchain xử lý nhiều giao dịch đồng thời mà vẫn giữ bảo mật, phi tập trung.

Cải thiện khả năng mở rộng ảnh hưởng ra sao tới phi tập trung và bảo mật blockchain?

Giải pháp mở rộng thường có đánh đổi. Layer 2 và sidechain giữ bảo mật, tăng thông lượng mà không làm giảm phi tập trung. Tuy nhiên, tập trung hóa validator quá mức sẽ làm yếu cả hai. Thiết kế tốt vẫn bảo đảm bảo mật nhờ bằng chứng mật mã và đồng thuận phân tán.

Solana, Polygon, Arbitrum đã áp dụng giải pháp mở rộng nào?

Solana dùng đồng thuận Proof-of-History để tăng thông lượng. Polygon dùng Proof-of-Stake và sidechain. Arbitrum dùng Optimistic Rollup là giải pháp Layer 2 để tăng năng lực xử lý, giảm chi phí giao dịch.