Sharding là gì?

Các mạng blockchain duy trì được tính bảo mật nhờ lịch sử dữ liệu và giao dịch đều được quản lý bởi các node. Số lượng node càng nhiều thì mạng càng phi tập trung và càng ít cần phải đặt niềm tin vào một bên trung gian. Tuy nhiên, khi số lượng người dùng tăng lên và lịch sử blockchain liên tục phình to, gánh nặng đặt lên các node cũng ngày càng lớn. 

Do mỗi node phải lưu trữ toàn bộ bản sao của blockchain, áp lực về tính toán và lưu trữ đối với từng node tăng lên theo mỗi giao dịch được xử lý trên chuỗi. 

Trên thực tế, không phải node nào cũng đủ khả năng gánh vác chi phí tài chính và năng lực tính toán đó, và hệ quả là ngày càng ít người sẵn sàng vận hành các validator node. Chính vì vậy, đã xuất hiện một số phương pháp giúp blockchain có thể mở rộng mà vẫn hoạt động hiệu quả, thường được gọi chung là các giải pháp scaling. Trong số rất nhiều giải pháp hiện nay, sharding được xem là một trong những hướng tiếp cận tiềm năng nhất đối với các blockchain lớn. Cụ thể hơn, sharding cho phép các mạng Proof-of-Stake xử lý nhiều giao dịch hơn với tốc độ nhanh hơn trước đây rất nhiều, và đây cũng là một trong những giải pháp đang được cân nhắc cho Ethereum – mạng lưới phổ biến thứ hai thế giới. Nhưng trước khi đi sâu hơn, chính xác thì sharding là gì?

Sharding là gì?

Nói một cách dễ hiểu, sharding cho phép một blockchain đơn lẻ tự chia tách thành nhiều blockchain nhỏ và dễ quản lý hơn, gọi là shard chain hay còn được xem như các “lớp dữ liệu”. Bạn có thể hình dung mỗi shard là một tập hợp con của dữ liệu và giao dịch từ mạng gốc; khi tất cả các shard được ghép lại, chúng tạo thành toàn bộ cơ sở dữ liệu. Tuy nhiên, thay vì mọi node trong mạng phải lưu trữ toàn bộ lịch sử giao dịch, mỗi node chỉ được phân công quản lý một số shard nhỏ nhất định. 

Cách tiếp cận này giúp giảm đáng kể khối lượng dữ liệu mà từng node phải xử lý, từ đó tăng tốc độ giao dịch, đồng thời cho phép mạng xử lý nhiều luồng giao dịch song song và cải thiện mạnh mẽ khả năng mở rộng.

Sharding hoạt động như thế nào?

Quá trình phân tách một mạng blockchain khổng lồ và phi tập trung thực chất khá phức tạp. Vấn đề không chỉ nằm ở việc chia nhỏ chuỗi, mà các shard còn phải có khả năng giao tiếp với nhau để đảm bảo toàn bộ mạng vẫn vận hành như một thể thống nhất. 

Trước hết, mạng được chia thành nhiều shard chain – hay các lớp dữ liệu – hoạt động độc lập và mỗi shard có nhóm node riêng. Những người tham gia này, thường được gọi là committee, chịu trách nhiệm xác thực và xử lý giao dịch cho shard của họ. Nói cách khác, khi bạn khởi tạo một giao dịch trên một shard, giao dịch đó trước tiên sẽ được gửi tới các validator chuyên trách của shard đó. 

Tuy nhiên, câu chuyện chưa dừng lại ở đây, bởi dù các shard hoạt động độc lập, chúng vẫn có thể liên lạc với nhau thông qua một tầng đặc biệt có nhiệm vụ xác minh công việc của từng shard và điều phối giao tiếp giữa chúng, được gọi là coordination layer. 

Cụ thể, một block chỉ được phát tới coordination layer sau khi đã được các node trong shard xác thực; tại đây tầng điều phối sẽ kiểm tra tính hợp lệ của block, nếu hợp lệ sẽ ghi nhận vào sổ cái, còn nếu không sẽ bị từ chối. Cơ chế này giúp các shard duy trì sự nhất quán, bảo đảm an ninh hệ thống và đồng thời cho phép giao tiếp cross-shard để mỗi shard có thể đọc dữ liệu của shard khác.

Lợi ích của Sharding

Sharding mang lại nhiều lợi ích, trong đó nổi bật nhất là tăng TPS và tăng tốc độ giao dịch. 

Tăng thông lượng 

Nhờ việc mạng được chia thành nhiều shard chain và mỗi shard có bộ validator riêng, toàn bộ hệ thống có thể xử lý đồng thời lượng giao dịch lớn hơn rất nhiều – một bước đột phá đối với các mạng quy mô lớn và có lưu lượng cao. 

Ví dụ, Ethereum hiện chỉ xử lý khoảng 15–30 giao dịch mỗi giây (TPS); hãy tưởng tượng mức hữu ích nếu con số này đạt 100 TPS, trong khi Visa xử lý khoảng 1.000–4.000 TPS, cho thấy blockchain vẫn còn chặng đường dài. 

Tăng tốc độ giao dịch 

Bên cạnh đó, việc tách mạng thành các shard giúp mỗi shard chịu ít áp lực hơn từ hàng đợi giao dịch; do mỗi shard chỉ nhận một phần block của toàn mạng, node không phải lưu trữ quá nhiều dữ liệu và số giao dịch chờ xử lý cũng ít hơn, nhờ vậy validator có thể xử lý giao dịch nhanh hơn so với các chuỗi truyền thống.

Rủi ro của Sharding

Dù sharding giúp mở rộng – yếu tố sống còn của blockchain lớn – nhưng giống như mọi công nghệ mới, nó cũng tồn tại thách thức. 

Những rủi ro tập trung hoá 

Thứ nhất là rủi ro tập trung hóa: do các node bị chia nhỏ giữa các shard, số lượng node bảo vệ mỗi shard ít hơn, có thể làm giảm mức độ phi tập trung và mở đường cho các vấn đề như thông đồng validator hoặc tấn công 51%. Nói cách khác, với mạng nhỏ, kẻ xấu có thể dễ dàng nhắm vào một shard; tuy nhiên với mạng đủ lớn và sôi động, mỗi shard vẫn sẽ có đủ validator để duy trì tính phi tập trung. 

Tính không nhất quán của dữ liệu 

Thứ hai là nguy cơ bất nhất dữ liệu: vì các shard hoạt động độc lập, có khả năng một shard ghi nhận dữ liệu khác với shard khác, dẫn đến trạng thái mạng không đồng bộ; trong các ứng dụng như DeFi, điều này đặc biệt nguy hiểm vì có thể gây thất thoát tài sản người dùng. 

Ngoài ra, việc điều phối và giao tiếp giữa các shard với coordination layer cũng rất quan trọng, và độ phức tạp tăng lên đồng nghĩa rủi ro sự cố hệ thống cũng cao hơn nếu một thành phần gặp trục trặc.

Sharding trên Ethereum

Có thể bạn chưa biết, Ethereum đang có kế hoạch triển khai sharding nhằm cải thiện khả năng xử lý nhiều giao dịch hơn với tốc độ cao hơn. 

Vấn đề về khả năng mở rộng của Ethereum 

Nguyên nhân là bởi Ethereum, giống các mạng Proof-of-Stake khác, sử dụng validator để đề xuất và xử lý block theo hàng đợi; khi số người dùng tăng, hàng đợi kéo dài và giao dịch chậm lại, cản trở mục tiêu phổ cập đại trà. 

Kiến trúc hiện tại của Ethereum khó có thể mở rộng vượt quá một ngưỡng nhất định mà vẫn giữ trải nghiệm người dùng, đó cũng là lý do mạng này chuyển sang PoS và tiếp tục tìm kiếm giải pháp như sharding. 

Kế hoạch Sharding của Ethereum và the Surge

Ethereum tiếp tục phát triển và bản nâng cấp lớn tiếp theo là The Surge. Giai đoạn này nhằm mục đích cải thiện khả năng mở rộng mà không phải hy sinh tính phân cấp và bảo mật. Là một phần trong tầm nhìn dài hạn của Ethereum, The Surge sẽ tăng khả năng xử lý của mạng lên hơn 100.000 giao dịch mỗi giây ở lớp một và hai. Bài viết này sẽ giải thích chi tiết cho bạn các bước tiếp theo của Ethereum để trở thành chuỗi khối hiệu quả và có khả năng mở rộng nhất. 

Theo lộ trình “Surge” do Vitalik Buterin công bố, beacon chain sẽ đóng vai trò coordination layer cùng với 64 shard chain hoạt động song song. 

Ethereum dự kiến giới thiệu cơ chế này trong giai đoạn “Surge”, một đợt nâng cấp mạng lưới được Vitalik Buterin trình bày chi tiết trên blog của mình. Sau khi hoàn tất quá trình này, beacon chain sẽ đảm nhận vai trò coordination layer, đồng thời hoạt động song song với 64 shard chain khác. 

Bên cạnh đó, Ethereum cũng lên kế hoạch giảm thiểu cả rủi ro tập trung hóa lẫn nguy cơ bất nhất dữ liệu liên quan đến việc triển khai sharding. Để tránh rủi ro tập trung hóa, Ethereum sẽ áp dụng phương pháp lấy mẫu ngẫu nhiên, nghĩa là các validator sẽ được phân bổ vào các shard một cách ngẫu nhiên và liên tục được tái phân bổ. Cơ chế này giúp ngăn chặn việc tin tặc giành quyền kiểm soát đa số node trong cùng một shard. 

Tiếp theo, nhằm xử lý vấn đề bất nhất dữ liệu, Ethereum dự định sử dụng các phương pháp như sắp xếp thứ tự giao dịch (transaction ordering) và bằng chứng gian lận (fraud proofs), từ đó đảm bảo dữ liệu luôn nhất quán và được bảo vệ trước các hành vi không trung thực.

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng trong giai đoạn nâng cấp này, không chỉ có sharding được đưa vào áp dụng. Ethereum còn có kế hoạch triển khai thêm các giải pháp rollups để tiếp tục cải thiện khả năng mở rộng của mạng. Khi kết thúc giai đoạn sắp tới, Ethereum đặt mục tiêu đạt thông lượng lên tới 100.000 giao dịch mỗi giây – một con số cao hơn rất nhiều so với khả năng hiện tại. 

Đáng chú ý, Surge từng được kỳ vọng ra mắt vào nửa cuối năm 2023, nhưng do bản nâng cấp Merge triển khai muộn hơn dự kiến, mốc thời gian này có thể sẽ được điều chỉnh.

Sharding, Layer Two và Rollups: khác nhau thế nào?

Bên cạnh sharding, rollups cũng mang lại lợi ích tương tự và thường được gọi là giải pháp Layer 2. Rollups sử dụng một chuỗi riêng để gom nhiều giao dịch rồi gửi lại chuỗi gốc, giúp giảm tải cho main chain; có nhiều loại rollups nhưng nhìn chung đều nhằm giảm khối lượng dữ liệu trên node. 

Sharding thì khác ở chỗ nó thực sự phân mảnh mạng ngay trong cùng một chuỗi và xử lý giao dịch song song, tập trung vào việc xử lý số lượng giao dịch lớn cùng lúc để tăng tốc, trong khi rollups thiên về giảm dữ liệu trên mỗi block bằng cách xử lý bên ngoài. 

Dù còn quá sớm để kết luận giải pháp nào tối ưu – hay liệu sự kết hợp mới là hướng đi khả thi – nhưng rõ ràng khả năng mở rộng là thách thức then chốt của blockchain hiện đại. Nếu muốn đạt phổ cập đại trà, công nghệ này phải đủ sức hỗ trợ về mặt kỹ thuật, và vì thế các giải pháp scaling sẽ còn tiếp tục phát triển.

Sharding: chỉ là một trong nhiều giải pháp mở rộng

Mặc dù chúng ta vẫn chưa thấy toàn bộ tác động của sharding trên một blockchain lớn, đây rõ ràng là hướng tiếp cận rất thú vị để mở rộng các mạng quy mô lớn. Khi mức sử dụng tăng mạnh, scaling trở thành yêu cầu tất yếu. 

Sharding chỉ là một ví dụ trong vô số cải tiến đang được phát triển, và có thể giải pháp tốt nhất vẫn đang ở phía trước. 

Nếu bạn muốn tự mình trải nghiệm, hãy khám phá các mạng đã áp dụng sharding như NEAR hay Polkadot; với Ledger Wallet, mọi mạng lưới này chỉ cách vài cú nhấp chuột. Dù bạn muốn lưu trữ, stake hay giao dịch crypto, Ledger Wallet đều có lựa chọn phù hợp, và tất cả đều được thực hiện an toàn ngay trên thiết bị Ledger của bạn. Với Ledger, bạn luôn là người kiểm soát.

Hiện tại, các thiết bị ký số Ledger luôn có mặt sẵn tại DigiBit – đại lý uỷ quyền của Ledger tại Việt Nam. Nếu có bất kỳ thắc mắc nào, bạn luôn có thể liên hệ với Team DigiBit để được hỗ trợ.