Ouroboros Leios đạt được Thông lượng gần như tối ưu

Ngày 28 tháng 06 năm 2024

Ouroboros Leios được thiết kế để đạt được Thông lượng gần như tối ưu, được thiết kế để xử lý khối lượng giao dịch cực lớn, tiếp cận khả năng cao nhất của mạng trong các ràng buộc hiện có. Về bản chất, Cardano sẽ có thể xử lý khối lượng giao dịch lớn gần đạt đến giới hạn lý thuyết. Chúng tôi sẽ làm rõ các phương pháp để thực hiện kỳ ​​tích này. Ngoài ra, bài viết sẽ đi sâu vào Ouroboros Peras, giúp hoàn tất giao dịch nhanh chóng.

Hiểu về Công suất mạng và thời gian hoàn tất

Mỗi mạng lưới Blockchain đều có giới hạn về số lượng giao dịch mà nó có thể xử lý. Giới hạn này, được gọi là Công suất (Capacity), là khả năng tối đa của hệ thống để quản lý khối lượng công việc hoặc thực hiện các tác vụ trong điều kiện hoàn hảo. Công suất bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như băng thông của mạng, sức mạnh tính toán khả dụng và thiết kế của chính hệ thống.

Ngược lại, Thông lượng (Throughput) là số lượng giao dịch thực tế mà hệ thống xử lý trong một khoảng thời gian nhất định. Đây là thước đo hiệu suất thực tế, cho biết có bao nhiêu giao dịch được xác nhận và ghi lại trên Blockchain, thường được biểu thị bằng giao dịch mỗi giây (TPS).

Trong khi Công suất là thứ mà hệ thống có thể đạt được về mặt lý thuyết thì Thông lượng là thứ mà hệ thống thực sự đạt được trong thực tế.

Tối đa lý thuyết đề cập đến mức hoạt động cao nhất mà một hệ thống có thể xử lý trong điều kiện hoàn hảo. Đó là giới hạn được xác định bởi cách hệ thống được xây dựng, các tài nguyên mà nó có và bất kỳ hạn chế nào mà nó có thể gặp phải. Tắc nghẽn mạng thường xảy ra khi các khối được tạo ra quá chậm hoặc khi các quy tắc để xác minh giao dịch không hiệu quả.

Thông lượng là số lượng giao dịch thực tế mà hệ thống xử lý thành công. Điều quan trọng là phải cân bằng điều này với thời gian hoàn tất giao dịch để Blockchain hoạt động trơn tru và đáng tin cậy.

Thông thường, có sự đánh đổi giữa Thông lượng và thời gian hoàn tất. Thông lượng cao thường có nghĩa là giao dịch được xác nhận nhanh hơn. Nhưng nếu Thông lượng thấp, có thể mất nhiều thời gian hơn để hoàn tất giao dịch.

Khi nhiều giao dịch được gửi qua mạng, nó có thể bắt đầu chậm lại, đặc biệt là khi số lượng giao dịch tiếp cận hoặc vượt quá khả năng tối đa của mạng. Điều này có thể dẫn đến độ trễ xác nhận tăng lên, tức là độ trễ giữa thời điểm giao dịch được gửi và thời điểm giao dịch được ghi lại trên Blockchain.

Nếu quá nhiều giao dịch tràn vào hệ thống, hệ thống không thể xử lý tất cả đủ nhanh, dẫn đến tình trạng tồn đọng. Các giao dịch có thể phải chờ trong danh sách chờ hoặc cần được gửi lại. Mặt khác, nếu mạng không được sử dụng hết tiềm năng của nó, điều đó có nghĩa là có thể chưa sử dụng có thể xử lý nhiều hoạt động hơn.

Thông lượng tối đa mà mạng Blockchain có thể đạt được bị ảnh hưởng bởi yêu cầu truyền nhiều loại dữ liệu khác nhau. Điều này bao gồm không chỉ các giao dịch riêng lẻ mà còn cả các khối, là tập hợp của một số giao dịch và trong một số trường hợp, phiếu bầu. Việc truyền các khối có thể dẫn đến việc cùng một dữ liệu giao dịch được gửi nhiều lần trên mạng. Ngoài ra, một số mạng nhất định có thể xử lý một khối lượng lớn các giao dịch bỏ phiếu.

Vì khả năng truyền dữ liệu của mạng bị hạn chế, nên mạng phải phân phối băng thông khả dụng để chứa mọi thứ cần gửi—điều này có nghĩa là các giao dịch, khối và bất kỳ dữ liệu bổ sung nào như phiếu bầu đều phải chia sẻ băng thông của mạng. Thông lượng phải được quản lý để đảm bảo rằng tất cả các yếu tố này được truyền hiệu quả và kịp thời trong giới hạn Công suất dữ liệu của mạng.

Thời gian hoàn tất đề cập đến thời gian cần thiết để một khối (và các giao dịch bao gồm) được coi là hoàn thành và không thể đảo ngược. Cơ chế đồng thuận Nakamoto, được sử dụng bởi Bitcoin và các hệ thống tương tự, cung cấp một dạng hoàn tất theo xác suất. Điều này có nghĩa là tính vĩnh viễn của dữ liệu khối chỉ được xác nhận sau khi một số khối tiếp theo được thêm vào Blockchain.

Trên thực tế, một khối (gọi là Khối N) thường được chấp nhận là đã được hoàn tất sau khi một số lượng khối bổ sung nhất định được thêm vào sau nó. Đối với các giao dịch Bitcoin, Khối N thường được coi là đã được hoàn tất sau khi Khối N+2 được thêm vào chuỗi, biểu thị hai xác nhận. Tuy nhiên, số lượng xác nhận bắt buộc có thể cao hơn đối với các mạng như Cardano.

Hình minh họa rằng Block N được coi là đã hoàn tất sau khi thêm Block N+2. Cần lưu ý là có thể xảy ra fork Blockchain, đại diện cho sự chia tách trong chuỗi. Các fork này là một phần bình thường của hoạt động Blockchain (chủ yếu là đối với cơ chế đồng thuận của Nakamoto) và thường được hoàn tất theo thời gian khi một nhánh trở nên dài hơn và được mạng lưới chấp nhận là phiên bản chính xác.

Cơ chế đồng thuận Byzantine Fault Tolerant (BFT) thường bao gồm một quy trình bỏ phiếu để xác thực các khối mới, dẫn đến thời gian hoàn tất ngắn hơn nhiều. Một khối có thể được coi là đã hoàn tất tại thời điểm nó được thêm vào Blockchain hoặc ngay sau đó—chẳng hạn như khi khối tiếp theo được thêm vào. Ví dụ, Ethereum được biết đến với thời gian hoàn tất nhanh chóng, trong đó các khối được hoàn thiện nhanh chóng và được coi là một phần của sổ cái vĩnh viễn.

Cơ chế đồng thuận của Nakamoto ưu tiên tính liên tục — khả năng duy trì hoạt động liên tục của hệ thống — đôi khi phải đánh đổi bằng tính chính xác, điều này có thể dẫn đến sự không nhất quán tạm thời trong sổ cái. Mặt khác, các mô hình đồng thuận BFT nhấn mạnh tính chính xác, đảm bảo rằng chỉ các giao dịch hợp lệ mới được xác nhận, ngay cả khi điều này dẫn đến sự tạm dừng ngắn trong quá trình đồng thuận.

Các mạng Blockchain khác nhau thể hiện các mức độ Thông lượng và thời gian hoàn tất khác nhau. Mục tiêu của các nhà phát triển là tối đa hóa Thông lượng trong khi giảm thiểu thời gian hoàn tất, tạo ra sự cân bằng duy trì các đặc điểm thiết yếu của Blockchain như phi tập trung, truy cập không cần phải được cho phép, khả năng phục hồi và tính bao gồm.

Trong một mạng, hai node được kết nối bằng một kênh truyền thông. Thời gian cần thiết để gửi thông tin từ node A đến node B được gọi là Độ trễ Δ.

Một mạng lưới phân tán bao gồm nhiều node được kết nối với nhau. Dữ liệu, có thể là giao dịch hoặc khối, thường được truyền từ một node và sau đó lan truyền trên toàn bộ mạng để đến tất cả các node khác. Dữ liệu này đi qua nhiều node trung gian khác nhau, được gọi là hop. Các node gần nhau hơn về mặt địa lý, chẳng hạn như các node trong cùng một quốc gia, có độ trễ ngắn hơn so với các node nằm ở các châu lục khác nhau.

Độ trễ tổng thể được tính là tổng tích lũy của các độ trễ riêng lẻ gặp phải dọc theo đường dẫn từ node nguồn (bên cung cấp dữ liệu) đến node xa nhất (bên tiêu thụ dữ liệu) trong mạng.

Trong mạng phân tán, dữ liệu được tạo ra cùng lúc trên nhiều node khác nhau. Ví dụ, người dùng liên tục gửi giao dịch vào mạng qua các node khác nhau và các giao dịch này được truyền đi cùng lúc. Với điều kiện là tất cả các kết nối giữa các node đều có đủ băng thông, mọi giao dịch và khối sẽ được chuyển đến tất cả các node trong một khung thời gian phù hợp với Độ trễ tổng thể.

Nguyên nhân nào thường ngăn cản việc sử dụng Công suất tối đa?

Để mạng lưới Blockchain hoạt động hiệu quả, điều cần thiết không là phát tán dữ liệu trên toàn mạng lưới mà còn là đạt được cơ chế đồng thuận giữa các node về dữ liệu. Cơ chế đồng thuận là quá trình mà một node nhanh chóng xác định xem phần lớn các node của mạng lưới (nói chính xác hơn là tài nguyên như tỷ lệ băm hoặc cổ phần) có đồng ý với thông tin được chia sẻ hay không. Điều quan trọng là phải xem xét cách sử dụng Công suất mạng lưới để tạo điều kiện cho cơ chế đồng thuận này.

Trong các mạng Blockchain thông thường, vai trò của nhà sản xuất khối được luân phiên giữa các node, thường được chọn thông qua một quy trình ngẫu nhiên.

Khi một khối mới được gửi đến mạng, các node phải quyết định một phương án hành động. Với cơ chế đồng thuận Byzantine Fault Tolerant (BFT), các node bỏ phiếu rõ ràng cho các khối mới, cho phép đồng thuận nhanh chóng và do đó, hoàn tất giao dịch nhanh chóng. Tuy nhiên, quá trình bỏ phiếu này sử dụng hết Công suất mạng, đây là sự đánh đổi để nâng cao trải nghiệm của người dùng.

Tần suất tạo ra các khối bị hạn chế bởi Tổng độ trễ (tổng thời gian truyền giữa các node).

Điều bắt buộc là mọi node trong mạng đều có quyền truy cập vào khối mới để duy trì trạng thái tổng thể nhất quán. Nếu các node có quan điểm khác nhau về Blockchain, điều này có thể dẫn đến việc fork thường xuyên — nhiều khả năng tiếp tục — điều này gây ra vấn đề cho các mô hình đồng thuận ưu tiên hoạt động đang diễn ra (tính liên tục) và hoàn toàn không thể chấp nhận được đối với các mô hình ưu tiên tính chính xác (độ chính xác và đồng thuận nhanh).

Độ trễ tổng thể (Total Delay) về cơ bản là thời gian ngắn nhất có thể để thiết lập khoảng thời gian khối, tức là tốc độ tạo ra các khối. Tuy nhiên, điều quan trọng là phải cân nhắc đến bộ đệm để tính đến các sự cố mạng hoặc các cuộc tấn công thỉnh thoảng xảy ra, chẳng hạn như các đợt giao dịch bị trì hoãn cố ý và phát lại tin nhắn. Biên độ an toàn này cho các khoảng thời gian khối là một yếu tố chính làm phức tạp thêm Thông lượng mạng. Thiết lập khoảng thời gian khối quá gần với Độ trễ tổng thể có thể làm giảm tính ổn định và bảo mật của mạng.

Kích thước của một khối ảnh hưởng trực tiếp đến tổng độ trễ. Các khối lớn hơn, có thể chứa nhiều giao dịch hơn, mất nhiều thời gian hơn để truyền qua mạng. Hơn nữa, khi số lượng node trong mạng tăng lên, số lượng dữ liệu phải thực hiện cũng tăng lên, do đó làm tăng tổng độ trễ. Giảm số lượng node để cải thiện Thông lượng sẽ xung đột với các nguyên tắc phi tập trung và tham gia mở.

Tối ưu hóa băng thông và tài nguyên để tăng Thông lượng mạng là một thách thức. Ví dụ, Bitcoin được biết đến với sự kém hiệu quả, tạo ra các khối từ 1 đến 4 MB (bao gồm dữ liệu SegWit) cứ sau 10 phút, khiến băng thông và tài nguyên tính toán không được sử dụng hết trong hầu hết thời gian—điều này liên quan đến xác thực giao dịch, không phải khai thác. Sự kém hiệu quả này không chỉ xảy ra với Bitcoin; đây là vấn đề phổ biến trên các mạng Blockchain.

Trong cơ chế đồng thuận BFT, Công suất mạng được sử dụng cho quá trình bỏ phiếu, góp phần làm cho thời gian hoàn tất nhanh hơn. Tuy nhiên, điều này chưa chắc dẫn đến Thông lượng cao hơn đáng kể, vì băng thông và tài nguyên vẫn có thể không được sử dụng hết tiềm năng của chúng.

Ouroboros Leios

Ouroboros Leios hướng đến mục tiêu giải quyết thách thức tối ưu hóa năng lực trong mạng lưới Blockchain. Nó tập trung vào việc đạt được Thông lượng gần như tối ưu trong khi xem xét cả Thông lượng dữ liệu và sự phụ thuộc vào truyền thông. Bằng cách cân bằng các tài nguyên tính toán, băng thông và hiệu quả đồng thuận, Leios cố gắng tăng đáng kể Thông lượng tổng thể của hệ thống trong khi vẫn duy trì các thuộc tính bảo mật.

Ouroboros Leios, còn được gọi là Input Endorsers, giới thiệu một số tính năng chính: tách tải trọng, xử lý đồng thời và tính toán phi tập trung. Tất cả các tính năng này sẽ được giải thích dưới đây.

Tách tải trọng là một cải tiến quan trọng giúp tối đa hóa việc sử dụng băng thông mạng và tài nguyên tính toán, dẫn đến việc sử dụng năng lực tối ưu. Ouroboros Leios tách biệt sự khuếch tán của các giao dịch và tính toán khỏi việc sắp xếp các giao dịch cấp cao.

Leios định nghĩa ba loại khối: Khối xếp hạng (RB - Ranking block), khối Chứng thực (EB - Endoser block) và Khối đầu vào (IB - Input block). Bản thân các giao dịch được chứa trong Khối đầu vào (IB). Các Khối đầu vào này hoạt động như các phương tiện truyền tải giao dịch. Ngược lại, Khối xếp hạng (RB) chỉ chứa các tham chiếu đến các giao dịch này. Blockchain sẽ chỉ bao gồm các Khối xếp hạng (RB), nghĩa là nó sẽ chỉ bao gồm các tham chiếu đến dữ liệu giao dịch.

Trong khi các Khối Đầu (IB) vào mang dữ liệu giao dịch thực tế có thể khá lớn (ví dụ, một khối 1 MB), các tham chiếu đến các khối này trong các Khối Xếp hạng (RB) nhỏ hơn nhiều, thường chỉ bằng kích thước của một hàm băm—một chuỗi ký tự ngắn. Điều này có nghĩa là các Khối Xếp hạng (RB) có thể tham chiếu đến một số lượng lớn các Khối Đầu vào (IB), đại diện cho một lượng lớn các giao dịch.

Xin lưu ý rằng hình ảnh minh họa cấu trúc đơn giản của hệ thống này, không bao gồm các khối Chứng thực để rõ ràng hơn.

Cấu trúc của các loại khối khác nhau trong Ouroboros Leios được tổ chức như sau: Các khối đầu vào, chứa dữ liệu giao dịch thực tế, được tham chiếu bởi các khối Chứng thực. Đến lượt mình, các khối xếp hạng tham chiếu đến các khối Chứng thực. Vai trò và ý nghĩa cụ thể của các khối Chứng thực trong cấu trúc sẽ được trình bày chi tiết ở giai đoạn sau.

Cơ chế đồng thuận Nakamoto có thể được ứng dụng cho việc sắp xếp các Khối xếp hạng theo cách tương tự như cách sử dụng hiện tại của nó trong Cardano. Quy trình sắp xếp các Khối xếp hạng có thể duy trì các nguyên tắc bảo mật giống như các nguyên tắc hiện hành.

Input Blocks có thể được lắp ráp độc lập với Blockchain, ngụ ý rằng về mặt lý thuyết, có thể chuẩn bị một số lượng lớn Input Blocks, với những hạn chế duy nhất là băng thông và sức mạnh tính toán. Có thể tinh chỉnh tốc độ đúc Input Blocks. Do đó, quy trình đồng thuận cho Ranking Blocks sẽ không hạn chế việc sử dụng tài nguyên, vì nó tách biệt với Blockchain.

Tách rời các tiến trình là ý tưởng cốt lõi đằng sau Ouroboros Leios.

Input Block có thể được đúc thường xuyên hơn nhiều so với Ranking Block. Ví dụ, một Input Block mới có thể được đúc mỗi giây, trong khi một Ranking Block mới có thể được đúc mỗi 15 giây. Lợi ích của cách tiếp cận này là Input Block có thể được xử lý đồng thời bởi nhiều node.

Các node trong mạng có thể độc lập tạo ra các ứng viên khối cho Blockchain mà không cần phải phối hợp với nhau.

Tính toán phi tập trung đề cập đến khả năng của giao thức cho phép các node khác nhau thực hiện tính toán. Kết quả của các tính toán này có thể được chia sẻ đáng tin cậy trên toàn mạng, nghĩa là không cần các node phải lặp lại các tính toán giống nhau. Quá trình này sẽ sử dụng một phương pháp được gọi là chứng thực dựa trên cổ phần (stake-based endorsing).

Chiến lược này xuất phát từ nhận thức rằng các phép tính trong mạng Blockchain truyền thống được thực hiện không hiệu quả. Để minh họa, hãy xem xét các giao dịch, mặc dù nguyên tắc tương tự cũng ứng dụng cho việc thực hiện các hợp đồng thông minh hoặc tập lệnh đòi hỏi nhiều tính toán hơn.

Khi một node sản xuất khối đúc một khối mới và phát hành nó vào mạng, tất cả các node đều xác thực mọi giao dịch. Do đó, mọi node đầy đủ đều thực hiện các xác thực giống hệt nhau. Khi số lượng node đầy đủ tăng lên, tài nguyên tính toán tích lũy được sử dụng cũng tăng theo tỷ lệ.

Việc lặp lại các phép tính này là lãng phí tài nguyên mạng.

chứng thực dựa trên cổ phần cho phép một nhóm các node được chọn ngẫu nhiên xử lý thông tin, xác minh thông tin và sau đó xác nhận thông tin bằng cách cung cấp chữ ký. Có thể thu thập tất cả chữ ký của các node xác thực và biên dịch chúng thành một chứng chỉ ngắn gọn. Sau đó, chứng chỉ này có thể được đính kèm vào Khối đầu vào.

Thông qua việc chứng thực dựa trên cổ phần, các node phải xác minh rằng sổ cái chỉ chứa các Khối đầu vào với bằng chứng đầy đủ rằng nội dung của chúng có thể truy cập được và được tổ chức hợp lý. Mỗi node phải có thể tải xuống phần thân khối tương ứng với mỗi tiêu đề khối dành cho sổ cái. Quá trình này về cơ bản hoạt động như một cơ chế đồng thuận về tính khả dụng của dữ liệu.

Để đảm bảo các node nhận được thông tin về các khối mới kịp thời, các tiêu đề khối sẽ được truyền riêng biệt với các thân khối. Tiêu đề khối bao gồm các chi tiết cơ bản về khối, trong khi thân khối lớn hơn đáng kể vì nó bao gồm các giao dịch.

Một vấn đề tiềm ẩn phát sinh nếu một thực thể độc hại tạo ra các tiêu đề khối hợp lệ mà không giải phóng các khối liên quan. Điều này có thể gây ra sự khác biệt và dẫn đến sự chia tách trong blockchain, được gọi là fork. Do đó, điều quan trọng là phải đảm bảo sự tồn tại của các phân thân khối cho các khối đã liên kết tới.

Có thể có một số chiến lược tấn công khác.

Để bảo vệ chống lại các cuộc tấn công tắc ngẽn giao thức, cần phải thực hiện các biện pháp. Ví dụ, kẻ tấn công có thể tích lũy các thông điệp giao thức hợp lệ và đột nhiên tràn ngập mạng bằng chúng, làm tê liệt tạm thời mạng. Hơn nữa, chúng có thể phát tán thông tin trái ngược nhau (lẫn lộn) hoặc gửi lại các thông điệp giống hệt nhau (tấn công phát lại).

Những rủi ro này được giảm thiểu bằng cách triển khai phương pháp tiếp cận 'mới nhất trước' (newest first) để phân phối tin nhắn. Mỗi tiêu đề sẽ bao gồm một dấu thời gian có thể xác minh được, được bảo mật bằng mật mã. Sau đó, các node sẽ ưu tiên việc phổ biến tất cả các tiêu đề, tập trung vào việc tải xuống các nội dung tin nhắn có dấu thời gian gần đây nhất.

Chúng ta hãy quay lại với chứng thực dựa trên cổ phần (stake-based endorsing).

Cần lưu ý là các node riêng lẻ sẽ không xác thực đầy đủ mọi giao dịch trong mạng. Thay vào đó, chúng sẽ xác minh bằng chứng cho thấy một lượng cổ phần đủ lớn (liên quan đến các node) hỗ trợ xác thực. Điều này giúp tăng hiệu quả của mạng, cho phép xử lý nhiều hơn với cùng một tài nguyên.

Khi một nhóm các node cùng có một cổ phần bắt buộc (được chỉ định bởi một ngưỡng), xác nhận một Khối đầu vào, thì không cần các node khác phải xác thực lại. Khối đầu vào, cùng với chứng chỉ của nó, sau đó đã sẵn sàng để được đưa vào Khối xếp hạng tiếp theo.

Xin lưu ý rằng hình ảnh sau đã được đơn giản hóa để dễ hiểu hơn, không bao gồm các khối Chứng thực.

Kiến trúc này tạo điều kiện cho việc tính toán phi tập trung và xử lý song song.

Hệ thống Blockchain sắp xếp các Khối xếp hạng mà không bị cản trở bởi kích thước của các Khối đầu vào hoặc các phép tính liên quan, vì nó chỉ xử lý các tham chiếu và chứng chỉ. Các chứng chỉ này đóng vai trò xác minh rằng số tiền stake cần thiết đã xác thực các khối.

Xử lý song song các giao dịch có thể gây ra sự khác biệt. Tuy nhiên, mô hình UTXO (Đầu ra giao dịch chưa chi) đơn giản hóa việc giải quyết xung đột, vì UTXO là các đối tượng độc lập. Việc kết hợp nhiều phép tính đã hoàn tất không đòi hỏi phải thực hiện một phép tính phức tạp khác. Xác định và giải quyết những sự khác biệt này là một quá trình đơn giản.

Như được mô tả trong hình minh họa, các đầu vào sửa đổi trạng thái global (S) bao gồm hai phép tính riêng biệt (được biểu diễn bằng hai Khối đầu vào) và trạng thái global hiện có, bao gồm tập hợp UTXO đang hoạt động. Kết quả của quá trình xác thực và hợp nhất các phép tính này tạo ra một trạng thái global mới (S'). Tập hợp UTXO đang hoạt động cũng được cập nhật tương ứng. Khi các giao dịch được thêm vào blockchain, cần phải xóa các UTXO đã được sử dụng (được các giao dịch sử dụng làm đầu vào) và chèn các UTXO mới vào tập hợp.

Trong hình minh họa bên dưới, rõ ràng là TX 2 từ phép tính 1 và TX 3 từ phép tính 2 đều cố gắng sử dụng cùng một đầu vào UTXO. Hành động như vậy bị cấm vì nó sẽ dẫn đến việc cùng một UTXO được sử dụng nhiều lần.

Giải quyết vấn đề này rất đơn giản. Thuật toán chọn loại trừ TX 3 khỏi phép tính 2 trong trạng thái cập nhật S'.

Không cần phải xác thực lại các giao dịch còn lại; nghĩa là không cần phải tính toán lại tất cả các giao dịch khác do xung đột này. Vì mỗi giao dịch là tự chủ và trình tự của nó trong bối cảnh trạng thái global không quan trọng, nên việc bỏ qua một giao dịch trong khi hợp nhất các phép tính không ảnh hưởng đến kết quả của các phép tính giao dịch khác.

Ouroboros Leios tận dụng tối đa mô hình UTXO. Với mô hình dựa trên tài khoản, việc hợp nhất các phép tính sẽ đòi hỏi nhiều hơn về sức mạnh tính toán, vì việc loại bỏ một giao dịch về cơ bản có nghĩa là xác thực lại tất cả các giao dịch tiếp theo trong chuỗi đã cho.

Bây giờ chúng ta hãy giải thích về khối Chứng thực.

Nếu các Khối đầu vào được tạo ra nhanh chóng, độ trễ tích lũy sẽ ngăn cản việc phân phối kịp thời các khối này tới tất cả các node để xác thực và bỏ phiếu.

Các node không thể bỏ phiếu cho các Khối đầu vào do tần suất và khối lượng của các khối. Do đó, các khối Chứng thực được sử dụng, có thể tham chiếu đến nhiều Khối đầu vào. Quy Trình chứng thực dựa trên cổ phần được ứng dụng cho các khối Chứng thực thay vì các Khối đầu vào. Các khối Chứng thực cũng là phương tiện để tiến hành bỏ phiếu về tính khả dụng của dữ liệu.

Một số hình ảnh trước đó đã được đơn giản hóa. Ví dụ, chúng cho thấy Khối đầu vào đang được bỏ phiếu.

Việc xác nhận tiến hành theo hai giai đoạn để đảm bảo sản xuất ít nhất một EB được chứng nhận bao gồm tất cả các IB được tạo ra một cách trung thực và do đó tỷ lệ IB được tham chiếu bởi sổ cái cơ sở khớp với tỷ lệ các bên trung thực đang hoạt động trong mạng lưới. Quá trình này sẽ được giải thích sau.

Các node sẽ bỏ phiếu cho khối Chứng thực chỉ khi các tham chiếu bên trong được xác minh là hợp lệ. Điều này ngụ ý rằng cả tiêu đề khối và thân khối đều có thể truy cập được và các giao dịch chứa trong đó là hợp lệ.

Quá trình bỏ phiếu cho các khối Chứng thực phần lớn không bị ảnh hưởng bởi tần suất các Khối đầu vào được đúc hoặc kích thước của chúng. Khía cạnh này có lợi cho việc tăng cường Thông lượng mạng tổng thể.

Để đảm bảo không có Khối đầu vào nào bị bỏ qua, khối Chứng thực sẽ có thể tham chiếu không chỉ Khối đầu vào gần đây mà còn cả khối Chứng thực đã được chứng nhận trước đó, sau đó tham chiếu đến Khối đầu vào cũ hơn. Cơ chế này bảo vệ chống lại các cuộc tấn công tiềm ẩn khi một thực thể độc hại có thể tạo ra khối Chứng thực chỉ bao gồm Khối đầu vào của nó.

Kiến trúc giao thức đường ống

Leios sẽ sử dụng kiến ​​trúc đường ống (Pipelined Protocol Architecture). Giao dịch phải trải qua nhiều giai đoạn trước khi được đưa vào sổ cái thông qua tham chiếu Khối xếp hạng. Ban đầu, chúng được đúc thành Khối đầu vào, sau đó được tham chiếu bởi khối Chứng thực. khối Chứng thực này thu thập phiếu bầu và sau khi chứng nhận, trở thành Khối xếp hạng có thể tham chiếu. Giải thích này là một sự đơn giản hóa quá mức.

Hơn nữa, phải đảm bảo rằng việc tạo khối đồng thời diễn ra liên tục và giao thức không lãng phí bất kỳ băng thông nào trong khi thu thập phiếu bầu và xác nhận của những người tham gia giao thức.

Một phiên bản đường ống Leios bao gồm bảy giai đoạn riêng biệt, mỗi giai đoạn có thời lượng được xác định bằng một số slot nhất định (được đo bằng giây).

Các phiên bản Pipeline hoạt động song song, với mỗi phiên bản mới bắt đầu mỗi L slot. Các Khối Đầu vào khối Chứng thực được tạo ra với tốc độ nhất quán. Mỗi Khối Đầu vào đảm nhận vai trò của người đề xuất trong phiên bản Pipeline mới nhất. Ngoài ra, mỗi khối Chứng thực thực hiện một chức năng liên kết và một chức năng xác nhận trên hai phiên bản Pipeline riêng biệt.

Sau đây là tổng quan về các giai đoạn:

1. Giai đoạn PROPOSE: Nhiều IB có thể được đúc đồng thời. Mục tiêu của đường ống là kết hợp các IB hợp lệ vào sổ cái, nghĩa là chúng phải được đưa vào các RB (Khối xếp hạng) sắp tới.
2. GIAI ĐOẠN Phát tán 1: Các IB được phân phối trong khi vẫn tuân thủ ràng buộc về Độ trễ tổng thể.
3. Giai đoạn LINK: Có thể tạo ra nhiều EB cùng lúc, mỗi EB tham chiếu đến các IB từ giai đoạn PROPOSE.
4. GIAI ĐOẠN Phát tán 2: Giai đoạn này dành riêng cho việc phân phối các EB mới được đúc.
5. Giai đoạn VOTE 1: Các node bỏ phiếu cho EB từ giai đoạn LINK. Các EB này phải tham chiếu đến các IB có sẵn và hợp lệ. Một EB nhận được đủ số phiếu VOTE1 vượt qua ngưỡng cụ thể sẽ được chứng nhận VOTE1.
6. Giai đoạn ENDORSE: Các EB tham chiếu lẫn nhau để đạt được cơ chế đồng thuận về sự tồn tại và tính chính xác của các IB. Điều này tạo ra một chuỗi các xác nhận xác minh trình tự giao dịch. Mục đích là nhóm nhiều IB, cho phép chúng được trình bày như một thực thể duy nhất. Quá trình này tạo điều kiện cho cơ chế đồng thuận về trạng thái của Blockchain và đảm bảo chế độ xem sổ cái thống nhất trên tất cả các node.
7. Giai đoạn VOTE 2: Các node bỏ phiếu cho EB từ giai đoạn ENDORSE. EB chỉ nên tham chiếu đến EB được chứng nhận VOTE1 từ giai đoạn LINK. EB thu thập đủ số phiếu VOTE2, vượt quá ngưỡng đã đặt, sẽ trở thành chứng nhận VOTE2.

Các đường ống xen kẽ để tăng cường Thông lượng và hiệu quả của Blockchain. Sự xen kẽ này có nghĩa là trong khi một đường ống được khởi tạo, các đường ống khác đã được tiến hành ở các giai đoạn khác nhau. Mục đích của thiết kế này là cho phép sản xuất khối liên tục mà không cần chờ một đường ống hoàn thành trước khi bắt đầu đường ống khác. Tính song song này đảm bảo rằng mạng có thể xử lý khối lượng giao dịch lớn và duy trì luồng sản xuất khối ổn định.

Các khối được tham chiếu giữa các đường ống để duy trì tính toàn vẹn và tính liên tục của Blockchain. Khi một khối mới được đúc, nó sẽ tham chiếu đến khối trước đó trong chuỗi, đảm bảo rằng có một liên kết có thể xác minh được giữa chúng. Việc tham chiếu này rất quan trọng đối với tính bảo mật của Blockchain, vì nó ngăn chặn sự giả mạo và đảm bảo rằng tất cả các node đều có chế độ xem nhất quán về lịch sử giao dịch.

Việc tham chiếu giữa các đường ống cho phép có cơ chế đồng thuận hiệu quả hơn, vì các khối có thể được xác nhận và hoàn thiện nhanh hơn. Nó cũng cho phép mạng xử lý tốt hơn các giao dịch và khối đồng thời, dẫn đến khả năng mở rộng và hiệu suất được cải thiện.

Ouroboros Peras

Việc đẩy nhanh quá trình giải quyết đòi hỏi cơ chế đồng thuận của phần lớn các bên liên quan trong mạng lưới về các giao dịch mới được kết hợp, tức là về trạng thái global được cập nhật. Một cơ chế bỏ phiếu phải được ứng dụng để đẩy nhanh việc hoàn thiện các sửa đổi được đề xuất đối với trạng thái global.

Việc giải quyết nhanh chóng này liên quan đến Ouroboros Peras. Nó được thành lập dựa trên nguyên tắc bỏ phiếu dựa trên cổ phần, tương tự như cơ chế chứng thực dựa trên cổ phần được Ouroboros Leios sử dụng.

Các node có thể bỏ phiếu cho các Khối xếp hạng mới được thêm vào trong blockchain, do đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc thống nhất nhanh chóng với trạng thái mới.

Trong trường hợp fork Blockchain, node tạo khối tiếp theo sẽ có thể xác định trước chuỗi nào được các node khác ưa chuộng. Quy tắc lựa chọn chuỗi sẽ được điều chỉnh để kết hợp việc xem xét phiếu bầu.

Khi mức độ tham gia cao, các khối sẽ được hoàn thiện nhanh chóng. Ngược lại, nếu mức độ tham gia giảm vì bất kỳ lý do nào—chẳng hạn như sự cố mạng đột ngột ảnh hưởng đến nhiều node, có thể là do tấn công—giao thức có thể quay lại phương pháp hoàn thiện khối theo kiểu Nakamoto.

Mạng lưới sẽ tiếp tục hoạt động và ngay khi số lượng node tham gia (cổ phần) tăng lên, mạng lưới sẽ tự động tiếp tục hoàn thiện nhanh chóng các khối.

Ouroboros kết hợp với lớp phủ Leios và Peras Ouroboros

Leios được thiết kế để đạt được mức Thông lượng gần như tối ưu, trong khi Ouroboros Peras tập trung vào việc cho phép hoàn tất giao dịch nhanh chóng. Biểu quyết dựa trên cổ phần là một tính năng chung trong cả hai giao thức.

Các giao thức lớp phủ (Overlays) này hoạt động độc lập, cho phép triển khai riêng biệt. Dự kiến ​​Cardano sẽ tích hợp Ouroboros Peras trước Ouroboros Leios.

Xin lưu ý rằng hình ảnh sau đã được đơn giản hóa để rõ ràng hơn và không mô tả các khối Chứng thực.

Trong thiết kế, mỗi loại khối phục vụ một mục đích riêng biệt. Khối đầu vào rất quan trọng để quản lý Thông lượng, với tốc độ đúc của chúng chỉ phụ thuộc vào băng thông khả dụng và tài nguyên tính toán. Điều này cho phép sử dụng tối ưu khả năng của mạng, không bị ràng buộc bởi cơ chế đồng thuận của mạng, ưu tiên bảo mật và tính liên tục (tính liên tục hoạt động).

Khối Chứng thực tạo điều kiện bỏ phiếu hiệu quả cho một nhóm Khối đầu vào được tạo ra trong một khung thời gian cụ thể, đảm bảo tính khả dụng của dữ liệu.

Khối xếp hạng tham chiếu đến tải trọng bất kể kích thước khối hay cường độ tính toán. Quy trình bỏ phiếu đảm bảo giải quyết nhanh chóng các giao dịch.

Hai lớp dưới cùng (sử dụng Khối Đầu vào khối Chứng thực) được dành riêng để đạt được Thông lượng tối ưu, trong khi lớp trên cùng (sử dụng Khối xếp hạng) đảm bảo hoàn thiện nhanh chóng, bảo mật và hoạt động.

Ouroboros Leios được thiết kế để tối đa hóa hiệu quả sử dụng năng lực mạng. Nó sẽ đảm bảo rằng một số quy trình nhất định có nhu cầu về băng thông và tài nguyên có thể dự đoán được sẽ được đáp ứng, đồng thời đạt được luồng dữ liệu tối ưu bằng cách quản lý tốc độ đúc của Khối đầu vào. Phương pháp này cho phép sử dụng lý thuyết tất cả Công suất mạng chưa sử dụng thông qua việc tạo đồng thời các khối được điều khiển bởi băng thông khả dụng.

Kích thước của Khối xếp hạng, khối Chứng thực và chứng chỉ, cùng với yêu cầu về băng thông và tài nguyên của chúng, là nhất quán và có thể dự đoán được. Khi kích thước và tần suất đúc của Khối đầu vào tăng lên, nhu cầu về băng thông và tài nguyên của chúng cũng tăng theo. Tuy nhiên, sự tăng trưởng này bị giới hạn bởi các yêu cầu của hai lớp cao hơn (lớp khối Chứng thực và Khối xếp hạng), có nhu cầu về băng thông và tài nguyên gần như cố định. Do đó, Thông lượng dữ liệu của lớp Khối đầu vào thấp hơn có thể được mở rộng theo cách được điều chỉnh, lên đến giới hạn Công suất tối đa.

Một phần năng lực sẽ được sử dụng cho việc bỏ phiếu dựa trên cổ phần, giúp hoàn thiện các khối nhanh chóng.

Ouroboros Leios so với Sharding

Ouroboros Leios tập trung vào việc mở rộng các giao thức Blockchain đến giới hạn vật lý của chúng, khác với cách tiếp cận được thực hiện bằng cách Sharding. Sharding chia trạng thái sổ cái thành các phần và chỉ định chúng cho các ủy ban khác nhau, có thể dẫn đến việc sử dụng năng lực không tối ưu trong các Sharding riêng lẻ. Tuy nhiên, khi kết hợp, tất cả các Sharding đều hướng đến việc tiếp cận mức sử dụng tối đa có thể.

Mặt khác, Ouroboros Leios tìm cách tối ưu hóa Thông lượng trong một sổ cái thống nhất duy nhất mà không cần phân chia thành các vùng, do đó duy trì một Blockchain được sao chép nhất quán hoàn toàn, trong đó mỗi node đầy đủ lưu trữ toàn bộ trạng thái sổ cái. Phương pháp này được thiết kế để đảm bảo hiệu suất mạnh mẽ và tăng cường khả năng mở rộng và độ tin cậy của Blockchain.

Về mặt lý thuyết, có thể triển khai Sharding kết hợp với giao thức Ouroboros Leios. Mỗi Sharding có thể vận hành một phiên bản Leios, cho phép hệ thống mở rộng theo chiều ngang bằng cách phân phối tải trên nhiều Sharding. Cách tiếp cận này có thể tăng Công suất và Thông lượng chung của mạng.

Tuy nhiên, việc triển khai Sharding sẽ đòi hỏi Đa tài nguyên và băng thông hơn. Mỗi Sharding sẽ cần một tập hợp các node riêng để duy trì trạng thái sổ cái và sẽ có thêm chi phí cho việc giao tiếp giữa các Sharding để đảm bảo tính nhất quán và toàn vẹn của toàn bộ hệ thống. Sự phức tạp gia tăng cũng có thể đòi hỏi các cơ chế phối hợp và đồng thuận tinh vi hơn giữa các Sharding.

Mặc dù Sharding có thể tăng cường khả năng mở rộng và hiệu suất, nhưng nó cũng tạo ra những nhu cầu bổ sung về tài nguyên và băng thông, phải được quản lý cẩn thận để duy trì hiệu quả và tính bảo mật của mạng Blockchain.

Nguồn bài viết tại đây

Chia sẻ bài viết này trên Twitter | Facebook | Telegram

---

Đọc thêm các bài viết liên quan tại thẻ Tags bên dưới