Loạt bài chứng minh Layer2 (Phần 1) - OP Stack Fraud Proof: Vấn đề, Giải pháp và Đổi mới

Tổng quan

Các giải pháp Layer 2 đang nổi lên như một hướng đi tiềm năng nhằm khắc phục giới hạn mở rộng của Layer 1. Loạt bài này tập trung phân tích các giải pháp chứng minh L2, với trọng tâm là cơ chế fraud proof. Hệ thống fraud proof sử dụng các phương pháp mật mã nhằm xác thực, kiểm chứng giao dịch hoặc phép tính trên blockchain, từ đó bảo vệ tính toàn vẹn và bảo mật của sổ cái phân tán.

Tổng quan quy trình Optimistic Rollup

Quy trình Optimistic Rollup gồm bảy bước then chốt tạo thành chuỗi xác thực giao dịch hoàn chỉnh. Đầu tiên, người dùng khởi tạo giao dịch trên mạng Layer 2 bằng cách gửi trực tiếp đến L2 sequencer. Sequencer sẽ thực thi giao dịch với bản sao chuỗi L2 của mình, đồng thời tạo root trạng thái mới phản ánh sổ cái đã cập nhật.

Sau khi thực thi, sequencer gửi giao dịch gốc cùng root trạng thái vừa tính lên blockchain Layer 1. Lúc này, hợp đồng thông minh L1 sẽ kích hoạt cửa sổ thử thách, cho phép mọi thành viên blockchain phản biện về tính hợp lệ của giao dịch hoặc kết quả thực thi do L2 sequencer cung cấp. Giai đoạn này đặc biệt quan trọng để đảm bảo an toàn hệ thống, phòng ngừa hành vi gian lận.

Khi thời gian thử thách kết thúc, blockchain Layer 1 xác nhận kết quả thực thi L2. Nếu sequencer bị phát hiện gian lận trong giai đoạn này, hệ thống sẽ áp dụng hình phạt phù hợp và tính lại root trạng thái, đảm bảo độ chính xác và phục hồi tính toàn vẹn cho hệ thống.

Tại sao cơ chế chứng minh lại then chốt với bảo mật L2

Cơ chế fraud proof cùng hệ thống thử thách giúp giảm thiểu rủi ro từ hành vi không trung thực của sequencer. Thông qua chứng minh mật mã, mọi thành viên trên blockchain L1 đều có thể xác minh tính đúng đắn của giao dịch rollup và root trạng thái mà không cần thực thi lại toàn bộ lịch sử giao dịch.

Optimism xây dựng một cửa sổ thử thách mở rộng, cho phép cả người dùng và các bên xác minh độc lập kiểm tra kết quả thực thi và root trạng thái. Khoảng thời gian này giúp cộng đồng kịp thời phát hiện, phản biện các giao dịch có dấu hiệu gian lận, tạo nên mô hình bảo mật vững chắc dựa trên động lực kinh tế và xác thực mật mã thay vì tin tưởng cố định vào một cá nhân hoặc tổ chức.

Fraud Proof và Validity Proof

Trong blockchain có hai nhóm giải pháp chứng minh riêng biệt với triết lý vận hành và ưu nhược điểm khác nhau. Hệ thống validity proof yêu cầu sequencer khi gửi kết quả thực thi lên Layer 1 phải đính kèm chứng minh mật mã hợp lệ. Nhờ vậy, bất kỳ thành viên nào trên mạng Layer 1 đều có thể xác minh ngay kết quả mà không cần thực hiện lại giao dịch trên L2, dù điều này đòi hỏi toán học phức tạp và hệ thống chứng minh zero-knowledge.

Ngược lại, hệ thống fraud proof (hay fault proof) giả định ban đầu sequencer trung thực và sử dụng cơ chế thử thách để bảo đảm tính đúng đắn. Người tham gia sẽ có một khoảng thời gian để phản biện các giao dịch nghi ngờ gian lận, chuyển gánh nặng chứng minh từ sequencer sang challenger—giúp tối ưu hiệu quả khi đa số giao dịch là hợp lệ.

Các giải pháp fraud proof

Các triển khai fraud proof chia thành hai hướng chính: không tương tác (non-interactive) và tương tác (interactive), mỗi loại có đặc điểm kiến trúc và tác động hiệu suất khác nhau.

Giới thiệu fraud proof không tương tác

Fraud proof không tương tác thực thi lại toàn bộ các giao dịch L2 trên L1. Phương pháp này đòi hỏi hạ tầng mạnh để chạy giao dịch L2 trong môi trường L1 và xác minh thay đổi trạng thái L2 thông qua lớp xác thực L1. Thách thức lớn nhất là thực thi lại giao dịch L2 trên L1 và giải quyết sự không đồng nhất trạng thái giữa hai môi trường để xác minh chính xác.

Optimism Virtual Machine (OVM v1)

Để xử lý vấn đề nhất quán trạng thái trong fraud proof không tương tác, giao thức Optimism đã áp dụng nhiều kỹ thuật chuyên sâu. Trạng thái được cam kết định kỳ từ L2, sinh chứng minh mật mã cho toàn bộ trạng thái. Việc đảm bảo dữ liệu được thực hiện nhờ validator L1 xác nhận dữ liệu cần thiết luôn sẵn sàng trên L1. Xác minh thực thi diễn ra khi validator L1 thực thi lại giao dịch dựa trên dữ liệu L2. Cơ chế giao tiếp xuyên chuỗi cho phép phối hợp giữa hai lớp. Cuối cùng, động lực kinh tế khuyến khích các thành viên hành xử đúng đắn.

Điểm sáng tạo của OVM là xây dựng một “container” để thực thi lại trên L1 có trải nghiệm tương đương với thực thi trên L2. Điều này được thực hiện qua preload trạng thái tài khoản L2, điều chỉnh bytecode EVM liên quan lưu trữ, triển khai hợp đồng thông minh trên L1 để thay đổi bytecode hợp đồng người dùng truy cập dữ liệu ngoài, và sửa đổi trình biên dịch Solidity để sinh bytecode OVM thay vì EVM chuẩn.

Hạn chế của OVM

Dù có nhiều ý tưởng mới, OVM cũng gặp phải nhiều hạn chế lớn. Việc thay đổi trình biên dịch bytecode làm tăng độ phức tạp, buộc nhà phát triển phải làm việc với bytecode phi chuẩn. Kích thước mã nguồn bị phình to do thay opcode bằng lời gọi hàm, khiến chi phí triển khai tăng. Gas tiêu thụ cũng tăng mạnh vì lời gọi hàm thường tốn nhiều gas hơn thao tác opcode, làm cho giao dịch OVM đắt đỏ. Hiệu suất bị giới hạn do OVM chưa tối ưu, tạo ra nút thắt xử lý giao dịch.

Giới thiệu fraud proof tương tác Optimism

Fraud proof tương tác là bước tiến mới trong cơ chế chứng minh gian lận, sử dụng giao thức trao đổi giữa hai bên—defender và challenger—để xác minh thay đổi trạng thái. Phương pháp này được kỳ vọng hiệu quả hơn truyền thống nhờ hai bên tập trung tài nguyên vào phần tranh chấp thay vì thực thi lại toàn bộ.

Triển khai hiện tại của Optimism, dự án Cannon, hướng tới xác minh chỉ bằng một lệnh MIPS trên L1, giảm tối đa chi phí tính toán on-chain.

Tổng quan dự án Cannon

Cannon đặt mục tiêu loại bỏ chỉnh sửa hợp đồng ở cấp opcode, tránh độ phức tạp của kịch bản EVM “chạy trong” EVM. Giải pháp này đơn giản hóa truy cập trạng thái L2 và giảm mạnh chi phí xác thực fraud proof on-chain.

Cannon đạt điều này nhờ các đặc điểm: truy xuất trạng thái hợp nhất qua preimage oracle—cơ chế cho phép truy xuất trạng thái L2 bằng hash; không thực thi lại ở cấp hợp đồng mà dùng replay ở cấp Geth, sát với client thực tế; xác thực on-chain chỉ cần một lệnh MIPS, giảm mạnh chi phí tính toán; op-program làm cầu nối truy xuất và sinh dữ liệu preimage; cơ chế dispute game cho phép defender và challenger phối hợp xác định lệnh gây lỗi.

Quy trình Cannon

Cấu trúc Cannon gồm nhiều thành phần then chốt phối hợp. Op-program là triển khai client-server cho truy xuất preimage; client được biên dịch sang lệnh MIPS, server đảm nhiệm truy vấn và lấy preimage. Cannon là trình giả lập MIPS, thực thi lệnh MIPS, gồm mipsevm và hợp đồng thông minh on-chain. MIPS.sol là lõi thông dịch lệnh MIPS on-chain, còn PreimageOracle.sol phục vụ yêu cầu preimage từ MIPS.sol.

Quy trình vận hành: Client op-program dựa trên MIPS nạp vào Cannon tạo trạng thái khởi đầu cho fraud proof. Thực thi bắt đầu từ điểm gốc, chạy các bước trong mipsevm, ghi nhận truy xuất, lưu preimage khi cần. Dispute game khởi động khi challenger phát hiện sai lệch giữa thay đổi trạng thái của L2 rollup và trạng thái ghi trên L1. Defender và challenger đều dùng tìm kiếm nhị phân xác định lệnh tạo khác biệt. Cuối cùng, dữ liệu fraud proof được chuẩn bị và gửi tới MIPS.sol để xác thực on-chain.

Thách thức với fraud proof tương tác của Optimism

Dù có nhiều đổi mới, Cannon vẫn đối mặt những thách thức lớn. Chọn bộ lệnh MIPS vì được Golang hỗ trợ sẵn, dễ xây trình thông dịch, kiến trúc đơn giản, nhưng lại tạo rào cản học tập do đặc thù riêng. Nguy cơ tấn công môi trường Golang runtime đặt ra lo ngại bảo mật, Cannon phải vá nhiều hàm runtime của Golang, như tắt tính năng thu gom rác, dẫn đến nguy cơ tràn bộ nhớ khi xử lý lớn.

Thời gian thử thách fraud proof là điểm bất lợi nhất cho trải nghiệm người dùng. Khoảng chờ này khiến người dùng phải đợi mới rút được token, gây cản trở cho ứng dụng cần xử lý tức thì. Bên cạnh đó, an toàn của hợp đồng thông minh L1 và các thành phần ngoài chuỗi luôn cần được kiểm tra, rà soát kỹ lưỡng.

Các giải pháp thay thế

Cộng đồng blockchain vẫn tiếp tục nghiên cứu hướng tiếp cận khác cho fraud proof, nhiều đề xuất hướng tới fraud proof dựa trên zero-knowledge, giúp rút ngắn hoặc loại bỏ hoàn toàn pha tương tác, mang tới xác nhận nhanh hơn và giảm phức tạp, nhưng vẫn có đánh đổi về yêu cầu tính toán và thời gian sinh chứng minh.

Các sáng kiến nâng cao chứng minh L2

Khi các dự án lớn ứng dụng công nghệ OP Stack cho blockchain L2 phát triển, các sáng kiến nâng cao fraud proof cũng liên tục được triển khai. Nỗ lực này tập trung cải thiện hiệu quả hạ tầng fraud proof ngoài chuỗi, tối ưu thời gian thử thách để xác nhận nhanh hơn cho người dùng, củng cố hợp đồng thông minh bằng kiểm thử và kiểm toán nghiêm ngặt, đồng thời khám phá giải pháp phục vụ doanh nghiệp phù hợp từng nhu cầu ứng dụng và cộng đồng người dùng.

Kết luận

Bài viết đã tổng kết quá trình phát triển hệ thống fraud proof Layer 2, từ các phương pháp trước đây đến đổi mới fraud proof tương tác hiện nay qua dự án Cannon. Phân tích đã trình bày chi tiết nguyên lý thiết kế OVM, nỗ lực xây dựng môi trường thực thi tương thích EVM trên L1, cùng các đặc điểm thiết kế và triển khai Cannon—bước tiến lớn khi giảm xác thực on-chain xuống chỉ còn một lệnh MIPS. Những thay đổi này chứng minh công nghệ Layer 2 đang tiến hóa liên tục, nâng cao hiệu suất, giảm chi phí, cải thiện trải nghiệm người dùng mà vẫn giữ vững bảo mật cần thiết cho ứng dụng blockchain.

FAQ

Fraud proof là gì?

Fraud proof là bằng chứng mật mã được dùng phản biện tính hợp lệ giao dịch trên blockchain. Đây là công cụ đảm bảo tính toàn vẹn giao dịch và là thành phần thiết yếu trong các giải pháp mở rộng blockchain.

Fraud proof hoạt động thế nào trong Optimistic Rollup?

Fraud proof cho phép người dùng phản biện các trạng thái L2 không chính xác do sequencer đề xuất. Optimistic rollup công bố dữ liệu giao dịch lên chuỗi và dựa vào bên thứ ba kiểm tra lại trạng thái L2 bằng cách xây dựng lại. Nếu phát hiện sai lệch, challenger có thể phản biện trạng thái trên L1 qua cơ chế bisection game, xác định bước tính toán sai và thực hiện one-step proof chứng minh gian lận.

Fraud proof và validity proof khác nhau thế nào?

Fraud proof xác minh giao dịch sau một khoảng trễ bằng cách phản biện giao dịch sai, trong khi validity proof xác nhận giao dịch tức thì nhờ mật mã zero-knowledge. Validity proof hiệu quả hơn và cho kết quả cuối cùng ngay lập tức, còn fraud proof cần thời gian chờ để xử lý các thử thách.