Phi tập trung lưu trữ: từ khái niệm đến ứng dụng của một con đường dài

Lưu trữ từng là một trong những lĩnh vực nóng của ngành công nghiệp blockchain. Filecoin, như một dự án dẫn đầu trong vòng tăng giá trước đó, đã đạt giá trị thị trường vượt quá 10 tỷ USD. Trong cùng thời gian, Arweave với điểm bán hàng là lưu trữ vĩnh viễn, đã đạt giá trị thị trường cao nhất là 3,5 tỷ USD. Tuy nhiên, khi tính hữu dụng của lưu trữ dữ liệu lạnh bị nghi ngờ, liệu Phi tập trung lưu trữ có thực sự có thể được triển khai đã bị đặt dấu hỏi.

Gần đây, sự xuất hiện của Walrus đã mang lại sự chú ý mới cho lĩnh vực lưu trữ vốn đã im ắng từ lâu. Dự án Shelby, được Aptos hợp tác cùng Jump Crypto triển khai, nhằm mục đích đưa Phi tập trung lưu trữ lên một tầm cao mới trong lĩnh vực dữ liệu nóng. Vậy, liệu Phi tập trung lưu trữ có thể tái xuất hay chỉ là một đợt sốt giá khác? Bài viết này sẽ xuất phát từ lộ trình phát triển của bốn dự án: Filecoin, Arweave, Walrus và Shelby, để phân tích quá trình tiến hóa của Phi tập trung lưu trữ, khám phá triển vọng phát triển trong tương lai.

Filecoin:Tên lưu trữ, thực tế khai thác

Filecoin là một trong những dự án tiêu biểu nổi lên trong giai đoạn đầu, hướng phát triển xoay quanh Phi tập trung. Điều này phù hợp với đặc điểm chung của các đồng tiền ảo giai đoạn đầu - tìm kiếm các tình huống ứng dụng Phi tập trung trong các lĩnh vực truyền thống. Filecoin kết hợp lưu trữ với Phi tập trung, nhằm giải quyết vấn đề tin cậy của dịch vụ lưu trữ tập trung. Tuy nhiên, một số thỏa hiệp được thực hiện để đạt được Phi tập trung lại trở thành những điểm đau mà các dự án sau này cố gắng giải quyết.

Để hiểu rằng Filecoin thực chất chỉ là một đồng coin khai thác, cần phải hiểu về những hạn chế khách quan của công nghệ nền tảng IPFS trong ứng dụng dữ liệu nóng.

IPFS:Phi tập trung kiến trúc của các nút thắt trong truyền tải

IPFS( Hệ thống tệp liên sao) ra mắt khoảng năm 2015, nhằm thay thế giao thức HTTP truyền thống thông qua địa chỉ nội dung. Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của IPFS là tốc độ truy xuất rất chậm. Trong khi dịch vụ dữ liệu truyền thống có thể đạt được phản hồi trong mili giây, thì việc truy xuất một tệp từ IPFS vẫn mất đến hàng chục giây, điều này khiến nó khó được áp dụng trong thực tế và giải thích tại sao ngoài một số dự án blockchain, nó hiếm khi được ngành công nghiệp truyền thống áp dụng.

Giao thức P2P nền tảng IPFS chủ yếu phù hợp với "dữ liệu lạnh", tức là nội dung tĩnh không thường thay đổi như video, hình ảnh và tài liệu. Tuy nhiên, khi xử lý dữ liệu nóng như trang web động, trò chơi trực tuyến hoặc ứng dụng AI, giao thức P2P không có lợi thế rõ rệt so với CDN truyền thống.

Mặc dù IPFS bản thân không phải là blockchain, nhưng thiết kế của nó dựa trên đồ thị có định hướng không chu trình (DAG) rất phù hợp với nhiều chuỗi công khai và giao thức Web3, khiến nó trở thành nền tảng xây dựng tự nhiên cho blockchain. Do đó, ngay cả khi thiếu giá trị thực tiễn, nó đã đủ để làm nền tảng cho câu chuyện về blockchain. Các dự án ban đầu chỉ cần một khung có thể chạy để khởi đầu cho tầm nhìn vĩ đại, nhưng khi Filecoin phát triển đến một giai đoạn nhất định, những hạn chế mà IPFS mang lại bắt đầu cản trở sự tiến bộ của nó.

Logic tiền mã hóa dưới lớp lưu trữ

Mục đích thiết kế của IPFS là để người dùng có thể lưu trữ dữ liệu trong khi cũng trở thành một phần của mạng lưu trữ. Tuy nhiên, trong bối cảnh không có động lực kinh tế, người dùng rất khó tự nguyện sử dụng hệ thống này, chứ đừng nói đến việc trở thành các nút lưu trữ tích cực. Điều này có nghĩa là, hầu hết người dùng chỉ lưu trữ tệp trên IPFS mà không đóng góp không gian lưu trữ của riêng mình, cũng như không lưu trữ tệp của người khác. Chính trong bối cảnh như vậy, Filecoin ra đời.

Trong mô hình kinh tế token của Filecoin có ba vai trò chính: Người dùng chịu trách nhiệm thanh toán phí để lưu trữ dữ liệu; Thợ mỏ lưu trữ nhận được phần thưởng token vì lưu trữ dữ liệu của người dùng; Thợ mỏ truy xuất cung cấp dữ liệu khi người dùng cần và nhận được phần thưởng.

Mô hình này tồn tại không gian tiềm ẩn cho hành vi xấu. Các thợ mỏ lưu trữ có thể điền dữ liệu rác sau khi cung cấp không gian lưu trữ để nhận thưởng. Vì các dữ liệu rác này sẽ không được truy xuất, ngay cả khi bị mất, cũng sẽ không kích hoạt cơ chế phạt đối với thợ mỏ lưu trữ. Điều này cho phép các thợ mỏ lưu trữ xóa dữ liệu rác và lặp lại quy trình này. Sự đồng thuận chứng minh sao chép của Filecoin chỉ có thể đảm bảo rằng dữ liệu người dùng không bị xóa trái phép, nhưng không thể ngăn chặn thợ mỏ điền dữ liệu rác.

Việc vận hành của Filecoin phần lớn phụ thuộc vào sự đầu tư liên tục của các thợ mỏ vào kinh tế token, chứ không phải dựa trên nhu cầu thực sự của người dùng cuối về lưu trữ phân tán. Mặc dù dự án vẫn đang tiếp tục cải tiến, nhưng ở giai đoạn hiện tại, việc xây dựng hệ sinh thái của Filecoin phù hợp hơn với định nghĩa dự án lưu trữ "logic thợ mỏ" hơn là "được thúc đẩy bởi ứng dụng".

Arweave: Thanh kiếm hai lưỡi của chủ nghĩa dài hạn

Nếu nói rằng mục tiêu thiết kế của Filecoin là xây dựng một "đám mây dữ liệu" phi tập trung có thể kích thích và chứng minh, thì Arweave lại đi theo một hướng cực đoan khác trong lưu trữ: cung cấp khả năng lưu trữ vĩnh viễn cho dữ liệu. Arweave không cố gắng xây dựng một nền tảng tính toán phân tán, toàn bộ hệ thống của nó xoay quanh một giả định cốt lõi - dữ liệu quan trọng nên được lưu trữ một lần và mãi mãi tồn tại trong mạng. Chủ nghĩa lâu dài cực đoan này khiến Arweave khác biệt hoàn toàn với Filecoin từ cơ chế đến mô hình kích thích, từ yêu cầu phần cứng đến góc độ kể chuyện.

Arweave lấy Bitcoin làm đối tượng học tập, cố gắng tối ưu hóa mạng lưu trữ vĩnh viễn của mình trong một chu kỳ dài tính bằng năm. Arweave không quan tâm đến tiếp thị, cũng như không quan tâm đến đối thủ cạnh tranh và xu hướng phát triển của thị trường. Nó chỉ đang tiếp tục tiến lên trên con đường lặp đi lặp lại kiến trúc mạng, ngay cả khi không ai hỏi đến cũng không bận tâm, vì đó chính là bản chất của đội ngũ phát triển Arweave: chủ nghĩa dài hạn. Nhờ vào chủ nghĩa dài hạn, Arweave đã được yêu thích trong đợt tăng giá gần đây; cũng vì chủ nghĩa dài hạn, ngay cả khi rơi vào đáy, Arweave vẫn có thể vượt qua vài vòng tăng giảm. Chỉ là liệu trong tương lai, lưu trữ Phi tập trung có chỗ đứng cho Arweave hay không? Giá trị tồn tại của lưu trữ vĩnh viễn chỉ có thể được chứng minh qua thời gian.

Mạng chính Arweave từ phiên bản 1.5 đến phiên bản 2.9 gần đây, mặc dù đã mất đi sự chú ý của thị trường, nhưng vẫn đang nỗ lực để cho một phạm vi rộng hơn các thợ mỏ tham gia vào mạng với chi phí tối thiểu, và khuyến khích các thợ mỏ lưu trữ dữ liệu tối đa, giúp tăng cường sự vững chắc của toàn bộ mạng. Arweave hiểu rõ rằng mình không phù hợp với sở thích của thị trường, vì vậy đã chọn con đường bảo thủ, không ôm lấy cộng đồng thợ mỏ, hệ sinh thái hoàn toàn đình trệ, nâng cấp mạng chính với chi phí tối thiểu, trong khi không làm tổn hại đến an ninh của mạng, liên tục giảm bớt ngưỡng phần cứng.

Đánh giá lộ trình nâng cấp từ 1.5-2.9

Phiên bản Arweave 1.5 đã phát hiện ra lỗ hổng cho phép thợ mỏ dựa vào việc xếp chồng GPU thay vì lưu trữ thực để tối ưu hóa tỷ lệ xuất khối. Để ngăn chặn xu hướng này, phiên bản 1.7 đã giới thiệu thuật toán RandomX, hạn chế việc sử dụng sức mạnh tính toán chuyên dụng, mà yêu cầu CPU đa dụng tham gia vào việc khai thác, từ đó làm suy yếu tính tập trung sức mạnh tính toán.

Trong phiên bản 2.0, Arweave áp dụng SPoA, chuyển đổi chứng minh dữ liệu thành cấu trúc đường dẫn Merkle Tree đơn giản, và giới thiệu giao dịch định dạng 2 để giảm tải đồng bộ. Kiến trúc này đã giảm áp lực băng thông mạng, giúp khả năng hợp tác của các nút được nâng cao đáng kể. Tuy nhiên, một số thợ đào vẫn có thể tránh trách nhiệm giữ dữ liệu thực sự thông qua chiến lược hồ chứa lưu trữ tốc độ cao tập trung.

Để điều chỉnh sự thiên lệch này, 2.4 đã giới thiệu cơ chế SPoRA, áp dụng chỉ mục toàn cầu và truy cập ngẫu nhiên chậm vào hàm băm, buộc thợ mỏ phải thực sự nắm giữ các khối dữ liệu để tham gia vào việc tạo khối hiệu quả, từ đó làm giảm hiệu ứng tích lũy sức mạnh tính toán về mặt cơ chế. Kết quả là, thợ mỏ bắt đầu chú ý đến tốc độ truy cập lưu trữ, thúc đẩy việc ứng dụng SSD và các thiết bị đọc/ghi tốc độ cao. 2.6 đã giới thiệu chuỗi băm để kiểm soát nhịp độ tạo khối, cân bằng lợi ích biên của các thiết bị hiệu suất cao, cung cấp không gian tham gia công bằng cho các thợ mỏ nhỏ và vừa.

Các phiên bản tiếp theo tăng cường khả năng hợp tác mạng và sự đa dạng trong lưu trữ: 2.7 tăng cường khai thác hợp tác và cơ chế bể khai thác, nâng cao khả năng cạnh tranh của các thợ mỏ nhỏ; 2.8 ra mắt cơ chế đóng gói phức hợp, cho phép các thiết bị dung lượng lớn, tốc độ thấp tham gia linh hoạt; 2.9 thì giới thiệu quy trình đóng gói mới theo định dạng replica_2_9, nâng cao đáng kể hiệu suất và giảm phụ thuộc vào tính toán, hoàn thành vòng khép kín của mô hình khai thác hướng dữ liệu.

Xét về tổng thể, lộ trình nâng cấp của Arweave rõ ràng thể hiện chiến lược dài hạn hướng đến lưu trữ: đồng thời chống lại xu hướng tập trung sức mạnh tính toán, liên tục giảm bớt rào cản tham gia, đảm bảo khả năng hoạt động lâu dài của giao thức.

Walrus: Thử nghiệm mới về lưu trữ dữ liệu nóng

Thiết kế của Walrus hoàn toàn khác biệt so với Filecoin và Arweave. Điểm khởi đầu của Filecoin là xây dựng một hệ thống lưu trữ phân tán có thể xác minh được, với chi phí là lưu trữ dữ liệu lạnh; Điểm khởi đầu của Arweave là xây dựng một thư viện Alexandria trên chuỗi có thể lưu trữ dữ liệu vĩnh viễn, với chi phí là quá ít kịch bản; Điểm khởi đầu của Walrus là tối ưu hóa chi phí lưu trữ cho giao thức lưu trữ dữ liệu nóng.

Ma cải tiến mã sửa lỗi: đổi mới chi phí hay rượu cũ trong chai mới?

Trong thiết kế chi phí lưu trữ, Walrus cho rằng chi phí lưu trữ của Filecoin và Arweave là không hợp lý. Cả hai đều sử dụng kiến trúc sao chép hoàn toàn, lợi thế chính của chúng là mỗi nút đều giữ một bản sao đầy đủ, có khả năng chịu lỗi mạnh mẽ và độc lập giữa các nút. Kiến trúc này đảm bảo rằng ngay cả khi một phần nút ngoại tuyến, mạng vẫn có tính khả dụng của dữ liệu. Tuy nhiên, điều này cũng có nghĩa là hệ thống cần phải có dư thừa bản sao để duy trì tính mạnh mẽ, từ đó đẩy cao chi phí lưu trữ. Đặc biệt trong thiết kế của Arweave, cơ chế đồng thuận bản thân khuyến khích lưu trữ dư thừa của các nút để tăng cường tính an toàn của dữ liệu. So với đó, Filecoin có tính linh hoạt hơn trong kiểm soát chi phí, nhưng cái giá phải trả là một số lưu trữ giá rẻ có thể có rủi ro mất dữ liệu cao hơn. Walrus cố gắng tìm kiếm sự cân bằng giữa hai bên, cơ chế của nó kiểm soát chi phí sao chép trong khi tăng cường tính khả dụng thông qua cách dư thừa có cấu trúc, từ đó thiết lập một con đường thỏa hiệp mới giữa tính khả dụng của dữ liệu và hiệu quả chi phí.

Công nghệ Redstuff do Walrus tự phát triển là kỹ thuật chủ chốt để giảm thiểu sự dư thừa của các nút, nó bắt nguồn từ mã Reed-Solomon(RS). Mã RS là một thuật toán mã sửa lỗi rất truyền thống, mã sửa lỗi là một kỹ thuật cho phép nhân đôi tập dữ liệu bằng cách thêm các đoạn dư (erasure code) để phục hồi dữ liệu gốc. Từ CD-ROM đến truyền thông vệ tinh và mã QR, nó thường được sử dụng trong cuộc sống hàng ngày.

Mã sửa lỗi cho phép người dùng lấy một khối, chẳng hạn như 1MB, sau đó "mở rộng" nó thành 2MB, trong đó 1MB bổ sung được gọi là dữ liệu đặc biệt của mã sửa lỗi. Nếu bất kỳ byte nào trong khối bị mất, người dùng có thể dễ dàng phục hồi những byte đó thông qua mã. Ngay cả khi một khối lên tới 1MB bị mất, toàn bộ khối vẫn có thể được phục hồi. Cùng một công nghệ cũng cho phép máy tính đọc tất cả dữ liệu trên CD-ROM, ngay cả khi nó đã bị hư hỏng.

Hiện tại, mã RS là mã được sử dụng phổ biến nhất. Cách thực hiện là bắt đầu từ k khối thông tin, xây dựng đa thức liên quan và đánh giá nó tại các tọa độ x khác nhau để thu được các khối mã. Sử dụng mã sửa lỗi RS, khả năng mất một khối dữ liệu lớn qua lấy mẫu ngẫu nhiên là rất nhỏ.

Đặc điểm lớn nhất của Redstuff là gì? Bằng cách cải tiến thuật toán mã hóa sửa lỗi, Walrus có khả năng nhanh chóng và ổn định mã hóa các khối dữ liệu phi cấu trúc thành các mảnh nhỏ hơn, những mảnh này sẽ được lưu trữ phân tán trong một mạng lưới nút lưu trữ. Ngay cả khi có tới hai phần ba các mảnh bị mất, vẫn có thể nhanh chóng tái cấu trúc lại khối dữ liệu gốc bằng cách sử dụng một phần các mảnh. Điều này trở nên khả thi khi giữ cho hệ số sao chép chỉ từ 4 đến 5 lần.

Do đó, định nghĩa Walrus là một giao thức phục hồi và dư thừa nhẹ được thiết kế lại xung quanh các kịch bản Phi tập trung là hợp lý. So với các mã xóa truyền thống ( như Reed-Solomon ), RedStuff không còn theo đuổi tính nhất quán toán học nghiêm ngặt, mà thay vào đó thực hiện sự thỏa hiệp thực tế cho việc phân phối dữ liệu, xác minh lưu trữ và chi phí tính toán. Mô hình này từ bỏ cơ chế giải mã ngay lập tức cần thiết cho lập lịch tập trung, thay vào đó thông qua việc xác minh Proof trên chuỗi để xác định liệu các nút có lưu giữ bản sao dữ liệu cụ thể hay không, từ đó thích ứng với cấu trúc mạng năng động và biên hóa hơn.

Cốt lõi thiết kế của RedStuff là chia dữ liệu thành hai loại: mảnh chính và mảnh phụ; mảnh chính được sử dụng để khôi phục dữ liệu gốc, việc tạo ra và phân phối của nó phải tuân theo các ràng buộc nghiêm ngặt, ngưỡng khôi phục là f+1, và cần 2f+1 chữ ký làm chứng nhận khả dụng; mảnh phụ được tạo ra thông qua các phép toán đơn giản như kết hợp XOR, với mục đích cung cấp khả năng chịu lỗi linh hoạt, nâng cao độ bền của hệ thống tổng thể. Cấu trúc này về bản chất làm giảm yêu cầu về tính nhất quán của dữ liệu - cho phép các nút khác nhau lưu trữ các phiên bản dữ liệu khác nhau trong thời gian ngắn, nhấn mạnh "tính nhất quán cuối cùng" như một lộ trình thực hành. Mặc dù có yêu cầu lỏng lẻo đối với khối hồi tố như trong các hệ thống như Arweave, đạt được một số hiệu quả trong việc giảm tải cho mạng, nhưng đồng thời cũng làm yếu đi khả năng sẵn có ngay lập tức và đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu.

Không thể bỏ qua rằng, RedStuff mặc dù đã thực hiện