Công nghệ phân mảnh dữ liệu

Sharding là một kỹ thuật mở rộng theo chiều ngang phổ biến trong các hệ quản trị cơ sở dữ liệu và hệ thống phân tán, hiện đã được mạng blockchain ứng dụng nhằm khắc phục điểm nghẽn mở rộng hệ thống. Phương pháp này chia nhỏ quá trình xử lý mạng blockchain thành các phần riêng biệt, có khả năng hoạt động song song (gọi là shard); mỗi shard đảm nhận một phần giao dịch hoặc dữ liệu trạng thái trên toàn mạng. Việc phân phối khối lượng công việc cho các nhóm node khác nhau giúp sharding tăng mạnh thông lượng xử lý giao dịch, đồng thời vẫn đảm bảo tính phi tập trung và an toàn cho hệ thống. Những dự án blockchain lớn như Ethereum 2.0 và Near Protocol đều lựa chọn sharding làm giải pháp mở rộng cốt lõi để đáp ứng nhu cầu phát triển ngày càng cao của mạng lưới.

Sharding bắt nguồn từ ngành quản trị cơ sở dữ liệu truyền thống, nơi dữ liệu lớn sẽ được chia thành các phần nhỏ, dễ quản trị nhằm tối ưu hóa hiệu năng. Trong lĩnh vực blockchain, khái niệm này lần đầu được đề xuất chính thức vào năm 2014 để giải quyết "tam giác blockchain" – bài toán khó về việc đạt cùng lúc cả ba yếu tố khả năng mở rộng, phi tập trung và bảo mật. Những blockchain đời đầu như Bitcoin hay Ethereum 1.0 sử dụng thiết kế chuỗi đơn (single-chain), đòi hỏi mỗi node phải xác thực toàn bộ giao dịch, dẫn đến hạn chế thông lượng. Khi mạng blockchain gia tăng số lượng người dùng và giao dịch, vấn đề tắc nghẽn trở nên nghiêm trọng, kéo theo sự phát triển của công nghệ sharding – từ nghiên cứu lý thuyết đến ứng dụng thực tiễn, dần trở thành giải pháp mở rộng tiêu chuẩn cho các blockchain thế hệ 2 và 3.

Cơ chế sharding gồm bốn phần quan trọng: phân phối shard, truyền thông liên shard, cơ chế đồng thuận và đảm bảo tính sẵn có của dữ liệu. Trong phân phối shard, mạng sẽ gán các node vào từng shard dựa trên quy tắc nhất định như sử dụng hàm băm danh tính node. Mỗi shard chịu trách nhiệm xác thực, xử lý một phần giao dịch, đồng thời tự quản lý dữ liệu trạng thái riêng. Giao thức truyền thông liên shard giúp các shard truyền tải thông tin an toàn, đảm bảo trạng thái mạng tổng thể luôn nhất quán. Về cơ chế đồng thuận, mỗi shard sẽ vận hành thuật toán đồng thuận nội bộ (ví dụ PoS, BFT) và đồng thời có thể sử dụng chuỗi chính (beacon chain) để điều phối hoạt động toàn bộ hệ thống shard. Lớp đảm bảo tính sẵn có của dữ liệu duy trì tính truy cập và xác thực của dữ liệu shard trên toàn mạng ngay cả khi một số node tạm thời ngoại tuyến, thường sử dụng cơ chế dự phòng và kiểm tra ngẫu nhiên.

Dù sharding mang lại nhiều lợi ích về khả năng mở rộng, nó cũng kéo theo một loạt rủi ro và thách thức về bảo mật, vận hành. Rủi ro lớn nhất là tấn công shard đơn lẻ, khi kẻ xấu kiểm soát đa số node trong shard để thao túng giao dịch hoặc cập nhật trạng thái shard đó. Để phòng ngừa, các thiết kế sharding hiện đại thường dùng phân bổ node ngẫu nhiên và thay đổi node thường xuyên giữa các shard. Ngoài ra, giao dịch xuyên shard đòi hỏi cơ chế phối hợp và khóa phức tạp, có thể gây chậm xử lý. Kiến trúc phân mảnh này cũng làm hệ thống trở nên phức tạp hơn, dễ phát sinh điểm yếu bảo mật và khó đồng bộ giữa các thành phần. Vấn đề tuân thủ pháp lý cũng trở nên khó khăn khi dữ liệu lịch sử giao dịch bị phân tán ở nhiều shard, ảnh hưởng đến kiểm toán, truy vết. Cuối cùng, thiết kế sharding cần tối ưu giữa việc tăng số lượng shard (để nâng cao thông lượng) và bảo vệ tính an toàn cho từng shard (đòi hỏi đủ số lượng node xác thực hoạt động).