đồ thị có hướng không chu trình DAG

Đồ thị có hướng không chu trình (Directed Acyclic Graph - DAG) là cấu trúc đồ thị không chứa các đường đi tạo thành chu trình. DAG đang nhận được sự quan tâm trong lĩnh vực blockchain như một giải pháp thay thế cho kiến trúc chuỗi truyền thống. Khác với blockchain truyền thống, nơi các giao dịch được sắp xếp tuyến tính trong các khối tuần tự, DAG cho phép nhiều nút cùng lúc bổ sung giao dịch lên mạng. Mỗi nút có thể liên kết với nhiều nút tiền nhiệm, hình thành một mạng lưới đa chiều mở rộng. Quá trình xử lý giao dịch không bị giới hạn bởi dung lượng của từng khối đơn lẻ. Nhờ đó, hệ thống tăng mạnh thông lượng, giảm thời gian xác nhận giao dịch và phí giao dịch. DAG đặc biệt phù hợp với các kịch bản giao dịch vi mô có tần suất cao.

Bối cảnh: Nguồn gốc của DAG

Directed Acyclic Graph, dưới góc độ toán học, xuất phát từ nghiên cứu lý thuyết đồ thị, mô tả một loại đồ thị đặc biệt mà mọi cạnh đều có hướng và không tồn tại đường đi nào xuất phát từ một đỉnh mà quay trở lại chính nó (do đó gọi là không chu trình). Khái niệm này được ứng dụng rộng rãi trong ngành khoa học máy tính để biểu diễn quan hệ phụ thuộc, lên lịch tác vụ và giải quyết nhiều bài toán khác.

Trong lĩnh vực blockchain, công nghệ DAG bắt đầu được ứng dụng từ khoảng năm 2015, khi các blockchain như Bitcoin và Ethereum đối mặt với thách thức lớn về khả năng mở rộng. The Tangle của dự án IOTA, ra mắt năm 2016, là một trong những hệ thống DAG đầu tiên trong công nghệ sổ cái phân tán. Các dự án như Byteball (nay là Obyte) và Nano cũng sử dụng cấu trúc DAG cho hệ thống sổ cái phân tán.

Quá trình phát triển công nghệ DAG trong ngành blockchain chủ yếu nhằm khắc phục các hạn chế về thông lượng, độ trễ giao dịch và phí cao của blockchain truyền thống, đồng thời vẫn bảo toàn tính phi tập trung và bảo mật. Khi nhu cầu về Internet of Things (IoT) ngày càng tăng, DAG ngày càng được chú ý nhờ năng lực xử lý giao dịch vi mô hiệu quả.

Cơ chế hoạt động: DAG vận hành như thế nào

Cơ chế vận hành của Directed Acyclic Graph trong các hệ thống blockchain cơ bản khác biệt với blockchain truyền thống.

Trong cấu trúc DAG, mỗi giao dịch mới cần trực tiếp hoặc gián tiếp xác thực nhiều giao dịch trước, hình thành mạng lưới tham chiếu lẫn nhau. Giao dịch mới tham gia đồ thị bằng cách chọn và xác nhận các giao dịch chưa được xác thực đầy đủ (gọi là "tips"), dùng chúng làm điểm tham chiếu. Quá trình xác nhận giao dịch là sự hợp tác giữa các thành viên mạng, mọi người cùng đóng góp vào đồng thuận chung.

Hệ thống DAG thường sử dụng phương pháp cộng dồn trọng số để xác định giao dịch hợp lệ. Một giao dịch được các giao dịch sau tham chiếu càng nhiều thì trọng số càng cao, mức độ xác nhận càng lớn. Khi trọng số vượt ngưỡng quy định, giao dịch được xem là đã "xác nhận".

Các dự án DAG triển khai các cơ chế riêng biệt:

Tangle của IOTA sử dụng thuật toán Markov Chain Monte Carlo để chọn giao dịch xác nhận và cơ chế trọng số cộng dồn để bảo đảm an toàn cho mạng.

Nano áp dụng cấu trúc Block-lattice, mỗi tài khoản có một chuỗi riêng, giao dịch phân thành hoạt động "gửi" và "nhận", tạo nên DAG chuyên biệt.

Conflux sử dụng cấu trúc DAG Tree-Graph, kết hợp Proof of Work với giao thức GHOST để giải quyết xung đột tiềm năng.

Rủi ro và thách thức của DAG

Dù công nghệ DAG cho thấy tiềm năng giải quyết các vấn đề mở rộng của blockchain truyền thống, vẫn tồn tại nhiều rủi ro và thách thức riêng.

Vấn đề bảo mật: Hệ thống DAG có thể dễ bị tấn công khi lưu lượng giao dịch thấp. Kẻ tấn công có thể tích lũy đủ năng lực tính toán để thao túng đồng thuận khi hoạt động mạng giảm. Một số dự án DAG (như IOTA giai đoạn đầu) phải dùng bộ điều phối trung tâm để ngăn tấn công, gây tranh luận về tính tập trung.

Độ phức tạp xác thực: Trong DAG, việc xác định tính cuối cùng của giao dịch và xử lý xung đột trở nên phức tạp hơn. Do các mối quan hệ tham chiếu giữa giao dịch rất đa dạng, xác minh trạng thái nhất quán của toàn bộ DAG đòi hỏi thuật toán phức tạp.

Thách thức đồng thuận: Việc xác định trạng thái toàn cục và thứ tự giao dịch trong DAG khó hơn blockchain truyền thống, đặc biệt khi tồn tại giao dịch xung đột. Các dự án áp dụng giải pháp riêng nhưng chưa có phương án hoàn thiện.

Vấn đề trưởng thành: So với blockchain truyền thống đã được kiểm chứng qua nhiều năm, hệ thống dựa trên DAG còn non trẻ, thiếu minh chứng thực tiễn ở quy mô lớn. Nhiều lý thuyết bảo mật vẫn cần thử nghiệm thực tế.

Rào cản kỹ thuật cao: Việc xây dựng và hiểu hệ thống DAG thường phức tạp hơn blockchain truyền thống, tạo rào cản kỹ thuật cho lập trình viên, kiểm toán viên và người dùng phổ thông.

Directed Acyclic Graph là một hướng tiến hóa quan trọng của kiến trúc blockchain, có tiềm năng giải quyết ba vấn đề lớn: phi tập trung, bảo mật, khả năng mở rộng. DAG còn đang trong giai đoạn phát triển và đối mặt với nhiều thách thức; lợi thế vượt trội ở các kịch bản thông lượng cao và giao dịch vi mô đã biến DAG thành thành tố không thể thiếu trong hệ sinh thái blockchain, đồng thời là xu hướng chủ đạo của công nghệ sổ cái phân tán trong tương lai.