Profundidad de análisis de la expansión off-chain

1. La necesidad de la expansión

La visión futura de la blockchain es la descentralización, la seguridad y la escalabilidad, pero generalmente solo se pueden lograr dos de ellas, lo que se conoce como el problema del triángulo imposible de la blockchain. Durante años, las personas han estado explorando cómo aumentar el rendimiento y la velocidad de las transacciones de la blockchain, garantizando al mismo tiempo la descentralización y la seguridad, es decir, resolver el problema de escalabilidad, que es uno de los temas candentes en el desarrollo actual de la blockchain.

La descentralización, la seguridad y la escalabilidad de la blockchain se pueden definir como:

• Descentralización: cualquier persona puede convertirse en un nodo para participar en el sistema de blockchain, cuanto mayor sea el número de nodos, mayor será el grado de descentralización, asegurando que la red no esté controlada por unos pocos participantes centralizados.

• Seguridad: Cuanto mayor sea el costo de obtener el control del sistema blockchain, mayor será la seguridad, y la cadena podrá resistir ataques de una proporción mayor de participantes.

• Escalabilidad: la capacidad de la blockchain para manejar grandes volúmenes de transacciones.

La primera gran bifurcación dura de la red Bitcoin se originó en el problema de escalabilidad. A medida que aumentaba el número de usuarios y el volumen de transacciones, la red Bitcoin con un límite de bloque de 1MB comenzó a enfrentar congestión. Desde 2015, la comunidad de Bitcoin ha tenido desacuerdos sobre el problema de escalabilidad; una parte apoya la ampliación del bloque, mientras que la otra aboga por la optimización de la estructura de la cadena principal mediante el uso de SegWit. El 1 de agosto de 2017, la parte que apoyaba la ampliación del bloque desarrolló de forma independiente una cadena de bloques de 8MB, lo que llevó a la primera gran bifurcación dura de Bitcoin, dando lugar a la nueva criptomoneda BCH.

La red de Ethereum también opta por sacrificar parte de la escalabilidad para garantizar la seguridad y la descentralización, limitando el volumen de transacciones mediante un límite en las tarifas de gas. Desde el CryptoKitties de 2017 hasta el auge de DeFi, GameFi y NFT, la demanda del mercado por un mayor rendimiento ha ido en aumento, pero Ethereum solo puede procesar entre 15 y 45 transacciones por segundo, lo que provoca un aumento en los costos de transacción y tiempos de liquidación más largos. La mayoría de las DApps tienen dificultades para soportar los costos de operación, y toda la red se ha vuelto lenta y cara, lo que hace urgente resolver el problema de escalabilidad. La solución ideal de escalabilidad es aumentar la velocidad de transacción y el rendimiento lo más posible sin sacrificar la descentralización y la seguridad.

2. Tipos de soluciones de escalado

Podemos clasificar los planes de escalabilidad en dos grandes categorías: escalabilidad en cadena y escalabilidad off-chain, según "si cambia una capa de la red principal".

2.1 Expansión en cadena

Concepto clave: solución que logra un efecto de escalabilidad mediante el cambio de una capa del protocolo de la red principal, la principal solución actual es el sharding.

La escalabilidad en cadena tiene varias soluciones, aquí se enumeran brevemente dos:

• La opción uno es expandir el espacio del bloque, aumentando la cantidad de transacciones empaquetadas en cada bloque, pero esto elevará los requisitos para los dispositivos de nodos de alto rendimiento, reduciendo el grado de "descentralización".

• La opción dos es el sharding, que divide el libro mayor de la blockchain en varias partes, donde diferentes fragmentos son responsables de diferentes registros contables, y el cálculo en paralelo puede manejar múltiples transacciones al mismo tiempo. Esto puede reducir la presión computacional sobre los nodos y bajar la barrera de entrada, aumentando la velocidad de procesamiento de transacciones y el grado de descentralización, pero significa que la potencia de cálculo de toda la red se dispersa, lo que puede reducir la "seguridad" de toda la red.

Cambiar el protocolo de la capa principal de la red puede tener efectos negativos imprevisibles, cualquier pequeño fallo de seguridad en la capa subyacente puede amenazar gravemente la seguridad de toda la red, y la red puede verse obligada a bifurcarse o interrumpir la reparación de la actualización.

2.2 off-chain expansión

Concepto clave: solución de escalado que no altera el protocolo de la red principal de capa uno existente.

Las soluciones de escalado off-chain se pueden dividir en Layer2 y otras soluciones:

Capa 2:

• Canales Estatales
• Plasma
• Rollups
  • Optimistic Rollups
  • ZK Rollups

Otros:

• Sidechains
• Validium

3. Profundidad de la expansión off-chain

Canales de Estado 3.1

3.1.1 Resumen

Los canales de estado establecen que los usuarios solo necesitan interactuar con la cadena principal cuando el canal se abre, se cierra o se resuelve una disputa, realizando las interacciones entre usuarios off-chain para reducir el tiempo y costo de las transacciones, logrando un número ilimitado de transacciones.

Los canales de estado son protocolos P2P simples, ideales para "aplicaciones basadas en turnos", como el ajedrez entre dos personas. Cada canal es gestionado por un contrato inteligente multiselección en la cadena principal, que controla los activos del canal, verifica las actualizaciones de estado y arbitra disputas ( basadas en pruebas de fraude firmadas y selladas con tiempo ). Después de que los participantes despliegan el contrato, depositan fondos y los bloquean, el canal se abre oficialmente una vez que ambas partes firman para confirmar. El canal permite transacciones off-chain gratuitas sin límite de veces ( siempre que el patrimonio neto no supere el total depositado ). Los participantes alternan el envío de actualizaciones de estado y esperan la confirmación de firma de la otra parte. Normalmente, las actualizaciones de estado no se suben a la cadena principal, solo se confirman en la cadena principal en caso de disputas o al cerrar el canal. Al cerrar el canal, cualquiera de las partes puede hacer una solicitud en la cadena principal; si se obtiene la aprobación de todos con firma, se ejecuta de inmediato, de lo contrario, debe esperar a que termine el "período de desafío".

Los canales de estado pueden reducir significativamente la carga computacional de la cadena principal, mejorar la velocidad de las transacciones y disminuir los costos de las transacciones.

3.1.2 Línea de tiempo

• 2015/02: Joseph Poon y Thaddeus Dryja publican el borrador del libro blanco de la red Lightning.

• 2015/11: Jeff Coleman resumió sistemáticamente el concepto de State Channel por primera vez, proponiendo que el Payment Channel de Bitcoin es un subcaso de State Channel.

• 2016/01: Joseph Poon y Thaddeus Dryja publicaron oficialmente el libro blanco de la red Lightning de Bitcoin, proponiendo un esquema de escalabilidad de Payment Channel.

• 2017/11: Se presenta la primera especificación de diseño de State Channel basada en Payment Channel, llamada Sprites.

• 2018/06: Counterfactual presentó un diseño detallado de Canales de Estado Generalizados, el primer diseño completamente relacionado.

• 2018/10: Se propone el concepto de State Channel Networks y Virtual Channels.

• 2019/02: Los canales de estado se expanden a N-Party Channels, Nitro es el primer protocolo basado en esta idea.

• 2019/10: Pisa amplía el concepto de Watchtowers, solucionando el problema de que los participantes deben estar en línea de manera continua.

• 2020/03: Hydra propuso Canales Isomórficos Rápidos.

3.1.3 Principios técnicos

Flujo de trabajo tradicional en la cadena: los usuarios cambian el estado del contrato inteligente enviando transacciones a la cadena, pero esto conlleva problemas de tiempo y costo.

Flujo de trabajo del canal de estado:

1. El usuario deposita fondos desde EOA en un contrato en cadena, bloqueándolos hasta que se cierre el canal.
2. Los usuarios pueden realizar transacciones ilimitadas off-chain, a través de la comunicación de mensajes firmados criptográficamente.
3. Al cerrar el canal, se debe presentar el estado final al contrato, si la otra parte firma y aprueba, se ejecuta de inmediato, de lo contrario, se espera el período de desafío.

En caso de pesimismo, si una parte no responde, la otra parte puede presentar un desafío al contrato enviando el último estado válido. El contrato permite a la otra parte responder dentro de un período de tiempo. Si no hay respuesta, el contrato cierra automáticamente el canal y devuelve los fondos.

3.1.4 Ventajas y desventajas

Ventajas:

• Confirmación instantánea, transacciones rápidas
• Bajas tarifas
• Privacidad
• Alta capacidad de procesamiento

Desventajas:

• Necesita monitoreo en línea continuo
• Se necesita bloquear fondos
• No es adecuado para el comercio de baja frecuencia
• La capacidad del canal es limitada
• No se admiten contratos inteligentes genéricos

3.1.5 Aplicación

Red Lightning de Bitcoin:

• Es un canal de pagos de bajo valor en la red de Bitcoin
• A través de un canal de pago off-chain de bajo valor y un intermediario se forma una red de transacciones, resolviendo el problema de escalabilidad.
• Seguir el proceso "Depósito → Transacción de Red Lightning → Reembolso/ Liquidación"
• En teoría, se pueden procesar un millón de transacciones por segundo.
• A finales de 2021, el TVL era de aproximadamente 40 millones de dólares, con alrededor de 100,000 usuarios.
• En noviembre de 2022, hubo 76,236 canales de pago, 5049 BTC de fondos ($81.8M)

Red relámpago de Ethereum:

• Canal de micropagos basado en Ethereum, similar a la red Lightning
• El objetivo es lograr pagos de tokens ERC20 casi instantáneos, de bajo costo y escalables.
• Fundada en 2017, recaudó 30 millones de dólares en ICO en octubre de 2017.
• El primer Light Client se lanzó en mayo de 2020
• Actualmente no se ha adoptado ampliamente, las razones incluyen un alto umbral de uso, la aparición de tecnologías de escalado más avanzadas, etc.
• El equipo está transformando para que funcione en la red Rollup Layer2 de Ethereum

Celer Network:

• La esencia es aumentar la capa de incentivos de la red Lightning
• A través de la tecnología de expansión off-chain y un modelo económico incentivado, se construyen DApps de interacción de alta frecuencia que son rápidas, fáciles de usar, de bajo costo y seguras.
• Aplicable a aplicaciones de alta frecuencia como plataformas de deportes electrónicos
• Utiliza OAT(Traductor de Direcciones Off-chain) para mapear de manera única la dirección off-chain al contrato inteligente en la cadena.
• Compuesto por tres capas: cChannel, cRoute y cOS
• Fundada en 2018, el token $CELR se emitió en marzo de 2019
• Actualmente se han lanzado el protocolo DeFi Layer2.finance, el protocolo de información cross-chain Celer IM y el puente cross-chain de activos cBridge.

3.1.6 Comparación de aplicaciones

Red Lightning de Bitcoin:

• Utilizado para pagos en BTC
• Canal de pago bidireccional
• Volumen de transacciones grande
• El desarrollo ecológico es bastante bueno

Red Relámpago de Ethereum:

• Utilizado para pagos de ETH y ERC20
• Canal de pago bidireccional
• Volumen de negociación bajo
• El desarrollo ecológico es lento

Celer Network:

• Soporte para múltiples activos
• Canal de estado amplio
• Volumen medio
• El ecosistema se está desarrollando hacia la dirección de la cadena cruzada

3.2 Cadenas laterales

3.2.1 Resumen

El concepto de cadena lateral se propuso por primera vez en 2012 en el chat de desarrolladores de Bitcoin, y el primer artículo relacionado se publicó en 2014. La cadena lateral es una forma de blockchain que apareció para acelerar las transacciones de Bitcoin, y puede utilizar contratos más complejos o mejorar el mecanismo de consenso. Cuando el resultado de la transacción de la cadena lateral se envía de vuelta a la cadena principal, se registra en el lado de los validadores. Este modelo es una infraestructura que se adhiere a la cadena principal y ayuda a resolver problemas.

3.2.2 Línea de tiempo

• 2012/01: El concepto de cadenas laterales de Bitcoin se propuso en el chat.
• 2014/10: Publicación del artículo sobre las cadenas laterales de Bitcoin: Symmetric Pegged y Asymmetric Pegged
• 2017/04: Se lanza la red de prueba de cadena lateral basada en el consenso PoA de Ethereum de POA Network
• 2017/10: Se lanza Matic Network
• 2017/12: Lanzamiento de la mainnet de POA Network
• 2018/01: Lanzamiento de la red de pruebas de Skales
• 2018/10: Lanzamiento de la red de prueba de xDai Chain
• 2020/06: Lanzamiento de Skale en la mainnet
• 2020/06: La red principal de la cadena Matic PoS de Ethereum se lanzó.
• 2021/02: Matic Network cambió su nombre a Polygon Network
• 2021/02: Funcionamiento de la red principal de Ronin, la cadena lateral del juego Axie Infinity
• 2021/12: xDai Chain se fusiona con Gnosis Dao para formar Gnosis Chain
• 2022/03: POA Network se fusionó con Gnosis Chain

3.2.3 Principios técnicos

Las cadenas laterales utilizan dos formas de comunicarse con la cadena principal: anclaje bidireccional ( Symmetric Pegged ) y anclaje no coordinado ( Asymmetric Pegged ).

Pegado Simétrico:

• Los validadores de la cadena lateral principal registran en tiempo real el estado actual del otro ( información del encabezado de bloque )
• Utilizar tecnología SPV bidireccional para transmitir información
• Se genera una Salida Bloqueada SPV al enviar el Token de la cadena principal a la cadena lateral.
• Los validadores de sidechain desbloquean con la prueba SPV
• Después del período de confirmación y del período de concurso, se pueden utilizar nuevos activos acuñados en la cadena lateral.

Pegado Asimétrico:

• Los validadores de la cadena lateral monitorean en tiempo real la actividad de la cadena principal
• La cadena principal registra activamente la transacción (forward transaction) al transferir a la cadena lateral.
• Se introduce el mecanismo de Certifiers al realizar transferencias de la cadena lateral a la cadena principal.
• Certificadores registran el ID del contrato, el ID del validador, la lista de transferencia y otra información
• Los Certificadores garantizan la seguridad a través de la participación y la firma

Actualmente, la mayoría de las cadenas laterales utilizan mecanismos PoA o una capa intermedia de Relayers para confirmar el estado de los bloques de la cadena principal.

Resumen del mecanismo de cadena lateral:

• Cadena principal → Cadena lateral: la cadena principal bloquea activos, la cadena lateral genera activos envueltos
• Cadena lateral → Cadena principal: se destruye el activo envuelto en la cadena lateral, se desbloquea el activo en la cadena principal

La seguridad de los activos de la cadena lateral depende de la seguridad de la cadena lateral, es decir, del mecanismo de consenso de la cadena lateral.

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