Análisis profundo de la profundidad de la escalabilidad off-chain

1. La necesidad de la expansión

La visión futura de la blockchain es la descentralización, la seguridad y la escalabilidad, pero a menudo solo se pueden lograr dos de ellas, este es el problema del triángulo imposible de la blockchain. A lo largo de los 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.

Definamos primero la descentralización, la seguridad y la escalabilidad de la blockchain:

• Descentralización: cualquier persona puede convertirse en un nodo para participar en el sistema de blockchain, cuantos más nodos haya, mayor será el grado de descentralización.
• 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 mayor proporción de participantes.
• Escalabilidad: la capacidad de la blockchain para procesar un gran número de transacciones.

La primera gran bifurcación dura de la red Bitcoin se originó en el problema de la 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 problemas de congestión. Desde 2015, la comunidad de Bitcoin ha tenido desacuerdos sobre el problema de la escalabilidad, lo que finalmente llevó a la primera gran bifurcación dura en la historia de Bitcoin el 1 de agosto de 2017, dando lugar a la nueva criptomoneda BCH.

Igualmente, la red de Ethereum también optó por sacrificar una parte de la escalabilidad para garantizar la seguridad y descentralización de la red. Aunque Ethereum no limita el tamaño de los bloques como lo hace Bitcoin, establece un límite indirecto en las tarifas de gas que puede contener un solo bloque, con el objetivo de lograr un Consenso Sin Confianza y asegurar una amplia distribución de nodos.

Desde CryptoKitties en 2017, el verano de DeFi, hasta el surgimiento posterior de aplicaciones on-chain como GameFi y NFT, la demanda de capacidad de procesamiento en el mercado ha aumentado constantemente. Sin embargo, Ethereum aún solo puede procesar de 15 a 45 transacciones por segundo. Esto ha llevado a un aumento en los costos de transacción, tiempos de liquidación más largos y muchas DApps tienen dificultades para soportar los costos operativos. La red se ha vuelto lenta y cara para los usuarios, y el problema de escalabilidad en blockchain necesita ser resuelto urgentemente. La solución ideal de escalabilidad es: aumentar la velocidad de transacción y la capacidad de procesamiento de la red tanto como sea posible, sin sacrificar la descentralización y la seguridad.

2. Categorías de soluciones de escalabilidad

Dividimos los planes de expansión en dos grandes categorías: expansión en cadena y expansión off-chain, basándonos en el criterio de "si se cambia una capa de la red principal".

2.1 Expansión en cadena

Concepto clave: solución para lograr el efecto de escalabilidad mediante el cambio de una capa del protocolo de la red principal, actualmente la principal solución es la fragmentación.

La expansión en cadena tiene varias soluciones, este artículo no se detendrá en ellas, solo se enumerarán brevemente dos:

• La opción uno es expandir el espacio del bloque, es decir, aumentar la cantidad de transacciones empaquetadas en cada bloque, pero esto aumentará 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 cadena de bloques en varias partes, cada una de las cuales es responsable de diferentes nodos para la contabilidad. Esto puede reducir la presión de cálculo en los nodos y el umbral 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 un protocolo de red principal puede tener efectos negativos impredecibles, ya que cualquier pequeño fallo de seguridad en la capa subyacente puede amenazar gravemente la seguridad de toda la red.

2.2 off-chain expansión

Concepto clave: solución de escalado que no modifica el protocolo de la cadena principal existente.

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

• Layer2: red de segunda capa construida sobre la cadena principal
• Cadena lateral: blockchain independiente que funciona en paralelo con la cadena principal
• Plasma: una cadena lateral especial
• Validium: solución de escalabilidad de disponibilidad de datos off-chain

3. Profundidad de la expansión off-chain

3.1 Canales de Estado

3.1.1 Resumen

Los canales de estado estipulan que los usuarios solo necesitan interactuar con la red principal al abrir, cerrar o resolver disputas del canal, manteniendo las interacciones entre los usuarios off-chain para reducir el tiempo y el costo monetario de las transacciones, y lograr un número ilimitado de transacciones.

El canal de estado es un protocolo P2P simple, adecuado para "aplicaciones basadas en turnos", como un juego de ajedrez entre dos personas. Cada canal es gestionado por un contrato inteligente de múltiples firmas que opera en la cadena principal, el cual controla los activos depositados en el canal, verifica las actualizaciones de estado y arbitra disputas entre los participantes. Después de que los participantes despliegan el contrato en la red, depositan fondos y los bloquean; una vez que ambas partes firman y confirman, el canal se abre oficialmente. El canal permite transacciones gratuitas e ilimitadas off-chain entre los participantes siempre que el valor neto de la transferencia no exceda el total de tokens depositados (. Los participantes se turnan para enviar actualizaciones de estado entre sí, esperando la firma y confirmación del otro. Normalmente, las actualizaciones de estado acordadas por ambas partes no se suben a la cadena principal; solo en caso de disputa o cierre del canal se dependerá de la confirmación de la cadena principal. Al cerrar el canal, cualquiera de los participantes puede hacer una solicitud de transacción en la cadena principal, que se ejecutará de inmediato si se obtiene la aprobación de todas las firmas; de lo contrario, debe esperar a que termine el "período de desafío" para recibir los fondos restantes.

En resumen, el esquema de canales de estado puede reducir significativamente la carga computacional de la red principal, mejorar la velocidad de las transacciones y disminuir el costo 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, sugiriendo 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, proponiendo el esquema de escalabilidad de Bitcoin llamado Payment Channel.
• 2017/11: Se propuso la primera especificación de diseño de State Channel basada en el marco de Payment Channel, Sprites.
• 2018/06: Counterfactual propuso un diseño detallado de Canales de Estado Generalizados.
• 2018/10: Se propusieron las redes de canales de estado generalizados, los conceptos de redes de canales de estado y canales virtuales.
• 2019/02: El concepto de canales de estado se amplió a N-Party Channels, Nitro es el primer protocolo construido sobre esta idea.
• 2019/10: Pisa expandió el concepto de Watchtowers para resolver el problema de que todos los participantes necesitan estar en línea de manera continua.
• 2020/03: Hydra propuso Canales Isomórficos Rápidos.

3.1.3 Principios técnicos

Flujo de trabajo de los canales de estado:

1. Alice y Bob depositan fondos desde su EOA personal a la dirección del contrato en la cadena, y estos fondos quedan bloqueados en el contrato. Después de que ambos firman para confirmar, el canal de estado se abre oficialmente.

2. Alice y Bob pueden realizar transacciones ilimitadas off-chain, comunicándose entre sí mediante mensajes firmados criptográficamente. Ambas partes deben firmar cada transacción para prevenir el doble gasto malicioso. A través de estos mensajes, presentan actualizaciones sobre el estado de sus cuentas y aceptan las actualizaciones de estado propuestas por el otro.

3. Si Alice quiere cerrar el canal y finalizar la transacción, debe enviar el estado final de su cuenta al contrato. Si Bob firma para aprobar, el contrato devolverá los fondos bloqueados al usuario correspondiente según el estado final. Si Bob no responde a la firma, el contrato devolverá los fondos al usuario correspondiente una vez que finalice el período de desafío.

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)# 3.1.4 Ventajas y desventajas

Ventajas:

• Confirmación instantánea
• Alta capacidad de procesamiento
• Bajo costo
• Buena privacidad

Desventajas:

• Necesita bloquear fondos
• Los participantes deben estar en línea de forma continua
• Difícil de manejar transacciones múltiples
• No es adecuado para contratos inteligentes complejos
• Riesgo centralizado
• Mala experiencia del usuario

3.1.5 Aplicación

Red Lightning de Bitcoin:

• Canal de micropagos de la red de Bitcoin, que forma una red de transacciones a través de canales de micropagos off-chain y intermediarios, resolviendo el problema de escalabilidad de la red de Bitcoin.
• Se publicó el borrador del libro blanco en febrero de 2015 y se lanzó la versión de la red principal en marzo de 2018.
• Hasta noviembre de 2022, la red Lightning tenía 76,236 canales de pago, con fondos de 5049 BTC.
• El ecosistema incluye más de 100 aplicaciones como pagos, billetera, gestión de nodos, extensiones de navegador, etc.

Red Relámpago de Ethereum:

• Canal de micropagos basado en Ethereum, similar a la red Lightning.
• Fundada en 2017, el primer cliente de la red principal se lanzó en mayo de 2020.
• Actualmente no ha sido ampliamente adoptado, las razones incluyen el alto umbral de uso y la aparición de tecnologías de escalado más avanzadas.

Celer Network:

• Es esencialmente una red Lightning con una capa de incentivos añadida.
• Fundada en 2018, la red principal de Ethereum se lanzó en julio de 2019.
• Se ha convertido en una plataforma de agregación de escalado L2 que soporta cross-chain, lanzando productos como el protocolo DeFi Layer2.finance, el protocolo de información cross-chain Celer IM y el puente cross-chain de activos cBridge.

3.2 Cadenas laterales

3.2.1 Resumen

El concepto de cadena lateral fue propuesto por primera vez en 2012, como una forma de blockchain que surgió para acelerar las transacciones de Bitcoin. Las cadenas laterales pueden utilizar contratos más complejos, o mejorar el mecanismo de consenso ### como PoS (, o parámetros de bloque para que la cadena lateral cumpla funciones específicas. Los resultados de las transacciones de la cadena lateral se registran finalmente en el lado del validador cuando se envían de regreso a la cadena principal. Este modelo de blockchain no es una nueva forma de blockchain, sino una infraestructura que se adhiere a la cadena principal y ayuda a resolver problemas de la cadena principal.

)# 3.2.2 Línea de tiempo

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

3.2.3 Principios técnicos

Los principios técnicos de las cadenas laterales incluyen dos tecnologías principales de interoperabilidad entre cadenas:

Pegado Simétrico:

• Los validadores de la cadena principal y de la cadena lateral registran en tiempo real el estado actual del otro.
• Utilizar la tecnología SPV bidireccional para la transmisión de información
• Al transferir el token de la cadena principal a la cadena lateral, se genera una salida especial que solo los validadores de la cadena lateral pueden desbloquear.
• Es necesario esperar el periodo de confirmation y el periodo de contestación, para evitar ataques de doble gasto.

Pegado Asimétrico:

• Los validadores de cadenas laterales deben monitorear en tiempo real las actividades de la cadena principal.
• Transferencia de la cadena principal a la cadena lateral ###transacción hacia adelante( registrada activamente por la cadena lateral
• La transferencia de la cadena lateral a la cadena principal ) transacción inversa ( debe introducir el mecanismo de Certificadores
• Los Certificadores registran información clave y la envían de vuelta a la cadena principal a través de firmas agregadas.

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: el activo envuelto en la cadena lateral se destruye, y el activo en la cadena principal se desbloquea.

La seguridad de los activos en la cadena lateral depende del mecanismo de consenso de la cadena lateral. Si alguien crea activos de la nada en la cadena lateral, puede haber un riesgo de robo de fondos.

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)# 3.2.4 Ventajas y desventajas

Ventajas:

• Buena escalabilidad
• Altamente personalizable
• La seguridad no se ve afectada mutuamente con la cadena principal
• Funciones nuevas experimentales

Desventajas:

• Seguridad relativamente débil
• Las operaciones entre cadenas son complejas
• Liquidez dispersa
• Se necesita un mecanismo de incentivos independiente
• Riesgo de centralización

3.2.5 Aplicación

xDai### ahora Gnosis Chain(:

• Lanzamiento de la mainnet en septiembre de 2018
• Adopta el modo de verificación PoSDAO
• Fusión con Gnosis DAO en noviembre de 2021
• Actualmente, el TVL es de aproximadamente $53M, con 35 proyectos en curso.

Polygon:

• En 2017 se fundó Matic Network, en febrero de 2021 cambió su nombre a Polygon
• En junio de 2020 se lanzó la mainnet de Matic PoS Chain y Matic Plasma Chain
• Actualmente, nos estamos moviendo hacia soluciones L2 de pila completa
• Posee más de 37k DApp, 1.8B transacciones totales, más de 135M usuarios

Ronin:

• Lanzamiento de la mainnet en marzo de 2021, especializado