Profundidad del análisis de la expansión off-chain

Autores: Ellaine Xu, Hettie Jiang, June Wang, Walon Lin, Yiliu Lin

1. La necesidad de la escalabilidad

El problema del triángulo imposible que enfrenta la blockchain: es difícil satisfacer simultáneamente la descentralización, la seguridad y la escalabilidad. Uno de los temas candentes en el desarrollo actual de la blockchain es cómo aumentar el rendimiento y la velocidad de las transacciones de la blockchain, garantizando la descentralización y la seguridad, es decir, resolver el problema de la escalabilidad.

Definición de descentralización, seguridad y escalabilidad de la cadena de bloques:

• Descentralización: a mayor cantidad de nodos, mayor grado de descentralización, la red no está controlada por un pequeño grupo.
• Seguridad: Cuanto mayor sea el costo de obtener el control del sistema blockchain, mayor será la seguridad, lo que permite resistir ataques de un mayor porcentaje de participantes.
• Escalabilidad: la capacidad de la blockchain para procesar una gran cantidad de transacciones.

La primera bifurcación dura significativa de la red Bitcoin se originó en el problema de escalabilidad. El 1 de agosto de 2017, Bitcoin ABC comenzó a operar un sistema de cliente de bloques de 8 MB, lo que llevó a la primera bifurcación dura importante en la historia de Bitcoin, dando origen a la nueva criptomoneda BCH.

La red de Ethereum limita el volumen de transacciones al restringir la cantidad de tarifas de gas que un solo bloque puede contener, con el fin de lograr un Consenso Sin Confianza y asegurar una amplia distribución de nodos. Con el surgimiento de aplicaciones en cadena, la demanda del mercado por el rendimiento ha aumentado constantemente, pero Ethereum solo puede procesar entre 15 y 45 transacciones por segundo, lo que provoca un aumento en los costos de transacción, un tiempo de liquidación más prolongado y hace que la mayoría de las Dapps no puedan soportar los costos operativos. La red se ha vuelto lenta y cara, y el problema de escalabilidad de la blockchain necesita ser resuelto urgentemente.

2. Tipos de soluciones de escalabilidad

De acuerdo con el estándar “si se cambia una capa de la red principal”, se dividen los planes de escalabilidad en dos grandes categorías: escalabilidad en cadena y escalabilidad off-chain.

2.1 Escalado en cadena

Concepto clave: solución para lograr efectos de escalabilidad al modificar una capa del protocolo de la red principal, la principal solución actual es el sharding.

La escalabilidad en cadena tiene varias soluciones, este artículo no se expandirá en ello, a continuación se enumeran brevemente dos soluciones:

• La opción uno es expandir el espacio del bloque, es decir, aumentar la cantidad de transacciones empaquetadas en cada bloque, pero esto elevará los requisitos para los dispositivos de nodos de alto rendimiento, aumentando la barrera de entrada para unirse a los nodos y reduciendo el grado de “descentralización”.
• La opción dos es el sharding, que divide el libro mayor de la blockchain en varias partes. No todos los nodos participan en el registro de todas las transacciones, sino que diferentes fragmentos, es decir, diferentes nodos, son responsables de diferentes registros. El cálculo en paralelo puede manejar múltiples transacciones simultáneamente; esto puede reducir la presión de cálculo en los nodos y el umbral de entrada, mejorando la velocidad de procesamiento de transacciones y el grado de descentralización; pero esto significa que la potencia de cálculo de toda la red se distribuye, lo que reducirá la “seguridad” de toda la red.

Cambiar el código del protocolo de la capa principal de la red puede tener efectos negativos impredecibles, ya que cualquier pequeño fallo de seguridad en la base puede amenazar gravemente la seguridad de toda la red, lo que podría obligar a la red a realizar un fork o a interrumpir actualizaciones de reparación.

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 escalabilidad off-chain se pueden subdividir en Layer2 y otras soluciones:

• Layer2: Canales de Estado, Plasma, Rollups( Rollups Optimistas, Rollups ZK)
• Otras soluciones: Sidechains, Validium

3. Profundidad de la solución de escalado off-chain

Canales Estatales 3.1

3.1.1 Resumen

El canal de estado establece que los usuarios solo necesitan interactuar con la red principal cuando el canal está abierto, cerrado o resuelto un conflicto, y que la interacción entre usuarios se realice off-chain, con el fin de reducir el tiempo y el costo monetario de las transacciones de los usuarios, y permitir que el número de transacciones no esté limitado.

Los canales de estado son protocolos P2P simples, adecuados para “aplicaciones basadas en turnos”, como un juego de ajedrez para dos personas. Cada canal es gestionado por un contrato inteligente multi-firma 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 ( según las pruebas de fraude con firma y sello de tiempo ).

3.1.2 Línea de tiempo

• En 2015/02, Joseph Poon y Thaddeus Dryja publicaron el borrador del libro blanco de la red Lightning.
• En noviembre de 2015, Jeff Coleman resumió sistemáticamente el concepto de State Channel y propuso que el Payment Channel de Bitcoin es un subcaso del concepto de State Channel.
• 2016/01, Joseph Poon y Thaddeus Dryja publicaron oficialmente el documento técnico “The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments” proponiendo el esquema de escalabilidad de la red Lightning de Bitcoin Payment Channel( canal de pago), este esquema se usa únicamente para procesar pagos de transferencias en la red de Bitcoin.
• En noviembre de 2017, se propuso la especificación de diseño de State Channel basada en el marco de Payment Channel llamada Sprites.
• 2018/06, Counterfactual propuso un diseño de Canales de Estado Generalizados muy detallado, que es el primer diseño completamente relacionado con canales de estado.
• 2018/10, el artículo Generalised State Channel Networks presentó los conceptos de State Channel Networks y Virtual Channels.
• 2019/02, el concepto de canales de estado se amplió a N-Party Channels, Nitro es el primer protocolo establecido sobre esta idea.
• 2019/10, Pisa amplió el concepto de Watchtowers para resolver el problema de que todos los participantes necesitan estar en línea de forma continua.
• 2020/03, Hydra propuso Canales Isomórficos Rápidos.

3.1.3 Principios técnicos

Flujo de trabajo del canal de estado:

1. El usuario deposita fondos en el contrato on-chain y los bloquea, se abre el canal.
2. El usuario realiza transacciones off-chain, confirmando cada transacción mediante firma.
3. Necesita enviar el estado final al contrato en la cadena cuando necesite cerrar el canal.
4. Si hay controversia, se puede entrar en un periodo de impugnación y presentar pruebas.
5. El contrato devolverá los fondos al usuario según el estado final o el resultado del desafío.

3.1.4 Ventajas y desventajas

Ventajas:

• Confirmación instantánea
• Baja tarifa de transacción
• Alta privacidad
• Alta capacidad de procesamiento

Desventajas:

• Necesita monitoreo continuo en línea
• No se puede hacer frente a una salida a gran escala
• La capacidad del canal es limitada
• Liquidez baja
• Falta de universalidad

3.1.5 Aplicación

Red Lightning de Bitcoin:

• Es un canal de micropagos de la red Bitcoin.
• A través de canales de pago de bajo valor off-chain y intermediarios se forma una red de transacciones, resolviendo el problema de escalabilidad de la red de Bitcoin.
• Teóricamente se pueden procesar un millón de transacciones por segundo
• El ecosistema sigue desarrollándose, con aplicaciones que abarcan múltiples categorías como pagos, billeteras y gestión de nodos.

Red Lightning de Ethereum:

• Canal de micropagos basado en Ethereum
• Actualmente, esta tecnología no ha sido ampliamente adoptada.
• El equipo está transformando la Red Raiden para que funcione en la red de Rollup Layer2 de Ethereum.

Celer Network:

• Es esencialmente una red Lightning que ha añadido una capa de incentivos.
• Se pueden construir Dapps de blockchain de tipo de interacción de alta frecuencia que sean rápidas, fáciles de usar, de bajo costo y seguras a través de tecnologías de expansión off-chain y modelos económicos incentivadores.
• Se han lanzado productos como el puente de activos cross-chain cBridge.

3.2 Cadenas laterales

3.2.1 Resumen

Las cadenas laterales son una forma de blockchain que surgió para acelerar las transacciones de Bitcoin, permitiendo el uso de contratos más complejos, o mejorando el mecanismo de consenso ( como PoS ), o ajustando los parámetros de bloque para que la cadena lateral cumpla con funciones específicas. Los resultados de las transacciones de la cadena lateral se registran finalmente en el lado del validador cuando se envían de vuelta 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 el chat
• 2014/10, se publicó por primera vez el documento sobre las cadenas laterales de Bitcoin: Symmetric Pegged y Asymmetric Pegged
• 2017/04, la red POA lanzó la red de pruebas de una cadena lateral basada en el consenso Proof of Authentication de Ethereum.
• 2017/10, Matic Network se lanzó
• 2017/12, lanzamiento de la mainnet de POA Network
• 2018/01, Skales prueba en línea
• 2018/10, lanzamiento de la red de pruebas xDai Chain
• 2020/06, Lanzamiento de Skale en la red principal
• 2020/06, la red principal de la cadena Matic PoS de Ethereum se lanzó.
• 2021/02, la marca Matic Network se renombró como Polygon Network
• 2021/02, la red principal de la cadena lateral Ronin del juego Axie Infinity comenzó 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

Las dos principales mecanismos de la cadena lateral:

1. Anclaje bidireccional ( Pegado simétrico ): Los validadores de la cadena principal y de la cadena lateral registran en tiempo real el estado del otro. Cuando un token de la cadena principal se transfiere a la cadena lateral, se genera una salida especial que solo puede desbloquear el validador de la cadena lateral.

2. Anclaje descoordinado ( Anclaje asimétrico ): Los validadores de cadenas laterales monitorean las actividades de la cadena principal y pueden registrar proactivamente las transacciones de la cadena principal a la cadena lateral. Sin embargo, cuando se trata de la cadena lateral a la cadena principal, la cadena principal no puede confirmar el estado de la cadena lateral, por lo que es necesario introducir el mecanismo de Certificadores.

En pocas palabras, el mecanismo de cadena lateral:

• Cadena principal a cadena lateral: la cadena principal bloquea activos, la cadena lateral genera activos envueltos
• Cadena lateral a la 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 del mecanismo de consenso de la cadena lateral.

3.2.4 Ventajas y desventajas

Ventajas:

• Altamente personalizable
• Los activos de la cadena principal se pueden utilizar
• No afecta a la cadena principal
• Se pueden realizar funciones complejas

Desventajas:

• Seguridad relativamente baja
• Bajo nivel de descentralización
• Liquidez dispersa
• Falta de activos nativos

3.2.5 Aplicación

xDai ( ahora Gnosis Chain ):

• El token $xDai está anclado 1:1 con $Dai
• Adoptar el mecanismo de consenso PoSDAO
• Se ha fusionado con Gnosis

Polygon:

• Agregador de soluciones de escalado de Ethereum
• Proporcionar la cadena lateral PoS de Polygon y varias soluciones de Rollup
• El desarrollo ecológico es rápido, con una gran cantidad de Dapps y usuarios.

Ronin:

• Cadena lateral del juego Axie Infinity
• Adopta el mecanismo de consenso PoA
• Ha sufrido ataques graves de hackers

3.3 Plasma

3.3.1 Resumen

Plasma es un marco para construir Dapps escalables. Apareció como una solución evolutiva de cadenas laterales, con el objetivo de reducir al mínimo la confianza del usuario en el operador de la cadena lateral.