Profundidad de análisis de la escalabilidad off-chain

1. La necesidad de la expansión

La visión futura de la blockchain es lograr descentralización, seguridad y escalabilidad. Pero a menudo la blockchain solo puede lograr dos de estos aspectos, 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, es decir, resolver el problema de la escalabilidad, garantizando al mismo tiempo la descentralización y la seguridad.

Definición de descentralización, seguridad y escalabilidad:

• Descentralización: cualquiera puede convertirse en un nodo para participar en la producción y verificación del sistema de blockchain; cuanto mayor sea el número de nodos, mayor será el grado de descentralización.
• Seguridad: Cuanto mayor sea el costo para obtener el control del sistema de blockchain, mayor será la seguridad.
• 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 inició su sistema de cliente desarrollado de forma independiente de 8MB, lo que dio lugar a la primera bifurcación dura significativa en la historia de Bitcoin, dando lugar a la nueva criptomoneda BCH.

La red de Ethereum también ha optado por sacrificar una parte de la escalabilidad para garantizar la seguridad y la descentralización de la red. Desde CryptoKitties en 2017, el verano DeFi, hasta el surgimiento posterior de aplicaciones en cadena como GameFi y NFT, la demanda del mercado de capacidad de procesamiento 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 un mayor tiempo de liquidación, haciendo que la mayoría de las Dapps no puedan soportar los costos de operación. La solución ideal de escalado es aumentar la velocidad de transacción y la capacidad de procesamiento de la red blockchain sin sacrificar la descentralización y la seguridad.

2. Tipos de soluciones de escalabilidad

Según el estándar de "si se cambia una capa de la red principal", se pueden dividir los planes de expansión en dos grandes categorías: expansión en cadena y expansión off-chain.

2.1 escalabilidad en cadena

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

Existen varias soluciones para la escalabilidad en cadena, aquí se enumeran brevemente dos:

• Opción uno: ampliar el espacio de bloques, aumentar la cantidad de transacciones empaquetadas en cada bloque, pero esto aumentará los requisitos para dispositivos de nodos de alto rendimiento, reduciendo el grado de descentralización.
• Opción dos: fragmentación, dividir el libro de contabilidad de la blockchain en varias partes, donde diferentes fragmentos son responsables de diferentes registros, y el cálculo en paralelo puede procesar múltiples transacciones simultáneamente; esto puede reducir la presión de cálculo en los nodos y el umbral de entrada, aumentar la velocidad de procesamiento de transacciones y el grado de descentralización; pero puede disminuir la seguridad de toda la red.

Cambiar un protocolo de red principal puede tener efectos negativos impredecibles; 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 principal de capa uno existente.

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

• Layer2: canales de estado, Plasma, Rollups optimistas, Rollups ZK
• Otros: cadena lateral, Validium

3. Profundidad de la expansión off-chain

Canales Estatales 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 fuera de la cadena para reducir el tiempo y costo de las transacciones, permitiendo así que el número de transacciones no esté limitado.

Los canales de estado son adecuados para "aplicaciones basadas en rondas", como los juegos de ajedrez entre dos personas. Cada canal es gestionado por un contrato inteligente multi-firma que funciona en la cadena principal, el cual controla los activos depositados en el canal, verifica las actualizaciones de estado y arbitra las disputas entre los participantes.

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.
• 2016/01: Joseph Poon y Thaddeus Dryja publican oficialmente el libro blanco de la red Lightning de Bitcoin.
• 2017/11: Se propuso la primera especificación de diseño de State Channel basada en el marco de Payment Channel, Sprites.
• 2018/06: Counterfactual presentó un diseño detallado de los Canales de Estado Generalizados.
• 2018/10: Se propusieron los conceptos de Redes de Canales Estatales y Canales Virtuales.
• 2019/02: El concepto de canales de estado se amplía a N-Party Channels, Nitro es el primer protocolo establecido basado en esta idea.
• 2019/10: Pisa expandió el concepto de Watchtowers para resolver el problema de que los participantes deben estar constantemente en línea.
• 2020/03: Hydra propuso Canales Isomórficos Rápidos.

3.1.3 Principios técnicos

Flujo de trabajo del canal de estado:

1. Los participantes depositan fondos en el contrato inteligente de la red principal y los bloquean; el canal se abre tras la confirmación de la firma de ambas partes.
2. Los participantes pueden realizar transacciones gratuitas ilimitadas off-chain.
3. Los participantes envían actualizaciones de estado por turnos y confirman con una firma.
4. Al cerrar el canal, cualquiera de los participantes puede presentar una solicitud de transacción en la red principal. Si se obtiene la aprobación de todos los firmantes, se ejecutará de inmediato; de lo contrario, se espera a que finalice el "período de desafío".

Los canales de estado pueden reducir significativamente la carga de cálculo de la cadena principal, aumentar la velocidad de transacción y disminuir los costos de transacción.

3.1.4 Ventajas y desventajas

Ventajas:

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

Desventajas:

• Se requiere bloquear fondos
• Establecer y cerrar canales requiere el gasto de tarifas de Gas.
• Los participantes deben monitorear en línea de manera continua.
• Difícil realizar transacciones múltiples

3.1.5 Aplicación

1. Red Lightning de Bitcoin

   • Canal de pagos pequeños, construyendo una red de transacciones a través de un canal de pagos pequeños off-chain
   • Propuesto en 2015, lanzada la versión de la mainnet en 2018
   • Hasta noviembre de 2022, hay 76,236 canales de pago, 5049 BTC en custodia

2. Red Relámpago de Ethereum

   • Canal de pagos de bajo valor basado en Ethereum, similar a la red Lightning
   • Fundada en 2017, pero no ampliamente adoptada
   • Actualmente en remodelación, planeando operar en la red L2

3. Celer Network

   • Aumentar la capa de incentivos de la red Lightning
   • Aplicable a aplicaciones de interacción de alta frecuencia, como plataformas de deportes electrónicos
   • Se han lanzado el protocolo DeFi Layer2.finance, el protocolo de información跨链 Celer IM y el puente跨链 de activos cBridge.

3.1.6 Comparación de aplicaciones

La red Lightning de Bitcoin, la red Lightning de Ethereum y Celer Network presentan diferencias en términos de diseño, casos de uso y estado de desarrollo. La red Lightning de Bitcoin está más madura, mientras que la red Lightning se utiliza menos en la actualidad, y Celer Network se ha expandido a más casos de uso.

3.2 Cadenas laterales

3.2.1 Resumen

El concepto de cadena lateral fue propuesto en 2012 y se publicó por primera vez un artículo relacionado en 2014. La cadena lateral es una forma de blockchain que apareció para acelerar las transacciones de Bitcoin, y puede usar contratos más complejos o mejorar el mecanismo de consenso. Los resultados de las transacciones en la cadena lateral se registrarán finalmente en el lado de los validadores de la cadena principal.

3.2.2 Línea de tiempo

• 2012/01: El concepto de sidechain de Bitcoin fue propuesto en un chat.
• 2014/10: Se publica por primera vez el documento sobre cadenas laterales de Bitcoin
• 2017/04: La red POA lanzó su 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 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: Skale se lanzó en la red principal, la cadena Matic PoS de Ethereum se lanzó en la red principal
• 2021/02: Matic Network cambió su nombre a Polygon Network
• 2021/02: La red principal de la cadena lateral Ronin del juego Axie Infinity comienza a funcionar
• 2021/12: la cadena xDai se fusionó con Gnosis Dao para formar Gnosis Chain
• 2022/03: POA Network se fusionó con Gnosis Chain

3.2.3 Principios técnicos

Las cadenas laterales tienen principalmente dos formas de comunicarse con la cadena principal:

1. Anclaje bidireccional ( Symmetric Pegged ): los validadores de la cadena principal y de la cadena lateral registran en tiempo real el estado actual del otro.

2. Anclaje no coordinado ( Asymmetric Pegged ): los validadores de la cadena lateral monitorean la actividad de la cadena principal, pero la cadena principal no puede confirmar el estado de la cadena lateral, se necesita introducir un mecanismo de Certificadores.

Resumen del mecanismo de cadenas laterales:

• Activos de la cadena principal a la cadena lateral: la cadena principal bloquea activos, la cadena lateral genera activos envueltos.
• Activos de la sidechain a la mainchain: se destruye el activo envuelto en la sidechain y se desbloquea el activo en la mainchain.

La seguridad de los activos en la cadena lateral depende de la seguridad de la cadena lateral, principalmente del mecanismo de consenso de la cadena lateral.

3.2.4 Ventajas y desventajas

Ventajas:

• Alta escalabilidad
• Confirmación rápida
• Bajos costos de transacción
• Se pueden implementar contratos inteligentes complejos

Desventajas:

• La seguridad depende del mecanismo de consenso de la cadena lateral
• Grado de descentralización relativamente bajo
• Las transferencias entre cadenas requieren un tiempo de espera prolongado
• Existe el riesgo de fallo único.

3.2.5 Aplicación

1. xDai ( ahora se llama Gnosis Chain)

   • El token $xDai está anclado 1:1 al dólar estadounidense
   • Adoptar el modo de verificación PoSDAO
   • La red principal se lanzó en septiembre de 2018, se fusionó con Gnosis en abril de 2022
   • Actualmente, el TVL es de aproximadamente $53 millones, hay 35 proyectos en curso.

2. Polígono

   • Fundada en 2017, la red principal se lanzó en junio de 2020
   • Proporcionar soluciones de cadena lateral Matic PoS Chain y Plasma Matic Plasma Chain
   • En febrero de 2021, la marca se actualizó a Polygon, transformándose en un agregador de soluciones de escalado.
   • Actualmente cuenta con 37k+DApp, 1.8B transacciones totales, 135M+ usuarios

3. Ronin

   • Cadena lateral exclusiva para el juego Axie Infinity
   • Adoptando el mecanismo de consenso de Prueba de Autoridad (PoA) (.
   • Lanzamiento de la mainnet en marzo de 2021
   • Sufrió un ataque de hackers de 624 millones de dólares en marzo de 2022

)# 3.2.6 Comparación de aplicaciones

xDai, Polygon y Ronin presentan diferencias en términos de enfoque de diseño, casos de uso y estado de desarrollo. xDai se centra en los pagos con monedas estables, Polygon ofrece soluciones de escalado diversificadas, y Ronin se enfoca en el ámbito de los juegos. Cada uno tiene sus características y ventajas.

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) 3.3 Plasma

3.3.1 Resumen

Plasma es un marco para construir DApps escalables, diseñado para minimizar la confianza del usuario en el operador de la cadena lateral. Incluso si el operador actúa maliciosamente, Plasma puede prevenir el robo de los fondos de los usuarios. El principio básico de Plasma es que, si la cadena de Plasma experimenta una falla de seguridad, todos los activos de los usuarios aún pueden ser retirados y devueltos a la red principal.

3.3.2 Línea de tiempo

• 2017/08: Vitalik y Joseph Poon publican el whitepaper de Plasma
• 2018/01: Vitalik propuso Plasma MVP
• 2018/03: Vitalik propuso Plasma Cash
• 2018/06: Dan Robinson propuso Plasma Debit
• 2018/11: BANKEX Foundation propuso Plasma Prime
• Desde 2019: la comunidad de Ethereum comenzó