Análisis profundo de la expansión off-chain

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

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 la descentralización y la seguridad, es decir, resolver el problema de escalado.

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, cuanto 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, lo que permitirá resistir un mayor porcentaje de ataques.
• Escalabilidad: la capacidad de la blockchain para procesar un gran número de transacciones.

La primera gran bifurcación dura de la red Bitcoin surgió de problemas de escalabilidad. Desde 2015, la comunidad de Bitcoin ha tenido desacuerdos sobre la escalabilidad, con un lado apoyando la expansión de los bloques y el otro apoyando el uso de la solución de Segregated Witness. El 1 de agosto de 2017, el lado que apoyaba la expansión de los bloques comenzó a ejecutar un nuevo sistema de cliente, lo que llevó a la primera gran bifurcación dura en la historia de Bitcoin, dando nacimiento a la nueva criptomoneda BCH.

La red de Ethereum también eligió sacrificar parte de su escalabilidad para garantizar la seguridad y la descentralización de la red. Desde CryptoKitties en 2017 hasta el posterior auge de DeFi, GameFi y NFT, la demanda del mercado por capacidad de procesamiento ha aumentado constantemente, pero Ethereum solo puede manejar de 15 a 45 transacciones por segundo, lo que lleva a un aumento en los costos de transacción y a un tiempo de liquidación más prolongado. La solución ideal de escalabilidad es: aumentar la velocidad y la capacidad de procesamiento de la red blockchain tanto como sea posible, sin sacrificar la descentralización y la seguridad.

2. Tipos de soluciones de escalamiento

Dividimos los planes de expansión en dos grandes categorías, ampliación en cadena y ampliación 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 un efecto de escalabilidad mediante el cambio de una capa del protocolo de la red principal, actualmente la principal solución es el sharding.

La escalabilidad en la cadena tiene varias soluciones, a continuación se enumeran brevemente dos:

• La opción uno es ampliar el espacio de bloques, es decir, aumentar la cantidad de transacciones empaquetadas en cada bloque, pero esto aumentará los requisitos del nodo y reducirá el grado de descentralización.
• La opción dos es el sharding, que divide el libro mayor de la blockchain en varias partes, con diferentes fragmentos responsables de diferentes registros, lo que puede reducir la presión sobre los nodos, pero también disminuirá la seguridad de toda la red.

Cambiar el protocolo de la capa principal de la red puede tener efectos negativos impredecibles, ya que cualquier vulnerabilidad 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 dividir en Layer2 y otras soluciones:

• Layer2: Canales de Estado, Plasma, Rollups
• Otras soluciones: Sidechains, 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 está abierto, cerrado o se resuelve una disputa, realizando las interacciones entre usuarios off-chain para reducir los costos de transacción y permitir un número ilimitado de transacciones.

Los canales de estado son protocolos P2P simples, adecuados para aplicaciones basadas en turnos, como juegos de ajedrez para dos personas. Cada canal es gestionado por un contrato inteligente multi-firma que se ejecuta en la cadena principal, controla los activos depositados en el canal, verifica las actualizaciones de estado y arbitra 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: El libro blanco de la red Lightning se publicó oficialmente
• 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 Generalized State Channels
• 2018/10: Se propusieron los conceptos de State Channel Networks y Virtual Channels
• 2019/02: El concepto de canales de estado se amplía a los N-Party Channels
• 2019/10: Pisa expande el concepto de Watchtowers para resolver el problema de que los participantes deben 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. Alice y Bob abren un canal de estado al depositar fondos en el contrato de la red principal y firmar la confirmación.
2. Alice y Bob pueden realizar transacciones ilimitadas off-chain, cada transacción requiere la confirmación de ambas partes mediante firma.
3. Si Alice quiere cerrar el canal, debe enviar el estado final al contrato. Si Bob firma y aprueba, el contrato ejecuta inmediatamente la distribución de fondos; si Bob no responde, debe esperar a que termine el "período de desafío" para poder recibir los fondos.

Flujo de trabajo en un escenario pesimista:

Si Bob no responde a la firma de actualización de estado de Alice, Alice puede presentar su última estado válido al contrato para iniciar un desafío. Bob puede enviar el siguiente estado en respuesta durante un período de tiempo; si no responde, el contrato cerrará automáticamente el canal y devolverá los fondos a Alice.

3.1.4 Ventajas y desventajas

Ventajas:

• Confirmación instantánea
• Alto rendimiento
• Buena privacidad
• Alta versatilidad

Desventajas:

• Es necesario bloquear fondos por adelantado
• Los participantes deben mantenerse en línea
• Soporte para menos participantes
• No se puede resolver el problema de las salidas masivas

3.1.5 Aplicación

Red Lightning de Bitcoin:

• Propuesto en 2015, versión principal lanzada en 2018
• En noviembre de 2022, había 76,236 canales de pago, con un capital de 5049 BTC.
• El ecosistema abarca múltiples categorías como pagos, billetera, gestión de nodos, y más de 100 aplicaciones.

Red relámpago de Ethereum:

• Fundada en 2017, lanzada la versión mainnet en 2020
• La barrera de entrada es alta, el desarrollo del ecosistema es lento
• Cambiar a operar en la red Layer2 Rollup

Celer Network:

• Se ha añadido la red Lightning con capa de incentivos
• Aplicable a aplicaciones de interacción de alta frecuencia, como plataformas de deportes electrónicos
• Se han lanzado productos como el puente cruzado 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, y se pueden utilizar contratos más complejos o mejorar el mecanismo de consenso. Los resultados de las transacciones de la cadena lateral se registrarán finalmente en el lado del validador y se enviarán de vuelta a la cadena principal.

3.2.2 Línea de tiempo

• 2012/01: Se propone por primera vez el concepto de sidechain de Bitcoin
• 2014/10: Publicación del documento sobre sidechains de Bitcoin
• 2017/04: Lanzamiento de la red de prueba de POA Network
• 2017/10: Se lanza Matic Network
• 2018/01: Lanzamiento de la red de prueba de Skale
• 2020/06: Lanzamiento de la mainnet de Matic PoS Chain
• 2021/02: Lanzamiento de la mainnet de Ronin
• 2021/12: la cadena xDai se fusionó con Gnosis Dao para convertirse en Gnosis Chain

3.2.3 Principios técnicos

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

1. Anclaje bidireccional ( Pegado simétrico ): Los validadores de la cadena principal y de la cadena lateral registran en tiempo real el estado actual del otro, utilizando la tecnología SPV para verificar las transacciones.

2. Anclaje no coordinado ( Asymmetric Pegged ): los validadores de la cadena lateral monitorean la actividad de la cadena principal, pero la red principal no puede confirmar el estado de la cadena lateral, es necesario introducir el mecanismo de Certificadores para validar las transacciones de la cadena lateral.

Actualmente, cada vez más cadenas laterales optan por utilizar notarios de terceros ( PoA ) mecanismos o una capa intermedia de Relayers para confirmar el estado de los bloques de la cadena principal.

Resumen del mecanismo de cadena lateral:

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

3.2.4 Ventajas y desventajas

Ventajas:

• Altamente personalizable
• Puede soportar contratos inteligentes complejos
• Transferencia de activos entre cadenas
• Mecanismo de gobernanza independiente

Desventajas:

• Seguridad relativamente baja
• Riesgo de centralización
• La complejidad de la comunicación entre cadenas es alta
• El anclaje bidireccional requiere un tiempo de confirmación más largo

3.2.5 Aplicación

xDai Chain( ahora Gnosis Chain):

• La red principal se lanzó en septiembre de 2018, se fusionó con Gnosis en abril de 2022
• Adopción del mecanismo de consenso PoSDAO
• TVL aproximadamente 53 millones de dólares, la ecosistema tiene 35 proyectos en curso.

Polygon:

• Lanzamiento de la mainnet de Matic PoS Chain y Plasma Chain en junio de 2020
• En 2021, la marca se actualizó a Polygon, cambiando hacia un agregador.
• Ya hay más de 37k Dapps, 1.8B de transacciones totales y más de 135M de usuarios

Ronin:

• Cadena lateral desarrollada para el juego Axie Infinity
• Lanzamiento de la mainnet en marzo de 2021, utilizando el mecanismo de consenso PoA
• En marzo de 2022, sufrió un ataque de hackers de 624 millones de dólares.

3.3 Plasma

3.3.1 Resumen

Plasma es un marco para construir Dapps escalables, diseñado para minimizar la confianza de los usuarios en los operadores de cadenas laterales. El principio básico de Plasma es que, incluso si la cadena Plasma sufre una falla de seguridad, los activos de todos los usuarios aún pueden ser retirados de la cadena Plasma y devueltos a la red principal.

3.3.2 Línea de tiempo

• 2017/08: Publicación del libro blanco de Plasma
• 2018/01: Se presentó la primera aplicación oficial de Plasma, Plasma MVP
• 2018/03: Se propuso Plasma Cash para resolver el problema de las salidas a gran escala.
• 2018/06: Propuesta de Plasma Debit
• 2018/11: Se propuso Plasma Prime
• Desde 2019: la comunidad de Ethereum comenzó a explorar soluciones de Rollups

3.3.3 Principio técnico

La idea central de Plasma:

• Ejecución off-chain: la mayor parte del trabajo se realiza fuera de la cadena principal
• Compromiso de estado: almacenar una versión comprimida del estado de la cadena Plasma utilizando Merkle Root.
• Mecanismo de salida: el usuario debe demostrar a la cadena principal que tiene fondos extraíbles y que la cantidad es correcta.

Uso del proceso:

1. El usuario deposita fondos en el contrato Plasma de la red principal.
2. El usuario realiza transacciones en la cadena Plasma
3. El operador empaqueta la transacción y envía el compromiso de estado a la red principal
4. El usuario inicia una solicitud de retiro, después del período de desafío puede retirar fondos.

3.3.4 Ventajas y desventajas

Ventajas:

• Alta capacidad de procesamiento
• Bajos costos de transacción
• Heredar la seguridad de la red principal

Desventajas:

• Mecanismo de salida complejo
• Problemas de disponibilidad de datos
• Los usuarios deben monitorear con frecuencia
• Funcionalidad limitada

3.3.5 Aplicación

Aplicaciones principales:

• Plasma Group → Optimism(Optimistic Rollup)
• OMG Network → Boba Network(Rollup Optimista)
• Polygon(anteriormente Matic Network) → Solución L2 de pila completa

Resumen: Plasma es una solución técnica de transición, limitada por los problemas inherentes a la tecnología, y la mayoría de las aplicaciones se han dirigido rápidamente al desarrollo de soluciones basadas en Rollups.

3.4 Rollups

3.4.1 Resumen

La idea central de los Rollups es realizar el proceso de cálculo y el almacenamiento del estado off-chain, mientras se almacenan los compromisos de estado y los datos de transacciones comprimidos en la cadena principal.

Los rollups se dividen en dos tipos:

• Optimistic Rollups: garantiza la corrección a través de pruebas de fraude
• ZK Rollups: A través de pruebas efectivas ( pruebas de conocimiento cero ) garantizan la corrección.

3.4.2 Principios técnicos

Mecanismo central:

• Máquina virtual off-chain para ejecutar transacciones y almacenar estados
• Subir los datos de transacción comprimidos y la raíz de estado al contrato de la cadena principal