Profundidad de análisis de la expansión off-chain

1. La necesidad de la expansión

La visión futura de la blockchain es lograr descentralización, seguridad y escalabilidad, pero normalmente solo se pueden satisfacer dos de ellas a la vez, lo que se conoce como el problema del triángulo imposible de la blockchain. Durante años, las personas han estado explorando cómo mejorar 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 la escalabilidad.

La descentralización, la seguridad y la escalabilidad de la blockchain se definen de la siguiente manera:

• Descentralización: Cualquiera puede participar en la producción y verificación del sistema de blockchain, cuántos 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, pudiendo resistir una mayor proporción de ataques.
• Escalabilidad: la capacidad de la cadena de bloques para procesar grandes cantidades de transacciones.

Las redes de Bitcoin y Ethereum han optado por sacrificar una parte de la escalabilidad para garantizar la seguridad y la descentralización de la red. Sin embargo, con el auge de las aplicaciones on-chain, la demanda del mercado por capacidad de transacción sigue aumentando, lo que provoca un incremento en los costos de transacción y un alargamiento del tiempo de liquidación, dificultando que la mayoría de los DApps soporten los costos operativos. La solución de escalabilidad ideal sería: aumentar la velocidad de transacción y la capacidad de la red blockchain sin sacrificar la descentralización y la seguridad.

2. Tipos de esquemas de escalabilidad

Las soluciones de escalado se pueden clasificar en dos grandes categorías: escalado en cadena y escalado off-chain, según "si se cambia una capa de la red principal".

2.1 Escalabilidad en cadena

Concepto clave: solución para lograr un efecto de escalabilidad mediante la modificación de una capa del protocolo de la cadena principal, la solución principal actual es el sharding.

Las principales soluciones para la escalabilidad en cadena incluyen:

1. Ampliar el espacio del bloque, aumentar la cantidad de transacciones empaquetadas en cada bloque, pero esto aumentará los requisitos de los nodos y reducirá el grado de descentralización.

2. Fragmentación, dividir el libro mayor de la cadena de bloques en varias partes, donde diferentes nodos son responsables de diferentes contabilidades, puede reducir la presión sobre los nodos, mejorar la velocidad de procesamiento de transacciones y el grado de descentralización, pero puede reducir la seguridad de toda la red.

Cambiar el protocolo de la capa principal de la red 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 altera el protocolo de la red principal de capa uno existente.

La solución de escalado off-chain se puede dividir en Layer2 y otras soluciones:

• Layer2: incluye canales de estado, cadenas laterales, Plasma, Rollups, etc.
• Otras soluciones: incluyendo Validium, entre otros.

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, llevando las interacciones entre usuarios off-chain, reduciendo así el tiempo y el costo de las transacciones, y permitiendo que el número de transacciones no tenga límites.

El canal de estado es un protocolo P2P simple, adecuado para "aplicaciones basadas en turnos", como juegos de ajedrez entre dos personas. Cada canal es gestionado por un contrato inteligente multifirma que se ejecuta 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 un 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 presentó 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 los conceptos de State Channel Networks y Virtual Channels.
• 2019/02: El concepto de canales de estado se amplía a los N-Party Channels, Nitro es el primer protocolo construido sobre esta idea.
• 2019/10: Pisa amplía el concepto de Watchtowers para resolver 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

El flujo de trabajo del canal de estado es el siguiente:

1. El usuario deposita fondos en el contrato inteligente de la red principal para abrir el canal.
2. Los usuarios pueden realizar transacciones ilimitadas off-chain y comunicarse entre sí mediante mensajes firmados.
3. Al cerrar el canal, el usuario presenta el estado final al contrato. Si ambas partes firman y confirman, el contrato distribuye los fondos según el estado final; si hay disputas, se debe esperar a que termine el período de desafío.

3.1.4 Ventajas y desventajas

Ventajas:

• Confirmación instantánea
• Bajas tarifas
• Alta privacidad
• Apto para transacciones pequeñas frecuentes

Desventajas:

• Es necesario bloquear fondos por adelantado
• No aplicable para transacciones multiparte
• Los participantes deben estar en línea de forma continua.
• Se debe esperar el período de desafío al cerrar el canal.

3.1.5 Aplicación

Las principales aplicaciones incluyen:

1. Red Lightning de Bitcoin: un canal de pagos de bajo monto en la red de Bitcoin que permite transacciones rápidas y de bajo costo.

2. Red relámpago de Ethereum: un canal de pagos de bajo monto basado en Ethereum, cuyo objetivo es lograr pagos de tokens ERC20 instantáneos, de bajo costo y escalables.

3. Celer Network: Aumenta la capa de incentivos de la red relámpago, adecuada para DApps de tipo de interacción de alta frecuencia.

3.1.6 Comparación de aplicaciones

La red Lightning de Bitcoin, la red Raiden de Ethereum y Celer Network presentan ciertas diferencias en la implementación técnica, los escenarios de aplicación y el desarrollo del ecosistema. La red Lightning de Bitcoin se utiliza principalmente para pagos en Bitcoin, la red Raiden se utiliza para pagos de tokens de Ethereum, mientras que Celer Network tiene un alcance más amplio.

3.2 Sidechains

3.2.1 Resumen

Las cadenas laterales son una forma de blockchain que surgió para acelerar las transacciones de la cadena principal, y 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 de los validadores de la cadena principal.

3.2.2 Línea de tiempo

• 2012/01: Se propuso el concepto de cadenas laterales de Bitcoin en el chat
• 2014/10: Publicación del documento sobre la cadena lateral de Bitcoin
• 2017/04: Lanzamiento de la red de prueba de POA Network
• 2017/10: Se lanza Matic Network
• 2017/12: Lanzamiento de la red principal de POA Network
• 2018/01: Lanzamiento de la red de prueba de Skales
• 2018/10: Lanzamiento de la red de prueba xDai Chain
• 2020/06: Lanzamiento de Skale en la mainnet
• 2020/06: Lanzamiento de la mainnet de Matic PoS Chain, una sidechain de Ethereum
• 2021/02: Matic Network cambió su nombre a Polygon Network
• 2021/02: La cadena lateral del juego Axie Infinity, la red principal Ronin, está en funcionamiento.
• 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 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 la información de los encabezados de bloque entre sí.

2. Anclaje no coordinado ( Asymmetric Pegged ): los validadores de la cadena lateral monitorean la actividad de la cadena principal, pero la cadena principal no registra la información de la cadena lateral. Se debe introducir el mecanismo de Certificadores para validar las transacciones devueltas por la cadena lateral.

Resumen del mecanismo de cadena lateral:

• Activos desde la cadena principal a la cadena lateral: la cadena principal bloquea los activos, la cadena lateral genera activos empaquetados.
• Activos de la sidechain a la cadena principal: la sidechain destruye los activos empaquetados, la cadena principal desbloquea los activos

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:

• Mayor capacidad de transacciones
• Menores tarifas de transacción
• Escenarios de aplicación flexibles
• No afecta la seguridad de la cadena principal

Desventajas:

• Suposición de confianza adicional
• Los puentes entre cadenas pueden tener vulnerabilidades de seguridad
• Liquidez dispersa

3.2.5 Aplicación

Las principales aplicaciones incluyen:

1. xDai( ahora Gnosis Chain): utiliza $xDai como tarifa de transacción, adoptando el mecanismo de consenso PoSDAO.

2. Polygon: Agregador de soluciones de escalado de Ethereum, que ofrece cadenas laterales PoS y Plasma.

3. Ronin: una cadena lateral desarrollada para el juego Axie Infinity, que utiliza el mecanismo de consenso PoA.

3.2.6 Comparación de aplicaciones

xDai, Polygon y Ronin presentan diferencias en mecanismos de consenso, casos de uso y desarrollo ecológico. xDai se utiliza principalmente para pagos, Polygon es una solución de escalado multifuncional, y Ronin se centra en aplicaciones de juegos.

3.3 Plasma

3.3.1 Resumen

Plasma es un marco para construir DApps escalables, diseñado para reducir al mínimo la confianza de los usuarios en el operador de la cadena lateral. Incluso si el operador actúa mal, Plasma puede prevenir el robo de los fondos de los usuarios.

3.3.2 Línea de tiempo

• 2017/08: Vitalik y Joseph Poon presentaron el libro blanco de Plasma
• 2018/01: Se presentó Plasma MVP
• 2018/03: Se propuso Plasma Cash
• 2018/06: se propuso Plasma Debit
• 2018/11: Se propone Plasma Prime
• A partir de 2019: la comunidad de Ethereum comenzó a explorar soluciones de Rollups

3.3.3 Principios técnicos

La idea central de Plasma:

• Ejecución off-chain: La mayor parte del trabajo se procesa fuera de la red principal.
• Compromiso de estado: El operador envía periódicamente la raíz de Merkle en la red principal
• Mecanismo de salida: los usuarios pueden retirar fondos a través de Merkle Proof

Proceso principal de Plasma:

1. El usuario deposita fondos en la red principal
2. El usuario realiza transacciones en la cadena Plasma
3. El operador empaqueta la transacción y envía la raíz de Merkle a la red principal.
4. Los usuarios pueden salir de la cadena Plasma a través de la Prueba de Merkle

3.3.4 Ventajas y desventajas

Ventajas:

• Alta capacidad de procesamiento
• Baja comisión por transacción
• Heredar la seguridad de la mainnet

Desventajas:

• Mecanismo de salida complejo
• Problemas de disponibilidad de datos
• La salida masiva puede causar congestión
• Funciones limitadas de contrato inteligente

3.3.5 Aplicación

Las principales aplicaciones incluyen:

1. Plasma Group: se transformó en Optimism, centrado en la investigación de Optimistic Rollup.

2. OMG Network: posteriormente renombrado como Boba Network, se dirige hacia la solución Optimistic Rollup

3. Polygon: proporciona la cadena Plasma, con un enfoque posterior en la tecnología Rollup

3.3.6 Resumen

Plasma es una solución tecnológica transitoria, limitada por la tecnología, que no se ha aplicado ampliamente. La mayoría de los proyectos se han vuelto hacia la solución Rollup.

3.4 Rollups

3.4.1 Resumen

La idea central de los Rollups es realizar cálculos y almacenar el estado off-chain, mientras que en la cadena se almacenan los compromisos de estado y los datos de transacciones comprimidos. Se dividen principalmente en dos categorías: Optimistic Rollups y ZK Rollups.

3.4.2 Principios técnicos

Características técnicas principales de los Rollups:

• Máquina virtual off-chain: completar cálculos de transacciones y cambios de estado
• Compresión de transacciones: reducir la cantidad de datos almacenados en la cadena
• Compromiso de estado: enviar periódicamente la raíz de estado en la red principal
• Disponibilidad de datos: los datos de las transacciones se almacenan en calldata de la cadena principal.

Coste de transacción de Rollups = Coste de almacenamiento de datos L1 + Coste de procesamiento L2

3.4.3 Ventajas y desventajas

Ventajas:

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

Desventajas:

• Retraso en el retiro