Profundidad de análisis de la expansión off-chain

1. La necesidad de la expansión

El futuro de la blockchain es la descentralización, la seguridad y la escalabilidad. Pero generalmente, la blockchain solo puede lograr dos de ellos, conocido como el problema del triángulo imposible de la blockchain. Durante años, la gente ha 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 la escalabilidad.

Definamos primero la descentralización, la seguridad y la escalabilidad de la cadena de bloques:

• Descentralización: cualquiera puede convertirse en un nodo para participar en el 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 blockchain, mayor será la seguridad.
• Escalabilidad: la capacidad de la cadena de bloques 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, el sistema de cliente de 8MB desarrollado de forma independiente por Bitcoin ABC comenzó a funcionar, 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 eligió sacrificar una parte de la escalabilidad para garantizar la seguridad y la descentralización de la red. Desde CryptoKitties en 2017, hasta el verano de DeFi, y luego el auge de aplicaciones en cadena como GameFi y NFT, la demanda del mercado por el rendimiento ha ido en aumento, pero Ethereum solo puede procesar entre 15 y 45 transacciones por segundo. Esto ha llevado a un aumento en los costos de transacción y a un tiempo de liquidación más largo, lo que dificulta que la mayoría de las Dapps puedan soportar los costos operativos; toda la red se ha vuelto lenta y cara para los usuarios, y el problema de la escalabilidad de blockchain necesita ser resuelto urgentemente.

2. Tipos de soluciones de escalado

Dividimos las soluciones de escalado en dos categorías principales: escalado en cadena y escalado off-chain, basándonos en el criterio de "si se cambia o no la 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, la principal solución actual es el sharding.

La escalabilidad en cadena tiene varias soluciones, este artículo no se desarrollará, solo se enumerarán brevemente dos:

• Ampliar el espacio del bloque, es decir, aumentar la cantidad de transacciones empaquetadas en cada bloque, pero esto disminuirá el grado de "descentralización".
• Fragmentación, dividir el libro mayor de la blockchain en varias partes, donde diferentes nodos son responsables de diferentes registros, puede reducir la presión de cálculo de los nodos, pero disminuirá la "seguridad" de toda la red.

Cambiar el protocolo principal de la red puede tener consecuencias negativas 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 altera el protocolo de la capa principal existente.

Las soluciones de escalado off-chain se pueden dividir en Layer2 y otros planes:

• Layer2:
  • Canales Estatales
  • Plasma
  • Rollups(Rollups optimistas, Rollups ZK)
• Otros:
  • Sidechains
  • Validium

3. Profundidad de la expansión off-chain

Canales de Estado 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 el tiempo y el costo monetario de las transacciones, y lograr 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 entre dos personas. Cada canal es gestionado por un contrato inteligente multi-firma que se ejecuta en la cadena principal, el cual 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: Joseph Poon y Thaddeus Dryja publicaron 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, llamada Sprites.
• 2018/06: Counterfactual propuso el diseño de Canales de Estado Generalizados.
• 2018/10: Se proponen los conceptos de State Channel Networks y Virtual Channels.
• 2019/02: Los canales de estado se expanden a N-Party Channels, Nitro es el primer protocolo basado en esta idea.
• 2019/10: Pisa amplió 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 State Channels:

1. Alice y Bob desplegaron un contrato multi-firma en la red principal y depositaron fondos para su bloqueo.
2. Alice y Bob realizan múltiples transacciones off-chain, y cada transacción es confirmada con la firma de ambas partes.
3. Al cerrar el canal, Alice presenta el estado final al contrato. Si Bob firma para aprobar, el contrato distribuye los fondos según el estado final. Si Bob no responde, debe esperar a que termine el período de desafío para recibir los fondos.

3.1.4 Ventajas y desventajas

Ventajas:

• Finalidad instantánea
• Baja comisión de transacción
• Alta privacidad

Desventajas:

• El costo de inicialización del canal es alto
• Los participantes necesitan estar en línea de manera continua
• La liquidez de los fondos bloqueados es deficiente
• Difícil de aplicar en escenarios generales

3.1.5 Aplicación

1. Red Lightning de Bitcoin

   • Resumen: un canal de pagos de bajo valor en la red de Bitcoin, que forma una red de transacciones a través de canales de pagos de bajo valor off-chain y intermediarios.
   • Línea de tiempo: Propuesto en 2015, lanzada la versión principal en 2018, en 2022 varias bolsas apoyan la red Lightning.
   • Ecología: ya hay más de 20 categorías y más de 100 aplicaciones, incluyendo pagos, billeteras, gestión de nodos, etc.

2. Red relámpago de Ethereum

   • Resumen: Canal de micropagos basado en Ethereum, similar a la red Lightning.
   • Línea de tiempo: Fundado en 2017, se lanzó el primer Light Client en 2020.
   • Desarrollo obstaculizado: la alta barrera de entrada y la aparición de tecnologías de escalado más avanzadas han llevado a que no se adopte ampliamente.

3. Celer Network

   • Resumen: Aumentar la capa de incentivos de la red Lightning, adecuada para aplicaciones de interacción de alta frecuencia como las plataformas de deportes electrónicos.
   • Línea de tiempo: fundado en 2018, lanzamiento de la mainnet en 2019.
   • Ecología: Se han lanzado el protocolo DeFi Layer2.finance, el protocolo de cadena cruzada Celer IM y el puente de activos cBridge.

3.1.6 Comparación de aplicaciones

La red Lightning de Bitcoin, la red Lightning de Ethereum y Celer Network tienen características distintas en términos de funcionalidad, seguridad y grado de descentralización, adecuándose a diferentes escenarios.

3.2 Cadenas laterales

3.2.1 Resumen

Las cadenas laterales son una forma de blockchain que aparece para acelerar las transacciones de la cadena principal, permitiendo el uso de contratos más complejos o mejorando el mecanismo de consenso. Las cadenas laterales están adjuntas a la cadena principal y ayudan a resolver problemas de la infraestructura de la cadena principal.

3.2.2 Línea de tiempo

• 2012/01: Se propone por primera vez el concepto de cadenas laterales de Bitcoin.
• 2014/10: Publicación del documento sobre cadenas laterales de Bitcoin
• 2017-2022: Varios proyectos de cadenas laterales se lanzaron uno tras otro, como POA Network, Matic Network( que luego cambió su nombre a Polygon), xDai Chain, etc.

3.2.3 Principios técnicos

Las cadenas laterales tienen principalmente dos tecnologías de interoperabilidad:

1. Symmetric Pegged( doble anclaje):

   • Los validadores de la cadena principal y de la cadena lateral registran en tiempo real el estado actual del otro.
   • Utilizar tecnología SPV bidireccional para la transmisión de información
   • La transferencia de activos de la cadena principal a la cadena lateral genera una salida bloqueada por SPV, que solo los validadores de la cadena lateral pueden desbloquear.

2. Asimétrico Pegado( no coordinado anclaje):

   • Los validadores de cadenas laterales monitorean la actividad de la cadena principal y pueden registrar proactivamente las transacciones de la cadena principal a la cadena lateral.
   • Las transacciones de la cadena lateral a la cadena principal deben introducir el mecanismo de Certificadores, que verifica y firma por los Certificadores.

3.2.4 Ventajas y desventajas

Ventajas:

• Se pueden realizar transacciones rápidas y con bajas comisiones
• Se puede realizar la completitud de Turing
• Mecanismo de consenso personalizable

Desventajas:

• La seguridad depende de los validadores de la cadena lateral
• La transferencia de activos de la cadena lateral principal requiere tiempo de espera
• Grado de descentralización bajo

3.2.5 Aplicación

1. xDai( ahora Gnosis Chain)

   • Resumen: Cadena lateral basada en DAI, fácil de calcular las tarifas de transacción
   • Línea de tiempo: lanzado en 2018, se fusionó con Gnosis en 2022
   • Ecología: en el ranking de DeFi Llama ocupa el puesto 20, TVL aproximadamente 53mil dólares

2. Polygon

   • Resumen: Agregador de soluciones de escalabilidad de Ethereum
   • Línea de tiempo: Fundada en 2017, lanzamiento de la mainnet en 2020, renombrada como Polygon en 2021
   • Ecología: cuenta con 37k+Dapp, 1.8B de transacciones totales y más de 135M de usuarios

3. Ronin

   • Resumen: Cadena lateral desarrollada para el juego Axie Infinity
   • Línea de tiempo: Lanzamiento de la mainnet en marzo de 2021, ataque de hackers en marzo de 2022
   • Ecología: sirve principalmente a las aplicaciones relacionadas con Axie Infinity

3.2.6 Comparación de aplicaciones

xDai, Polygon y Ronin tienen diferentes características técnicas, escenarios de aplicación y desarrollo ecológico, y son adecuados para diferentes necesidades de uso.

3.3 Plasma

3.3.1 Resumen

Plasma es un marco para construir Dapps escalables, diseñado para minimizar la confianza del usuario en los operadores de cadenas laterales. Incluso si el operador actúa mal, Plasma puede evitar que se roben 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: Presentación de Plasma Prime
• Desde 2019: la comunidad de Ethereum comenzó a explorar nuevas soluciones de escalado de segunda capa "Rollups"

3.3.3 Principios técnicos

Plasma idea central:

• Ejecución off-chain: la mayor parte del trabajo se procesa fuera de la cadena principal
• Compromiso de estado: El operador publica regularmente la raíz de Merkle en la red principal como compromiso de estado.
• Mecanismo de salida: los usuarios pueden enviar pruebas Merkle para demostrar la propiedad de los fondos.

Uso del proceso:

1. Los usuarios depositan fondos en el contrato de 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. El usuario inicia una solicitud de salida y puede retirar fondos después del período de desafío.

3.3.4 Ventajas y desventajas

Ventajas:

• Alta capacidad de procesamiento
• Bajas tarifas de transacción
• Heredar la seguridad de la red principal

Desventajas:

• Tiempo de salida largo
• Los usuarios deben monitorear continuamente la cadena Plasma
• Problema de retiro masivo
• Problemas de disponibilidad de datos

3.3.5 Aplicación

1. Plasma Group → Optimismo

   • En 2019, se comenzó a investigar Optimistic Rollup

2. OMG Network → Boba Network

   • Lanzamiento de la red principal en 2020, utilizando tecnología More Viable Plasma
   • Renombrado a Boba Network en 2021, con un enfoque en Optimistic Rollup

3. Polygon

   • Cadena Matic Plasma lanzada en 2020
   • Solución L2 de pila completa, que incluye la tecnología de Rollups

3.3.6 Resumen

Plasma es una solución técnica de transición, cuyas aplicaciones principales se han trasladado a otras tecnologías de escalabilidad como Rollups.

3.4 Rollups

3.4.1 Resumen

La idea central de los Rollups es realizar el proceso de cálculo y almacenamiento de estado off-chain, mientras que lo que se sube a la cadena son los compromisos de estado y los datos de transacción comprimidos. Actualmente, se dividen principalmente en dos tipos: Optimistic Rollups y ZK Rollups.

3.4.2 Principios técnicos

Roll