Profundidad del análisis de la expansión off-chain

1. La necesidad de la escalabilidad

La visión futura de la blockchain es lograr descentralización, seguridad y escalabilidad, pero a menudo solo se pueden cumplir dos de estos al mismo tiempo, 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 la escalabilidad, que es uno de los temas candentes en el desarrollo actual de la blockchain.

Definición de descentralización, seguridad y escalabilidad:

• Descentralización: Cualquiera puede convertirse en un nodo y participar en el sistema blockchain. Cuantos más nodos haya, mayor será el grado de descentralización, asegurando que la red no esté controlada por unos pocos grandes participantes centralizados.

• Seguridad: Cuanto mayor sea el costo de obtener el control del sistema blockchain, mayor será la seguridad, y la cadena podrá resistir ataques de una proporción mayor de participantes.

• Escalabilidad: la capacidad de la blockchain para procesar grandes volúmenes de transacciones.

La primera bifurcación dura significativa de la red Bitcoin surgió del problema de escalabilidad. A medida que aumentaba el número de usuarios y el volumen de transacciones, la red Bitcoin con un límite de bloque de 1MB comenzó a enfrentar congestión. Desde 2015, la comunidad de Bitcoin ha tenido desacuerdos sobre el problema de escalabilidad; una parte apoya la ampliación del bloque, mientras que la otra apoya la utilización de la solución de SegWit para optimizar la estructura de la cadena principal. El 1 de agosto de 2017, la parte que apoyaba bloques grandes desarrolló y comenzó a operar un sistema de cliente de 8MB, lo que provocó la primera bifurcación dura significativa de Bitcoin, dando lugar a la nueva criptomoneda BCH.

De manera similar, la red de Ethereum también elige sacrificar parte de la escalabilidad para garantizar la seguridad y la descentralización de la red, limitando el volumen de transacciones mediante un límite en la tarifa de combustible que puede contener un solo bloque. El objetivo es lograr un consenso sin confianza y garantizar una amplia distribución de nodos.

Desde CryptoKitties en 2017, hasta el auge de aplicaciones en cadena como DeFi summer, GameFi y NFT, la demanda de capacidad de procesamiento en el mercado ha ido en aumento. Sin embargo, Ethereum solo puede procesar de 15 a 45 transacciones por segundo, lo que lleva a un aumento en los costos de transacción, un tiempo de liquidación más largo y hace que la mayoría de las DApps no puedan soportar los costos operativos, haciendo que toda la red sea lenta y cara para los usuarios. El problema de la escalabilidad de la blockchain necesita ser resuelto urgentemente. La solución ideal de escalabilidad es: aumentar la velocidad de transacción y la profundida de la red blockchain tanto como sea posible sin sacrificar la descentralización y la seguridad.

2. Categorías de soluciones de escalabilidad

Hemos clasificado las soluciones de escalado en dos grandes categorías: escalado en cadena y escalado off-chain, basándonos en el criterio de "si se cambia una capa de la red principal".

2.1 Escalado en cadena

Concepto clave: solución que logra el efecto de escalabilidad al modificar un nivel del protocolo de la red principal, la principal solución actual es el sharding.

La escalabilidad en cadena tiene varias soluciones, este artículo no se detendrá en ello, solo enumeraré brevemente dos soluciones:

• La opción uno es ampliar el espacio del bloque, es decir, aumentar la cantidad de transacciones empaquetadas en cada bloque, pero esto aumentará los requisitos de los dispositivos de nodo, elevará la barrera de entrada y disminuirá el grado de descentralización.

• La opción dos es el sharding, que divide el libro mayor 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 sobre los nodos y el umbral de entrada, aumentar la velocidad de las transacciones y el grado de descentralización; pero significa que la potencia de cálculo de toda la red se dispersa, lo que reducirá la seguridad de toda la red.

Cambiar el protocolo de la capa principal de la red puede tener efectos negativos impredecibles, ya que cualquier pequeño fallo en la capa subyacente puede amenazar gravemente la seguridad de toda la red, lo que podría obligar a la red a bifurcarse o interrumpir la actualización de la reparación. Por ejemplo, el incidente de la vulnerabilidad de inflación de Zcash en 2018: su código subyacente tenía una vulnerabilidad crítica que permitía la emisión ilimitada de tokens; el equipo tardó 8 meses en reparar en secreto, y solo después de la reparación se hizo pública esta situación.

2.2 off-chain expansión

Concepto clave: solución de escalado que no modifica el protocolo de la red principal de capa uno existente.

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

• Layer2: Canales de Estado, Sidechains, Plasma, Rollups
• Otros: Validium

3. Profundidad de la expansión off-chain

Canales de Estado 3.1

3.1.1 Resumen

Los canales de estado estipulan que los usuarios solo necesitan interactuar con la red principal al abrir, cerrar o resolver disputas en el canal, realizando las interacciones entre usuarios off-chain para reducir el tiempo y costo 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 opera 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. Después de implementar el contrato, los participantes depositan y bloquean fondos, y una vez que ambas partes firman para confirmar, el canal se abre oficialmente. El canal permite a los participantes realizar transacciones off-chain gratuitas sin límite de veces ( siempre que el valor neto de la transferencia no supere el total depositado ). Los participantes envían actualizaciones de estado alternadamente al otro y esperan la firma de confirmación. Una vez que el otro participante firma para confirmar, esta actualización de estado se considera completada. Normalmente, las actualizaciones de estado acordadas por ambas partes no se suben a la cadena principal, solo se depende de la confirmación de la cadena principal en caso de disputas o al cerrar el canal. Al cerrar el canal, cualquiera de los participantes puede presentar una solicitud de transacción en la cadena principal y, si se aprueba con la firma de todos, se ejecuta de inmediato; de lo contrario, debe esperar a que termine el "período de desafío" para recibir los fondos restantes.

En resumen, la solución de canales de estado puede reducir significativamente la carga computacional de la red principal, aumentar la velocidad de las transacciones y disminuir los costos de transacción.

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, proponiendo que el Payment Channel de Bitcoin es un subcaso de State Channel.

• 2016/01: Joseph Poon y Thaddeus Dryja publican oficialmente el documento técnico "The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments" que propone el esquema de escalabilidad del Bitcoin Lightning Network, Payment Channel, que se utiliza únicamente para procesar pagos de transferencia en la red 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 Canales de Estado Generalizados, este es el primer diseño completamente relacionado con canales de estado.

• 2018/10: El artículo Generalised State Channel Networks presenta los conceptos de State Channel Networks y Virtual Channels.

• 2019/02: El concepto de canales de estado se amplía a N-Party Channels, Nitro es el primer protocolo construido 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 Principio técnico

Flujo de trabajo tradicional en la cadena: Alice y Bob interactúan con un contrato inteligente desplegado en la red principal, y el usuario cambia el estado del contrato inteligente enviando transacciones a la cadena. La desventaja es que conlleva problemas de tiempo y costos.

Flujo de trabajo del canal de estado:

1. Alice y Bob depositan fondos desde sus EOA personales a la dirección del contrato en la cadena, los fondos quedan bloqueados en el contrato hasta que se cierre el canal y se devuelvan a los usuarios; después de la confirmación de la firma de ambos, el canal de estado se abre oficialmente.

2. Alice y Bob pueden realizar transacciones ilimitadas off-chain, comunicándose entre sí mediante mensajes firmados criptográficamente. Ambas partes deben firmar cada transacción para prevenir el doble gasto malicioso. A través de estos mensajes, proponen actualizaciones del estado de sus cuentas y aceptan las actualizaciones de estado propuestas por el otro.

3. Si Alice quiere cerrar el canal, debe enviar el estado final de su cuenta al contrato. Si Bob firma para aprobarlo, el contrato liberará los fondos bloqueados de acuerdo con el estado final y los devolverá al usuario correspondiente. Si Bob no responde a la firma, el contrato liberará los fondos bloqueados y los devolverá al usuario correspondiente después de que finalice el período de desafío.

Flujo de trabajo en caso de pesimismo:

1. Dos participantes depositan fondos y comienzan a intercambiar actualizaciones de estado.

2. Supongamos que en algún momento Bob no responde a la firma de actualización de estado enviada por Alice. Alice puede presentar su última estado válido al contrato para iniciar un desafío, y este estado incluye la firma anterior de Bob.

3. El contrato permite a Bob presentar la siguiente respuesta de estado durante un período de tiempo; si Bob responde, ambos pueden continuar negociando; si Bob no responde, el contrato cierra automáticamente el canal de estado y devuelve los fondos a Alice.

3.1.4 Ventajas y desventajas

Ventajas:

• Inmediatez: las transacciones se pueden completar de inmediato, sin necesidad de esperar la confirmación de bloques.
• Privacidad: solo se necesita realizar operaciones en la cadena para abrir y cerrar, todas las demás transacciones se completan off-chain.
• Escalabilidad: la cantidad de transacciones off-chain no tiene límite
• Bajo costo: solo se necesita pagar la tarifa de gas al abrir y cerrar el canal.

Desventajas:

• Bloqueo de fondos: se requiere bloquear una cierta cantidad de fondos en el canal
• En línea de forma continua: los participantes deben permanecer en línea para responder al estado más reciente.
• Interacción limitada entre múltiples partes: solo aplicable entre participantes predefinidos
• Complejidad de la red de canales: los fondos necesitan encontrar un camino que conecte a ambas partes.
• No es adecuado para cálculos complejos: solo es adecuado para escenarios de interacción simples y frecuentes.

3.1.5 Aplicación

Red Lightning de Bitcoin

Resumen: La red Lightning es un canal de pagos de bajo valor en la red Bitcoin, cuya evolución técnica ha pasado por: la construcción de un canal de pago unidireccional con un 2/2 multisig, la posibilidad de construir un canal de pago bidireccional al agregar RSMC, y la conexión de canales de pago a través de HTLC para extender los pagos a múltiples partes, y finalmente construir una red de pagos. Mediante canales de pagos de bajo valor off-chain, y luego utilizando intermediarios para formar una red de transacciones, se puede resolver el problema de escalabilidad de la red Bitcoin. Usando un proceso que sigue "depósito ( establecer canal ) → transacción de la red Lightning ( actualizar estado del canal ) → reembolso/ajuste ( cerrar canal )", teóricamente se pueden procesar un millón de transacciones por segundo.

Línea de tiempo:

• Febrero de 2015: Joseph Poon y Thaddeus Dryja publican el borrador del libro blanco de la red Lightning.
• Enero de 2016: se publicó la versión oficial del libro blanco y se fundó Lightning Labs
• 15 de marzo de 2018: Lightning Labs lanzó la primera versión de la red principal LND 0.4
• A principios de 2021: capacidad pública de aproximadamente 40 millones de dólares, alrededor de 100,000 usuarios usando
• Junio de 2021: El Salvador adoptó Bitcoin como moneda de curso legal, en septiembre lanzó la billetera Chivo basada en la red Lightning.
• 2022: Cash App y 26 plataformas de intercambio de criptomonedas anunciaron soporte para la red Lightning
• Octubre de 2022: Lightning Labs lanzó la versión alpha del protocolo Taro basado en Taproot (.
• 23 de noviembre de 2022: la red Lightning tiene un total de 76,236 canales de pago, con fondos de canal de 5049 BTC)$81.8M(

Desarrollo ecológico: El ecosistema de la red Lightning va de abajo hacia arriba: la red BTC de base --- infraestructura fundamental --- diversas Dapps.

La infraestructura básica central incluye:

• Soluciones de red Lightning: programas de software que permiten a individuos y empresas operar y conectar a la red Lightning, siendo Lightning Labs el que tiene la mayor cuota de mercado.
• Nodo y servicios de liquidez: proporciona una interfaz amigable para el usuario, que ayuda a gestionar los canales de pago relámpago.

Sobre la infraestructura básica central se encuentran varios servicios de pago y financieros, así como aplicaciones como Strike que permiten comprar y vender BTC, las propinas de Twitter y los comerciantes de Shopify que aceptan BTC, entre otros.

Hasta noviembre de 2022, las Dapps basadas en la red Lightning han aumentado a más de 20 categorías y más de 100 aplicaciones, incluyendo pagos, billeteras, gestión de nodos, extensiones de navegador, podcasts y streaming, entre otros. Actualmente, la capa tecnológica básica relacionada con la infraestructura de nodos ha madurado en gran medida, el soporte para billeteras está en aumento, los servicios financieros y la integración de pagos continúan creciendo, más aplicaciones de entretenimiento están en desarrollo, y el ecosistema está floreciendo.

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Red relámpago de Ethereum

Resumen: La red Lightning es un canal de pago de bajo monto basado en Ethereum, muy similar a la red Lightning, que amplía las transacciones en cadena mediante el establecimiento de canales de estado, con el objetivo de lograr pagos de tokens ERC20 casi instantáneos, de bajo costo y escalables en Ethereum.

Línea de tiempo:

• 2017