Informe de investigación en profundidad: Análisis completo de la expansión off-chain

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

1. La necesidad de la expansión

El futuro de la blockchain es una visión grandiosa: descentralización, seguridad y escalabilidad; pero generalmente la blockchain solo puede lograr dos de estos aspectos, y satisfacer estos tres requisitos se conoce como el problema del triángulo imposible de la blockchain. Durante años, las personas han estado explorando cómo resolver este dilema, cómo mejorar 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 discutidos en el proceso de desarrollo actual de la blockchain.

Definamos primero de manera general la descentralización, la seguridad y la escalabilidad de la blockchain:

• Descentralización: cualquier persona puede convertirse en un nodo para participar en la producción y verificación del sistema blockchain; cuanto mayor sea el número de nodos, mayor será el grado de descentralización, asegurando así que la red no esté controlada por un pequeño grupo de grandes participantes centralizados.
• Seguridad: Cuanto mayor sea el costo para obtener el control del sistema de blockchain, mayor será la seguridad, lo que permite que la cadena resista ataques de un mayor porcentaje de participantes.
• Escalabilidad: la capacidad de la blockchain para procesar grandes volúmenes de transacciones.

La primera bifurcación dura significativa de la red Bitcoin surgió debido a problemas de escalabilidad. A medida que aumentaba el número de usuarios y el volumen de transacciones de Bitcoin, la red comenzó a enfrentar problemas de congestión debido al límite de 1MB por bloque; desde 2015, la comunidad de Bitcoin ha tenido desacuerdos sobre el problema de escalabilidad, donde una parte, representada por Bitcoin ABC, apoya la ampliación del bloque, y la otra parte, representada por Bitcoin Core, favorece los bloques más pequeños y propone optimizar la estructura de la cadena principal utilizando la solución de Testigo Segregado (Segwit). El 1 de agosto de 2017, Bitcoin ABC puso en funcionamiento un sistema cliente desarrollado hasta 8MB, lo que llevó a la aparición de la primera bifurcación dura significativa en la historia de Bitcoin, y a partir de esto nació la nueva criptomoneda BCH.

Igualmente, la red de Ethereum también ha optado por sacrificar parte de la escalabilidad para garantizar la seguridad y la descentralización de la red; aunque la red de Ethereum no ha limitado el volumen de transacciones como lo ha hecho la red de Bitcoin a través de la restricción del tamaño de bloque, sino que ha cambiado de manera indirecta a establecer un límite en la tarifa de combustible que puede contener un solo bloque, el objetivo sigue siendo lograr un consenso sin confianza y asegurar una distribución amplia de nodos. Tanto si se elimina como si se aumenta el límite, se eliminarán muchos nodos más pequeños que carecen de ancho de banda, almacenamiento y capacidad de cálculo suficientes.

Desde CryptoKitties en 2017, el verano de DeFi, y luego el surgimiento de aplicaciones en cadena como GameFi y NFT, la demanda del mercado por capacidad de procesamiento ha aumentado continuamente. Sin embargo, incluso Ethereum, que es Turing completo, solo puede procesar entre 15 y 45 transacciones por segundo ( TPS ), lo que ha llevado a un aumento constante en los costos de transacción, tiempos de liquidación más largos y la mayoría de las Dapps tienen dificultades para soportar los costos operativos. La red completa se ha vuelto lenta y cara para los usuarios, y el problema de escalabilidad de la blockchain necesita ser resuelto urgentemente. La solución de escalabilidad ideal es: aumentar la velocidad de transacción de la red blockchain ( un tiempo de finalización más corto ) y un mayor rendimiento de transacciones ( TPS ), sin sacrificar la descentralización y la seguridad.

2. Tipos de soluciones de escalabilidad

Dividimos 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 Expansión en cadena

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

La escalabilidad en la cadena tiene varias soluciones, este artículo no se desarrollará, a continuación se enumeran brevemente dos soluciones:

• La opción uno es ampliar el espacio de bloque, es decir, aumentar la cantidad de transacciones empaquetadas en cada bloque, pero esto aumentará los requisitos para los dispositivos de nodos de alto rendimiento, elevando el umbral de entrada para los nodos y reduciendo el grado de "descentralización".
• La opción dos es la fragmentación, que divide el libro mayor de la cadena de bloques en varias partes, donde no cada nodo participa en todos los registros, sino que diferentes fragmentos, es decir, diferentes nodos, son responsables de diferentes registros. El cálculo en paralelo puede procesar múltiples transacciones simultáneamente; esto puede reducir la presión computacional de los nodos y el umbral de entrada, aumentando la velocidad de procesamiento de transacciones y el grado de descentralización; pero esto significa que la potencia de cálculo de toda la red se dispersa, lo que podría reducir la "seguridad" de toda la red.

Cambiar el código del protocolo principal de la red puede tener efectos negativos impredecibles, ya que cualquier pequeño fallo de seguridad en la base puede amenazar gravemente la seguridad de toda la red, lo que puede obligar a la red a bifurcarse o interrumpir las actualizaciones de reparación. Por ejemplo, el incidente de vulnerabilidad inflacionaria de Zcash en 2018: el código de Zcash se basa en la modificación del código de la versión 0.11.2 de Bitcoin. En 2018, un ingeniero descubrió una vulnerabilidad crítica en el código subyacente, lo que permitía que los tokens se emitieran de manera ilimitada, y el equipo dedicó 8 meses a realizar reparaciones secretas, revelando este incidente solo después de que se corrigió el fallo.

2.2 Expansión off-chain

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

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

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 se abre, se cierra o se resuelve una disputa, y que las interacciones entre usuarios se realicen off-chain, con el fin de reducir el tiempo y el costo monetario de las transacciones de los usuarios, y permitir que el número de transacciones no esté limitado.

El canal de estado es un protocolo P2P simple, adecuado para "aplicaciones basadas en turnos", como un juego de ajedrez entre dos personas. Cada canal es gestionado por un contrato inteligente multfirma 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 ) según las pruebas de fraude con firma y sello de tiempo ###. Después de que los participantes despliegan el contrato en la red blockchain, depositan una cantidad de fondos y se bloquean; una vez que ambas partes firman y confirman, el canal se abre oficialmente. El canal permite transacciones off-chain gratuitas entre los participantes sin límite de número ( siempre que su valor neto de transferencias no exceda el total de tokens depositados ). Los participantes envían actualizaciones de estado alternativamente y esperan la confirmación de firma de la otra parte. Una vez que la otra parte confirma con su firma, esta actualización de estado se considera completada. Normalmente, las actualizaciones de estado acordadas por ambas partes no se suben a la cadena principal; solo en caso de disputas o al cerrar el canal, se dependerá de la confirmación de la cadena principal. Cuando se necesita cerrar el canal, cualquiera de los participantes puede presentar una solicitud de transacción en la cadena principal; si la solicitud de salida recibe la aprobación de firmas de todos los participantes, se ejecutará inmediatamente en la cadena, es decir, el contrato inteligente distribuirá los fondos bloqueados restantes según el saldo de cada participante en el estado final del canal; si otros participantes no firman en aprobación, todos deberán esperar el final del "período de desafío" para recibir los fondos restantes.

En resumen, el esquema de canales de estado puede reducir significativamente la carga computacional de la cadena principal, mejorar la velocidad de las transacciones y disminuir los costos de las transacciones.

3.1.2 Línea de tiempo

• 2015/02, Joseph Poon y Thaddeus Dryja publicaron 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 dentro del concepto de State Channel.
• 2016/01, Joseph Poon y Thaddeus Dryja publicaron oficialmente el libro blanco "The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments" que propone el esquema de escalado de la red Lightning de Bitcoin Payment Channel( canal de pago), el cual se utiliza únicamente para procesar pagos de transferencias en la red de Bitcoin.
• En noviembre de 2017, se propuso la especificación de diseño llamada Sprites, que es la primera basada en el marco de Payment Channel sobre State Channel.
• 2018/06, Counterfactual propuso un diseño de Canales de Estado Generalizados muy detallado, que es el primer diseño completamente relacionado con canales de estado.
• 2018/10, el artículo Redes de Canales de Estado Generalizados propuso los conceptos de Redes de Canales de Estado y Canales Virtuales.
• 2019/02, el concepto de canales de estado se expandió 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 Principios técnicos

Flujo de trabajo general de un canal de estado:

1. Alice y Bob depositan fondos desde su EOA personal a la dirección del contrato en la cadena, estos fondos se bloquean en el contrato hasta que se cierran los canales, momento en el cual se devuelve el saldo al usuario; una vez que ambos firman y confirman, el canal de estado entre ellos se abre oficialmente.

2. Alice y Bob pueden realizar teóricamente un número ilimitado de transacciones off-chain a través de este canal, los participantes se comunican entre sí mediante mensajes firmados encriptados ( en lugar de comunicarse con la red blockchain ). Ambos usuarios 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 y finalizar la transacción con Bob, Alice necesita enviar el estado final de su cuenta al contrato. Si Bob firma y aprueba, el contrato liberará los fondos bloqueados y los devolverá al usuario correspondiente según el estado final. Si Bob no responde con la firma, el contrato liberará los fondos bloqueados y los devolverá al usuario correspondiente después de que finalice el período de desafío.

3.1.4 Ventajas y desventajas

Ventajas:

• Confirmación instantánea
• Bajo costo
• Alta privacidad
• No es necesario confiar en terceros

Desventajas:

• Necesita estar en línea varias veces
• No se puede procesar la salida masiva
• Se requiere bloquear fondos por adelantado
• No apto para aplicaciones complejas

3.1.5 Aplicaciones

Red Lightning de Bitcoin

Resumen: La Red Lightning es un canal de pagos de bajo valor en la red de Bitcoin, cuya evolución técnica general ha pasado por: 2/2 firmar construyendo un canal de pago unidireccional, después de añadir RSMC (Contrato de Madurez de Secuencia Revocable) se puede construir un canal de pago bidireccional, y al añadir HTLC (Contrato de Bloqueo de Tiempo Hash) se puede conectar el canal de pago para extenderlo a pagos múltiples, y finalmente construir la red de pagos conocida como Red Lightning. A través de canales de pago de bajo valor off-chain, y luego mediante intermediarios, se forma una red de transacciones que puede resolver el problema de escalabilidad de la red de Bitcoin. El uso general de la Red Lightning sigue el flujo de "depósito(establecer canal)→ transacción de la Red Lightning(actualizar estado del canal)→ reembolso / liquidación(finalizar canal)"; teóricamente, la Red Lightning puede procesar un millón de transacciones por segundo.

Línea de tiempo:

• En febrero de 2015, se publicó un borrador del libro blanco.
• En enero de 2016, se publicó la versión oficial del libro blanco y se fundó Lightning Labs.
• En marzo de 2018, se lanzó la primera versión de la mainnet.
• En 2021, múltiples intercambios apoyaron a El Salvador.
• En 2022, desarrollar aún más el ecosistema

Desarrollo ecológico:

• Capa base: Red BTC
• Infraestructura básica: soluciones de red Lightning, nodos y servicios de liquidez
• Aplicaciones de nivel superior: pagos, servicios financieros y otros tipos de aplicaciones

Red Lightning de Ethereum

Resumen: La red Lightning es un canal de pago de bajo valor basado en Ethereum, similar a la red Lightning, cuyo objetivo es lograr pagos de tokens ERC20 casi instantáneos, de bajo costo y escalables.

Línea de tiempo:

• Fundada en 2017
• ICO de octubre de 2017
• Lanzamiento de la mainnet en mayo de 2020
• A finales de 2021, varios intercambios eliminaron tokens

Actualmente no se utiliza ampliamente, las razones incluyen: 1( tiene un alto umbral de uso 2) apareció primero