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 generalmente solo se pueden satisfacer dos de estos tres elementos al mismo tiempo, lo que se conoce como el problema del triángulo imposible de la blockchain. Durante años, la gente ha 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, resolviendo el problema de la escalabilidad.

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

• Descentralización: cualquier persona puede convertirse en un nodo para participar en el sistema blockchain, cuanto mayor sea el número de nodos, mayor será el grado de descentralización.

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

• Escalabilidad: la capacidad de la blockchain para procesar una gran cantidad de transacciones.

La primera bifurcación dura significativa de la red Bitcoin surgió de problemas de escalabilidad. A medida que aumentaba el número de usuarios y el volumen de transacciones, la red Bitcoin, con un límite de 1MB por bloque, comenzó a enfrentar problemas de congestión. Desde 2015, la comunidad de Bitcoin ha tenido desacuerdos sobre los problemas de escalabilidad; un lado apoya la ampliación del bloque, mientras que el otro apoya el uso de la solución SegWit para optimizar la estructura de la cadena principal. El 1 de agosto de 2017, el lado que apoyaba la ampliación del bloque desarrolló un sistema de cliente de 8MB y lo puso en funcionamiento, lo que llevó a la primera bifurcación dura significativa de Bitcoin y al nacimiento de la nueva criptomoneda BCH.

La red de Ethereum también optó por sacrificar una parte de la escalabilidad para garantizar la seguridad y la descentralización de la red. Aunque Ethereum no limita el tamaño de los bloques como lo hace Bitcoin, establece un límite en la tarifa del combustible de un bloque único para restringir el volumen de transacciones, con el objetivo de lograr un consenso sin confianza y asegurar una amplia distribución de nodos.

Desde CryptoKitties en 2017, el verano de DeFi, hasta el surgimiento posterior de aplicaciones en cadena como GameFi y NFT, la demanda de capacidad de procesamiento en el mercado ha ido en aumento, pero Ethereum solo puede procesar de 15 a 45 transacciones por segundo. Esto ha llevado a un aumento constante en los costos de transacción, a tiempos de liquidación más largos, y la mayoría de las Dapps tienen dificultad para soportar los costos operativos, haciendo que toda la red sea lenta y cara, lo que requiere una solución urgente al problema de escalabilidad. La solución de escalabilidad ideal es: aumentar la velocidad de transacción 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 escalado

Nosotros clasificamos 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 la cadena

Concepto clave: solución para lograr el efecto de escalado mediante el cambio de una capa del protocolo de la red principal, la solución principal actual es el sharding.

La escalabilidad en cadena tiene varias soluciones, este artículo no se extenderá, solo se enumerarán 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 elevará los requisitos para dispositivos de nodos de alto rendimiento, aumentará la barrera de entrada para unirse a los nodos y disminuirá el grado de descentralización.

• La opción dos es el sharding, que divide el libro mayor de blockchain en varias partes, donde diferentes fragmentos, es decir, diferentes nodos, son responsables de diferentes contabilidades; el cálculo en paralelo puede manejar múltiples transacciones al mismo tiempo; esto puede reducir la presión de cálculo de los nodos y la barrera de entrada, mejorando la velocidad de procesamiento de transacciones y el grado de descentralización; pero significa que la potencia de cálculo de toda la red se dispersa, lo que puede reducir la seguridad de toda la red.

Cambiar el código del protocolo de la capa principal de la red puede tener consecuencias negativas impredecibles, ya que cualquier pequeño agujero de seguridad en la base puede amenazar gravemente la seguridad de toda la red, lo que podría obligar a la red a realizar un fork o a interrumpir la actualización de reparación.

2.2 off-chain expansión

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

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

Layer2:

• Canales Estatales
• Plasma
• Rollups
  • Rollups optimistas
  • ZK Rollups

Otros:

• Cadenas laterales
• Validium

3. Profundidad de la expansión off-chain

Canales de Estado 3.1

3.1.1 Resumen

El canal de estado establece que los usuarios solo necesitan interactuar con la red principal cuando el canal se abre, se cierra o se resuelven disputas, y que las interacciones entre los usuarios se realicen off-chain, con el fin de reducir el tiempo y los costos monetarios de las transacciones, y lograr que el número de transacciones no tenga límites.

Los canales de estado son 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 de múltiples firmas que opera en la cadena principal, el cual controla los activos depositados en el canal, verifica las actualizaciones de estado y arbitra disputas entre los participantes. Después de que los participantes despliegan el contrato en la red blockchain, depositan una cantidad de fondos y los bloquean; una vez que ambas partes firman y confirman, el canal se abre oficialmente. El canal permite transacciones gratuitas off-chain ilimitadas entre los participantes, siempre que su valor neto de transferencias no supere el total de tokens depositados (. Los participantes se turnan para enviar actualizaciones de estado al otro, esperando la firma de confirmación. Una vez que la otra parte firma y confirma, la 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 por unanimidad de todos, 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 su aprobación, todos deberán esperar el final del "período de desafío" para recibir los fondos restantes.

En resumen, la solución de canales de estado puede reducir significativamente la carga de cálculo en la cadena 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 publicaron el borrador del libro blanco de la red Lightning.

• En noviembre de 2015, Jeff Coleman resumió sistemáticamente el concepto de State Channel, proponiendo que el Payment Channel de Bitcoin es un subcaso 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 propuso el esquema de escalabilidad de la red Lightning de Bitcoin, Payment Channel###, que se utiliza únicamente para procesar pagos de transferencias en la red de Bitcoin.

• En noviembre de 2017, se propuso la especificación de diseño Sprites relacionada con State Channel, basada en el marco de Payment Channel.

• 2018/06, Counterfactual propuso un diseño de Canales de Estado Generalizados muy detallado, siendo este el primer diseño completamente relacionado con los canales de estado.

• 2018/10, el artículo Generalised State Channel Networks propone los conceptos de State Channel Networks y Virtual Channels.

• 2019/02, el concepto de canales de estado se expandió 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 general de los canales de estado:

1. Alice y Bob depositan fondos desde sus cuentas personales a la dirección del contrato en cadena, estos fondos quedan bloqueados en el contrato hasta que se cierre el canal y el saldo se devuelva al usuario; después de que ambas partes firman la confirmación, el canal de estado entre ellos se abre oficialmente.

2. Alice y Bob pueden realizar transacciones ilimitadas off-chain, los participantes se comunican entre sí a través de mensajes firmados encriptados ) en lugar de comunicarse con la red blockchain ###. Ambos usuarios necesitan 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 de acuerdo con el estado final y los devolverá al usuario correspondiente. 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 de la transacción
• Alta capacidad de procesamiento
• Baja tarifa de transacción
• Protección de la privacidad

Desventajas:

• Necesita bloquear fondos
• Se necesita monitoreo continuo en línea
• La barrera de entrada a la infraestructura es alta
• No se pueden realizar operaciones complejas
• Necesita coordinación off-chain
• No se puede soportar la colaboración múltiple

)# 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 general ha pasado por: la construcción de un canal de pago unidireccional con 2/2 multisig, la adición de RSMC permite construir un canal de pago bidireccional, luego la adición de HTLC expande el canal de pago a pagos de múltiples partes, y finalmente se construye la red de pagos, es decir, la red Lightning. A través de 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. El uso general de la red Lightning sigue el flujo de "depósito ### establecer canal ### → transacción de la red Lightning ( actualizar estado del canal ) → reembolso/settlement ( finalizar canal )"; teóricamente, la red Lightning puede procesar un millón de transacciones por segundo.

Línea de tiempo:

• En febrero de 2015, Joseph Poon y Thaddeus Dryja publicaron el borrador del libro blanco de la red Lightning.
• En enero de 2016 se publicó la versión oficial del libro blanco y se fundó Lightning Labs;
• El 15 de marzo de 2018, Lightning Labs lanzó la primera versión de la red principal de Lightning Network, Lightning Network Daemon (LND) versión 0.4.
• A principios de 2021, la capacidad pública de la red Lightning (TVL) solo era de alrededor de 40 millones de dólares, con aproximadamente menos de 100,000 usuarios utilizando la red Lightning.
• En junio de 2021, El Salvador anunció que adoptaría Bitcoin como moneda de curso legal, y en septiembre lanzó la billetera Chivo basada en la red Lightning.
• En 2022, Cash App y 26 plataformas de intercambio de criptomonedas, incluyendo OKX, Kraken y Bitfinex, anunciaron el soporte para la red Lightning, permitiendo funciones de depósito y retiro instantáneos y económicos de BTC.
• En octubre de 2022, Lightning Labs lanzó un nuevo protocolo basado en Taproot------protocolo Taro(versión alfa), que actualmente se está probando en la red de pruebas y que en el futuro podrá utilizarse para acuñar, enviar y recibir activos en la red de Bitcoin, y realizar transacciones instantáneas, de gran volumen y con bajas tarifas a través de la red Lightning.
• El 23 de noviembre de 2022, según 1ml.com, la red Lightning tenía un total de 76,236 canales de pago, con un capital de 5049 $BTC($81.8M).

Desarrollo ecológico: El ecosistema de la red Lightning de BTC se compone de abajo hacia arriba: la red BTC de base, --- infraestructuras básicas centrales, --- varias Dapps.

La infraestructura básica central incluye

• Soluciones de la red Lightning: tanto individuos como empresas pueden ejecutar programas de software que se conectan a la red Lightning, de los cuales el que tiene la mayor cuota de mercado es Lightning Labs de Lightning Labs.
• Nodos y servicios de liquidez: dado que operar un nodo de forma independiente es bastante complejo para los usuarios, es necesario proporcionar una interfaz más amigable que ayude a gestionar los canales de pago relámpago.

Sobre la infraestructura básica se encuentran diversos servicios de pago y financieros, así como aplicaciones, por ejemplo, Strike se basa en la solución LND que permite a los usuarios comprar y vender BTC, utilizar BTC para recompensar a creadores en Twitter y permitir a los comerciantes de Shopify aceptar BTC, entre otros.

Hasta noviembre de 2022, las Dapps basadas en la red Lightning de Bitcoin han crecido a más de 20 categorías y más de 100 aplicaciones, las categorías de aplicaciones incluyen principalmente pagos de la red Lightning de Bitcoin, billeteras, gestión de nodos, extensiones de navegador, podcasts y streaming, entre otros. Actualmente, la capa base tecnológica relacionada con la infraestructura de nodos ya ha madurado prácticamente, el soporte para billeteras está en aumento, los servicios financieros y la integración de pagos continúan creciendo, y más aplicaciones de entretenimiento se están construyendo en la red Lightning, el ecosistema de la red Lightning está prosperando.

(## Red Relámpago de Ethereum

Resumen: Relámpago