Análisis completo de las soluciones de escalado off-chain: State Channels, Sidechains y sus aplicaciones

Análisis profundo 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 lograr dos de estos, 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 la descentralización y la seguridad, es decir, resolver el problema de la escalabilidad, que es uno de los temas candentes en el proceso de desarrollo actual de la blockchain.

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

  • Descentralización: Cualquier persona puede convertirse en un nodo para participar en la producción y verificación del sistema de blockchain. Cuantos más nodos haya, mayor será el grado de descentralización, asegurando que la red no esté controlada por un pequeño grupo.

  • 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 significativa de participantes.

  • Escalabilidad: la capacidad de la blockchain para procesar un gran volumen de transacciones.

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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 de Bitcoin con un límite de bloque de 1MB comenzó a enfrentar congestión. Desde 2015, la comunidad de Bitcoin ha tenido divergencias sobre la escalabilidad; una parte apoya la ampliación del bloque, mientras que la otra aboga por utilizar el esquema de testigos segregados para optimizar la estructura de la cadena principal. El 1 de agosto de 2017, la parte que apoyaba bloques grandes desarrolló un sistema de cliente de 8MB por su cuenta, lo que llevó a la primera bifurcación dura significativa de Bitcoin y dio lugar a la nueva criptomoneda BCH.

La red de Ethereum también elige sacrificar parte de la escalabilidad para garantizar la seguridad y la descentralización, limitando la cantidad de tarifas de combustible que puede contener un solo bloque para restringir el volumen de transacciones, con el objetivo de lograr un consenso sin confianza y asegurar una amplia distribución de nodos.

Desde los CryptoKitties de 2017 hasta la posterior aparición de aplicaciones como DeFi, GameFi y NFT, la demanda del mercado por un mayor throughput ha ido en aumento. Sin embargo, Ethereum todavía solo puede procesar entre 15 y 45 transacciones por segundo, lo que provoca un aumento en los costos de transacción y un alargamiento de los tiempos de liquidación, haciendo que la mayoría de las DApps no puedan soportar los costos operativos. La red en su conjunto se vuelve lenta y cara para los usuarios, y el problema de escalabilidad de blockchain necesita ser resuelto urgentemente. La solución ideal de escalabilidad es: aumentar la velocidad de las transacciones y el throughput tanto como sea posible sin sacrificar la descentralización y la seguridad.

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2. Tipos de planes de expansión

Podemos clasificar los planes de expansión en dos grandes categorías, según "si se cambia una capa de la red principal": expansión en cadena y expansión off-chain.

2.1 Expansión on-chain

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

La escalabilidad en cadena tiene varias soluciones, aquí se enumeran brevemente dos:

  • Ampliar el espacio de bloque, aumentar la cantidad de transacciones empaquetadas en cada bloque, pero esto aumentará los requisitos para los dispositivos de nodo, reduciendo el grado de descentralización.

  • Fragmentación, dividir el libro mayor de la cadena de bloques en varias partes, donde diferentes nodos son responsables de diferentes registros contables, y el cálculo en paralelo puede manejar múltiples transacciones simultáneamente. Esto puede reducir la presión de cálculo en los nodos y el umbral de entrada, mejorar la velocidad de procesamiento de transacciones y el grado de descentralización, pero puede disminuir la seguridad general de la red.

Cambiar el protocolo principal de la red puede tener efectos negativos imprevistos, ya que cualquier pequeña vulnerabilidad 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 modifica el protocolo de la capa principal existente.

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

Las soluciones de Layer2 incluyen:

  • Canales Estatales
  • Plasma
  • Rollups(Rollups optimistas & Rollups ZK)

Otras opciones incluyen:

  • Cadenas laterales
  • Validium

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3. Soluciones de escalabilidad off-chain

3.1 Canales Estatales

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, llevando las interacciones entre usuarios fuera de la cadena para reducir el tiempo y costo de las transacciones, logrando que el número de transacciones no esté limitado.

Los canales de estado son un protocolo P2P sencillo, 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 las disputas entre los participantes. Después de desplegar el contrato, los participantes depositan fondos y los bloquean; una vez que ambas partes firman y confirman, el canal se abre formalmente. El canal permite a los participantes realizar transacciones gratuitas ilimitadas off-chain siempre que el valor neto de la transferencia no supere el total de tokens depositados (. Los participantes envían actualizaciones de estado de forma alterna y esperan la confirmación de firma de la otra parte. 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; si se obtiene la aprobación de todas las firmas, se ejecuta de inmediato, de lo contrario, se debe esperar a que termine el "período de desafío" para distribuir los fondos restantes.

Los canales de estado pueden reducir significativamente la carga de cálculo en la cadena principal, aumentar la velocidad de transacción y disminuir los costos de transacción.

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)# 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, y propuso que el Payment Channel de Bitcoin es un subcaso de State Channel.

  • 2016/01: Joseph Poon y Thaddeus Dryja publicaron oficialmente el libro blanco proponiendo el esquema de escalado de Payment Channel de la red Lightning de Bitcoin, destinado únicamente a procesar pagos de transferencias en la red Bitcoin.

  • 2017/11: Se presentó la primera especificación de diseño de State Channel basada en el marco Payment Channel, Sprites.

  • 2018/06: Counterfactual presentó un diseño detallado de Canales de Estado Generalizados, el primer diseño completamente relacionado.

  • 2018/10: El artículo 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 deben estar en línea de forma continua.

  • 2020/03: Hydra propuso Canales Isomórficos Rápidos.

3.1.3 Principios técnicos

El flujo de trabajo general de los canales de estado es el siguiente:

  1. Alice y Bob abren un canal de estado depositando fondos en un contrato de la red principal.

  2. Las dos personas pueden realizar transacciones ilimitadas off-chain, comunicándose entre sí para actualizar el estado a través de mensajes firmados.

  3. Al cerrar el canal, Alice envía el estado final al contrato. Si Bob firma y aprueba, el contrato asigna fondos según el estado final. Si Bob no responde, los fondos se asignan al finalizar el período de desafío.

  4. Si Bob no responde a la actualización de estado enviada por Alice en algún momento, Alice puede presentar el último estado válido ### que contiene la firma anterior de Bob ( para iniciar un desafío. El contrato permite a Bob responder durante un período de tiempo. Si Bob responde, se continúa con la transacción; si no responde, el contrato cierra el canal y devuelve los fondos a Alice.

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)# 3.1.4 Ventajas y desventajas

Ventajas:

  • Determinación final instantánea
  • Transacciones de bajo costo
  • Privacidad
  • Alta capacidad de procesamiento

Desventajas:

  • Necesita estar en línea de manera continua
  • Solo aplicable a los participantes preinscritos
  • Bloqueo de fondos
  • Gestión de canales compleja
  • Retraso al cerrar el canal

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)# 3.1.5 Aplicación

Red Lightning de Bitcoin

Resumen: La red Lightning es un canal de pagos de bajo valor en la red de Bitcoin, la evolución tecnológica ha pasado por: canal de pago unidireccional construido con 2/2 multisig, aumento de RSMC para construir un canal de pago bidireccional, y con la adición de HTLC, los canales de pago se pueden extender a pagos entre múltiples personas, creando finalmente una red de pagos. A través de canales de pago de bajo valor off-chain, se forma una red de transacciones con la ayuda de intermediarios, resolviendo el problema de escalabilidad de la red de Bitcoin.

Línea de tiempo:

  • Febrero de 2015: Se publica el borrador del libro blanco de la red Lightning
  • Enero de 2016: se publicó el libro blanco oficial y se fundó Lightning Labs
  • Marzo de 2018: se lanzó la primera versión de la red principal
  • Año 2021: Cash App y múltiples plataformas de intercambio apoyan la red Lightning
  • Noviembre de 2022: Hay un total de 76,236 canales de pago, con fondos de canal de 5049 BTC

Desarrollo ecológico: El ecosistema de la red Lightning, de abajo hacia arriba, se compone de: la red BTC, la infraestructura básica ### soluciones de la red Lightning, servicios de nodos y liquidez (, y diversas Dapps. Actualmente, la capa de infraestructura ha madurado en gran medida, el soporte para billeteras ha aumentado, los servicios financieros y la integración de pagos continúan creciendo, y se están construyendo más aplicaciones de entretenimiento, el ecosistema está prosperando.

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Red relámpago de Ethereum

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

Línea de tiempo:

  • Fundado en 2017
  • ICO realizado en octubre de 2017
  • El primer cliente ligero Raiden se lanzó en la mainnet en mayo de 2020
  • A finales de 2021, varios intercambios eliminarán $RDN.

Actualmente no se ha adoptado ampliamente, las razones incluyen el alto umbral de uso y la aparición de tecnologías de escalado más avanzadas. El equipo está reformando para que funcione en una red L2 Rollup, con el fin de reducir el costo de crear un State Channel.

Celer Network

Resumen: Celer Network es esencialmente una red relámpago que aumenta la capa de incentivos, construyendo Dapps de alta frecuencia rápidos, fáciles de usar, de bajo costo y seguros, como plataformas de deportes electrónicos, a través de la tecnología de expansión off-chain y modelos económicos de incentivos.

El marco de escalabilidad off-chain de Celer Network, basado en Ethereum, se compone de tres capas:

  • cChannel: Conjunto de canales de estado general y cadenas laterales
  • cRoute: ruta de pago off-chain
  • cOS: marco de desarrollo y entorno de ejecución de aplicaciones off-chain

Línea de tiempo:

  • Fundado en 2018
  • En marzo de 2019 se lanzó el token $CELR
  • Lanzamiento en julio de 2019 en la red principal de Ethereum, publicación de la primera Red de Canales de Estado Generalizados del mundo.

Desarrollo ecológico: Con el desarrollo del ecosistema blockchain hacia múltiples cadenas, Celer Network ha ampliado su tecnología central, transformándose en una plataforma de agregación de escalado L2 que soporta el cross-chain, lanzando el protocolo DeFi Layer2.finance, el protocolo de información cross-chain Celer IM y el puente cross-chain de activos cBridge. cBridge ha soportado 139 tipos de tokens y 38 cadenas.

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)# 3.1.6 Comparación de aplicaciones

Red Lightning de Bitcoin:

  • Enfocado en micropagos de Bitcoin
  • El desarrollo ecológico es bueno, y la aplicación es amplia.

Red Lightning de Ethereum:

  • Soporte para pagos con tokens ERC20
  • Desarrollo lento, baja adopción

Celer Network:

  • Soporte para escenarios de aplicación más complejos
  • Transformarse en una plataforma de agregación de escalado L2 entre cadenas

3.2 Cadenas laterales

3.2.1 Resumen

El concepto de cadena lateral fue propuesto por primera vez en 2012, y surgió para acelerar las transacciones de Bitcoin.

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MelonFieldvip
· hace1h
Unholy Trinity又来了~
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TheMemefathervip
· hace18h
Este juego es muy interesante, tres por dos.
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MEVSandwichMakervip
· hace19h
Este problema triangular ya es un viejo chiste, avancemos a plasma.
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