La tesis modular: escalar Web3 con paquetes acumulativos

La tesis modular propone que cambiaremos colectivamente la forma en que construimos y utilizamos blockchains. Además, un diseño centrado en la modularidad permite capas de ejecución escalables y seguras a medida que nos adentramos en la exageración y la mayor actividad de un encierro.

Entonces, ¿qué es la arquitectura modular blockchain?

En redes monolíticas (p. ej. Ethereum y Solana), la ejecución, la liquidación y el consenso/disponibilidad de datos (DA) están unificados en una sola capa:

• Disponibilidad de datos: concepto en el que todos los participantes de la red pueden acceder y recuperar cualquier dato publicado en una red (al menos durante un tiempo determinado).
• Ejecución: Define cómo los nodos de la cadena de bloques procesan las transacciones, transicionándolas entre estados.
• Liquidación: La finalidad (probabilística o determinista) es una garantía de que una transacción comprometida con la cadena es irreversible. Esto sólo sucede cuando la cadena está convencida de la validez de la transacción. Por lo tanto, liquidación significa validar transacciones, verificar pruebas y arbitrar disputas.
• Consenso: el mecanismo mediante el cual los nodos acuerdan qué datos en la cadena de bloques pueden verificarse como verdaderos y precisos.

Arquitectura monolítica Blockchain (Fuente: Celestia)

Si bien el enfoque de diseño monolítico tiene algunas ventajas propias (por ejemplo, complejidad reducida y capacidad de composición mejorada), no necesariamente escala bien. Es por eso que los diseños modulares separan estas funciones y las realizan en capas separadas y especializadas.

En consecuencia, el espacio de diseño modular consta de:

• Capas de ejecución (acumulados)
• Capas de asentamiento (p. ej. Etereum)
• Capa de consenso/DA (p. ej. Celestia)

Arquitectura Modular Blockchain (Fuente: Celestia)

En términos más generales, el panorama modular también incluye:

• Soluciones de secuenciación,
• Probando soluciones,
• Soluciones de interoperabilidad,
• Proyectos centrados en la abstracción del flujo de órdenes.
• Varios proveedores de infraestructura (marcos acumulativos, soluciones acumulativas como servicio y otras herramientas)

En este breve artículo introductorio, la atención se centra en cómo llegamos a la tecnología basada en rollups (también conocida como modulares) soluciones de escalamiento antes de profundizar en los matices de los sistemas modulares de blockchain en las próximas semanas en esta nueva serie.

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La historia del escalamiento

Ampliar el rendimiento de las cadenas de bloques ha sido un foco principal de investigación y desarrollo en el espacio desde sus inicios. Es indiscutible que para alcanzar una verdadera “adopción masiva”, las cadenas de bloques deben poder escalar. Definida de manera simple, la escalabilidad es la capacidad de una red para procesar una gran cantidad de transacciones rápidamente y a bajo costo. En consecuencia, esto significa que a medida que surgen más casos de uso y se acelera la adopción de la red, el rendimiento de la cadena de bloques no se ve afectado. Según esta definición, Ethereum carece de escalabilidad.

Con el aumento del uso de la red, los precios del gas en Ethereum se han disparado a niveles insosteniblemente altos, lo que en última instancia impide que muchos usuarios más pequeños interactúen por completo con aplicaciones descentralizadas. Los ejemplos incluyen BAYC land mint (lo que provocó un aumento de las tarifas del gas de hasta 8000 gwei) o la caída de NFT de artblocks (lo que provocó un aumento de las tarifas del gas a más de 1000 gwei); como referencia, el gas se sitúa en 6 gwei en ese momento. de escritura. Instancias como estas dieron cadenas de bloques L1 alternativas y más "escalables" (es decir, Solana) una oportunidad de comerse la cuota de mercado de Ethereum. Sin embargo, esto también impulsó la innovación para aumentar el rendimiento de la red Ethereum.

Sin embargo, los enfoques de escalamiento que están adoptando estos Alt-L1 a menudo tienen el costo de la descentralización y la seguridad. Las cadenas Alt-L1 como Solana, por ejemplo, han optado por utilizar un conjunto de validadores más pequeño y han aumentado los requisitos de hardware para los validadores. Si bien esto mejora la capacidad de la red para verificar la cadena y mantener su estado, reduce la cantidad de personas que pueden verificar la cadena por sí mismas y aumenta las barreras de entrada en la participación en la red. Este conflicto también se conoce como el trilema de blockchain (que se visualiza a continuación). El concepto se basa en la idea de que una cadena de bloques no puede alcanzar las tres cualidades principales que cualquier red de cadenas de bloques debería esforzarse por tener (escalabilidad, seguridad y descentralización) al mismo tiempo.

El trilema blockchain (Fuente: SEBA Research)

Esto queda claro cuando pensamos en el aumento de requisitos de hardware antes mencionado. Para escalar el rendimiento, una cadena Alt-L1 debe utilizar una estructura de red más centralizada, donde los usuarios deben confiar en un número menor de validadores con máquinas de alta especificación. Esto sacrifica dos brazos del trilema de blockchain, la descentralización y la seguridad, en aras de la escalabilidad. Además, con la necesidad de hardware más potente, ejecutar un nodo también se vuelve más costoso (no solo el hardware en sí, sino también el ancho de banda y el almacenamiento). Esto perjudica drásticamente la descentralización de la red, ya que la barrera de entrada para ejecutar un nodo aumenta drásticamente, por lo que menos personas pueden participar en la validación de la red.

Dado que la descentralización y la inclusión son dos valores fundamentales de la comunidad Ethereum, no sorprende que ejecutar la cadena con un pequeño conjunto de nodos de alta especificación no fuera un camino adecuado a seguir. Vitalik Buterin incluso argumentó que es "crucial para la descentralización de blockchain que los usuarios habituales puedan ejecutar un nodo". Por lo tanto, otros enfoques de escala ganaron fuerza.

Fragmentación de ejecución homogénea

La comunidad Ethereum ha experimentado con cadenas laterales, plasma y canales estatales para resolver el problema de escalabilidad, todos los cuales tienen ciertos inconvenientes que los convierten en soluciones subóptimas. Un enfoque de escalamiento que muchas cadenas de bloques L1 alternativas han optado por adoptar es lo que se conoce como fragmentación de ejecución homogénea. Durante bastante tiempo, esta también parecía la solución más prometedora para Ethereum (en el contexto de la antigua hoja de ruta de ETH 2.0).

La fragmentación de ejecución homogénea es un enfoque de escalamiento que busca aumentar el rendimiento y la capacidad de una red blockchain dividiendo su carga de trabajo de procesamiento de transacciones entre múltiples unidades más pequeñas (subconjuntos de validadores) llamadas fragmentos. Cada fragmento opera de forma independiente y simultánea, procesa su propio conjunto de transacciones y mantiene un estado separado. El objetivo es permitir la ejecución paralela de transacciones, aumentando así la capacidad y velocidad general de la red. Harmony y Ethereum 2.0 (¡solo hoja de ruta antigua!) son dos ejemplos de iniciativas de escalamiento que han adoptado o al menos considerado la fragmentación de ejecución homogénea como parte de su estrategia de escalamiento.

Visualización simplificada de la fragmentación de ejecución

Harmony es una plataforma blockchain L1 alternativa que tiene como objetivo proporcionar una infraestructura escalable, segura y energéticamente eficiente para aplicaciones descentralizadas (dApps). Utiliza un enfoque basado en fragmentación en el que la red se divide en múltiples fragmentos, cada uno con su propio conjunto de validadores que son responsables de procesar transacciones y mantener un estado local. Los validadores se asignan aleatoriamente a los fragmentos, lo que garantiza una distribución justa y equilibrada de los recursos.

La comunicación entre fragmentos se facilita mediante un mecanismo llamado "recibos", que permite que los fragmentos envíen información sobre los cambios de estado resultantes de una transacción a otros fragmentos. Esto permite interacciones fluidas entre dApps y contratos inteligentes que residen en diferentes fragmentos, sin comprometer la seguridad y la integridad de la red.

Ethereum 2.0 es una actualización continua de la red Ethereum que tiene como objetivo abordar los problemas de escalabilidad, seguridad y sostenibilidad que enfrenta la versión original de Ethereum basada en Prueba de Trabajo (PoW). La antigua hoja de ruta de Ethereum 2.0 proponía una implementación de varias fases, haciendo la transición de la red a un mecanismo de consenso de prueba de participación (PoS) (que finalmente vimos que sucedió el otoño pasado) e introduciendo la fragmentación de la ejecución para mejorar la escalabilidad. Según este plan original, Ethereum 2.0 habría consistido en una Beacon Chain y 64 cadenas de fragmentos. Beacon Chain fue diseñada para administrar el protocolo PoS, el registro del validador y la comunicación entre fragmentos.

Las cadenas de fragmentos, por otro lado, debían ser cadenas individuales, responsables de procesar transacciones y mantener estados separados en paralelo. Los validadores habrían sido asignados a un fragmento, rotando periódicamente para mantener la seguridad y la descentralización de la red. Beacon Chain habría realizado un seguimiento de las asignaciones de validadores y habría gestionado el proceso de finalización de los datos de la cadena de fragmentos. Se planeó facilitar la comunicación entre fragmentos a través de un mecanismo llamado "enlaces cruzados", que agruparía periódicamente datos de la cadena de fragmentos en Beacon Chain, permitiendo que los cambios de estado se propaguen a través de la red.

Pero si bien la fragmentación de ejecución homogénea promete una gran escalabilidad, tiene el costo de compensaciones en materia de seguridad, ya que el validador se divide en subconjuntos más pequeños y, por lo tanto, la descentralización de la red se ve afectada. Además, se reduce el valor en juego que proporciona seguridad criptoeconómica a los fragmentos.

Sin embargo, la hoja de ruta de Ethereum 2.0 ha evolucionado desde entonces y la fragmentación de ejecución ha sido reemplazada por un enfoque conocido como fragmentación de datos que tiene como objetivo proporcionar la base escalable para una tecnología de escalamiento más compleja conocida como rollups (¡más sobre esto pronto!).

Fragmentación de ejecución heterogénea

La fragmentación de ejecución heterogénea es un enfoque de escalamiento que conecta múltiples cadenas de bloques independientes con diferentes mecanismos de consenso, modelos de estado y funcionalidades en una única red interoperable. Este enfoque permite que cada blockchain conectada mantenga sus características únicas mientras se beneficia de la seguridad y escalabilidad de todo el ecosistema. Dos ejemplos destacados de proyectos que emplean fragmentación de ejecución heterogénea son Polkadot y Cosmos.

Polkadot es una plataforma descentralizada diseñada para permitir la comunicación entre cadenas y la interoperabilidad entre múltiples cadenas de bloques. Su arquitectura consta de una cadena de retransmisión central, múltiples paracaídas y puentes.

Visualización simplificada de la arquitectura de red de Polkadot (Fuente: Polkadot Docs)

Relay Chain: La cadena principal del ecosistema de Polkadot, responsable de brindar seguridad, consenso y comunicación entre cadenas. Los validadores de la Relay Chain están a cargo de validar las transacciones y producir nuevos bloques.

Parachains: blockchains independientes que se conectan a Relay Chain para beneficiarse de sus mecanismos compartidos de seguridad y consenso, así como para permitir la interoperabilidad con otras cadenas de la red. Cada parachain puede tener su propio modelo de estado, mecanismo de consenso y funcionalidad especializada adaptada a casos de uso específicos.

Puentes: componentes que vinculan a Polkadot con cadenas de bloques externas (como Ethereum) y permiten la comunicación y transferencias de activos entre estas redes y el ecosistema de Polkadot.

Polkadot utiliza un mecanismo de consenso híbrido llamado Prueba de participación nominada (NPoS) para proteger su red. La comunidad nombra a los validadores de la cadena de retransmisión para validar transacciones y producir bloques. Por el contrario, las Parachains pueden utilizar diferentes mecanismos de consenso, según sus requisitos. Una característica importante de la arquitectura de red de Polkadot es que, por diseño, todas las Parachains comparten seguridad con la cadena de retransmisión, heredando así las garantías de seguridad de la cadena de retransmisión.

Cosmos es otra plataforma descentralizada que tiene como objetivo crear una "Internet de Blockchains", facilitando una comunicación fluida y la interoperabilidad entre diferentes redes de blockchain. Su arquitectura es similar a la de Polkadot y está compuesta por un eje central, múltiples zonas y puentes.

Visualización simplificada de la arquitectura de red de Cosmos (Fuente: Cosmos Docs)

Hub: la cadena de bloques central en el ecosistema Cosmos, que permite la comunicación entre cadenas y pronto la seguridad entre cadenas (seguridad compartida similar a Polkadot). Cosmos Hub utiliza un mecanismo de consenso de prueba de participación (PoS) llamado Tendermint, que ofrece una finalidad rápida y un alto rendimiento. En teoría, puede haber varios centros. Sin embargo, con ATOM 2.0 y la seguridad entre cadenas, el Cosmos Hub probablemente seguirá siendo el centro de la "Internet de Blockchains" habilitada por Cosmos.

Zonas: blockchains independientes conectadas al Hub, cada una con su propio mecanismo de consenso, modelo de estado, funcionalidad y conjunto de validadores (normalmente). Las zonas pueden comunicarse entre sí a través del Hub utilizando un protocolo estandarizado llamado Inter-Blockchain Communication (IBC).

Puentes: Componentes que vinculan el ecosistema Cosmos con blockchains externas, permitiendo transferencias de activos y comunicación entre Cosmos Zones y otras redes.

Tanto Polkadot como Cosmos son ejemplos de fragmentación de ejecución heterogénea, ya que conectan múltiples cadenas de bloques independientes con diversas funcionalidades, mecanismos de consenso y modelos de estado en un ecosistema único e interoperable. Este enfoque permite que cada cadena conectada mantenga sus características únicas al tiempo que permite la escalabilidad al separar las capas de ejecución específicas de la aplicación entre sí y al mismo tiempo beneficiarse de las capacidades de seguridad y comunicación entre cadenas de toda la red.

La principal diferencia entre el enfoque Cosmos y Polkadot es el modelo de seguridad. Mientras que Cosmos opta por un enfoque en el que las cadenas específicas de aplicaciones (fragmentos heterogéneos) tienen que activarse y mantener sus propios conjuntos de validadores, Polkadot opta por un modelo de seguridad compartido. Bajo este modelo de seguridad compartida, las cadenas de aplicaciones heredan la seguridad de la cadena de retransmisión que se encuentra en el centro del ecosistema. Este último está mucho más cerca del enfoque de escalamiento basado en acumulaciones que Ethereum quiere adoptar para permitir el escalamiento.

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Escalando Ethereum con Rollups

Una hoja de ruta de Ethereum centrada en el rollup no es exactamente un fenómeno nuevo, pero se ha acelerado en su aceptación y adopción. Vitalik escribió por primera vez sobre este giro de la hoja de ruta en octubre de 2020.

Los rollups llevan la fragmentación dentro de un paradigma de seguridad compartido al siguiente nivel. Es una solución escalable en la que las transacciones se procesan fuera de la cadena en el entorno de ejecución del paquete acumulativo y, como sugiere el nombre, se agrupan en lotes. Los secuenciadores recopilan transacciones de los usuarios y envían los lotes de transacciones a un contrato inteligente en Ethereum L1 que exige la ejecución correcta de las transacciones en L2. Posteriormente, los datos de la transacción se almacenan en L1, lo que permite que los paquetes acumulativos hereden la seguridad de la capa base de Ethereum probada en batalla.

Entonces, ahora lo que eran esencialmente fragmentos en la antigua hoja de ruta de Ethereum 2.0 están completamente desacoplados de la capa base y los desarrolladores tienen un amplio espacio abierto para personalizar su L2 como quieran (similar a las paracaídas de Polkadot o las zonas de Cosmos). Sin embargo, gracias al acuerdo y DA en Ethereum, los rollups aún pueden confiar en las garantías de seguridad L1. Otra ventaja clave en comparación con las cadenas laterales (p. ej. Polygon) es que los paquetes acumulativos no necesitan un conjunto de validadores ni un mecanismo de consenso propio.

Un sistema acumulativo solo necesita tener un conjunto de secuenciadores (que recopilan y ordenan transacciones), y solo es necesario que un secuenciador esté activo en un momento dado. Con suposiciones débiles como esta, los paquetes acumulativos en realidad pueden ejecutarse en un pequeño conjunto de máquinas de servidor de alta especificación o incluso en un solo secuenciador, lo que permite una gran escalabilidad. Sin embargo, como esto supone un compromiso con la descentralización, la mayoría de los paquetes acumulativos intentan diseñar sus sistemas lo más descentralizados posible (lo que incluye el secuenciador). Si bien los rollups no necesitan explícitamente mecanismos de consenso (ya que la finalidad proviene del consenso L1), los rollups pueden tener mecanismos de coordinación con programas de rotación para rotar secuenciadores o incluso mecanismos PoS completos en los que un conjunto de secuenciadores llegan a un consenso sobre el procesamiento por lotes/orden de transacciones. Estos enfoques pueden aumentar la seguridad y mejorar la descentralización.

Generalmente, existen dos tipos de sistemas rollup…

Acumulaciones optimistas

Los denominados rollups optimistas se caracterizan por tener un nodo secuenciador que recopila datos de transacciones en L2 y posteriormente envía estos datos a la capa base de Ethereum junto con la nueva raíz de estado L2. Para garantizar que la nueva raíz de estado enviada a Ethereum L1 sea correcta, los nodos verificadores compararán su nueva raíz de estado con la enviada por el secuenciador. Si hay una diferencia, comenzarán lo que se llama un proceso a prueba de fraude. Si el estado raíz de la prueba de fraude es diferente del enviado por el secuenciador, el depósito inicial del secuenciador (también conocido como bono) será recortado. Las raíces de estado a partir de esa transacción se borrarán y el secuenciador tendrá que volver a calcular las raíces de estado perdidas.

Mecanismo acumulativo (Fuente: Panther Academy)

Paquetes acumulativos de validez (conocimiento cero)

Por otro lado, los resúmenes de validez se basan en pruebas de validez en forma de pruebas de conocimiento cero (p. ej. SNARK o STARK) en lugar de mecanismos de prueba de fraude. De manera similar a los sistemas acumulativos optimistas, un secuenciador recopila transacciones de los usuarios y es responsable de enviar (y a veces también generar) la prueba de conocimiento cero al L1 junto con los datos de transacción correspondientes. La apuesta del secuenciador puede reducirse si actúan de forma maliciosa, lo que los incentiva a publicar bloques válidos (o pruebas de lotes). Los acumuladores de validez introducen una nueva función en el sistema que no es necesaria en la configuración optimista. El prover es el actor que genera pruebas zk imposibles de falsificar de la ejecución de la transacción, demostrando que las transiciones de estado propuestas son válidas.

Posteriormente, el secuenciador envía estas pruebas al contrato de verificación en la red principal de Ethereum. Técnicamente, las responsabilidades de los secuenciadores y probadores se pueden combinar en una sola función. Sin embargo, debido a que la generación de pruebas y el pedido de transacciones requieren habilidades altamente especializadas para funcionar bien, dividir estas responsabilidades evita una centralización innecesaria en el diseño de un paquete acumulativo. La prueba de conocimiento cero que el secuenciador envía a L1 informa solo los cambios en el estado L2 y proporciona estos datos al contrato inteligente verificador en la red principal de Ethereum en forma de un hash verificable.

Visualización simplificada de un zk-Rollup (Fuente: Chainlink)

Determinar qué enfoque es superior es una tarea desafiante. Sin embargo, exploremos brevemente algunas diferencias clave. En primer lugar, debido a que las pruebas de validez se pueden probar matemáticamente, la red Ethereum puede verificar sin confianza la legitimidad de las transacciones por lotes. Esto difiere de los rollups optimistas, donde Ethereum se basa en nodos verificadores para validar transacciones y ejecutar pruebas de fraude si es necesario. Por lo tanto, algunos pueden argumentar que los zk-rollups son más seguros. Además, las pruebas de validez (las de conocimiento cero) permiten la confirmación instantánea de las transacciones acumuladas en la cadena principal.

En consecuencia, los usuarios pueden transferir fondos sin problemas entre el paquete acumulativo y la cadena de bloques base (así como otros paquetes acumulativos de zk) sin experimentar fricciones ni demoras. Por el contrario, los rollups optimistas (como Optimism y Arbitrum) imponen un período de espera antes de que los usuarios puedan retirar fondos a L1 (7 días en el caso de Optimism & Arbitrum), ya que los verificadores deben poder verificar las transacciones e iniciar la prueba de fraude. mecanismo si es necesario. Esto limita la eficiencia de los paquetes acumulativos y reduce el valor para los usuarios. Si bien existen formas de permitir retiros rápidos, generalmente no es una característica nativa.

Sin embargo, las pruebas de validez son computacionalmente costosas de generar y, a menudo, costosas de verificar en la cadena (dependiendo del tamaño de la prueba). Al abstraer la generación y verificación de pruebas, los resúmenes optimistas obtienen una ventaja sobre los resúmenes de validez en términos de costo.

Tanto los rollups optimistas como los de validez juegan un papel clave en el contexto de la hoja de ruta centrada en los rollups de Ethereum. Transformar la capa base de Ethereum en una importante capa de disponibilidad/liquidación de datos para un número casi infinito de capas de ejecución altamente escalables basadas en acumulaciones permitirá que la red general de Ethereum y sus ecosistemas acumulativos alcancen una escala enorme.

Conclusión

Como hemos visto, crear aplicaciones descentralizadas que sean soberanas y no estén limitadas por las limitaciones de las capas base es una tarea compleja. Requiere coordinar cientos de operadores de nodos, lo cual es difícil y costoso. Además, es difícil escalar cadenas de bloques monolíticas sin hacer concesiones significativas en materia de seguridad y/o descentralización.

Si bien marcos como Cosmos SDK y Polkadot's Substrate facilitan la abstracción de ciertos componentes de software, no permiten una transición perfecta del código a la red física real del hardware p2p. Además, los enfoques de fragmentación heterogéneos podrían fragmentar la seguridad del ecosistema, lo que puede introducir fricciones y riesgos adicionales.

Los rollups, la solución de escalamiento de próxima generación, ofrecen una oportunidad increíble no solo para eliminar la dificultad de coordinar cientos o incluso miles de personas para operar una red descentralizada, sino que también son un paso importante hacia la reducción significativa del costo y el tiempo que necesitan los desarrolladores para convertir sus ideas y conceptos en realidad.

El concepto de cadenas modulares simplifica aún más esto. El diseño modular de blockchain es un enfoque amplio que separa las funciones principales de una blockchain en componentes distintos e intercambiables. Dentro de estas áreas funcionales, surgen proveedores especializados que facilitan conjuntamente la creación de capas de ejecución acumulativas escalables y seguras, una amplia flexibilidad en el diseño de aplicaciones y una mayor adaptabilidad a las demandas tecnológicas en evolución.

A pesar de esto, el escalado basado en rollups sigue siendo una tecnología incipiente. Por tanto, todavía quedan algunos obstáculos por superar. El principal cuello de botella de escalabilidad para los rollups (basados en Ethereum) actualmente es la capacidad limitada de disponibilidad de datos (DA). Sin embargo, la innovación, impulsada por la tesis modular, tiene algunos enfoques reservados para abordar este problema. Para obtener más información sobre el problema de DA y sus posibles soluciones, permanezca atento a nuestro informe detallado que se publicará la próxima semana a medida que continuamos con esta serie.

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