Prefacio

Ethereum es una de las cadenas de bloques más populares y ha luchado durante mucho tiempo con problemas de escalabilidad. Las altas tarifas de gas y las lentas velocidades de transacción son las principales preocupaciones que han llevado a la congestión de la red. Para abordar estos problemas, han surgido varias soluciones de escalado. En esta lección, presentaremos algunas de las soluciones de escalado de Ethereum y profundizaremos en dos resúmenes comunes: resúmenes optimistas y resúmenes ZK.

Los paquetes acumulativos optimistas son protocolos de capa 2 para Ethereum diseñados para escalar el rendimiento de su capa base. Al procesar las transacciones fuera de la cadena, las acumulaciones optimistas reducen el cálculo en Ethereum Mainnet, lo que mejora significativamente las velocidades de procesamiento. A diferencia de otras soluciones de escalado, como las cadenas laterales, los resúmenes optimistas empaquetan los resultados de las transacciones y los publican en Ethereum, heredando la seguridad de Mainnet. Verifica las transacciones en Ethereum con pruebas de fraude, pero almacena los datos de las transacciones en otro lugar.

Los paquetes acumulativos optimistas pueden ofrecer mejoras de más de 10 veces en escalabilidad al evitar el procesamiento directo de cada transacción en la lenta y costosa red Ethereum. En cambio, escribe transacciones en Ethereum como datos de llamadas, que sirven como almacenamiento temporal sin consumir un espacio significativo en la cadena de bloques de Ethereum, lo que reduce los costos de gasolina para los usuarios.

Los rollups de conocimiento cero (ZK-rollups) también son soluciones de escalado de capa 2 que aumentan el rendimiento en Ethereum Mainnet al trasladar el almacenamiento de computación y estado fuera de la cadena. Los ZK-rollups pueden procesar miles de transacciones en lotes y luego solo publicar datos de resumen mínimos en Mainnet. Estos datos resumidos definen los cambios que se deben realizar en el estado de Ethereum y algunas pruebas criptográficas conocidas como pruebas de conocimiento cero, que verifican la corrección del procesamiento de transacciones por lotes.

Cómo funcionan los paquetes acumulativos

Paquetes acumulativos optimistas

Los rollups optimistas son una solución tecnológica para mejorar la eficiencia y la seguridad de las transacciones de blockchain. Implica agrupar múltiples transacciones en un "paquete acumulativo" y enviarlas a la cadena principal (Ethereum). Esta solución ayuda a ahorrar recursos en la cadena principal, aumenta la velocidad y el rendimiento de las transacciones y reduce las tarifas de transacción.

Las acumulaciones optimistas ejecutan transacciones fuera de la cadena, pero publican datos de transacciones como datos de llamadas en la red principal de Ethereum. Los operadores de resumen optimistas, también conocidos como secuenciadores, agrupan múltiples transacciones fuera de la cadena en grandes lotes antes de enviarlas a Ethereum. Este enfoque distribuye los costos fijos entre múltiples transacciones en cada lote, lo que reduce los costos para los usuarios finales. Además, los resúmenes optimistas emplean técnicas de compresión para reducir la cantidad de datos publicados en Ethereum.

Las acumulaciones optimistas se consideran "optimistas" porque asumen que todas las transacciones fuera de la cadena son válidas y no publican pruebas de validez para los lotes de transacciones publicados en la cadena. Esta es la principal diferencia entre los resúmenes optimistas y los resúmenes ZK, donde los resúmenes ZK deben proporcionar pruebas de validez para las transacciones fuera de la cadena.

Los rollups optimistas utilizan pruebas de fraude para detectar transacciones que no se calculan correctamente. Cada lote de resumen enviado a Ethereum tiene una ventana de tiempo llamada "período de desafío", durante el cual cualquier persona puede actuar como validador y calcular una prueba de fraude para verificar los resultados de una transacción de resumen. Si la prueba de fraude tiene éxito, el protocolo de resumen volverá a ejecutar la transacción y actualizará el estado del resumen en consecuencia, mientras que los nodos que incluyeron las transacciones ejecutadas incorrectamente en un bloque serán penalizados.

Si un lote acumulativo no se cuestiona después de que finaliza el período de desafío (lo que significa que todas las transacciones se han ejecutado correctamente), el lote se considera válido y aceptado en Ethereum. Cualquier nodo puede continuar construyendo sobre bloques acumulativos no confirmados, pero si ejecutan transacciones basadas en un lote ejecutado incorrectamente, los resultados de la transacción se revocarán.

De esta manera, las acumulaciones optimistas pueden lograr un procesamiento de transacciones eficiente y de bajo costo mientras mantienen la seguridad de la cadena de bloques. Es una solución que cambia el problema de escalabilidad de la capa de consenso a la capa de computación, y actualmente es una tecnología de escalado de cadena de bloques ampliamente reconocida y aplicada.

Los rollups secuencian las transacciones individuales fuera de la cadena y las empaquetan juntas antes de publicarlas en Ethereum

Paquetes ZK

Los resúmenes ZK, al igual que los resúmenes optimistas, son soluciones escalables que aprovechan el procesamiento de transacciones por lotes para mejorar la eficiencia de las transacciones de blockchain. Sin embargo, adoptan diferentes enfoques para lograrlo.

En ZK-rollups, los operadores (también conocidos como secuenciadores) envían un resumen de los datos de transacciones agregados a la cadena principal, que representan los cambios requeridos para todas las transacciones en el lote, en lugar de enviar individualmente cada transacción. Los operadores escriben transacciones como datos de llamadas almacenados en Ethereum temporalmente, y cuando la información de los datos de llamadas se publica en la cadena de bloques, cualquiera puede reconstruir de forma independiente el estado del resumen.

Además, los operadores deben generar pruebas de validez para demostrar la exactitud de sus datos de acumulación. Estas pruebas de validez se basan principalmente en pruebas ZK para probar la autenticidad y validez de todas las transacciones en el lote de acumulación.

Los nodos en Mainnet solo necesitan verificar la corrección de las pruebas ZK, sin examinar los detalles de cada transacción. Por el contrario, las acumulaciones optimistas utilizan pruebas de fraude para detectar errores de cálculo en las transacciones. Esto significa que los resúmenes ZK solo necesitan proporcionar pruebas de validez para completar las transacciones en Ethereum, mientras que los resúmenes optimistas requieren que todos los datos de las transacciones se incluyan en la cadena.

Cuando se mueven fondos de un ZK-rollup a Ethereum, no hay demora ya que las transacciones de salida se ejecutan inmediatamente después de que el contrato ZK-rollup verifique la prueba de validez. Por otro lado, la extracción de fondos de resúmenes optimistas enfrenta un retraso para permitir que cualquiera pueda cuestionar las transacciones de salida con pruebas de fraude.

Los ZK-rollups también utilizan técnicas de compresión para reducir los datos de transacciones. Por ejemplo, los ZK-rollups utilizan Merkle Trees para mantener la seguridad y la integridad de las transacciones fuera de la cadena sin almacenar todos los datos de las transacciones en Mainnet. Además, las cuentas están representadas por índices en lugar de direcciones, lo que ahorra 28 bytes de datos. La publicación de datos en cadena es un costo significativo para los resúmenes, por lo que la compresión de datos puede reducir las tarifas para los usuarios.

Pruebas de conocimiento cero

Las pruebas de conocimiento cero vienen en varios algoritmos. Tomando el protocolo Sigma como ejemplo, si Alice quiere demostrarle a Bob que realmente conoce una "contraseña" de clave secreta, puede hacerlo siguiendo los siguientes pasos:

1. Alice elige aleatoriamente un número r y usa la función hash para calcular H(r), y luego envía el resultado a Bob. La función hash H convierte datos de longitud arbitraria en un valor hash de longitud fija. Por ejemplo, H(“hola”) podría ser “2f95f89f1c2328712ef7bde608ce5404e97d5f04”.

2. Bob genera un número aleatorio y se lo envía a Alice.

3. Alice calcula x = r + H(“contraseña”) * s, donde “contraseña” es la clave secreta conocida por Alice. Luego le envía el resultado a Bob.

4. Bob calcula y = H(x) y envía y a Alice.

5. Alice calcula z = r + H(“contraseña”) s y y envía z a Bob.

6. Bob calcula w = H(z). Si w es igual a y, lo que indica que z = x, Bob sabe que Alice posee la clave secreta "contraseña".
   En el paso 3, Alice combina la clave secreta conocida "contraseña" con el número aleatorio r y el valor fijo H ("contraseña") * s para crear un valor aparentemente aleatorio x, que sirve como una representación pseudoaleatoria de "contraseña" a través de la cálculo de la función hash. Forma un nuevo valor x compuesto por el valor verdaderamente aleatorio r y la contraseña fija "contraseña".

Durante la interacción, ambas partes solo pueden ver sus propios números aleatorios. Por ejemplo, Alice sabe r pero no s, mientras que Bob sabe s pero no r. Sin embargo, Bob puede usar los valores aleatorios para verificar el valor hash de Alice y determinar si contiene el componente pseudoaleatorio. La pseudoaleatoriedad representa que Alice posee la clave secreta, mientras que la verdadera aleatoriedad significa que Alice está mintiendo.

La clave de este proceso es que Alice usa la clave secreta para calcular x y z en los pasos 3 y 5, demostrando así que es dueña de la clave secreta sin revelar su contenido real. Los números aleatorios r y s, junto con la función hash H, ayudan a proteger la privacidad de Alice.

Ventajas de los paquetes acumulativos

Paquetes acumulativos optimistas

1. Mejora significativamente la escalabilidad sin sacrificar la seguridad o la descentralización.

2. Los datos de las transacciones se almacenan en la cadena de capa 1, lo que mejora la transparencia, la seguridad, la resistencia a la censura y la descentralización.

3. Asegura una finalidad sin confianza con pruebas de fraude y permite que minorías honestas aseguren la cadena.

4. El cálculo de las pruebas de fraude es relativamente fácil y puede ser ejecutado por cualquier nodo de capa 2 sin necesidad de hardware de alta especificación.

5. Altamente compatible con EVM y Solidity, lo que permite a los desarrolladores portar contratos inteligentes nativos de Ethereum a acumulaciones o crear nuevas dApps utilizando las herramientas existentes.
   Paquetes ZK

6. Las pruebas de validez garantizan la corrección de las transacciones fuera de la cadena, evitando que los operadores ejecuten transacciones de estado no válidas.

7. Ofrece una finalidad de transacción más rápida ya que las actualizaciones de estado se aprueban una vez que se verifican las pruebas de validez en la capa

8. Se basa en mecanismos criptográficos confiables para la seguridad, en lugar de confiar en la honestidad de los actores incentivados como en los paquetes acumulativos optimistas.

9. Los usuarios se benefician de una mayor eficiencia del capital y pueden retirar fondos de la capa 2 sin demoras.

10. Una menor carga para los nodos de validación de capa 1 y una mejor compresión de datos pueden ayudar a reducir los costos de publicación de datos en Ethereum, minimizando las tarifas acumuladas para los usuarios.
    Las pruebas comunes de conocimiento cero vienen en forma de zk-SNARK (argumento de conocimiento sucinto no interactivo de conocimiento cero) y zk-STARK (argumento de conocimiento transparente escalable de conocimiento cero). Las diferencias entre ambos se resumen a continuación:

Desventajas de los paquetes acumulativos

Paquetes acumulativos optimistas

1. Los posibles desafíos de fraude pueden provocar retrasos en la finalización de la transacción.

2. Los secuenciadores de resúmenes centralizados pueden influir en el orden de las transacciones.

3. Cuando no hay nodos honestos, los secuenciadores maliciosos pueden robar fondos mediante la publicación de bloques y compromisos de estado no válidos.

4. El modelo de seguridad se basa en al menos un nodo honesto que ejecuta transacciones acumuladas y envía pruebas de fraude para desafiar las transiciones de estado no válidas.

5. Los usuarios deben esperar hasta que finalice el período de desafío para retirar fondos a Mainnet.

6. Los datos almacenados y publicados en la capa 1 son más que en ZK-rollups, lo que hace que consuman más recursos y aumenten los costos.
   Paquetes ZK

7. El costo de computar y verificar las pruebas de validez es alto, lo que puede aumentar las tarifas para los usuarios de resumen.

8. Debido a la complejidad de la tecnología de conocimiento cero, es difícil crear ZK-rollups compatibles con EVM.

9. La generación de pruebas de validez requiere equipo especializado, lo que aumenta la barrera para los operadores y puede resultar en que unos pocos participantes controlen la red de la cadena de bloques.

10. Los operadores centralizados pueden influir en el orden de las transacciones.

Liderando Proyectos de Resumen

Optimismo

Optimism es una solución de escalado de capa 2 basada en Ethereum que utiliza resúmenes optimistas para aumentar el rendimiento de las transacciones, reducir las tarifas y mantener una alta compatibilidad con Ethereum. El objetivo de Optimism es establecer una Superchain, una red unificada que combine todas las cadenas de capa 2 basadas en Optimism Stack. Permite la compatibilidad e interoperabilidad entre cadenas.

El ecosistema Optimism ha logrado un progreso significativo, comenzando con un airdrop a la comunidad a mediados de 2022 para recompensar a los primeros seguidores y contribuyentes. Los tokens OP se distribuyeron a usuarios de Optimism, votantes de DAO, firmantes seleccionados de firmas múltiples y donantes de Gitcoin.

A principios de 2023, Coinbase lanzó Base, una red blockchain de capa 2 desarrollada utilizando Optimism Stack de código abierto. Base tiene como objetivo proporcionar a los desarrolladores una plataforma de capa 2 rápida, segura y personalizable y planea integrarla con Coinbase Wallet y Exchange para mejorar la experiencia y la seguridad del usuario.

Optimism continúa mejorando su tecnología y arquitectura de gobierno. Por ejemplo, presenta funciones como el motor a prueba de fallas de Cannon, diseña el protocolo del secuenciador y establece Optimism Collective. La aplicación de Chain Factory facilitará la construcción de un ecosistema Superchain alrededor de la red Ethereum.

Actualmente, varias aplicaciones descentralizadas conocidas, como Uniswap, Aave y Synthetix, se han implementado en Optimism, lo que representa proyectos emblemáticos de resumen optimista.

Arbitro

Arbitrum también es una red de cadena de bloques de capa 2 que utiliza resúmenes optimistas. Utiliza un diseño interactivo de múltiples rondas para resolver disputas y reducir la carga de trabajo en la cadena. Arbitrum ofrece una sólida compatibilidad con EVM, lo que permite a los desarrolladores implementar fácilmente sus contratos inteligentes en la red de Arbitrum. Sin embargo, en comparación con la prueba de fraude de una sola ronda de Optimism, Arbitrum tiene tamaños de bloque más grandes.

Arbitrum ha ganado popularidad entre los proyectos innovadores de DeFi. Los más notables incluyen la plataforma de negociación de derivados GMX y Gains Network, así como el protocolo de préstamos Radiant. Proyectos establecidos como Sushiswap y Curve también han aportado una liquidez significativa al ecosistema de Arbitrum. Según Dune Analytics, a partir de abril de 2023, la cantidad de usuarios en Arbitrum superó el millón, con un volumen de negociación que superó los $ 10 mil millones y activos en cadena que alcanzaron los $ 2 mil millones.

Además de atraer más proyectos y usuarios, Arbitrum continúa innovando y optimizando su tecnología y gobernanza. En febrero de 2023, realizó un airdrop del token de gobernanza ARB, lo que permitió a la comunidad participar en la toma de decisiones con respecto a las actualizaciones de la red Arbitrum.

A pesar de las controversias y disputas que surgieron de la propuesta AIP-1 y la decisión de la fundación de vender tokens ARB, el precio de los tokens ARB ha seguido aumentando, lo que indica optimismo del mercado sobre su potencial futuro.

Actualmente, la red Arbitrum se erige como uno de los proyectos de cadena de bloques de capa 2 más vibrantes que utilizan el resumen optimista, ofreciendo más posibilidades y valor al ecosistema Ethereum.

zkSync

zkSync es una solución de escalado de Capa 2 basada en pruebas de conocimiento cero, destinada a mejorar la velocidad de las transacciones y reducir los costos en la red Ethereum manteniendo la compatibilidad con EVM. El equipo de desarrollo, Matter Labs, lanzó la segunda fase de la red zkSync, llamada zkSync Era, a principios de 2023. Esta fase utiliza un argumento de conocimiento sucinto y transparente (STARK) para mejorar aún más la eficiencia de la prueba de conocimiento cero.

El lanzamiento de la red principal de zkSync ha atraído una atención significativa de la comunidad de desarrollo. Casi ha logrado la implementación completa de zkEVM, lo que permite a los desarrolladores crear aplicaciones de conocimiento cero utilizando el lenguaje Solidity. Esto significa que los desarrolladores pueden migrar fácilmente sus aplicaciones Ethereum a zkSync y beneficiarse de una mayor escalabilidad y seguridad.

zkSync también ofrece interoperabilidad con otras redes de capa 2 y capa 1 a través de los servicios de cadena cruzada Multichain y Orbiter Finance. Actualmente, varios proyectos de blockchain ya han anunciado su soporte para el despliegue de zkSync, incluidas billeteras, puentes entre cadenas, pasarelas de pago, exploradores de bloques, intercambios, protocolos DeFi, plataformas NFT, juegos, etc.

El ecosistema zkSync aún se encuentra en sus primeras etapas, pero hemos visto algunos componentes activos, incluido el intercambio descentralizado SyncSwap y el protocolo de préstamos Nexon Finance. También se puede acceder a las campañas de donación de Gitcoin a través de zkSync.

El lanzamiento de la red principal de zkSync se considera un hito clave en el viaje de escalabilidad de Ethereum, que muestra el inmenso potencial de la tecnología de conocimiento cero en el espacio de la cadena de bloques. A medida que más proyectos y usuarios migran a zkSync, podemos esperar transacciones y aplicaciones de blockchain más rápidas, económicas y seguras.

StarkNet

StarkNet es un proyecto de escalado de capa 2 para Ethereum desarrollado por la empresa emergente Starkware. Su tecnología central se basa en STARK (argumentos de conocimiento transparentes escalables), una prueba de conocimiento cero, para permitir una verificación de transacciones más rápida, segura y eficiente en el uso de recursos en la cadena de bloques al tiempo que protege la privacidad del usuario.

StarkNet ya se ha integrado con varias cadenas de bloques populares. StarkGate, un puente entre cadenas, se ha integrado para admitir interacciones con varias soluciones acumulativas. Esto permite a los usuarios transferir ETH sin problemas a través de Ethereum, Arbitrum, Optimism y Polygon a StarkNet.

A fines de 2022, el equipo anunció la implementación exitosa de ZK-EVM utilizando el lenguaje de programación Cairo. Este logro ha atraído a proyectos de renombre, como Sorare, immutableX, dYdX y ApeX, para implementar sus aplicaciones descentralizadas en StarkNet.

Actualmente, el ecosistema StarkNet se encuentra en sus primeras etapas de desarrollo. Los proyectos notables dentro del ecosistema incluyen el intercambio descentralizado JediSwap, el protocolo de préstamos CurveZero y el mercado NFT Aspect. A medida que se expanden los escenarios de aplicación de StarkNet y la base de usuarios, el rendimiento de su compatibilidad ZK-EVM se hará cada vez más evidente.

Conclusión

En esta lección, profundizamos en la tecnología y las tendencias de desarrollo de los paquetes acumulativos de Ethereum. Los paquetes acumulativos empaquetan múltiples transacciones y separan la capa de protocolo de la capa de cómputo, lo que alivia la congestión en Ethereum Mainnet y logra un mayor rendimiento de transacciones y costos más bajos.

La tecnología de resumen se puede dividir en dos categorías: resumen optimista y resumen ZK. El resumen optimista asume que todas las transacciones empaquetadas son correctas, mientras que el resumen ZK requiere proporcionar pruebas de conocimiento cero.

Cada tecnología de acumulación tiene sus propios puntos fuertes. A medida que la tecnología madura, se ha logrado un progreso significativo en las capacidades de cadena cruzada y en la integración de EVM. Proyectos como Optimism, Arbitrum, zkSync y StarkNet están desarrollando y optimizando activamente su infraestructura técnica para satisfacer la creciente demanda del mercado de escalabilidad, seguridad y descentralización.

En la siguiente lección, compararemos varias redes de cadenas de bloques compatibles con EVM y exploraremos cómo compiten en el mercado potencial de escalabilidad de Ethereum.

Reflejos

• Los rollups ZK y los rollups optimistas son soluciones técnicas destinadas a mejorar la eficiencia y la seguridad de las transacciones de blockchain. Al empaquetar varias transacciones en un "resumen" y enviarlas a Mainnet, pueden ahorrar recursos de Mainnet, aumentar la velocidad y el rendimiento de sus transacciones y reducir las tarifas de transacción para los usuarios.
• Los rollups optimistas ejecutan transacciones fuera de la cadena y usan pruebas de fraude para detectar transacciones ejecutadas incorrectamente, lo que permite que cualquier persona verifique los resultados de las transacciones rollup.
• Si se encuentran transacciones ejecutadas incorrectamente durante el período de desafío, el protocolo de acumulación volverá a ejecutar la transacción y el secuenciador responsable recibirá una penalización.
• En ZK-rollups, los operadores envían un resumen de los datos de transacciones agregados a Mainnet y generan pruebas de validez utilizando prueba de conocimiento cero para demostrar la exactitud de sus datos de acumulación.
• Los nodos en Mainnet solo necesitan verificar la corrección de las pruebas de conocimiento cero, sin examinar los detalles de cada transacción individual. Por lo tanto, no hay período de desafío.
• Tanto los resúmenes optimistas como los resúmenes ZK utilizan técnicas de compresión para reducir los datos de transacciones. Por ejemplo, usan árboles de Merkle para mantener la seguridad y la integridad de las transacciones fuera de la cadena o usan índices en lugar de direcciones de billetera.
• Los resúmenes optimistas y los resúmenes ZK tienen sus propias ventajas y desventajas. La creación de resúmenes ZK compatibles con EVM es más desafiante, y la seguridad de los resúmenes optimistas se basa en nodos honestos.
• Con el desarrollo continuo de la tecnología de acumulación, podemos esperar ver aplicaciones más generalizadas en varios campos, como DeFi, NFT y juegos.