Introducción

La introducción de Ethereum en 2015 marcó un hito significativo en la evolución de la tecnología blockchain, ofreciendo una plataforma para la innovación y soluciones descentralizadas. Sin embargo, a medida que la popularidad de Ethereum se disparaba, la escalabilidad y las altas comisiones de gas surgieron como desafíos formidables. A pesar de estos obstáculos, Ethereum sigue firme en su búsqueda de una escalabilidad extrema sin comprometer la descentralización o la seguridad.

Para adentrarse en las soluciones de escalabilidad de Ethereum y en el intrincado equilibrio entre escalabilidad, seguridad y descentralización, es esencial comprender el Trilema del Blockchain, un concepto fundamental en la tecnología blockchain. Este artículo explora el diverso panorama de soluciones de escalabilidad, incluidos enfoques on-chain y off-chain, centrándose en las soluciones Roll-up. Al comparar Roll-ups Optimistas y de Conocimiento Cero, este artículo tiene como objetivo elucidar los compromisos y beneficios matizados de cada enfoque, arrojando luz sobre sus implicaciones para el futuro de Ethereum y el ecosistema blockchain en general.

El Trilema del Blockchain

Las tres características principales de la cadena de bloques son la escalabilidad, la seguridad y la descentralización.

Seguridad

Esto significa mantener segura la red contra ataques y asegurar que todas las transacciones sean seguras e inviolables.

Descentralización

Esto se refiere a distribuir el control de la red para que ninguna entidad única tenga demasiado poder. Se trata de tener una red dirigida por muchos nodos, en lugar de una sola autoridad central.

Escalabilidad

Esta es la capacidad de la red para manejar un gran número de transacciones de manera rápida y eficiente a medida que crece.

Fuente:Ethereum

La incapacidad de un blockchain para lograr simultáneamente todos estos objetivos se conoce como el “Trilema del Blockchain.” Mejorar uno a menudo significa sacrificar otros, y se cree que este trilema restringe severamente la adopción y el potencial de la tecnología. A modo de ilustración, un mayor grado de descentralización (más personas a cargo) puede resultar en redes menos escalables con transacciones más lentas, ya que más nodos deben ponerse de acuerdo en las transacciones. Sin embargo, a medida que la escalabilidad aumenta (las transacciones ocurren más rápido), podría volverse necesario disminuir la “descentralización” (menos nodos están en control), lo que podría tener un impacto en la seguridad. Regulaciones e menos nodos pueden hacer que las transacciones se vuelvan más lentas y más centralizadas, lo que podría limitar la escalabilidad y descentralización de la red si la seguridad se considera la prioridad principal.

Soluciones de escalado: En cadena y fuera de cadena

El proceso de escalado en cadena implica hacer modificaciones en el protocolo principal de la capa 1 de la red principal de Ethereum, que originalmente se pretendía que fuera escalable a través de la fragmentación, la división de la cadena de bloques en áreas más pequeñas y verificables. Al utilizar adjuntos de datos menos costosos a los bloques de Ethereum, los rollups de capa 2 han surgido como la principal técnica de escalado.

Por otro lado, las soluciones de escalado fuera de la cadena no dependen de la capa 1 de Ethereum y no requieren cambios en el protocolo. Obtienen escalabilidad procesando transacciones fuera de la red principal de Ethereum, y obtienen seguridad ya sea directamente del consenso de Ethereum o a través de cadenas independientes. Las cadenas laterales, los canales de estado, Plasma, Validium y Roll-ups son algunas de estas soluciones de capa 2.

Soluciones de escalado Roll-up

Fuente:DappRadar

Los roll-ups, que están asegurados por Ethereum, aumentan la escalabilidad de Ethereum al procesar y validar transacciones fuera de la cadena y luego enviar un resumen condensado de las transacciones a la mainnet. Como resultado, la mainnet de Ethereum L1 maneja menos datos y cálculos, lo que acelera la red y reduce los costos de transacción.

Entradas y Salidas

Salir y entrar son los procesos de mover fondos entre Ethereum y una solución de escalado de capa 2 (L2).

• Entrada: Para utilizar una solución L2, los usuarios necesitan depositar sus fondos en un contrato inteligente en Ethereum, que los bloquea hasta que sean retirados.
• Salida: Para recuperar sus fondos, los usuarios deben enviar una prueba de su saldo en la solución L2 al contrato inteligente, que los libera a su dirección de Ethereum. Diferentes soluciones L2 tienen diferentes métodos para probar y verificar transacciones, como pruebas de conocimiento cero o pruebas de fraude. Estos métodos afectan la velocidad, el costo y la seguridad de la salida y entrada.

Comprender Zero-knowledge (ZK) y Optimistic Roll-ups

Zero-knowledge (ZK) y Optimistic Roll-ups son las dos categorías de Soluciones de Escalabilidad de Ethereum.

Roll-ups de conocimiento cero

Los Roll-ups de conocimiento cero, popularmente conocidos como ZK roll-ups, asumen que todas las transacciones son falsas hasta que se demuestre su validez a través de pruebas de conocimiento cero (ZKPs), un fuerte contraste con sus homólogos optimistas. Aquí, los validadores prueban que una transacción es auténtica sin revelar ningún detalle de la transacción. Esto se hace publicando pruebas de validez en Ethereum, eliminando la necesidad de datos de transacciones en cadena. Ejemplos de Zero-Knowledge roll-ups incluyen Starknet, zkSync y Loopring.

Fuente: Nervos

Características clave de las roll-ups de conocimiento cero

Una Prueba de Conocimiento Cero

Este es un método que permite a un 'demostrador' demostrar la verdad de una afirmación a un 'verificador' sin revelar ninguna información más allá del hecho de que la afirmación es verdadera. Asegura la privacidad y la seguridad al validar reclamaciones sin exponer datos subyacentes.

ZK-SNARKs (Argumento de Conocimiento Sucinto No Interactivo de Conocimiento Cero)

Un protocolo permite la verificación de la integridad de una declaración sin necesidad de conocer nada más al respecto. Es conciso y no interactivo, lo que significa que las pruebas son pequeñas y la verificación es rápida, requiriendo solo una interacción.

ZK-STARKs (Zero-Conocimiento Argumento Transparente Escalable de Conocimiento)

Similar a ZK-SNARKs pero diseñados para ser escalables y transparentes, lo que los hace más rápidos para conjuntos de datos más grandes y libres de la necesidad de una configuración confiable, aunque producen pruebas más grandes.

Cómo funcionan los Roll-ups de conocimiento cero

1. Envío de transacciones de usuario: los usuarios inician transacciones firmando con sus claves privadas. Estas transacciones se envían a los operadores de ZK-rollup.

2. Procesamiento del operador: los operadores, ya sean secuenciadores o validadores, reciben transacciones de usuarios. Los secuenciadores ejecutan transacciones fuera de la cadena, las agregan en lotes y periódicamente envían estos lotes a la cadena de bloques de Ethereum. Los validadores procesan transacciones en una configuración de prueba de participación y proponen nuevos lotes basados en el tamaño de la participación.

3. Compresión y envío por lotes: Antes de enviar a Ethereum, el operador comprime los datos de transacción para reducir datos de llamadasLuego, estos datos comprimidos se incluyen en una transacción de Ethereum y se envían al contrato inteligente de ZK-rollup.

4. Compromiso en cadena: El contrato inteligente de Ethereum recibe los datos por lotes y verifica su integridad. Actualiza el árbol de estado del rollup con las nuevas transacciones y almacena la raíz de Merkle de este estado actualizado.

5. Generación de prueba de conocimiento cero: El operador de ZK-roll-up genera pruebas de conocimiento cero para cada lote. Estas pruebas atestiguan criptográficamente la corrección de las transiciones de estado sin revelar información sensible.

6. Envío de prueba: El operador envía las pruebas de conocimiento cero al contrato verificador de Ethereum. Este contrato verifica las pruebas y asegura que las transiciones de estado propuestas son válidas.

7. Actualización de la raíz del estado: Tras la verificación exitosa de las pruebas de conocimiento cero, las actualizaciones del contrato inteligente de Ethereum en la raíz del estado del rollup con la nueva raíz de Merkle calculada a partir del último lote de transacciones.

8. Interacción del usuario: Los usuarios pueden interactuar con ZK-rollup depositando activos en Ethereum, iniciando transacciones y retirando fondos. Los depósitos se realizan enviando activos al contrato rollup, mientras que los retiros implican enviar solicitudes con las pruebas necesarias al contrato.

9. Verificación y ejecución: El contrato de roll-up verifica las solicitudes de retiro, asegurando que sean válidas y respaldadas por las pruebas necesarias. Una vez verificadas, el contrato ejecuta los retiros, transfiriendo activos a las direcciones especificadas por los usuarios en la mainnet de Ethereum.

Ventajas de Zero-Knowledge Roll-ups

• Pruebas de validez: ZK roll-ups utilizan pruebas de validez para verificar la corrección de las transacciones fuera de la cadena, lo que impide a los operadores ejecutar transiciones de estado inválidas y ofrece una finalidad más rápida.
• Compresión de datos: los ZK roll-ups utilizan técnicas de compresión para reducir la cantidad de datos publicados en la cadena, lo que puede reducir las tarifas para los usuarios y aumentar la escalabilidad del roll-up.
• Retiros instantáneos: ZK rollups permiten a los usuarios retirar fondos de L2 a L1 sin demoras, ya que las transacciones de salida se ejecutan una vez que la prueba de validez es verificada en L1.

Desventajas de las Zero-knowledge Roll-ups

• Generación y verificación de pruebas: Los ZK rollups requieren una criptografía y una ingeniería complejas para producir y verificar pruebas de validez, lo que puede aumentar los costos y desafíos para los operadores y usuarios de rollup.
• Compatibilidad con EVM: Los ZK rollups no son fácilmente compatibles con el EVM, lo que dificulta el soporte de contratos inteligentes de propósito general y aplicaciones descentralizadas existentes, así como herramientas en el rollup.
• Riesgos de centralización: ZK rollups pueden fomentar el control centralizado del roll-up por parte de algunas partes, ya que la producción de pruebas de validez requiere hardware especializado y experiencia.

Casos de uso de Roll-ups de conocimiento cero

Los roll-ups de conocimiento cero (ZK) son una excelente opción para diversos casos de uso, especialmente aquellos que requieren un equilibrio entre privacidad, escalabilidad y seguridad. Aquí hay algunos casos de uso de roll-ups de conocimiento cero.

Verificación de identidad descentralizada

Los ZK-roll-ups pueden verificar la identidad de una persona sin revelar información personal sensible. Esta característica de preservación de la privacidad es valiosa para la autenticación segura y la gestión de usuarios.

Transacciones que preservan la privacidad

Los nodos de la cadena de bloques pueden validar transacciones sin acceder directamente a los datos de la transacción. ZK-rollups permiten transferencias confidenciales y eficientes manteniendo la seguridad.

Sistemas de votación

Los sistemas de votación deben garantizar el anonimato y la integridad en las elecciones al tiempo que permiten la verificación pública de los resultados.

Optimistic Roll-ups

Los roll-ups optimistas escalan Ethereum al mover las transacciones fuera de la cadena y solo publicar los datos en la cadena. Suponen y confían en que las transacciones fuera de la cadena son válidas sin verificarlas. Sin embargo, los roll-ups optimistas utilizan pruebas de fraude para detectar errores o fraudes en las transacciones fuera de la cadena. Los dos roll-ups optimistas más populares son Arbitrum y Optimism.

El período de desafío es el tiempo que sigue a la presentación de un lote de roll-up a la red Ethereum. Cualquiera puede impugnar la validez de una transacción de roll-up durante este tiempo. Después del período de desafío, un lote de roll-up se considera válido en Ethereum si no se impugna. En contraste, el protocolo vuelve a ejecutar las transacciones y penaliza al secuenciador en cuestión si una prueba de fraude tiene éxito.

Fuente:Nervos.org

Cómo funcionan los Optimistic Roll-Ups

1. Presentación de transacciones iniciadas por el usuario: En la red de roll-up optimista, los usuarios inician transacciones. El secuenciador, o operador, recibe esta transacción.

2. Agregación de transacciones y envío en cadena: El operador compila todas estas transacciones separadas en un bloque y reduce el tamaño de los datos comprimiéndolos, creando un lote de transacciones que están preparadas para su procesamiento. Posteriormente, el operador envía el lote de transacciones a la red de Ethereum. Los datos de transacción se empaquetan en este proceso y se publican en Ethereum como datos de llamada.

3. Disponibilidad de datos en Ethereum: Ethereum registra los datos de transacción publicados/enviados dentro de los datos de llamada en su cadena de bloques. Esto garantiza la disponibilidad de los datos de transacción para futuras referencias.

4. Transición de estado y compromisos: Los validadores en la red de roll-up optimista, también conocida como secuenciadoresEn algunos casos, ejecutan las transacciones utilizando el estado actual de la cadena de roll-up almacenada fuera de la cadena. Verifican la validez de las transacciones y actualizan el estado de roll-up en consecuencia. Después de procesar las transacciones, el operador se compromete con el nuevo estado de la cadena de roll-up generando una nueva raíz de estado. Esta raíz se hash y se almacena en la cadena como una referencia al estado más reciente de roll-up.

5. Detección de fraudes y pruebas de fraude: Los validadores están atentos a cualquier diferencia entre su propio estado ejecutado y el estado propuesto por el operador al monitorear la cadena de roll-up. Un validador puede lanzar un desafío para impugnar la validez del bloque de roll-up si encuentra una discrepancia. En caso de un desafío, los validadores pueden proporcionar pruebas de fraude a Ethereum, demostrando cualquier inconsistencia en el bloque de roll-up. Estas pruebas sirven como evidencia de actividad fraudulenta y desencadenan sanciones para el operador deshonesto.

6. Arbitraje y Resolución: Ethereum es un árbitro en el proceso de resolución de disputas. Evalúa las pruebas de fraude proporcionadas por los desafiantes y aplica sanciones al operador si se confirma un comportamiento fraudulento.

7. Finalidad y Liquidación: Una vez que un bloque de roll-up es aceptado en Ethereum, alcanza la finalidad, lo que significa que las transacciones dentro de él se consideran liquidadas e irreversibles. Esta liquidación proporciona a los usuarios confianza en la integridad de sus transacciones en la red de roll-up optimista.

Ventajas de Optimistic Roll-ups

• Compatibilidad con EVM: las roll-ups optimistas pueden soportar cualquier contrato inteligente o transacción que pueda ejecutarse en Ethereum, lo que las hace fáciles de integrar con dApps y herramientas existentes.
• Baja latencia: los roll-ups optimistas ofrecen tiempos rápidos de confirmación de transacciones, ya que los usuarios no tienen que esperar a que se verifiquen las pruebas de validez en L1.
• Alta capacidad de procesamiento: los rollups optimistas pueden procesar miles de transacciones por segundo al mover la computación fuera de la cadena y solo publicar datos de transacciones en la cadena

Desventajas de Optimistic Roll-ups

• Pruebas de fraude: Los rollups optimistas se basan en pruebas de fraude para garantizar la corrección de las transacciones fuera de la cadena, lo que requiere un período desafiante y costos adicionales de gas para ejecutarse en L1.
• Disponibilidad de datos: Los roll-ups optimistas dependen de la disponibilidad de datos de transacciones en L1, lo que puede verse afectado por la congestión de la red o actores malintencionados.
• Retrasos en retiros: Los roll-ups optimistas imponen un período de espera para que los usuarios retiren fondos de L2 a L1, que puede variar desde varias horas hasta días dependiendo del diseño del roll-up.

Casos de uso de Optimistic Roll-ups

Los roll-ups optimistas abordan los desafíos de escalabilidad en las aplicaciones basadas en Ethereum mientras mantienen la confianza y la seguridad, lo que los convierte en una solución ideal para diversos casos de uso en diferentes industrias. Estos incluyen;

Finanzas Descentralizadas (DeFi)

Los roll-ups optimistas pueden mejorar significativamente el rendimiento de las transacciones para las plataformas DeFi, lo que permite interacciones más rápidas y económicas con protocolos como préstamos, trading y yield farming.

Juegos

En las aplicaciones de juegos, donde las interacciones en tiempo real y la confirmación rápida de las acciones en el juego son cruciales, los roll-ups optimistas ofrecen una forma de procesar transacciones fuera de la cadena mientras se mantiene la seguridad a través de la publicación de datos en la cadena.

Gestión de la cadena de suministro

Los rollups optimistas pueden agilizar los procesos de la cadena de suministro al manejar grandes transacciones fuera de la cadena, reduciendo la congestión en la red principal de Ethereum. Esto es particularmente útil para rastrear productos, verificar autenticidad y gestionar inventario.

Verificación de identidad

Verificar identidades y gestionar perfiles de usuario puede beneficiarse de roll-ups optimistas. Al descargar la computación y el almacenamiento de estado, estos protocolos pueden mejorar la eficiencia de las transacciones relacionadas con la identidad.

Comparación de Zero-knowledge (ZK) y Optimistic Roll-ups

Conclusión

La comparación entre Optimistic y Zero-Knowledge Roll-ups subraya los enfoques matizados hacia la escalabilidad y la seguridad dentro del ecosistema de Ethereum. Mientras que Optimistic Roll-ups priorizan la velocidad de transacción y la compatibilidad con la infraestructura existente de Ethereum, Zero-Knowledge Roll-ups sobresalen en la preservación de la privacidad y la integridad criptográfica. Ambas soluciones representan avances significativos en la tecnología blockchain, ofreciendo beneficios y compromisos únicos que se adaptan a diversos casos de uso.

A medida que Ethereum continúa evolucionando, adoptar y refinar estas soluciones roll-up jugará un papel fundamental en dar forma al futuro de las finanzas descentralizadas, los tokens no fungibles y otras aplicaciones blockchain. Abrazar esta diversidad de soluciones de escalado subraya el compromiso de Ethereum con la innovación y la resiliencia para superar los desafíos de escalabilidad manteniendo los principios fundamentales de seguridad y descentralización.