Problema de escalabilidad de blockchain explicado

Al crear la tecnología blockchain, los desarrolladores contaban con la privacidad y el anonimato del dinero digital. Este objetivo se logró introduciendo el principio de un sistema peer-to-peer — cada usuario es igual, y no existe un sistema de gestión ni un organismo de control del dinero como los bancos.

Ahora las criptomonedas, como tecnología, afrontan la siguiente tarea: lograr una alta velocidad de operaciones, comparable a Visa y MasterCard. El problema de la escalabilidad sigue siendo uno de los principales obstáculos para la implementación masiva de la tecnología blockchain. Un número cada vez mayor de equipos de proyectos blockchain está buscando soluciones que puedan mejorar el rendimiento de su red. Muchos afirman que ya han resuelto o casi resuelto este problema, pero tales declaraciones deben tomarse con escepticismo.

Objetivo principal

Hace diez años, Bitcoin no era popular entre los usuarios. Pero luego, con el paso de los años, el aumento en el número de usuarios del sistema creó problemas con la capacidad de cómputo de la tecnología. Usar criptomonedas se volvió más difícil debido a las largas colas causadas por las restricciones en el número de pagos procesados por segundo. Así, el problema de la escalabilidad se agravó.

Los desarrolladores comenzaron a buscar activamente mecanismos óptimos para estabilizar el funcionamiento. Desde entonces, las monedas se han actualizado o separado con regularidad ante la ausencia de compromisos. Sin embargo, revisemos los temas, uno por uno.

Problema de escalabilidad: la esencia de la cuestión

Todas las transacciones de Bitcoin se realizan en bloques que reciben los datos de las transacciones. Un bloque contiene 1 MB de información, y la velocidad de procesamiento promedia cuatro pagos por segundo. Por otro lado, la capacidad de procesamiento de los mineros es la responsable del movimiento de fondos y de la estabilidad de las operaciones. Esto es necesario para calcular algoritmos al crear monedas y registros de transacciones cifradas. Con cada transacción, los mineros de moneda digital reciben una comisión.

Aumentar el número de transacciones también reduce la velocidad de cada transacción. Esto permite que la blockchain no pueda gestionar un gran flujo. Todas las transferencias de criptomonedas se construyen en una larga cola. Solo el alto coste de la comisión permite obtener prioridad en la cola. Este fenómeno tiene un impacto en la liquidez (picos de precio) de la moneda: para un comprador es más fácil usar efectivo o una tarjeta bancaria, incluso en detrimento del anonimato y la privacidad.

En tales casos, los usuarios pierden interés y confianza en la moneda, seguidos por los mineros. Como resultado, los inversores ven el riesgo de las inversiones y hacen caer los activos desde su valor máximo y popularidad, mientras los traders juegan con los movimientos de precio.

Cómo se expresa el problema de escalabilidad

Con la popularización de Bitcoin, el problema de la escalabilidad de la criptomoneda se manifestó debido a la congestión de la red. Por ello, se volvió más difícil usar la moneda: en mayo de 2017, las colas de transacciones llegaron hasta cinco días. Así surgió la cuestión del equilibrio entre velocidad y seguridad de las transacciones.

Se puede analizar el problema con un ejemplo práctico. Supongamos que es necesario transportar 500 toneladas de carga en un tren con vagones con capacidad de una tonelada, con una revisión de seguridad previa y una carga con un tiempo de carga de 2 horas por unidad. Sin embargo, el coste de los servicios de transporte afecta la posición de la mercancía en orden descendente. Como resultado, a los destinatarios con el pago más bajo por la entrega les toma al menos dos semanas recibir el producto final. Lo mismo ocurre con Bitcoin: no es posible realizar pagos tan rápido como con una tarjeta bancaria.

En función de lo escrito, se puede distinguir la definición del problema de escalabilidad: la limitación del número de transacciones procesadas en un determinado tiempo. Sin embargo, la posibilidad de seleccionar una comisión pagada puede elevar la prioridad de la operación en la cola de la blockchain, pero no resuelve el problema.

Lo primero que viene a la mente es aumentar el tamaño del bloque y el número de pagos procesados sin medidas adicionales. Desafortunadamente, este enfoque reducirá la seguridad, ya que el procesamiento dosificado de la información evita el alto riesgo de ataques DDoS (congestión intencional de la red con fines fraudulentos). El tamaño está previsto para una verificación cuidadosa de los datos. No obstante, es necesario analizar en detalle las posibles soluciones a la situación.

Cómo resolver la escalabilidad

Desarrolladores, activistas y científicos comenzaron a buscar formas de resolver el problema de escalabilidad de Bitcoin. El punto culminante e indicativo fue la situación descrita en 2017 con las largas colas. Fue entonces cuando el tema se debatió ampliamente en la comunidad crypto. Se destacaron tres conceptos para corregir esta deficiencia de la blockchain:

• aumentar el tamaño del bloque, reduciendo así la comisión por pagos y aumentando la tasa de procesamiento de transacciones por segundo (TPS). Hay dos inconvenientes: el camino conduce a la centralización de la moneda y al riesgo de intentos exitosos de ataques DDoS;
• procesamiento segmentado de la información o sharding. Parte de la información se muestra fuera de las celdas. De esta manera, la blockchain se divide en dos o más segmentos responsables de distintos grupos de transacciones. También existe riesgo de ataques de hackers, ya que se requiere menos capacidad de minado para procesar shards. Debido a la división en varias partes, las comprobaciones de seguridad requieren algoritmos ligeros. Así, los estafadores pueden añadir transacciones falsas a la red; un ejemplo es el ataque del 51 ％;
• un grupo de soluciones L2 al problema de la escalabilidad. El enfoque es un marco, un programa que funciona sobre la blockchain, descargando una red existente. Estos conceptos difieren de on-chain (decisiones dentro del sistema de la moneda) por la intervención de un intermediario.

El primer método requiere dividir la red y crear una nueva moneda. Así se pierde la compatibilidad hacia atrás con la original. Es decir, las monedas en tal caso dejan de tener homogeneidad. En un entorno criptográfico, el fenómeno se llama hardfork. Bitcoin Cash siguió este camino. Como resultado de la bifurcación, en agosto de 2017 se produjo una separación de la primera criptomoneda con un aumento del tamaño del bloque a 8 MB.

La segunda solución implica la creación de subredes separadas del bloque con el traslado de parte de la información fuera de sus límites. En este caso, se produce un softfork: un cambio en el protocolo de software sin dividir la moneda. Similar al lanzamiento de un parche para un videojuego con complementos. Un ejemplo es la actualización Segregated Witness. El tamaño del bloque aumentó a 2 MB con parte de la información almacenada fuera de la cadena principal de transacciones.

La solución tiene inconvenientes: cada shard estará expuesto al peligro de un ciberataque. Para cada uno de estos segmentos se utiliza menos potencia que por unidad.

Soluciones de segundo nivel

La arquitectura de las primeras blockchains, principalmente Bitcoin y Ethereum, no fue diseñada para un gran número de transacciones y usuarios, y por ello tienen un bajo ancho de banda. Por ejemplo, en Bitcoin es de 5-7 transacciones por segundo (TPS), en Ethereum es de alrededor de 15 TPS.

La escalabilidad puede aumentarse cambiando el código del protocolo blockchain mediante funciones como sharding. Pero lleva mucho tiempo y puede tardar años. Además, estas mejoras cambian los fundamentos de la arquitectura, por lo que la comunidad del proyecto no siempre acepta llevarlas a cabo.

Las soluciones L2 permiten al menos resolver parcialmente el problema del bajo ancho de banda y de las altas comisiones por transferencias sin afectar el código de la blockchain principal. Su principal ventaja es la capacidad de transferir activos entre las direcciones de la "primera capa" mientras se utiliza la "segunda capa", que puede ser un protocolo off-chain independiente o una blockchain separada.

¿Qué soluciones de capa 2 existen para Bitcoin?

El principal proyecto L2 para la primera criptomoneda es Lightning Network (LN). Funciona mediante un protocolo que utiliza smart contracts y los llamados canales de estado. Lightning Network se lanzó ya en 2015 y, desde entonces, se ha desarrollado activamente. A finales de mayo de 2022, la capacidad total de los canales de LN alcanzó los 3.900 BTC.

La función principal de LN es permitir a los poseedores de bitcoin realizar intercambios directos sin escribir información en su registro. Para ello, es necesario abrir un canal especial mediante una única transacción on-chain y depositar bitcoins en él.

Tras la activación, el canal de pago permite realizar transferencias off-chain, es decir, fuera de la red principal, con mucha mayor velocidad y comisiones más bajas. A diferencia de las transacciones on-chain, las transacciones en los canales de Lightning Network solo son visibles para sus usuarios. Solo los estados inicial y final de las transacciones se registran en la blockchain principal.

Este enfoque reduce significativamente la carga sobre la red principal de bitcoin: Lightning Network es capaz de procesar miles de operaciones por segundo, garantizando al mismo tiempo un alto nivel de seguridad del sistema.

¿Qué soluciones de capa 2 existen para Ethereum?

A pesar de su baja velocidad, el ecosistema de Ethereum es el más demandado para las aplicaciones descentralizadas. Muchos proyectos populares en los campos de las finanzas descentralizadas (DeFi) y los tokens no intercambiables (NFT) funcionan en ella. Por ello, el problema de la escalabilidad es especialmente agudo para Ethereum.

Ahora mismo se están desarrollando en paralelo varias grandes soluciones L2:

• Polygon (MATIC);
• Arbitrum;
• Optimism.

La tecnología principal para su funcionamiento son los Rollups, que tienen dos variedades principales:

• Optimistic Rollups. Con esta solución, las transacciones se realizan en la red L2 y luego, en grandes grupos, se combinan en un bloque compacto, que los validadores incluyen en la red principal de Ethereum. Optimistic Rollups se utiliza en Arbitrum y Optimism.
• ZK-Rollups. Las transacciones en la red de segundo nivel también se combinan en paquetes y se envían a la red Ethereum, pero su confirmación se realiza con la ayuda de verificadores especiales, que constituyen pruebas criptográficas de la validez de las operaciones. Polygon está implementado sobre la base de ZK-Rollups. Esta tecnología para escalar Ethereum es considerada por el cofundador principal de la plataforma, Vitalik Buterin.

Sea cual sea la solución L2, Ethereum, como "primera capa", asume la función de verificar transacciones y producir bloques, el registro donde se anotan los estados finales y el mecanismo de consenso. Así, el proyecto no necesita crear su propia infraestructura.

Existen otros proyectos de capa 2. Por ejemplo, en julio de 2022, la startup Matter Labs anunció el lanzamiento de zkSync 2.0. Un mes después, el proyecto StarkWare lanzó su propio protocolo, escrito en el lenguaje Cairo.

Resumamos

Es fácil notar que en el protocolo de Bitcoin los recursos de la red se utilizan de forma ineficiente. Cada nodo procesa y transmite datos sobre un nuevo bloque solo durante una pequeña fracción del tiempo. El ancho de banda de la red se utiliza por completo solo durante unos pocos segundos. El resto del tiempo, este nodo envía transacciones no confirmadas y datos de soporte. Esta observación inspiró a los investigadores a encontrar esquemas de protocolo más eficientes que pudieran mejorar significativamente el rendimiento del sistema sin comprometer la seguridad y la descentralización de la red.

Ahora la comunidad crypto no ha llegado a una solución única. Siguen surgiendo disputas, se crean nuevas monedas y se emiten actualizaciones del protocolo. Ya se han desarrollado soluciones eficaces, pero aún existe el riesgo del factor humano. La cuestión se cerrará con el desarrollo de la inteligencia artificial como intermediaria de las transacciones.