Análisis en profundidad de la modularidad: soluciones extraíbles para los cuellos de botella en el rendimiento de la Cadena de bloques

La cadena de bloques monolítica es conocida por su integralidad, asumiendo de manera independiente todos los aspectos de la red, desde el almacenamiento de datos hasta la verificación de transacciones, entre otros. Por otro lado, la cadena de bloques modular separa las diferentes funciones de la cadena de bloques en módulos independientes, lo que puede ofrecer soporte de rendimiento y una experiencia de usuario fluida en funciones específicas, resolviendo en cierta medida el problema del "triángulo imposible".

Ethereum, como la primera plataforma de cadena de bloques que soporta contratos inteligentes, ha proporcionado un terreno fértil para el diseño modular. Con el desarrollo de la tecnología de cadena de bloques, el ecosistema de Bitcoin también ha comenzado a explorar la posibilidad de la modularidad, añadiendo nuevos módulos para lograr funciones más avanzadas, como la mejora de la protección de la privacidad, un procesamiento de transacciones más eficiente o funciones de contratos inteligentes mejoradas.

La tecnología modular representa una forma de pensar en productos "más espiritual" y plug-and-play, en el futuro aparecerán soluciones de cadena de bloques más flexibles y personalizables, donde diversos servicios y funciones pueden ser fácilmente insertados y retirados como bloques de Lego. Esta flexibilidad permite a los desarrolladores construir y desplegar rápidamente soluciones de cadena de bloques según las necesidades de escenarios de aplicación específicos.

Cadena de bloques monolítica y cadena de bloques modular

Cuando exploramos la Cadena de bloques modular, primero debemos comprender el concepto de Cadena de bloques monolítica (Monolithic Blockchain). Las cadenas monolíticas, como Bitcoin, Ethereum, etc., son conocidas por su integralidad, asumiendo de manera independiente todos los aspectos de la red, desde el almacenamiento de datos hasta la verificación de transacciones, y la ejecución de contratos inteligentes. En este proceso, la cadena monolítica desempeña el papel de un generalista, abarcando todos los aspectos.

Tomando como ejemplo Ethereum, una cadena de bloques monolítica madura generalmente se puede dividir en cuatro arquitecturas.

• Capa de ejecución (Capa de ejecución)
• Capa de liquidación(Capa de liquidación)
• Capa de disponibilidad de datos/ Capa DA (Capa de disponibilidad de datos)
• Capa de consenso (Capa de consenso)

A través de esta analogía, podemos entender más claramente cómo las distintas arquitecturas de la cadena de bloques trabajan en conjunto. La cadena de bloques monolítica concentra todas las funciones en una sola cadena, mientras que la cadena de bloques modular (Modular Blockchain) es un nuevo tipo de arquitectura de cadena de bloques que descompone el sistema de cadena de bloques en múltiples componentes o niveles especializados, cada uno responsable de manejar tareas específicas, como consenso, disponibilidad de datos, ejecución y liquidación.

Las cadenas de bloques modularizadas son como un grupo de especialistas, enfocados en la exploración profunda y la innovación tecnológica en sus respectivos campos. Este enfoque permite que las cadenas de bloques modularizadas ofrezcan un rendimiento y una experiencia de usuario excepcionales en funciones específicas; por ejemplo, pueden proporcionar una velocidad de procesamiento de transacciones más rápida a un costo menor.

En términos de arquitectura de nodos, una cadena monolítica depende de nodos completos, que deben descargar y procesar una copia completa de los datos de la cadena de bloques. Esto no solo plantea altos requisitos para los recursos de almacenamiento y computación, sino que también limita la velocidad de escalado de la red. En comparación, la cadena de bloques modular utiliza un diseño de nodos ligeros que solo necesita procesar la información del encabezado del bloque, lo que mejora significativamente la velocidad de las transacciones y la eficiencia de la red.

Una ventaja notable de la Cadena de bloques modular es su flexibilidad y colaboratividad. Pueden externalizar funciones no centrales a otros expertos, formando un efecto sinérgico que logra una mejora significativa en el rendimiento global. Esta filosofía de diseño es similar a los bloques de Lego, permitiendo a los desarrolladores combinar libremente diferentes módulos según las necesidades del proyecto, creando soluciones diversificadas.

A pesar de que las cadenas monolíticas tienen ventajas en control global, seguridad y estabilidad, también enfrentan desafíos en escalabilidad, dificultad de actualización y adaptación a nuevas necesidades. Por otro lado, las cadenas de bloques modular destacan por su alta flexibilidad y personalización, simplificando el proceso de creación y optimización de nuevas cadenas de bloques.

Sin embargo, la Cadena de bloques modular también enfrenta sus propios desafíos. Su arquitectura compleja aumenta la carga de trabajo de los desarrolladores en diseño, desarrollo y mantenimiento. Como una tecnología emergente, la Cadena de bloques modular aún no ha pasado por pruebas de seguridad exhaustivas y la prueba de las fluctuaciones del mercado, y su estabilidad y seguridad a largo plazo aún necesitan ser verificadas.

¿Cómo la cadena de bloques modular resuelve el "triángulo imposible"?

¿Por qué la tecnología de cadena de bloques modular está recibiendo tanta atención y se predice que es una "tendencia futura"? Esto está estrechamente relacionado con la famosa teoría del "triángulo imposible" en el campo de la cadena de bloques.

El "triángulo imposible" de la cadena de bloques se refiere a la dificultad de una red de cadena de bloques para alcanzar un estado óptimo en las tres propiedades centrales de seguridad, descentralización y escalabilidad al mismo tiempo.

• La escalabilidad se refiere a la capacidad de la red para procesar grandes volúmenes de transacciones, así como su capacidad para operar de manera eficiente y a bajo costo a medida que crecen el número de usuarios y el volumen de transacciones. Generalmente se mide a través de TPS (transacciones por segundo) y la latencia (el tiempo necesario para confirmar una transacción).
• La seguridad se refiere al costo y la dificultad de proteger la Cadena de bloques de ataques. Por ejemplo, el mecanismo POW de Bitcoin requiere que un atacante controle más del 51% de la potencia de cómputo de la red, mientras que el mecanismo POS de Ethereum requiere que más de ⅓ de los nodos conspiren.
• La descentralización describe el funcionamiento de la red que no depende de un único nodo central, sino que se distribuye en numerosos nodos; cuanto más nodos haya y más amplia sea su distribución geográfica, mayor será el grado de descentralización de la red.

El punto central del "triángulo imposible" radica en que es difícil para un sistema de cadena de bloques optimizar estas tres características simultáneamente. Por ejemplo: entre muchas cadenas de bloques públicas, Bitcoin y Ethereum se destacan en términos de descentralización y seguridad debido a su amplia distribución de nodos y su número suficiente de nodos.

Sin embargo, sacrificaron cierta escalabilidad, lo que llevó a velocidades de transacción más lentas y tarifas de transacción más altas: el tiempo de bloque de Bitcoin es de aproximadamente 10 minutos, el TPS de Ethereum es de aproximadamente 13, y durante los picos de volumen de transacciones, las tarifas de transacción de Ethereum pueden alcanzar cientos de dólares.

En este contexto, la tecnología de cadena de bloques modular ha surgido, resolviendo los desafíos de escalabilidad y costo de transacción de las cadenas públicas tradicionales al asignar diferentes funciones a módulos especializados. Por ejemplo, la red Lightning de Bitcoin y la tecnología Rollup de Ethereum son manifestaciones del pensamiento modular.

La ventaja de la Cadena de bloques modular radica en su arquitectura en capas, que permite optimizar cada capa para necesidades específicas. La capa de datos puede centrarse en el almacenamiento y la validación de datos, mientras que la capa de ejecución puede manejar la lógica de contratos inteligentes. Esta separación no solo mejora el rendimiento y la eficiencia, sino que también fomenta la interoperabilidad entre diferentes cadenas de bloques, proporcionando una base para construir un ecosistema abierto e interconectado.

En resumen, la tecnología modular de Cadena de bloques ofrece una nueva forma de abordar las limitaciones de las cadenas públicas tradicionales. Manteniendo la descentralización y la seguridad, logra una mayor escalabilidad y menores costos de transacción, lo que tiene un profundo significado para la amplia aplicación y el desarrollo a largo plazo de la tecnología de Cadena de bloques.

Clasificación de la cadena de bloques modular

La cadena de bloques modular, según sus características arquitectónicas, puede dividirse en diferentes tipos. Entre estos tipos, la capa de disponibilidad de datos y la capa de consenso, debido a su estrecha interdependencia, a menudo se diseñan como un todo unificado. Esto se debe a que, cuando los nodos reciben datos de transacciones, generalmente también se determina simultáneamente el orden de las transacciones, que es el núcleo de la seguridad y la inmutabilidad de la cadena de bloques.

Basado en este principio de diseño, podemos entender los diferentes proyectos de la cadena de bloques modular desde tres aspectos: la capa de ejecución, la capa de disponibilidad de datos y la capa de consenso, y la capa de liquidación.

Capa de ejecución

La tecnología de Capa 2, como una extensión de la capa de ejecución en la arquitectura de la cadena de bloques, es una manifestación del concepto de cadena de bloques modular. Se dedica a mejorar la escalabilidad de la cadena principal mediante la construcción de redes, sistemas o tecnologías fuera de la cadena, que se basan en la cadena de bloques subyacente.

Las soluciones de Capa 2 permiten procesar transacciones de manera más rápida y rentable, al tiempo que mantienen la seguridad y las características de descentralización de la cadena de bloques subyacente. Según el panel de Dune creado por @0xning, se puede observar que el consumo de gas por parte de las validaciones y liquidaciones de Capa 2 en el ecosistema de Ethereum representa un promedio de menos del 10%, lo que ahorra considerablemente los costos de transacción para los usuarios.

La tecnología Rollup es actualmente la solución más mainstream de Layer 2, y su concepto central es "ejecución fuera de la cadena, verificación dentro de la cadena", realizando cálculos y otras tareas fuera de la cadena y luego subiendo los datos de calldata de vuelta a la red principal.

Ejecución fuera de la cadena

En el modelo Rollup, las transacciones se ejecutan fuera de la cadena, mientras que la cadena de bloques subyacente solo se encarga de verificar las pruebas de transacción en los contratos inteligentes y almacenar los datos de transacción originales. Este diseño reduce significativamente la carga computacional de la cadena principal, disminuye las necesidades de almacenamiento y permite un procesamiento de transacciones más eficiente.

Para reducir aún más los costos, Rollup utiliza tecnología de empaquetado de transacciones. Se puede comparar con el contenedor de mercancías en la logística; enviar cada mercancía por separado generaría altos costos de envío. La tecnología Rollup agrupa múltiples transacciones, requiriendo solo un "transporte", lo que reduce drásticamente el costo de cada transacción.

Verificación en la cadena de bloques

La verificación en la cadena es clave para la seguridad de las redes Layer 2. Las redes Layer 2 deben proporcionar pruebas criptográficas para abordar posibles discrepancias en la cadena de bloques subyacente. Actualmente, los dos mecanismos de prueba más destacados son la prueba de error y la prueba de validez, que respaldan respectivamente los Optimistic Rollups y los ZK Rollups.

Prueba de error de Optimistic Rollups

Las Rollups Optimistas adoptan una suposición optimista, es decir, que todas las transacciones son válidas por defecto, a menos que haya evidencia clara que indique lo contrario. Este modelo se basa en la prueba de error (prueba de fraude) durante el período de desafío, donde cualquier participante de la red puede presentar pruebas para desafiar el estado del contrato inteligente, asegurando la equidad y transparencia de la red.

Según los datos de L2BEAT, actualmente hay 16 Layer 2 que utilizan el mecanismo de Optimistic Rollups, como: Arbitrum, OP, Base, Blast, etc.

Prueba de validez de ZK Rollups

A diferencia de los Optimistic Rollups, los ZK Rollups adoptan un enfoque más cauteloso, que requiere que todas las transacciones sean validadas antes de ser aceptadas. Este mecanismo de prueba es similar a un proceso de verificación, que asegura que cada transacción y cálculo en la red de Capa 2 sea preciso.

En resumen, la prueba de validez es la piedra angular de los ZK-Rollups, que requiere que cada lote de transacciones esté acompañado de la prueba correspondiente, asegurando así que los contratos inteligentes en la cadena de bloques subyacente puedan verificar y aprobar los cambios de estado. Para los nodos de validación, los ZK Rollups proporcionan un mecanismo de liquidación sin errores, ya que cada transacción debe pasar por una estricta validación de validez.

Según los datos de L2BEAT, actualmente hay 11 Layer 2 que utilizan el mecanismo ZK Rollups, como: Linea, Starknet, zkSync, etc.

Capa de disponibilidad de datos y capa de consenso

Celestia, como pionero en el campo de las cadenas de bloques modular, es esencialmente una capa de disponibilidad de datos que proporciona una base sólida para el desarrollo de dApps y Rollups. Al implementar sobre la capa de disponibilidad de datos y la capa de consenso de Celestia, los desarrolladores de aplicaciones pueden centrarse en la optimización de la lógica de ejecución, mientras que la complejidad de la disponibilidad de datos y el mecanismo de consenso se deja en manos de Celestia.

El diseño de la arquitectura de Celestia proporciona diversas soluciones para la expansión modular, y su arquitectura se compone principalmente de los siguientes tres tipos:

• Rollup soberano: Celestia proporciona capas de disponibilidad de datos y consenso, mientras que las capas de liquidación y ejecución son gestionadas por sus respectivos soberanos.