Protocolos Criptográficos Parte I: Bitcoin, Ethereum, la Prueba de Trabajo y las Capas de Escalado

La tecnología Blockchain se ha creado de manera similar a Internet: en capas. Por lo tanto, los protocolos criptográficos, que son un conjunto de reglas o instrucciones para actuar, se pueden utilizar en diferentes capas. Los protocolos de capa 1 son normalmente la arquitectura principal subyacente de blockchain, mientras que los protocolos de capa 2 (o también llamados soluciones de capa 2) se construyen en la parte superior para agregar una funcionalidad, como escalabilidad o velocidad, al protocolo de capa 1. Además, a lo largo de los años, han surgido otros protocolos de capa 1 para mejorar los fallos de protocolos anteriores y para resolver un caso de uso particular. A través de cambios en algoritmos y mecanismos de consenso, estos nuevos protocolos de capa 1 han logrado aumentar el rendimiento y la velocidad de las transacciones, han reducido el costo y han brindado opciones de privacidad. Esta publicación cubre Bitcoin, Ethereum y otros protocolos de Prueba de trabajo dado que se desarrollaron primero, pero la Parte II cubrirá los protocolos y los mecanismos de consenso que se han creado posteriormente.

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La tecnología blockchain actual se basa en capas, de manera similar a Internet. El sistema en capas es útil porque se pueden construir diferentes piezas de funcionalidad una sobre otra y así se vuelven más fáciles de actualizar, arreglar o cambiar sin afectar las otras capas. Hay varias opiniones sobre cuál es el número exacto de capas de una cadena de bloques, pero en general, estas capas constituyen la infraestructura, el consenso, la red y las aplicaciones de la cadena de bloques.

La tecnología blockchain actual se basa en capas, de manera similar a Internet. En general, estas capas constituyen la infraestructura, el consenso, la red y las aplicaciones de la cadena de bloques

Las cadenas de bloques usan protocolos para operar. Un protocolo es un conjunto de reglas o instrucciones que regulan cómo actuar o interactuar en una situación determinada. Los protocolos se pueden usar en diferentes capas si tienen diferentes funcionalidades. Los protocolos de capa 1 son normalmente la arquitectura principal subyacente de una cadena de bloques, mientras que los protocolos de capa 2 (o también llamados soluciones de capa 2) se construyen sobre una cadena de bloques existente para agregar una funcionalidad, como escalabilidad o velocidad. Las soluciones de capa 2 también se han denominado soluciones "fuera de cadena" porque normalmente evitan registrar todos los datos o transacciones en la cadena de bloques nativa de capa 1; sólo pueden enviar a la cadena de bloques de capa 1 el resultado de una transacción, mientras mantienen los detalles en la capa 2.

Los protocolos de capa 1 son normalmente la arquitectura de blockchain principal subyacente, mientras que los protocolos de capa 2 (o también llamados soluciones de capa 2) se construyen sobre una cadena de bloques existente para agregar una funcionalidad, como escalabilidad o velocidad

A lo largo de los años, han surgido muchos protocolos. Normalmente, cada protocolo se creó para mejorar los fallos de protocolos anteriores y para resolver un caso de uso particular. Dos de los principales puntos de mejora han sido los cambios en algoritmos y mecanismos de consenso que han permitido incrementar las capacidades de escalado en términos de rendimiento o velocidad, y reducir el costo de las transacciones. Además, se han producido otras mejoras en el campo de la privacidad, ya que las transacciones de Bitcoin son de acceso público y están conectadas a la billetera de los usuarios, incluso si esas billeteras no están vinculadas a información personal.

Bitcoin fue el primer protocolo creado y, a día de hoy, su criptomoneda, Bitcoin o BTC, tiene la mayor capitalización de mercado (USD ~ 890 mil millones). Si bien Satoshi Nakamoto, su creador, pudo haber imaginado originalmente Bitcoin como un medio de intercambio, la realidad es que debido a sus problemas de volatilidad y escalabilidad, el uso principal de Bitcoin hoy en día es la reserva de valor. Bitcoin usa la Prueba de Trabajo (siglas PoW en inglés) como mecanismo de consenso, la cual hace que los nodos compitan entre sí para resolver un problema matemático y el primero que resuelve el problema escribe el siguiente bloque. Este proceso de resolución del problema matemático se llama "minería" y la dificultad del problema está programada para ajustarse de modo que el tiempo promedio entre cada bloque permanezca en 10 minutos. Además, hay un número limitado de transacciones que se pueden registrar en un bloque. Estas dos restricciones, más el tiempo para confirmar un bloque, que es de aproximadamente una hora, hacen que Bitcoin sea impracticable para muchos pagos (a menos que la alternativa existente sea peor).

Bitcoin fue el primer protocolo de cadena de bloques creado y utiliza un mecanismo de Prueba de Trabajo (siglas PoW en inglés) para el consenso. A día de hoy, su criptomoneda, Bitcoin o BTC, tiene la mayor capitalización de mercado (USD ~ 890 mil millones)

Para resolver el problema de escalabilidad de Bitcoin, se han creado soluciones de capa 2. La solución más importante es Lightning Network, que utiliza canales de micropago que permiten que las transacciones de Bitcoin se realicen fuera de la cadena. Solo se registra en la cadena de la capa 1 la apertura y cierre de canales. Un canal no sólo permite a los participantes que lo crearon realizar transacciones (por ejemplo, los participantes A y B), sino que también cualquier participante puede realizar transacciones con otro siempre que estén conectados de alguna manera (por ejemplo, si A tiene un canal abierto con B, A puede realizar transacciones con C, siempre que C tenga un canal abierto con B). La red fue fuertemente criticada por serias vulnerabilidades en 2020, pero a medida que la tecnología mejora, Kraken y OKEx han anunciado que se unirán a Bitfinex, Bitstamp y algunas otras plataformas de intercambio al aceptar pagos a través de Lightning. La solución puede ayudar a que estas plataformas puedan ofrecer tarifas de transacción más bajas para los usuarios al depositar y retirar Bitcoin.

La solución de capa 2 más famosa de Bitcoin es Lightning Network, que utiliza canales de micropago que permiten que las transacciones de Bitcoin se realicen fuera de la cadena principal

Otros protocolos que utilizan PoW son Litecoin, Dash, Bitcoin Cash, Dogecoin, ZCash y Monero, entre otros. Litecoin usa un algoritmo diferente (scrypt) que Bitcoin (que usa SHA-256) y reduce el tiempo de generación de bloques a 2.5 minutos. Dash también utiliza un algoritmo diferente (X11) que reduce los tiempos de confirmación de una hora de Bitcoin a cuatro segundos, e incluye una función de privacidad, que es un servicio de mezcla de monedas (por lo que a través de las transacciones no se puede rastrear directamente a las partes involucradas) [1]. Bitcoin Cash es el resultado de una bifurcación dura (un desacuerdo entre los desarrolladores) de la cadena de bloques de Bitcoin, mediante la cual la nueva cadena de bloques creada aumentó la cantidad de transacciones que se pueden registrar en un bloque para procesar más por segundo. Dogecoin fue creado como una broma usando el código de Bitcoin y reemplazando el nombre Bitcoin por Dogecoin. Zcash fue creado para brindar privacidad opcional a los usuarios. Zcash utiliza "Ak-SNARKS", que es una prueba que permite que una parte demuestre a la otra que una declaración es verdadera sin revelar ningún detalle más allá de la validez de la declaración en sí [2]. Las transacciones con Zcash son públicas de forma predeterminada, pero los usuarios pueden optar por hacerlas privadas. Monero oculta las direcciones de envío y recepción, así como los montos de las transacciones, proporcionando privacidad como una característica siempre activa para los usuarios[3]. Además, Monero usa un algoritmo diferente (Cryptonight) que facilita la minería con una CPU simple y tiene un límite de tamaño de bloque adaptativo para acomodar el volumen de transacciones.

Ethereum fue creado con el objetivo de construir aplicaciones descentralizadas a través de contratos inteligentes. Su criptomoneda, Ether o ETH, es hoy en día la segunda más grande por capitalización de mercado (USD ~ 170 mil millones). La funcionalidad de contrato inteligente de Ethereum permitió el desarrollo de DeFi, o finanzas descentralizadas, que actualmente observa USD ~ 38 mil millones en valor total bloqueado y se considera el futuro de las finanzas. Ethereum fue creado para operar con un mecanismo PoW que permite 15 transacciones por segundo, lo que limita su escalabilidad. Este problema se hizo evidente durante 2020 y principios de 2021, cuando los precios para procesar transacciones en Ethereum se dispararon.

Ethereum es el segundo protocolo más grande por capitalización de mercado (USD ~ 170 mil millones) y su funcionalidad de contrato inteligente permitió el desarrollo de DeFi, o finanzas descentralizadas, que se consideran el futuro de las finanzas

Para solucionar este problema de escalabilidad, Ethereum ahora está migrando a un mecanismo de Prueba de Participación (siglas PoS en inglés), para convertirse en Ethereum 2.0. PoS requiere que los validadores hagan “staking”, lo que significa bloquear o mantener su Ether en una billetera de criptomonedas. En el caso de Ethereum, los validadores que han de crear el siguiente bloque se eligen al azar y todos los validadores son responsables de verificar y confirmar los bloques que no crean [4]. Los validadores que hacen bien su trabajo son recompensados ​​y aquellos que confirman bloques defectuosos pierden el Ether que bloquearon. Ésta es sólo una forma de implementar un mecanismo de PoS, otros protocolos usan un sistema diferente para seleccionar los validadores que crean el siguiente bloque (duración de la participación, riqueza, etc.) o imponen otro esquema de recompensa / castigo.

Ethereum ahora está migrando a Ethereum 2.0 para combatir sus problemas de escalado. La nueva cadena utilizará un mecanismo de Prueba de Participación (siglas PoS en inglés) e incluirá “fragmentos” (o “shards” en inglés) que permitirán un procesamiento simultáneo e independiente de las transacciones

La migración de Ethereum hacia Ethereum 2.0 no solo incluye un cambio en su mecanismo de consenso de PoW a PoS, sino que también divide su blockchain en 64 subgrupos de nodos vinculados llamados “fragmentos” (o “shards” en inglés) que permiten un procesamiento simultáneo e independiente de transacciones. Los 64 fragmentos manejarán las cuentas y los contratos inteligentes, y se conectarán a la cadena Beacon, que es la cadena principal que coordinará toda la red de Ethererum 2.0 almacenando instantáneas de los fragmentos y gestionando el registro de validadores [5]. La migración tiene varias fases para minimizar la interrupción en el ecosistema Ethereum y puede llevar varios años completarla.

Mientras tanto, se han desarrollado varias soluciones de capa 2 para Ethereum y así poder resolver los problemas de escalabilidad en el corto plazo porque no se sabe cómo y cuándo la comunidad de Ethereum se trasladará a Ethereum 2.0

Mientras tanto, se han desarrollado varias soluciones de capa 2 para Ethereum[6] en el corto plazo y así poder resolver los problemas de escalabilidad, porque no se sabe cómo y cuándo la comunidad de Ethereum se trasladará a Ethereum 2.0. Estos incluyen Rollups (Zero-knowledge y Optimistic), State Channels, Plasma, Validium, Side chains y soluciones híbridas.

• Zero-knowledge (ZK) Roll-ups o paquetes acumulativos de conocimiento cero: Acumulan transacciones que ocurren en cadenas laterales en una sola transacción y generan sólo una prueba criptográfica, conocida como SNARK. Sólo el SNARK se registra en la capa principal 1, mientras que la verificación de la firma, la ejecución del contrato, etc. ocurren en estas cadenas laterales de capa 2. Los paquetes acumulativos ZK sólo se pueden usar para cálculos simples, y no son compatibles con la Máquina Virtual de Ethereum (siglas EVM en inglés), que es la plataforma de software donde los desarrolladores crean aplicaciones descentralizadas. Una solución importante de este tipo de solución de capa 2 es zkSync, creada por Matter Labs, que acaba de cerrar una ronda de financiación de la Serie A dirigida por Union Square Ventures (USV) de Fred Wilson.

• Optimistic Roll-ups o paquetes acumulativos optimistas: Usan una cadena lateral que es paralela a la cadena de capa 1. Esta cadena paralela puede hacer cualquier cosa que pueda hacer la capa 1 de Ethereum (incluida la compatibilidad con EVM), pero no calcula las transacciones de forma predeterminada. Sin embargo, si alguien nota una transacción fraudulenta, el paquete acumulativo optimista ejecutará una prueba de fraude y calculará la transacción, utilizando los datos disponibles. El sistema a prueba de fraude puede generar tiempos de espera más largos para la confirmación de la transacción que un paquete acumulativo ZK. Una solución importante de este tipo de solución de capa 2 es Optimism, que recaudó $ 25 millones en una ronda Serie A liderada por a16z hace una semana.

• Canales Estatales: Permiten a los participantes realizar transacciones fuera de la cadena y sólo envían dos transacciones a la capa 1 (el estado inicial y final de la transacción). Para poder abrir el canal, los usuarios deben bloquear Ether en un contrato multifirma. Las desventajas de este sistema es que cualquier cambio de estado requiere el consentimiento de todos los participantes (o sus delegados) y por ello, puede no ser ideal para transacciones únicas debido al tiempo y costo asociados con la creación de un canal.

• Cadena de Plasma: Es una cadena de bloques separada que está anclada a la cadena de capa 1 y utiliza pruebas de fraude. La cadena de plasma comunica periódicamente cualquier cambio a la cadena de capa 1, por lo que requiere que este constantemente conectada. Además, la cadena de plasma solo admite transferencias básicas de tokens, intercambios y algunas otras transacciones.

• Cadena Validium: Usa paquetes acumulativos ZK, pero los datos se almacenan fuera de la cadena para lograr un mayor rendimiento. Esto puede llevar a 10.000 transacciones por segundo por cadena Validium y se pueden ejecutar múltiples cadenas en paralelo.

• Cadenas laterales: Son cadenas de bloques separadas que se ejecutan en paralelo a la capa 1 y funcionan de forma independiente. Tienen su propio algoritmo de consenso. Una solución importante de este tipo es SKALE.

• Soluciones híbridas: Combinan partes de las soluciones anteriores.

[1] Dash vs. Bitcoin: ¿Cuál es la diferencia? | Genesis Mining (genesis-mining.com) [2] Zcash frente a Bitcoin: Explorando las diferencias | Genesis Mining (genesis-mining.com) [3] What is Monero (XMR)? | Monero - secure, private, untraceable (getmonero.org) [4] Proof-of-stake (PoS) | ethereum.org [5] Proof-of-stake (PoS) | ethereum.org [6] Layer 2 scaling | ethereum.org