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Al igual que Bitcoin, la principal razón del problema de escalabilidad de Ethereum es que en el protocolo de red cada nodo de la red tiene que procesar cada transacción. Ethereum 1.x implementa una versión ligeramente modificada del mecanismo de consenso proof-of-work (PoW, Prueba de trabajo). En Ethereum, los mineros tienen que correr para encontrar el nonce (número que solo puede usarse una vez) para cumplir con el objetivo de dificultad. Cada nodo debe verificar que el trabajo de los mineros es válido y mantener una copia exacta del estado actual de la red. Este método limita enormemente la capacidad de proceso de las transacciones y el rendimiento de la red de blockchain de Ethereum. Actualmente, solo se pueden procesar entre 12 y 15 transacciones por segundo.
El trilema de la escalabilidad fue acuñado por Vitalik Buterin y se refiere a la capacidad de la blockchain para abordar la escalabilidad, la descentralización y la seguridad, sin comprometer ninguna de ellas. El trilema afirma que es casi imposible conseguir las tres propiedades en un sistema blockchain:
Es un principio básico sobre el que se crearon Bitcoin y blockchain. La descentralización hace posible la resistencia a la censura y permite que cualquiera participe en un ecosistema descentralizado sin una autoridad central o un intermediario.
Se refiere a la integridad e inmutabilidad del libro público de contabilidad y a la capacidad de resistir un ataque del 51%o ataques de red tipo DDoS.
Se refiere a la capacidad de manejar una cantidad creciente de transacciones en la red blockchain. Para que la blockchain de Ethereum se convierta en la computadora mundial que imaginó su inventor, necesita igualar el rendimiento de las transacciones de muchos sistemas centralizados, como Amazon, Visa o Mastercard.
El siguiente diagrama es una ilustración del trilema de la escalabilidad en blockchain:
El desafío clave de la escalabilidad es encontrar una manera de lograr las tres en la capa base. Las opciones de diseño de Bitcoin y Ethereum favorecen la descentralización y la seguridad, pero sacrifican la escalabilidad.
La solución de escalabilidad de Ethereum es uno de los temas más activos en la comunidad de Ethereum. A continuación se enumeran algunas áreas de preocupación que la comunidad está tratando de abordar para el futuro de Ethereum:
Procesamiento de transacciones y tiempo de creación de bloques con PoW: ¿con qué rapidez pueden los mineros procesar todas las transacciones y crear un nuevo bloque mediante la minería?
Finalidad de la transacción: ¿cuánto tarda la red descentralizada en llegar al consenso de que se realizó una transacción y que no puede revertirse? Actualmente, la red tarda unos seis bloques con Bitcoin y 3-4 minutos con Ethereum en considerar que un bloque está finalizado en la cadena principal. Los lectores interesados deberían consultar el bloque de Vitalik para la liquidación de transacciones y la probabilidad de finalización del bloque.
Las soluciones que se están aplicando o proponiendo se dividen en tres categorías: solución en la cadena, solución fuera de la cadena y protocolos de mecanismos de consenso. Hay algunos obvios o teóricos, como el aumento del tamaño de los bloques o la división de una blockchain en muchas cadenas independientes de altcoins. Debido a la naturaleza del par a par (P2P), un enfoque tradicional de escalabilidad horizontal puede no funcionar. Específicamente para la red Ethereum, también se consideraron los contratos inteligentes con o sin estado que contribuyen a los problemas de escalabilidad. Repasaremos los conceptos de alto nivel de todas esas soluciones y luego profundizaremos en algunas de las más prometedoras.
Es similar al enfoque de la escala vertical. Algunas de las altcoins, como Bitcoin Cash, Ethereum Core, etc., están implementando un tamaño de bloque mayor para ganar rendimiento en las transacciones en general. La teoría detrás de este enfoque es que, dado que la minería PoW es el principal cuello de botella en todo el proceso, al aumentar el tamaño del bloque podemos tener más transacciones procesadas por minería. Puede llevar un poco más de tiempo crear un gráfico acíclico dirigido (DAG) para la minería basada en stash, pero el tiempo promedio para completar la minería no puede empeorar, ya que la mayoría de los clientes de Ethereum almacenan el DAG en caché de todos modos.
El siguiente diagrama ilustra cómo funciona esta técnica:
Sin embargo, al igual que la escala vertical, en general, esta solución exige que los nodos de la red tengan una mayor capacidad de cálculo para procesar bloques de gran tamaño. Esto puede llevar a un escenario en el que la red se concentre en unos pocos afortunados y, por lo tanto, puede comprometer en última instancia la descentralización y la seguridad, los principales principios de la blockchain.
Otra solución es no tener una blockchain gigantesca, sino tener muchas blockchains más pequeñas y altcoins. Es posible que esto sea así, ya que muchas industrias verticales están creando o planean crear cadenas específicas para su sector. Así se reduciría la actividad de los usuarios en cada blockchain individual y, por tanto, se permitiría un ecosistema más escalable.
El siguiente diagrama ilustra cómo funciona esta técnica:
Sin embargo, hay algunos problemas con esta opción. Uno de ellos es la preocupación por la seguridad. Se suele creer que la red es más segura si más nodos de la red participan en el procesamiento de las transacciones en la blockchain. Con una distribución más amplia de las cadenas de altcoin, menos nodos operarán en una blockchain determinada. En consecuencia, la blockchain puede ser menos segura, ya que una red de altcoin más pequeña puede ser más vulnerable a los ataques de red. Digamos que tenemos unos 10.000 nodos en la red más grande, se necesitarán al menos 5001 nodos (o el conocido 51%) comprometidos para lanzar un ataque a la red. Si dividimos los 10.000 nodos en 50 cadenas más pequeñas, cada cadena comprende 200 nodos, y solo se necesitan 101 nodos para derribar cualquier cadena más pequeña, lo que se conoce como ataque del 1%. Otro problema es la integración entre cadenas. Si bien hay algunas soluciones para manejar la integración entre blockchains, la complejidad general de integrar cadenas más pequeñas y altcoins aumentará drásticamente.
Las soluciones en la cadena, a veces también llamadas soluciones de la capa 1, consisten en buscar soluciones para resolver los problemas de escalabilidad y rendimiento en la capa base de la red blockchain de Ethereum. Una de estas soluciones es el sharding (fragmentación). El sharding no es un concepto nuevo, ya que los RDBMS tradicionales y las nuevas plataformas de big data llevan muchos años utilizando el sharding como forma de mejorar la escalabilidad y el rendimiento.
En la red Ethereum, el propósito del sharding es agrupar los nodos de la red, la blockchain y los estados globales en diferentes fragmentos, y cada fragmento alcanzará un consenso sobre el estado de las transacciones en todo el fragmento entre los nodos del grupo. A nivel conceptual, esto puede no ser muy diferente de Plasma, el enfoque de cadena lateral de la capa 2, pero la dificultad técnica, las repercusiones y los esfuerzos de la red son bastante diferentes.
Otra solución de la capa 1 o en la cadena es el cambio a un mecanismo de consenso Prueba de participación (PoS), que es una de las áreas de investigación más activas que abordan los problemas de escalabilidad y rendimiento en Ethereum. Hay muchos debates en cuanto a las ventajas y desventajas de un mecanismo de consenso basado en PoW. Es bastante eficaz para asegurar la blockchain en la red descentralizada, pero también es un importante cuello de botella en el rendimiento de la blockchain.
En pocas palabras, la Prueba de participación es uno de los algoritmos de consenso más populares en las redes de blockchain. A diferencia del consenso PoW, en el que los mineros son recompensados por resolver rompecabezas criptográficos, en el algoritmo de consenso PoS, un grupo de validadores seleccionados se turnan para proponer nuevos bloques. El validador se elige de forma determinista, en función de su fortuna, también definida como staking. Cualquiera que deposite sus monedas como staking puede convertirse en un validador. La posibilidad de participar puede ser proporcional al staking que se haga. Digamos que Alice, Bob, Catherine y David hacen staking de 40 Ether, 30 Ether, 20 Ether y 10 Ether para participar; respectivamente, tendrán un 40%, 30%, 20% y 10% de posibilidades de ser seleccionados como creadores del bloque.
A continuación se explica cómo funciona el mecanismo de consenso PoS. Como se muestra en el siguiente diagrama, la blockchain hace un seguimiento de un conjunto de validadores, a veces también llamados creadores de bloques o forjadores. En cualquier momento, cuando haya que crear nuevos bloques, la blockchain seleccionará un validador de manera aleatoria. El validador seleccionado verifica las transacciones y propone nuevos bloques para que todos los validadores se pongan de acuerdo. Los nuevos bloques son votados por todos los validadores actuales. El poder de voto se basa en el staking que hace el validador. Quien proponga transacciones inválidas o bloquee o vote de forma maliciosa, es decir, que comprometa intencionadamente la integridad de la cadena, puede perder sus participaciones (staking). Por la creación del propio bloque, el nodo no recibe una recompensa. Se paga una remuneración por la transacción. Al ser aceptados los nuevos bloques, el creador del bloque puede cobrar la comisión por la transacción como recompensa por el trabajo de crear nuevos bloques. Hay dos opciones básicas de selección de nodos:
Al azar desde los nodos "más ricos"; Al azar desde los nodos más antiguos.
La PoS se considera más eficiente a nivel energético y más respetuosa con el medio ambiente en comparación con el mecanismo PoW. También se percibe como más segura. En esencia, reduce la amenaza de un ataque del 51%, ya que los validadores maliciosos necesitarían acumular más del 50% del total de las participaciones para hacerse con el control de la red de blockchain. Este algoritmo está diseñado para disuadir a los atacantes de validar transacciones falsas por el riesgo de perder una "garantía".
Al igual que en el caso de la PoW, la descentralización total puede no ser totalmente posible en la blockchain pública basada en PoS. Se debe a que unos pocos nodos ricos pueden monopolizar el staking en la red. Aquellos que hacen más staking pueden controlar efectivamente la mayor parte de las votaciones y tienen más posibilidades de generar un nuevo bloque. Ambos algoritmos están sujetos a la cuestión social y económica de que hace más ricos a los ricos.
Al igual que los fundamentos para buscar una solución en la cadena, la comunidad de Ethereum también está buscando soluciones de forma activa fuera de la cadena, a veces llamadas soluciones de la capa 2. Una solución es la cadena lateral con Plasma. En lugar de colocar todas las transacciones en la cadena principal, Plasma permite a cualquiera crear cadenas laterales y unirlas a la blockchian global. Es similar a la solución de la red Lighting en Bitcoin.
Otra solución es un state channel (canal del estado) con Raiden, similar a los canales de pago en Bitcoin. La hipótesis que subyace a este enfoque es que muchas transacciones entre partes solo necesitan ser validadas por las partes implicadas y no es necesario que todas las transacciones sean validadas por toda la red.
Una solución intuitiva para mejorar la escalabilidad y el rendimiento es crear muchas cadenas pequeñas. Esto puede parecer una solución plausible, ya que puede adaptarse a las necesidades comerciales y sociales. Por ejemplo, nosotros mismos, como clientes o ciudadanos, compramos fruta y verdura en nuestro supermercado local, que podría aprovechar una blockchain para garantizar la trazabilidad y la seguridad alimentaria a lo largo de toda la cadena de suministro de productos frescos.
Al final de tu compra, podrías pagar el supermercado directamente a través de una blockchain de pago P2P. Si solicitas una hipoteca o un préstamo comercial, podrías conseguir que aprueben dicha hipoteca o préstamo a través de una blockchain hipotecaria, y así sucesivamente. Es más probable que nos encontremos con todas estas cadenas verticales o cadenas privadas antes de ver una cadena global gigantesca.
Sin embargo, crea problemas de integración entre cadenas y de aplicación de la seguridad. Estos son los problemas que intenta abordar Plasma. Fue propuesto por primera vez en agosto de 2017 por Joseph Poon y Vitalik Buterin. La idea del diseño es descargar las transacciones a muchas cadenas laterales más rápidas y menos concurridas, también llamadas cadenas Plasma. De forma similar al enfoque del state channel, una cadena Plasma compromete las transacciones de forma periódica a la cadena principal de Ethereum.
La seguridad y la integridad se aplicarán a través de la cadena principal. Si se detecta alguna sospecha de fraude en las cadenas de Plasma, las transacciones se anularán y los usuarios de Plasma podrán salir de la cadena de Plasma y pasar a la cadena principal.
El siguiente diagrama muestra el aspecto de una red Plasma:
Cada cadena de Plasma es una blockchain en sí misma. Se vinculan con una cadena principal de Ethereum a través de un contrato inteligente. En esencia, el contrato inteligente conecta toda una cadena hija con la cadena principal y actúa como un puente. Cualquiera puede crear una cadena de Plasma y escribir un contrato inteligente que vincule la cadena de Plasma con la cadena principal.
Como muestra el siguiente diagrama, en cada período, se envían las cabeceras de cada bloque de las cadenas de Plasma para que se registren en los bloques de la cadena principal.
Las transacciones en las cadenas de Plasma se conservan en las cadenas de Plasma. La prueba Merkle en las cabeceras de los bloques se utilizará entonces para verificar los datos de la cadena hija. De esta forma se pueden procesar miles de transacciones en muchas cadenas de Plasma en paralelo y además se deja el mínimo suficiente de información de la cabecera Merkle en la cadena principal para reforzar la seguridad:
La cadena principal desempeñará un papel de árbitro, algo similar al sistema judicial federal de Estados Unidos; la cadena principal sería el tribunal supremo y las cadenas de Plasma son los tribunales de circuito, o los tribunales de distrito. En el sistema judicial federal, una vez que el tribunal federal de distrito ha resuelto un caso, se puede apelar al tribunal de circuito o al tribunal supremo para que se realice un arbitraje.
Cuando se produce un fraude en una cadena de Plasma, ya sea un gasto doble en las cadenas o que se cobra más de lo que se tiene en todas las cuentas, cualquiera puede aportar una prueba de fraude para demostrar que la transacción no es válida. Si se comprueba que se trata de una transacción fraudulenta, se anula.
Los usuarios de Plasma pueden salir de la cadena de Plasma hija y transferir Ethers a la cadena principal. Las propuestas originales introducen un único concepto de validador, como operador de la blockchain de Plasma, para validar y añadir transacciones a los bloques y para gestionar el estado de la blockchain hija.
La idea que subyace a este enfoque es que la seguridad e integridad de la blockchain global sea reforzada por la cadena principal, utilizando ya sea PoW o, muy probablemente, un protocolo de consenso híbrido PoW y PoS. En el caso de que el validador de la cadena de Plasma pueda retener el fondo y cometer actividades fraudulentas, cualquiera puede proporcionar a la cadena principal una prueba de fraude contra el validador.
Una vez que se demuestre el fraude del validador, la cadena principal permitirá que todas las cuentas de la cadena de Plasma impactada pasen a la cadena principal. Este método se llama escenario de salida masiva . En este caso, las cuentas individuales migrarán a la cadena principal de a una, la transacción inválida se revertirá y el validador de la cadena de Plasma será penalizado con la participación que colocara en el contrato inteligente. Según la cantidad de cuentas que haya que migrar, puede llevar un tiempo completar la salida masiva.
Aunque ha sido uno de los temas más interesantes y activos en la comunidad de investigación de Ethereum, aún no hay una implementación pública de Plasma. En su lugar, se propuso una versión reducida de la propuesta original, también llamada plasma mínimo viable, o MVP, para una implementación sencilla, que incluye un modelo de seguridad simplificado y operaciones básicas para salir de las cadenas de Plasma.
Un aspecto muy interesante de un MVP es la reintroducción de un modelo UTXO. Una diferencia clave en Ethereum es pasar del modelo UTXO de Bitcoin a un modelo de cuenta más definido, donde el saldo de la cuenta es el objeto de estado mantenido en el estado a nivel global.
El modelo de cuenta de Ethereum hace que las verificaciones de las transacciones y la transferencia de dinero sean sencillas, con el sacrificio del paralelismo. Esto puede no ser un inconveniente importante, ya que todas las transacciones deben ser verificadas por todos los nodos. Pero con Plasma, a medida que la cadena principal se aleja del procesamiento de las transacciones hacia el cumplimiento de la seguridad y el arbitraje, se vuelve importante poder verificar las transacciones inválidas en paralelo.
Una estructura de árbol de blockchains, por lo tanto el árbol de UTXO de todas las cadenas hijas, facilita la aplicación de algoritmos paralelos distribuidos para verificar las pruebas de fraude y reforzar la seguridad en todas las cadenas de Plasma.
El siguiente diagrama muestra el potencial que Plasma puede aportar a la red de blockchain de Ethereum cuando un árbol de cadenas hijas de Plasma de Ethereum se une a la cadena madre de Plasma y, en última instancia, se conecta y asegura a través de la cadena principal de Ethereum:
La escalabilidad masiva se logra mediante la descarga de cálculos costosos en las cadenas hijas y permite que la cadena principal brinde servicios de seguridad y arbitraje compartidos a la blockchain global. Existen algunas soluciones similares de interoperabilidad entre cadenas, como la red Cosmos. La red Cosmos, que se considera la Internet de las blockchain, ofrece una arquitectura de integración de tipo "hub-spoke" (distribución). Las blockchain independientes, como las zonas o radios, están unidas a la blockchain principal que sería el centro (hub). El objetivo es facilitar la integración de la blockchain a través del protocolo IBC (comunicaciones entre blockchains).
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