Introducción

La escalabilidad ha sido durante mucho tiempo un desafío para la mayoría de las cadenas de bloques públicas en el campo de la cadena de bloques. Por ejemplo, Bitcoin experimentó un debate sobre la escalabilidad que duró tres años, y Ethereum sufrió congestión de red debido a un simple juego, CryptoKitties. Para abordar este problema, se han propuesto varias soluciones en la industria, incluida la escalabilidad a corto plazo mediante el aumento del tamaño del bloque, sacrificando parcialmente la descentralización a través del mecanismo de consenso DPoS, el uso de estructuras alternativas como DAG y métodos de escalado fuera de la cadena, como subcadenas y cadenas laterales.

Entre estos, la tecnología de fragmentación se considera una solución efectiva y fundamental. En la Conferencia de Desarrolladores de 2016, el fundador de Ethereum, Vitalik Buterin, publicó el "papel morado" de Ethereum 2.0, presentando la idea de procesar transacciones a través de la fragmentación. Como una dirección importante para la escalabilidad de la cadena de bloques, la tecnología de fragmentación asigna dinámicamente recursos informáticos a través de procesamiento paralelo, mejorando la escalabilidad de la red de cadenas de bloques y sentando una base técnica para soportar transacciones globales de alta frecuencia.

Soluciones actuales de escalabilidad de la cadena de bloques

Resumen de la tecnología de fragmentación

Origen de la Idea

La tecnología de fragmentación se originó a partir de la partición de bases de datos, que tenía como objetivo dividir bases de datos grandes en segmentos más pequeños para un procesamiento de datos más eficiente. La idea de combinar la tecnología de fragmentación con blockchain fue propuesta por primera vez en 2015. Un par de investigadores de la Universidad Nacional de Singapur, Prateek Saxena y Loi Luu, presentaron un documento en la Conferencia Internacional de Seguridad CCS. Dividieron de manera innovadora las redes blockchain en "fragmentos" capaces de procesar transacciones simultáneamente, proporcionando una nueva solución al problema de escalabilidad de las blockchains públicas.

Más tarde, este par de investigadores convirtieron la teoría en práctica, desarrollando el primer proyecto basado en fragmentación, Zilliqa. Zilliqa adoptó un mecanismo de consenso híbrido de pBFT y PoW, convirtiéndose en la cadena pública más eficiente para el procesamiento de transacciones. Posteriormente, la tecnología de fragmentación también recibió reconocimiento por parte del fundador de Ethereum, Vitalik Buterin. En 2016, Ethereum propuso un diseño de fragmentación de dos capas, dividiendo la red Ethereum 2.0 en la cadena principal y las cadenas fragmentadas. La cadena principal, a través del Contrato de Gestión de Validadores (VMC), gestiona el funcionamiento de las cadenas fragmentadas, mientras que las cadenas fragmentadas utilizan el mecanismo de consenso PoS para empaquetar datos de transacciones y generar bloques de validación. Mientras tanto, el VMC garantiza la validez de las transacciones y la transferencia de datos entre fragmentos a través del modelo UTXO y los árboles de recibos.

Flujo de actualización de fragmentación de Ethereum 2.0

Desde entonces, a medida que la tecnología de fragmentación continúa evolucionando, han surgido una serie de proyectos innovadores que impulsan aún más los avances en la escalabilidad de la cadena de bloques. Estos proyectos no solo exploran el potencial de la fragmentación en velocidad de procesamiento y eficiencia de red, sino que también brindan un sólido apoyo para posibles aplicaciones comerciales a gran escala, prometiendo avanzar la tecnología de la cadena de bloques hacia una nueva narrativa de alta eficiencia y amplia aplicación.

Definición de Fragmentación

La tecnología de fragmentación es un método para optimizar la arquitectura de la cadena de bloques dividiendo la red de la cadena de bloques en múltiples "fragmentos" independientes para permitir el procesamiento paralelo de datos. Cada fragmento funciona como una unidad de procesamiento independiente capaz de ejecutar transacciones y manejar datos por sí mismo, distribuyendo así de manera efectiva las cargas computacionales y de almacenamiento de la red. Este enfoque no solo mejora significativamente la velocidad de procesamiento de transacciones de la red blockchain, sino que también optimiza los requisitos de almacenamiento de los nodos. Los nodos ya no necesitan mantener los datos completos de toda la cadena de bloques. Por lo tanto, la fragmentación mejora la escalabilidad y el rendimiento de las redes blockchain sin comprometer la seguridad general de la red, proporcionando soporte técnico para aplicaciones a gran escala.

Fuente: Nuevas arquitecturas y metodologías para la cadena de bloques de fragmentación de alto rendimiento

Tipos de Fragmentación

La tecnología de fragmentación se puede categorizar en tres tipos principales: fragmentación de red, fragmentación de transacciones y fragmentación de estado. El principio fundamental radica en "dividir un todo en partes y gestionarlas por separado," permitiendo que múltiples fragmentos procesen diferentes transacciones simultáneamente y luego agreguen los resultados en la cadena principal, mejorando así el rendimiento general de la red de cadenas de bloques.

1. Fragmentación de la red
   La fragmentación de red es la forma fundamental de fragmentación sobre la cual se construyen otros mecanismos de fragmentación. La clave de la fragmentación de red radica en garantizar la seguridad y prevenir ataques de nodos maliciosos. Específicamente, implica seleccionar aleatoriamente un grupo de nodos para formar un fragmento y establecer un consenso independiente dentro del fragmento para manejar transacciones. Este método aumenta significativamente la concurrencia de la red, ya que múltiples fragmentos procesan simultáneamente transacciones no relacionadas, mejorando así el rendimiento del sistema. Zilliqa es un ejemplo típico de una cadena de bloques que utiliza fragmentación de red, combinando mecanismos de consenso de PoW y pBFT para mejorar la velocidad. PoW evita los ataques Sybil, garantizando que solo los nodos legítimos participen en la fragmentación, mientras que pBFT facilita un consenso de transacción rápido, mejorando considerablemente la velocidad de confirmación.

2. Fragmentación de transacciones
   La fragmentación de transacciones implica distribuir diferentes transacciones a varios fragmentos para su procesamiento, acelerando así la velocidad de manejo de transacciones de toda la red. Las transacciones suelen asignarse en función de la dirección del remitente, agrupando transacciones relacionadas para evitar el doble gasto. Por ejemplo, si una dirección inicia dos transacciones conflictivas, estas se identificarán y bloquearán rápidamente dentro del mismo fragmento. En casos en que las transacciones ocurran a través de fragmentos, se utiliza la comunicación entre fragmentos para detectar y bloquear el doble gasto. El modelo UTXO puede mejorar aún más la eficiencia de la fragmentación de transacciones, a pesar de posibles problemas como la división de transacciones grandes. La madurez de la fragmentación de transacciones ha avanzado significativamente, permitiendo que múltiples mecanismos de consenso funcionen en paralelo.

3. Fragmentación de Estado
   La fragmentación de estado es el tipo más complejo y desafiante de fragmentación. La clave radica en garantizar que cada fragmento mantenga solo su estado interno en lugar del estado global de toda la cadena de bloques, distribuyendo así los requisitos de almacenamiento de datos. Sin embargo, cuando ocurren transacciones entre fragmentos, los fragmentos involucrados deben compartir estados de transacciones, lo que requiere una comunicación frecuente entre fragmentos que puede reducir el rendimiento. Además, la fragmentación de estado enfrenta desafíos en la consistencia de datos y la tolerancia a fallas: si un fragmento es atacado y queda fuera de línea, su validación de datos puede verse afectada. Resolver este problema podría requerir copias de seguridad del estado global en cada nodo, pero dichas copias de seguridad entran en conflicto con la intención de almacenamiento descentralizado de la fragmentación de estado y podrían introducir riesgos de centralización.

Estrategias de Implementación de Fragmentación

Arquitectura de Fragmentación

El diseño de la arquitectura de fragmentación es el núcleo de la tecnología de fragmentación, que abarca los conceptos de diseño de cadenas principales y subcadenas, así como la asignación de nodos dentro y entre fragmentos. En esta arquitectura, la cadena principal mantiene el consenso y la seguridad de la red, funcionando como el núcleo de la cadena de bloques, coordinando las operaciones de las subcadenas y asegurando la consistencia global. Las subcadenas son regiones independientes derivadas de la cadena principal, cada una enfocándose en procesar tipos específicos de transacciones y contratos inteligentes, logrando así un paralelismo independiente para mejorar la eficiencia y escalabilidad del rendimiento.

Además, los nodos en la arquitectura de fragmentación se dividen en dos roles: nodos de subcadena, responsables de mantener registros de transacciones y estados dentro de su fragmento mientras participan en el consenso para validar transacciones, y nodos de intercambio entre subcadenas, encargados de transmitir información y actualizar estados entre fragmentos para garantizar la coordinación y sincronización entre la cadena principal y las subcadenas. Esta división detallada de roles mejora la utilización de recursos y aumenta la capacidad de procesamiento de transacciones en general, sentando una base sólida para la expansión y el funcionamiento eficiente de las redes de cadena de bloques.

Fuente: newcomputerworld

Muestreo aleatorio

Los mecanismos de selección y muestreo aleatorio son críticos para garantizar la seguridad y equidad de las arquitecturas de fragmentación. La clave radica en seleccionar nodos al azar para formar fragmentos y evitar que los atacantes malintencionados concentren el control sobre un fragmento. Durante la selección de nodos, a menudo se utilizan algoritmos de generación de números aleatorios basados en hash para garantizar la equidad y la descentralización, eliminando los sesgos basados en la ubicación geográfica o el comportamiento histórico. Esto asegura que todos los nodos tengan una oportunidad igual de ser seleccionados en diferentes fragmentos, mejorando la descentralización y la resistencia a la censura de la red.

Para evitar que los atacantes manipulen una partición mediante el control de determinados nodos, las arquitecturas de particionamiento suelen introducir varios mecanismos de selección y estrategias dinámicas de asignación de nodos. Por ejemplo, cuando el número de nodos de una partición alcanza un umbral establecido, el sistema activa automáticamente la reorganización de la partición, seleccionando aleatoriamente nuevos nodos para unirse y asegurando que la distribución de los nodos dentro de la partición no se concentre demasiado. Además, los mecanismos de "reequilibrio de particiones" ajustan periódicamente la distribución de nodos entre particiones, lo que evita que los atacantes aprovechen la concentración de nodos para atacar o manipular una partición. Estos mecanismos reducen eficazmente el riesgo de fallos de un solo punto dentro de la arquitectura de fragmentación y refuerzan la defensa de la red contra ataques maliciosos.

Fuente: Un algoritmo de consenso de fragmentación efectiva para sistemas de cadena de bloques

Desafíos y soluciones en la fragmentación

Problemas de seguridad

Los ataques adversarios adaptativos se refieren a ataques en los que actores maliciosos explotan su conocimiento de las condiciones de la red para apuntar a fragmentos específicos en una red de cadena de bloques. Los atacantes pueden manipular transacciones, alterar datos o interferir con los procesos de confirmación de transacciones para lograr sus objetivos. Dado que cada fragmento en una arquitectura fragmentada tiene relativamente menos nodos, se vuelve más fácil para los atacantes concentrar sus esfuerzos en un único fragmento, aumentando los riesgos de seguridad. Para abordar este problema, se deben tomar medidas para garantizar la integridad del fragmento.

Una solución efectiva es introducir mecanismos de verificación multicapa y protocolos de consenso cruzado compartidos. Específicamente, se deben establecer múltiples nodos de validación dentro de cada fragmento para confirmar colaborativamente las transacciones, aumentando así la complejidad y el costo de los ataques. Además, los protocolos de consenso entre fragmentos facilitan el intercambio de información y la validación de estado entre fragmentos, asegurando la coordinación y consistencia en toda la red y evitando que los ataques en un solo fragmento amenacen la red completa. Estos mecanismos mejoran significativamente la resistencia de las arquitecturas fragmentadas contra ataques y reducen los riesgos planteados por amenazas adversarias adaptativas.

Desafíos de disponibilidad de datos

La disponibilidad de datos es otro desafío crítico en la tecnología de fragmentación. A medida que la fragmentación se adopta ampliamente, la verificación eficiente de la accesibilidad y la integridad de los datos en cada fragmento se vuelve esencial para mantener la estabilidad de la red de cadena de bloques. Un enfoque para abordar este desafío es muestrear porciones del conjunto de datos para verificar rápidamente la disponibilidad de todo el conjunto de datos. Este método reduce la sobrecarga computacional de inspeccionar todos los datos, mejorando la eficiencia general del sistema.

Además, deben establecerse mecanismos de verificación efectivos. Por ejemplo, los nodos participantes deben proporcionar pruebas correspondientes de la disponibilidad de datos al generar nuevos bloques. Esto es especialmente importante en transacciones entre fragmentos para garantizar la consistencia y precisión de los datos entre fragmentos.

Estudios de caso

Tecnología de Fragmentación de Ethereum 2.0

En la hoja de ruta de escalabilidad de Ethereum, Danksharding representa una actualización revolucionaria y una tecnología central para lograr una escalabilidad a gran escala en Ethereum 2.0. A diferencia de los métodos tradicionales de fragmentación, Danksharding integra "mercados de tarifas fusionados" y adopta un mecanismo de propuesta de un solo bloque, lo que simplifica los procesos de transacción entre fragmentos. La implementación técnica pasará gradualmente a la fragmentación completa en Ethereum 2.0 a través de mecanismos como EIP-4844 y proto-danksharding.

La singularidad de Danksharding radica en su innovador diseño estructural. El fragmentación tradicional divide las redes de cadenas de bloques en múltiples subcadenas paralelas, con cada subcadena manejando transacciones de forma independiente y alcanzando consenso. Danksharding, por otro lado, emplea un proponente de bloque único para eliminar la complejidad y los cuellos de botella de rendimiento causados por múltiples proponentes en el fragmentación tradicional. El Beacon Chain, como la capa de consenso central de Ethereum 2.0, desempeña un papel crucial en este proceso. Gestiona y coordina todos los validadores en la red de Ethereum, garantizando seguridad y consistencia. Dentro del marco de Danksharding, el Beacon Chain mantiene estados de validadores y facilita la comunicación y sincronización de datos entre fragmentos, mejorando colectivamente el rendimiento general de Ethereum 2.0.

La implementación de Danksharding se llevará a cabo en múltiples fases. Inicialmente, se introduce el proto-danksharding como una fase de transición durante la actualización de Cancún de Ethereum. Utilizando EIP-4844, se admite la tecnología Rollup para reducir los costos de almacenamiento de datos, sentando las bases para la implementación completa de Danksharding. Además, Danksharding mejorará la seguridad de Ethereum, previniendo posibles amenazas como los ataques del 51%, al tiempo que optimiza las demandas computacionales y de almacenamiento en la red para admitir aplicaciones descentralizadas a gran escala.

Fuente: Desglosando ETH 2.0 - Fragmentación explicada

Tecnología de Fragmentación de Polkadot

Polkadot logra la fragmentación a través de su innovadora arquitectura de "parachain", permitiendo que las cadenas de bloques independientes operen dentro de la misma red mientras se logra la interoperabilidad. Cada parachain es una red de cadena de bloques independiente que procesa sus datos y transacciones. Estos parachains se coordinan y gestionan a través de la Relay Chain, que proporciona un mecanismo de consenso unificado y garantiza la seguridad de la red, así como la sincronización de datos y la consistencia en todos los parachains.

Las Parachains también son personalizables, lo que permite estructuras de gobierno independientes y funcionalidades adaptadas para cumplir con requisitos específicos, mejorando en gran medida la flexibilidad y escalabilidad de la red. La arquitectura de Parachain de Polkadot es especialmente adecuada para aplicaciones descentralizadas (DApps) con altas demandas, especialmente en los sectores DeFi, NFT y DAO, donde su escalabilidad y flexibilidad han sido probadas. Por ejemplo, el mecanismo de subasta de espacios de Parachain de Polkadot permite a cada Parachain asegurar los derechos de conexión a la Relay Chain y utilizar recursos computacionales específicos durante el período de arrendamiento. Con la adición de más Parachains, Polkadot puede lograr una mayor capacidad de transacción y tarifas más bajas.

En Polkadot 1.0, la asignación de recursos principales se determinó a través de un sistema de subastas de dos años. En la versión 2.0, la asignación de recursos se volvió más flexible. A medida que se unen más parachains y los recursos se distribuyen de manera dinámica, Polkadot está preparado para convertirse en un ecosistema de múltiples cadenas eficiente que admite una amplia gama de aplicaciones descentralizadas.

Fuente: Polkadot v1.0

Tecnología de fragmentación NEAR

NEAR Protocol utiliza la innovadora tecnología de fragmentación dinámica Nightshade, lo que permite que el sistema ajuste flexiblemente el número de fragmentos según las demandas de la red, manteniendo operaciones eficientes y estables bajo cargas variables. La arquitectura Nightshade, implementada con éxito en la red principal de NEAR, procesa grandes volúmenes de transacciones y admite el desarrollo de aplicaciones descentralizadas (DApp), destacando especialmente en condiciones de alta carga.

La principal ventaja de Nightshade radica en su capacidad de fragmentación dinámica, que ajusta el número de fragmentos en tiempo real para mejorar el rendimiento y la escalabilidad de la red. Con la próxima actualización de la Fase 2, NEAR introduce mejoras significativas en su arquitectura existente, incluida la tecnología de "validación sin estado". Esta innovación permite que los nodos validadores de NEAR operen sin almacenar localmente los estados de los fragmentos, sino que obtengan dinámicamente información de "testigo de estado" de la red para su validación. Este enfoque mejora la eficiencia del procesamiento de particiones, reduce los requisitos de hardware para los validadores y permite una participación más amplia. A medida que la tecnología de fragmentación continúa evolucionando, NEAR está bien posicionada para respaldar el crecimiento de usuarios a gran escala y proporcionar la base arquitectónica para la adopción generalizada de aplicaciones descentralizadas.

Fuente: ¿Qué es el Protocolo NEAR? El Sistema Operativo de la Cadena de Bloques (BOS)

Tecnología de Fragmentación TON

La arquitectura de TON adopta una estructura de múltiples capas compuesta por una cadena principal y cadenas de trabajo, garantizando un funcionamiento eficiente de la red y una comunicación sin problemas entre cadenas. La cadena principal sirve como libro mayor central de la red, almacenando encabezados de bloque para todas las cadenas de trabajo y gestionando el estado general de la red, incluyendo actualizaciones de protocolo y elecciones de validadores. Las cadenas de trabajo son subcadenas independientes dentro de la red TON, cada una especializada en escenarios de aplicación específicos o necesidades empresariales, logrando así flexibilidad y especialización en la red.

TON enfatiza la compatibilidad entre cadenas, lo que permite una interacción perfecta con otras redes de cadenas de bloques para mejorar la usabilidad del ecosistema y la funcionalidad entre cadenas. Una de las innovaciones más notables de TON es su paradigma de fragmentación infinita, que permite que la red ajuste dinámicamente el número de fragmentos según la carga de transacciones. Bajo cargas altas, TON divide los fragmentos para manejar más transacciones; bajo cargas bajas, los fragmentos se fusionan para conservar recursos y mejorar la eficiencia general. Este diseño de escalado horizontal permite que TON satisfaga las demandas de transacciones crecientes sin sacrificar el rendimiento, lo que respalda aplicaciones de alto volumen como DeFi.

Además, TON introduce la tecnología Hypercube, en la que el tiempo de transmisión de datos escala logarítmicamente con el número de cadenas de bloques. Esto significa que, incluso cuando la red TON se expande a millones de cadenas, su velocidad de procesamiento y tiempos de respuesta no se ven afectados. Teóricamente, TON puede soportar hasta 4.300 millones de cadenas de trabajo, aunque su implementación actual incluye solo la cadena maestra y las cadenas base. Esta arquitectura innovadora muestra el potencial de TON en entornos de alta carga y alta concurrencia, impulsando la amplia adopción de la tecnología blockchain.

Fuente: Fragmentación | La Red Abierta

Direcciones futuras de investigación

Desarrollos potenciales en la tecnología de fragmentación

• Compatibilidad entre cadenas: Con los avances en la tecnología de fragmentación, la comunicación entre cadenas se volverá cada vez más crítica, especialmente a medida que aumente la demanda de intercambio de información y activos entre diferentes redes de cadenas de bloques. En el futuro, la tecnología de fragmentación podría integrar aún más protocolos de comunicación entre cadenas, como la Relay Chain de Polkadot y la IBC de Cosmos, para permitir interacciones fluidas entre fragmentos y cadenas.
• Seguridad mejorada a través de la gobernanza de fragmentación: Los ajustes dinámicos de fragmentación y los mecanismos de gobernanza flexibles serán puntos clave de investigación futura. Las cadenas fragmentadas aún enfrentan desafíos para equilibrar seguridad y descentralización. Se explorarán modelos de seguridad emergentes, como mecanismos de incentivos económicos y compartición de validadores de fragmentos, para reducir el riesgo de ataques a cadenas fragmentadas.
• Integración con Protección de la Privacidad: La combinación de fragmentación y protección de la privacidad será crucial en aplicaciones sensibles a los datos. Tecnologías como pruebas de conocimiento cero y Entornos de Ejecución Confiables (TEE) pueden convertirse en partes integrales de la fragmentación, asegurando la seguridad de los datos a medida que las cadenas fragmentadas se escalan.

Potenciales integraciones e innovaciones en otras arquitecturas de cadena de bloques

• Innovaciones de arquitectura híbrida: En el futuro, las arquitecturas de blockchain pueden combinar múltiples tecnologías, como la integración de fragmentación con DAG (Grafo Acíclico Dirigido) o arquitecturas de blockchain de varias capas. Las cadenas de varias capas pueden aprovechar cadenas principales y cadenas secundarias para lograr una fragmentación de datos más eficiente y una expansión entre cadenas. Por ejemplo, la cadena principal podría centrarse en la seguridad y el consenso, mientras que las cadenas secundarias manejan un procesamiento de fragmentos más flexible.
• Adaptándose a la computación cuántica: A medida que avanza la computación cuántica, las arquitecturas de la cadena de bloques considerarán cada vez más la compatibilidad cuántica. Las ventajas computacionales y de cifrado de la computación cuántica podrían mejorar potencialmente la eficiencia de fragmentación. Al mismo tiempo, se deben tomar precauciones contra las amenazas cuánticas a los algoritmos de cifrado actuales, especialmente en la comunicación y los mecanismos de validación entre fragmentos.
• Gestión de fragmentación inteligente impulsada por IA: La inteligencia artificial y el aprendizaje automático podrían aplicarse para automatizar y optimizar las redes de fragmentación, especialmente en la predicción de carga de fragmentos, el pronóstico de tráfico y los ajustes de fragmentos dinámicos. En el futuro, la gestión de fragmentación impulsada por IA permitirá a las cadenas de bloques optimizar de manera adaptativa la asignación de recursos, mejorando la eficiencia general de la red y la experiencia del usuario.

Conclusión

La tecnología de fragmentación divide las redes de blockchain en múltiples "fragmentos" independientes y paralelos, reduciendo efectivamente la carga en nodos individuales y mejorando las capacidades de procesamiento de transacciones. Se está convirtiendo en un enfoque central para potenciar el campo de la cadena de bloques. Desde el Danksharding de Ethereum 2.0 hasta el paradigma de fragmentación infinita de TON, un número creciente de redes de blockchain están explorando e implementando la tecnología de fragmentación para satisfacer la creciente demanda de rendimiento de transacciones. Mientras tanto, desafíos como la compatibilidad entre cadenas y la disponibilidad de datos han fomentado nuevas innovaciones tecnológicas, permitiendo la colaboración y el flujo de activos entre diferentes blockchains.

Sin embargo, la implementación de la tecnología de fragmentación no está exenta de desafíos. Problemas como la seguridad, la consistencia de los datos y la eficiencia de la comunicación entre fragmentos requieren nuevos avances. Mirando hacia el futuro, la tecnología de fragmentación continuará impulsando la cadena de bloques hacia una nueva era de alto rendimiento y aplicación generalizada. A medida que la tecnología madure, las arquitecturas de fragmentación se volverán más flexibles y seguras, respaldando más aplicaciones descentralizadas (DApps) e innovaciones financieras, lo que finalmente brindará una mayor sostenibilidad e innovación al ecosistema global de cadenas de bloques.