Introdução

A introdução do Ethereum em 2015 marcou um marco significativo na evolução da tecnologia blockchain, oferecendo uma plataforma para inovação e soluções descentralizadas. No entanto, à medida que a popularidade do Ethereum disparou, a escalabilidade e as altas taxas de gás surgiram como desafios formidáveis. Apesar desses obstáculos, o Ethereum permanece firme em sua busca por extrema escalabilidade sem comprometer a descentralização ou a segurança.

Para aprofundar as soluções de escalabilidade do Ethereum e o equilíbrio intrincado entre escalabilidade, segurança e descentralização, é essencial entender o Trilema do Blockchain - um conceito fundamental na tecnologia blockchain. Este artigo explora a diversificada paisagem de soluções de escalabilidade, incluindo abordagens on-chain e off-chain, com foco em soluções Roll-up. Ao comparar Roll-ups Otimistas e de Zero-Conhecimento, este artigo visa elucidar as compensações e benefícios sutis de cada abordagem, lançando luz sobre suas implicações para o futuro do Ethereum e o ecossistema mais amplo de blockchain.

O Trilema do Blockchain

As três características principais do blockchain são escalabilidade, segurança e descentralização.

Segurança

Isso significa manter a rede segura contra ataques e garantir que todas as transações sejam seguras e à prova de adulteração.

Descentralização

Isso se refere a espalhar o controle da rede para que nenhuma entidade única tenha muito poder. Trata-se de ter uma rede operada por muitos nós, em vez de apenas uma autoridade central.

Escalabilidade

Essa é a capacidade da rede de lidar com um grande número de transações de forma rápida e eficiente à medida que cresce.

Origem:Ethereum

A incapacidade de uma blockchain de simultaneamente alcançar todos esses objetivos é conhecida como o "Trilema da Blockchain." Melhorar um frequentemente significa sacrificar outros, e acredita-se que esse trilema restrinja severamente a adoção e o potencial da tecnologia. Como ilustração, um maior grau de descentralização (mais pessoas no comando) pode resultar em redes menos escalonáveis com transações mais lentas, já que mais nós devem concordar com as transações. No entanto, à medida que a escalabilidade aumenta (as transações acontecem mais rapidamente), pode se tornar necessário diminuir a "descentralização" (menos nós estão no controle), o que poderia ter um impacto na segurança. Regulamentações rígidas e menos nós podem fazer com que as transações se tornem mais lentas e mais centralizadas, o que poderia limitar a escalabilidade e descentralização da rede se a segurança for dada prioridade.

Soluções de Escalonamento: On-chain e Off-chain

O processo de escalação on-chain envolve fazer modificações no protocolo mainnet da camada 1 do Ethereum, que foi originalmente destinado a ser escalável através de sharding - a divisão do blockchain em áreas menores e verificáveis. Ao utilizar anexos de dados menos dispendiosos aos blocos do Ethereum, os rollups da camada 2 surgiram como a principal técnica de escalonamento.

Por outro lado, as soluções de dimensionamento fora da cadeia não dependem da camada 1 do Ethereum e não necessitam de quaisquer alterações no protocolo. Elas ganham escalabilidade processando transações fora da mainnet do Ethereum, e obtêm segurança diretamente do consenso do Ethereum ou através de cadeias independentes. Sidechains, Canais de Estado, Plasma, Validium e Roll-ups são algumas dessas soluções de camada 2.

Soluções de Escalonamento Roll-up

Origem:DappRadar

Os roll-ups, que são seguros pela Ethereum, aumentam a escalabilidade da Ethereum processando e validando transações off-chain e depois enviando um resumo condensado das transações para a mainnet. Como resultado, a mainnet da Ethereum L1 lida com menos dados e cálculos, o que acelera a rede e reduz os custos de transação.

Entradas e Saídas

Saída e entrada são os processos de mover fundos entre o Ethereum e uma solução de escalonamento de camada 2 (L2).

• Para usar uma solução L2, os usuários precisam depositar seus fundos em um contrato inteligente no Ethereum, que os bloqueia até que sejam retirados.
• Saída: Para recuperar seus fundos, os usuários precisam enviar uma prova de seu saldo na solução L2 para o contrato inteligente, que os libera para seu endereço Ethereum. Diferentes soluções L2 têm métodos diferentes de comprovação e verificação de transações, como provas de conhecimento zero ou provas de fraude. Esses métodos afetam a velocidade, custo e segurança da saída e entrada.

Compreendendo Zero-knowledge (ZK) e Optimistic Roll-ups

Zero-knowledge (ZK) e Optimistic Roll-ups são as duas categorias das Soluções de Dimensionamento da Ethereum.

Roll-ups de Conhecimento Zero

As roll-ups de conhecimento zero, popularmente conhecidas como ZK roll-ups, assumem que todas as transações são falsas até que sejam comprovadas como válidas por meio de provas de conhecimento zero (ZKPs), em contraste com seus equivalentes otimistas. Aqui, os validadores provam que uma transação é autêntica sem revelar quaisquer detalhes da transação. Isso é feito por meio da publicação de provas de validade no Ethereum, eliminando a necessidade de dados de transação on-chain. Exemplos de roll-ups de conhecimento zero incluem Starknet, zkSync e Loopring.

Fonte: Nervos

Principais características das Zero-Knowledge Roll-ups

Uma Prova de Conhecimento Zero

Este é um método que permite a um 'provador' demonstrar a veracidade de uma declaração a um 'verificador' sem revelar nenhuma informação além do fato de que a declaração é verdadeira. Isso garante privacidade e segurança na validação de reivindicações sem expor os dados subjacentes.

ZK-SNARKs (Argumento de Conhecimento Interativo Zero-Saber Sucinto Nulo)

Um protocolo permite a verificação da integridade de uma declaração sem saber mais nada sobre ela. É sucinto e não interativo, o que significa que as provas são pequenas e a verificação é rápida, requerendo apenas uma interação.

ZK-STARKs (Provas Escaláveis Transparentes de Conhecimento de Zero)

Semelhante aos ZK-SNARKs, mas projetados para ser escaláveis e transparentes, tornando-os mais rápidos para conjuntos de dados maiores e livres da necessidade de uma configuração confiável, embora produzam provas maiores.

Como funcionam os Roll-ups de Conhecimento Zero

1. Envio de transação do usuário: Os usuários iniciam transações assinando-as com suas chaves privadas. Essas transações são enviadas aos operadores ZK-rollup.

2. Processamento do operador: Os operadores, sejam sequenciadores ou validadores, recebem transações de usuários. Os sequenciadores executam transações off-chain, agregam-nas em lotes e periodicamente enviam esses lotes para o blockchain do Ethereum. Os validadores processam transações em uma configuração de prova de participação e propõem novos lotes com base no tamanho da participação.

3. Compactação em Lote e Envio: Antes de enviar para o Ethereum, o operador comprime os dados da transação para reduzir dados de chamadaO tamanho. Esses dados compactados são então incluídos em uma transação Ethereum e enviados para o contrato inteligente ZK-rollup.

4. Comprometimento on-chain: O contrato inteligente do Ethereum recebe os dados em lote e verifica sua integridade. Ele atualiza a árvore de estado do rollup com as novas transações e armazena a raiz de Merkle deste estado atualizado.

5. Geração de Prova de Conhecimento Zero: O operador ZK-roll-up gera provas de conhecimento zero para cada lote. Essas provas atestam criptograficamente a correção das transições de estado sem revelar informações sensíveis.

6. Envio de Prova: O operador envia as provas de conhecimento zero para o contrato verificador do Ethereum. Este contrato verifica as provas e garante que as transições de estado propostas são válidas.

7. Atualização da Raiz do Estado: Após a verificação bem-sucedida das provas de conhecimento zero, as atualizações do contrato inteligente da Ethereum na raiz do estado do rollup com a nova raiz de Merkle calculada a partir do último lote de transações.

8. Interação do Usuário: Os usuários podem interagir com o ZK-rollup depositando ativos no Ethereum, iniciando transações e retirando fundos. Os depósitos são feitos enviando ativos para o contrato rollup, enquanto os saques envolvem a submissão de solicitações com as provas necessárias ao contrato.

9. Verificação e Execução: O contrato roll-up verifica solicitações de saque, garantindo que sejam válidas e respaldadas pelas provas necessárias. Após a verificação, o contrato executa os saques, transferindo ativos para os endereços especificados pelos usuários na mainnet do Ethereum.

Vantagens dos Roll-ups de Conhecimento Zero

• Provas de validade: ZK roll-ups usam provas de validade para verificar a correção de transações fora da cadeia, o que impede que os operadores executem transições de estado inválidas e oferecem finalidade mais rápida.
• Compactação de dados: ZK roll-ups utilizam técnicas de compressão para reduzir a quantidade de dados enviados para a cadeia, o que pode diminuir as taxas para os usuários e aumentar a escalabilidade do roll-up.
• Retiradas instantâneas: ZK rollups permitem que os usuários retirem fundos da L2 para a L1 sem atrasos, pois as transações de saída são executadas assim que a prova de validade é verificada na L1.

Desvantagens dos Zero-knowledge Roll-ups

• Geração e verificação de prova: ZK rollups requerem criptografia e engenharia complexas para produzir e verificar provas de validade, o que pode aumentar os custos e desafios para operadores e usuários de rollup.
• Compatibilidade EVM: Os ZK rollups não são facilmente compatíveis com a EVM, o que torna difícil suportar contratos inteligentes de uso geral e aplicativos e ferramentas existentes no rollup.
• Riscos de centralização: Os ZK rollups podem encorajar o controle centralizado do roll-up por algumas partes, pois a produção de provas de validade requer hardware especializado e expertise.

Casos de Uso de Zero Knowledge Roll-ups

As roll-ups de conhecimento zero (ZK) são uma excelente opção para vários casos de uso, especialmente aqueles que requerem um equilíbrio entre privacidade, escalabilidade e segurança. Aqui estão alguns casos de uso de roll-ups de conhecimento zero.

Verificação de Identidade Descentralizada

Os ZK-roll-ups podem verificar a identidade de um indivíduo sem revelar informações pessoais sensíveis. Esse recurso de preservação da privacidade é valioso para autenticação segura e gerenciamento de usuários.

Transações preservadoras de privacidade

Os nós de blockchain podem validar transações sem acessar diretamente os dados da transação. ZK-rollups permitem transferências confidenciais e eficientes mantendo a segurança.

Sistemas de votação

Sistemas de votação precisam garantir anonimato e integridade nas eleições, permitindo a verificação pública dos resultados.

Roll-ups otimistas

As roll-ups otimistas escalonam o Ethereum movendo transações para fora da cadeia e apenas publicando dados na cadeia. Eles assumem e confiam que as transações fora da cadeia são válidas sem verificá-las. No entanto, os roll-ups otimistas usam provas de fraude para detectar erros ou fraudes nas transações fora da cadeia. Os dois roll-ups otimistas mais populares são Arbitrum e Optimism.

O período de desafio é o tempo que vem depois que um lote de roll-up é enviado para a rede Ethereum. Qualquer pessoa pode contestar a validade de uma transação de roll-up durante este tempo. Após o período de desafio, um lote de roll-up é considerado válido na Ethereum se não for contestado. Em contraste, o protocolo reexecuta as transações e penaliza o sequenciador em questão se uma prova de fraude for bem-sucedida.

Fonte:Nervos.org

Como funcionam os Roll-Ups Otimistas

1. Envio de transação iniciado pelo usuário: Na rede de roll-up otimista, os usuários iniciam transações. O sequenciador, ou operador, recebe esta transação.

2. Agregação de transações e envio on-chain: O operador compila todas essas transações separadas em um bloco e reduz o tamanho dos dados comprimindo-os, criando um lote de transações que estão preparadas para processamento. Em seguida, o operador envia o lote de transações para a rede Ethereum. Os dados da transação são empacotados nesse processo e postados no Ethereum como dados de chamada.

3. Disponibilidade de dados no Ethereum: O Ethereum registra os dados da transação postados/enviados dentro dos dados da chamada em sua blockchain. Isso garante a disponibilidade dos dados da transação para referência futura.

4. Transição de estado e compromissos: Validadores na rede de roll-up otimista, também conhecida como sequenciadoresEm alguns casos, execute as transações usando o estado atual da cadeia roll-up armazenada off-chain. Eles verificam a validade das transações e atualizam o estado roll-up em conformidade. Após processar as transações, o operador se compromete com o novo estado da cadeia roll-up gerando uma nova raiz de estado. Esta raiz é hashada e armazenada on-chain como uma referência ao estado mais recente do roll-up.

5. Detecção de fraude e provas de fraude: Os validadores ficam de olho em quaisquer diferenças entre seu próprio estado executado e o estado proposto pelo operador monitorando a cadeia de roll-up. Um validador pode lançar um desafio para contestar a validade do bloco de roll-up se encontrar uma discrepância. Em caso de desafio, os validadores podem fornecer prova de fraude ao Ethereum, demonstrando quaisquer inconsistências no bloco de roll-up. Essas provas servem como evidência de atividade fraudulenta e acionam penalidades para o operador desonesto.

6. Arbitragem e Resolução: O Ethereum é um árbitro no processo de resolução de disputas. Ele avalia as provas de fraude fornecidas pelos desafiantes e impõe penalidades ao operador se o comportamento fraudulento for confirmado.

7. Finalidade e Liquidação: Uma vez que um bloco roll-up é aceito no Ethereum, ele atinge a finalidade, o que significa que as transações dentro dele são consideradas liquidadas e irreversíveis. Esta liquidação fornece aos usuários confiança na integridade de suas transações na rede de roll-up otimista.

Vantagens dos Optimistic Roll-ups

• Compatibilidade EVM: As roll-ups otimistas podem suportar qualquer contrato inteligente ou transação que possa ser executada no Ethereum, tornando-as fáceis de integrar com dApps e ferramentas existentes.
• Baixa latência: As roll-ups otimistas oferecem tempos rápidos de confirmação de transação, pois os usuários não precisam esperar que as provas de validade sejam verificadas no L1.
• Alta Capacidade: As rollups otimistas podem processar milhares de transações por segundo, movendo a computação para off-chain e postando apenas os dados das transações on-chain

Desvantagens dos Optimistic Roll-ups

• Provas de Fraude: Rollups otimistas dependem de provas de fraude para garantir a correção das transações fora da cadeia, o que requer um período desafiador e custos adicionais de gás para executar no L1.
• Disponibilidade de dados: Os roll-ups otimistas dependem da disponibilidade de dados de transação no L1, o que pode ser afetado por congestionamento de rede ou atores maliciosos.
• Atrasos de retirada: As roll-ups otimistas impõem um período de espera para os usuários retirarem fundos do L2 para o L1, que pode variar de várias horas a dias, dependendo do design do roll-up.

Casos de Uso de Optimistic Roll-ups

Roll-ups otimistas abordam desafios de escalabilidade em aplicações baseadas em Ethereum, mantendo ao mesmo tempo confiança e segurança, tornando-os uma solução ideal para vários casos de uso em diferentes indústrias. Estes incluem;

Finanças Descentralizadas (DeFi)

Roll-ups otimistas podem melhorar significativamente o throughput de transações para plataformas DeFi, possibilitando interações mais rápidas e baratas com protocolos como empréstimos, negociações e yield farming.

Jogos de azar

Em aplicações de jogos, onde as interações em tempo real e a confirmação rápida das ações no jogo são cruciais, os roll-ups otimistas oferecem uma maneira de processar transações off-chain mantendo a segurança por meio da publicação de dados on-chain.

Gestão da Cadeia de Suprimentos

Os rollups otimistas podem otimizar os processos da cadeia de suprimentos lidando com grandes transações fora da cadeia, reduzindo a congestão na mainnet do Ethereum. Isso é particularmente útil para rastrear mercadorias, verificar autenticidade e gerenciar inventário.

Verificação de Identidade

Verificar identidades e gerenciar perfis de usuários podem se beneficiar de roll-ups otimistas. Ao descarregar cálculos e armazenamento de estado, esses protocolos podem melhorar a eficiência das transações relacionadas à identidade.

Comparação entre Zero-knowledge (ZK) e Optimistic Roll-ups

Conclusão

A comparação entre Optimistic e Zero-Knowledge Roll-ups destaca as abordagens sutis para escalabilidade e segurança dentro do ecossistema do Ethereum. Enquanto os Optimistic Roll-ups priorizam a velocidade das transações e a compatibilidade com a infraestrutura existente do Ethereum, os Zero-Knowledge Roll-ups se destacam na preservação da privacidade e integridade criptográfica. Ambas as soluções representam avanços significativos na tecnologia blockchain, oferecendo benefícios e compensações únicas que atendem a diversos casos de uso.

Conforme o Ethereum continua a evoluir, adotar e refinar essas soluções de roll-up desempenhará um papel fundamental na moldagem do futuro das finanças descentralizadas, tokens não fungíveis e outras aplicações de blockchain. Abraçar essa diversidade de soluções de escalonamento destaca o compromisso do Ethereum com a inovação e a resiliência na superação dos desafios de escalabilidade, enquanto mantém os princípios fundamentais de segurança e descentralização.