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 escalabilidade extrema sem comprometer a descentralização ou a segurança.

Para aprofundar as soluções de escalabilidade do Ethereum e o equilíbrio intricado entre escalabilidade, segurança e descentralização, é essencial compreender o Trilema do Blockchain - um conceito fundamental na tecnologia blockchain. Este artigo explora o diversificado cenário de soluções de escalabilidade, incluindo abordagens on-chain e off-chain, com foco em soluções Roll-up. Ao comparar Roll-ups Otimistas e de Conhecimento Zero, 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 blockchain mais amplo.

O Trilema da Blockchain

As três características principais da 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 manipulações.

Descentralização

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

Escalabilidade

Esta 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 um blockchain de simultaneamente alcançar todos esses objetivos é conhecida como o "Trilema do Blockchain." A melhoria de 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 escaláveis com transações mais lentas, uma vez que mais nós devem concordar com as transações. No entanto, à medida que a escalabilidade aumenta (transações acontecem mais rapidamente), pode ser necessário reduzir 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 centralizadas, o que poderia limitar a escalabilidade e a descentralização da rede se a segurança for dada prioridade.

Soluções de Escalonamento: On-chain e Off-chain

O processo de escalonamento on-chain implica fazer modificações no protocolo mainnet da camada 1 do Ethereum, que foi originalmente concebido para ser escalável através de sharding - a divisão da 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 de 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 dimensionamento roll-up

Origem: DappRadar

Roll-ups, que são garantidos pelo Ethereum, aumentam a escalabilidade do Ethereum ao processar e validar transações fora da cadeia e depois enviar um resumo condensado das transações para a mainnet. Como resultado, a mainnet do Ethereum L1 lida com menos dados e computação, o que acelera a rede e reduz os custos de transação.

Entradas e Saídas

Sair e entrar são os processos de mover fundos entre 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.

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

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

Roll-ups de conhecimento zero

Roll-ups de conhecimento zero, popularmente conhecidos 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), um contraste acentuado em relação aos seus equivalentes otimistas. Aqui, os validadores provam que uma transação é autêntica sem revelar quaisquer detalhes da transação. Isso é feito ao publicar provas de validade no Ethereum, eliminando a necessidade de dados de transações on-chain. Exemplos de roll-ups de conhecimento zero incluem Starknet, zkSync e Loopring.

Fonte: Nervos

Principais características dos Zero-Knowledge Roll-ups

Uma Prova de Conhecimento Zero

Este é um método que permite a um 'provador' demonstrar a verdade de uma afirmação a um 'verificador' sem revelar qualquer informação além do fato de que a afirmação é verdadeira. Garante privacidade e segurança na validação de reivindicações sem expor os dados subjacentes.

ZK-SNARKs (Argumento de Conhecimento Sucinto Não-Interativo de Conhecimento Zero)

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 (Zero-Conhecimento Escalável Transparente Argumento de Conhecimento)

Semelhante aos ZK-SNARKs, mas projetados para serem 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. Submissão de Transação do Utilizador: Os utilizadores iniciam transações ao assiná-las com as suas chaves privadas. Estas transações são submetidas 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 submetem esses lotes à blockchain do Ethereum. Os validadores processam transações em um ambiente de prova de participação e propõem novos lotes com base no tamanho da participação.

3. Compactação em Lote e Submissão: Antes de enviar para o Ethereum, o operador comprime os dados da transação para reduzirdados de chamadaO tamanho. Estes dados comprimidos são então incluídos numa transação Ethereum e enviados para o contrato inteligente ZK-rollup.

4. Compromisso On-chain: O contrato inteligente do Ethereum recebe os dados em lote e verifica a sua integridade. 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. Estas provas atestam criptograficamente a correção das transições de estado sem revelar informações sensíveis.

6. Submissão de Prova: O operador submete as provas de conhecimento zero ao 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 do 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 utilizadores 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 as retiradas envolvem a submissão de pedidos com as provas necessárias ao contrato.

9. Verificação e Execução: O contrato roll-up verifica os pedidos de levantamento, garantindo que sejam válidos e apoiados pelas provas necessárias. Após a verificação, o contrato executa os levantamentos, transferindo ativos para os endereços especificados pelos utilizadores na mainnet do Ethereum.

Vantagens de Zero-Knowledge Roll-ups

• Provas de validade: Os ZK roll-ups usam provas de validade para verificar a correção das transações fora da cadeia, o que impede que os operadores executem transições de estado inválidas e oferecem uma finalidade mais rápida.
• Compressão de dados: Os ZK roll-ups utilizam técnicas de compressão para reduzir a quantidade de dados publicados na cadeia, o que pode diminuir as taxas para os utilizadores e aumentar a escalabilidade do roll-up.
• Levantamentos instantâneos: ZK rollups permitem aos utilizadores retirar fundos do L2 para o L1 sem atrasos, uma vez que as transações de saída são executadas assim que a prova de validade é verificada no L1.

Desvantagens de Zero-knowledge Roll-ups

• Geração e verificação de provas: Os ZK rollups requerem criptografia e engenharia complexas para produzir e verificar provas de validade, o que pode aumentar os custos e desafios para os operadores e utilizadores do rollup.
• Compatibilidade EVM: Os ZK rollups não são facilmente compatíveis com a EVM, tornando 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, uma vez que a produção de provas de validade requer hardware e expertise especializados.

Casos de Uso de Zero Knowledge Roll-ups

Os 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 roll-ups ZK podem verificar a identidade de um indivíduo sem revelar informações pessoais sensíveis. Esta funcionalidade de preservação da privacidade é valiosa para autenticação segura e gestão de utilizadores.

Transações Preservadoras da Privacidade

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

Sistemas de votação

Os sistemas de votação precisam garantir o anonimato e a integridade nas eleições, permitindo ao mesmo tempo 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 pressupõem 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 em 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 submetido à rede Ethereum. Qualquer pessoa pode contestar a validade de uma transação de roll-up durante esse 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 Optimistic Roll-Ups

1. Submissão de transação iniciada pelo utilizador: Na rede de roll-up otimista, os utilizadores iniciam transações. O sequenciador, ou operador, recebe esta transação.

2. Agregação de transações e submissão 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 preparadas para processamento. Posteriormente, o operador submete o lote de transações à rede Ethereum. Os dados da transação são empacotados nesse processo e publicados no Ethereum como dados de chamada.

3. Disponibilidade de dados no Ethereum: O Ethereum regista os dados da transação publicados/enviados dentro dos dados de chamada na sua blockchain. Isto 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 comosequenciadoresEm 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 compromete-se 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 fraudes e provas de fraude: Os validadores ficam de olho em quaisquer diferenças entre seu próprio estado executado e o estado proposto pelo operador monitorizando a cadeia roll-up. Um validador pode lançar um desafio para contestar a validade do bloco roll-up se encontrar uma discrepância. Em caso de desafio, os validadores podem fornecer prova de fraude ao Ethereum, demonstrando quaisquer inconsistências no bloco roll-up. Estas provas servem como evidência de atividade fraudulenta e desencadeiam penalidades para o operador desonesto.

6. Arbitragem e Resolução: O Ethereum é um árbitro no processo de resolução de disputas. 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 aceite no Ethereum, ele atinge a finalidade, o que significa que as transações dentro dele são consideradas liquidadas e irreversíveis. Esta liquidação fornece aos utilizadores confiança na integridade das 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 transações, pois os usuários não precisam esperar que as provas de validade sejam verificadas no L1.
• Alta Capacidade de Processamento: As rollups otimistas podem processar milhares de transações por segundo, movendo a computação para fora da cadeia e publicando apenas os dados da transação na cadeia

Desvantagens dos Roll-ups Otimistas

• Provas de Fraude: As rollups otimistas dependem de provas de fraude para garantir a correção das transações off-chain, o que requer um período desafiador e custos adicionais de gás para serem executados em L1.
• Disponibilidade de Dados: As roll-ups otimistas dependem da disponibilidade de dados de transação no L1, o que pode ser afetado pela congestão da rede ou por agentes maliciosos.
• Atrasos de Levantamento: Os roll-ups otimistas impõem um período de espera para os utilizadores levantarem fundos do L2 para o L1, que pode variar de várias horas a dias, dependendo do design do roll-up.

Casos de Uso de Roll-ups Otimistas

As roll-ups otimistas abordam os desafios de escalabilidade nas aplicações baseadas em Ethereum, mantendo a confiança e a segurança, tornando-os uma solução ideal para vários casos de uso em diferentes setores. Estes incluem;

Finanças Descentralizadas (DeFi)

Os roll-ups otimistas podem melhorar significativamente o débito de transações para plataformas DeFi, permitindo interações mais rápidas e mais baratas com protocolos como empréstimos, negociação e agricultura de rendimento.

Jogos de azar

Nas 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 forma de processar transações off-chain mantendo a segurança através da publicação de dados on-chain.

Gestão da Cadeia de Abastecimento

As rollups otimistas podem otimizar os processos da cadeia de abastecimento ao lidar com grandes transações off-chain, 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 gerir perfis de utilizadores pode beneficiar de roll-ups otimistas. Ao descarregar cálculos e armazenamento de estado, estes protocolos podem melhorar a eficiência das transações relacionadas com identidade.

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

Conclusão

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

À medida que o Ethereum continua a evoluir, adotar e refinar estas soluções de roll-up desempenhará um papel crucial na definição do futuro das finanças descentralizadas, tokens não fungíveis e outras aplicações de blockchain. Abraçar esta diversidade de soluções de escalonamento sublinha o compromisso do Ethereum com a inovação e resiliência na superação dos desafios de escalabilidade, enquanto mantém os princípios fundamentais de segurança e descentralização.