Desafios de escalabilidade do Ethereum

Limitações da Mainnet do Ethereum

De acordo com o trilema do blockchain de Vitalik Buterin, nenhum blockchain pode simultaneamente alcançar descentralização, segurança e escalabilidade. Compromissos devem ser feitos entre esses três fatores. Ethereum optou por focar na descentralização e segurança. Ele fez com sucesso a transição do consenso de Prova de Trabalho (PoW) para Prova de Participação (PoS), liderando a inovação e o desenvolvimento dentro da indústria. Como resultado, tornou-se o maior ecossistema de blockchain público, sendo o segundo apenas para o Bitcoin em termos de descentralização e segurança econômica.

No entanto, apesar de várias atualizações, a escalabilidade do Ethereum continua limitada. O tempo médio de bloco é de 12 segundos, e suas transações por segundo (TPS) são apenas cerca de 13. Quando a atividade da rede aumenta, ocorre congestão, acompanhada por altas taxas de transação, o que impacta severamente a experiência do usuário. Os problemas de escalabilidade do Ethereum tornaram-se mais pronunciados à medida que o ecossistema cresce com mais aplicações e utilizadores. Em resposta, em 2020, Vitalik Buterin anunciou oficialmente que o roadmap futuro do Ethereum se concentraria nos Rollups (ou seja, soluções de Camada 2) para lidar com os problemas de escalabilidade da mainnet.

As Preocupações Ocultas da Camada 2

Em termos simples, a Camada 2 refere-se à camada de computação do Ethereum. O princípio é mover a execução de transações fora da cadeia para a computação e depois comprimir vários resultados de transações numa única transação que é enviada de volta para o mainnet do Ethereum para validação e liquidação final. Através da computação fora da cadeia, o TPS da Camada 2 pode ser várias vezes maior do que o mainnet. Além disso, porque uma única transação devolvida ao mainnet consolida vários detalhes de transação, os custos de validação são partilhados entre muitos utilizadores, reduzindo os custos de transação e proporcionando uma experiência de utilizador mais suave. Isto permitiu que a Camada 2 lidasse com o considerável tráfego e carga do ecossistema proveniente do mainnet.

De acordo com estatísticas da L2BEAT e Dune, até os dados mais recentes (18 de novembro), o Total Value Locked (TVL) na Camada 2 atingiu $4.4 bilhões, com um TPS total de cerca de 360. Mais de 90% das transações do ecossistema Ethereum agora são realizadas na Camada 2.

Figura 1: Layer 2 TVL e TPS, Fonte: L2BEAT

Figura 2: Ethereum Mainnet vs. Partilha de Transações de Camada 2, Fonte: Dune

No entanto, atualmente, existem 52 soluções de Camada 2, incluindo algumas que ainda não foram oficialmente lançadas. O grande número de projetos de Camada 2 levou à fragmentação do usuário e à dispersão da liquidez em diferentes plataformas. Para competir por usuários e fundos, essas plataformas consomem recursos substanciais. Os usuários também são obrigados a transferir ativos com frequência entre diferentes soluções de Camada 2, incorrendo em custos adicionais de transação, enquanto expõem seus ativos a maiores riscos durante o processo de transferência.

Além disso, dos 52 soluções de Camada 2, apenas 6 atendem aos padrões de segurança da primeira fase estabelecidos pela L2BEAT. Isso indica que a maioria das soluções de Camada 2 não herda adequadamente a segurança da mainnet do Ethereum e os fundos dos usuários podem ser congelados em caso de falha da Camada 2.

(Padrões de segurança de três fases do L2BEAT para Camada 2:
Fase 0: A solução de Camada 2 opera normalmente.
Fase 1: A equipe do projeto renuncia a algum controle, permitindo que uma certa proporção de entidades externas participe, resultando em um nível mais alto de descentralização. Os usuários podem decidir se retiram seus ativos.
Fase 2: Descentralização total, onde qualquer pessoa pode participar e sair sem permissão.

À luz destes desafios, o Gear Protocol lançou o Gear.exe, uma solução não de Camada 2 que aumenta significativamente a capacidade computacional do Ethereum—mais de 1000 vezes—sem sacrificar a segurança da mainnet do Ethereum, alcançando assim um nível superior de escalabilidade.

Introdução ao Gear.exe

Gear.exe, desenvolvido pela Gear Protocol, é uma rede de computação descentralizada construída na Vara Network (uma Layer 1 lançada pela Gear Protocol, que será introduzida posteriormente). Totalmente compatível com a Máquina Virtual Ethereum (EVM), o Gear.exe pode ser visto como uma suíte de expansão para a rede Ethereum. Ele suporta execução paralela infinitamente escalável, compensando as limitações de escalabilidade do Ethereum e oferecendo uma experiência de transação de baixa latência e baixo custo. É importante ressaltar que o Gear.exe não é uma blockchain e não gera seus próprios blocos. Em vez disso, ele serve como uma infraestrutura que fornece recursos computacionais poderosos, o que significa que não compete com as soluções Layer 2 existentes para usuários e fundos, evitando assim uma maior fragmentação de ativos.

Os benefícios trazidos pela integração do Gear.exe incluem:

• Até 1000x de melhoria no desempenho computacional
• Redução das taxas de gás em 90-99%
• Latência de sub-segundo e liquidação rápida de transações (limitada apenas pelo tempo de bloco da mainnet Ethereum)
• Experiência do usuário semelhante ao Web2
• Ambiente de desenvolvimento Rust otimizado

Graças aos recursos computacionais poderosos do Gear.exe, os desenvolvedores podem terceirizar tarefas complexas e intensivas em computação para o Gear.exe, construindo DApps com recursos intricados e altas demandas computacionais. Os casos de uso incluem DeFi, GameFi, IA, aprendizado de máquina, provas de conhecimento zero e oráculos. Isso aumenta a eficiência das transações, reduz os custos e otimiza ainda mais a experiência do usuário.

Em relação à segurança, uma vez que o Gear.exe não é uma blockchain e carece de sua própria proteção de consenso, introduz um protocolo de re-estaca chamado Symbiotic. Através do ETH re-estacado, o Symbiotic fornece segurança econômica suficiente para o Gear.exe, evitando ações maliciosas por parte dos nós validadores. Isso permite que o Gear.exe forneça uma solução alternativa de escalabilidade, diferente da Camada 2, que melhora a escalabilidade do Ethereum sem comprometer a descentralização ou a segurança, ao mesmo tempo que permite mais casos de uso intensivos em computação.

Histórico de Desenvolvimento

O Protocolo Gear foi lançado em setembro de 2021 como uma plataforma de contrato inteligente baseada em Substrate, especificamente projetada para o desenvolvimento de programas paralelos com várias funcionalidades dedicadas, incluindo o Modelo Ator, memória permanente e WASM. Suporta contratos inteligentes escritos em várias linguagens de programação como Rust, Solidity, C e C++, tornando-o compatível com várias blockchains e permitindo a implantação em várias redes sem a necessidade de modificar os contratos.

(Substrate: Uma estrutura de desenvolvimento modular que facilita a integração de várias blockchains especializadas, melhorando a escalabilidade.)

Inicialmente, o Gear Protocol serviu o ecossistema Polkadot. Na época, a cadeia de relés do Polkadot não suportava a implementação de contratos inteligentes, portanto, os desenvolvedores que desejavam se conectar à rede tinham que implantar contratos em parachains ou criar uma nova blockchain e conectá-la ao Polkadot. Devido ao alto custo deste último, a maioria dos desenvolvedores optou por implantar DApps em parachains. O Gear Protocol, sendo compatível com diferentes linguagens de programação e oferecendo várias infraestruturas, tornou-se a plataforma de escolha para os desenvolvedores. Como resultado, tornou-se um hub para DeFi, DAO, NFT e outros tipos de DApps, desempenhando um papel fundamental no ecossistema Polkadot.

Em setembro de 2023, o Gear Protocol lançou oficialmente sua rede Layer 1 independente, a Vara Network, desenvolvida com base no framework Substrate. A Vara Network integrou todas as tecnologias e recursos do Gear Protocol, empregando processos paralelizados para melhorar significativamente o desempenho da rede. Também pode ser atualizada sem forks ou tempo de inatividade e concentra-se em reduzir as barreiras de desenvolvimento para DApps, visando criar uma rede blockchain com sustentabilidade a longo prazo por meio de sua infraestrutura robusta.

Em outubro de 2024, o Protocolo Gear lançou o Gear.exe, com o objetivo de aproveitar as vantagens de alto desempenho da Vara Network para lidar com tarefas computacionais complexas para DApps e abordar os desafios de escalabilidade do Ethereum.

Equipa de Fundo

O Gear Protocol foi lançado em setembro de 2021. A equipa é composta por desenvolvedores principais da Polkadot e do framework de desenvolvimento de blockchain Substrate. Com uma vasta experiência em Web3, a equipa traz uma profunda expertise em tecnologia, finanças, desenvolvimento e vendas.

Nikolay Volf, Co-fundador e CEO, tem estado envolvido com Polkadot e Substrate desde 2015. Enquanto trabalhava na empresa de infraestrutura blockchain Parity Technologies, ele introduziu o primeiro contrato inteligente WebAssembly (WASM).

Ilya Veller, Co-fundador e CFO, tem mais de 20 anos de experiência na indústria financeira. Ele ocupou cargos de vendas sênior em instituições como Bank of America, Morgan Stanley, Renaissance Capital, UniCredit e ITI Capital, levantando mais de $1 bilhão para vários projetos.

Aleksandr Bugorkov, Co-fundador e CTO, traz uma vasta experiência técnica de empresas como Lyft, New Relic e Spotify, onde trabalhou em soluções tecnológicas inovadoras.

Estado de Financiamento

Em dezembro de 2021, o Gear Protocol concluiu uma rodada de financiamento de $12 milhões, liderada pela Blockchange Ventures. Outros investidores incluíram HashKey Capital, Lemniscap e Three Arrows Capital.

Como funciona o Gear.exe

O Gear.exe suporta programas paralelizados e suas tecnologias principais são baseadas em vários componentes-chave:

• Modelo de Ator

Na programação de computadores, um "Ator" é uma unidade computacional fundamental que pode enviar e receber mensagens. Os atores podem representar contratos inteligentes ou usuários finais. No Modelo de Ator, o estado entre atores é mantido privado e só pode ser modificado ou comunicado através da passagem de mensagens. Isso garante privacidade e segurança para cada ator. Todos os processos são assíncronos, ou seja, são executados em paralelo, permitindo que várias tarefas sejam tratadas simultaneamente sem esperar pelo resultado de uma tarefa anterior.

Para ilustrar, imagine que está a preparar um bife e uma salada. Normalmente, deve aquecer a frigideira e o óleo primeiro e, enquanto espera que a frigideira aqueça, pode começar a lavar os legumes. Assim que a frigideira estiver pronta, pode voltar a cozinhar o bife, deixá-lo repousar e depois voltar a preparar a salada. Este processo é semelhante à execução paralela, onde enquanto uma tarefa espera por um resultado, outra pode ser processada, aumentando significativamente a eficiência computacional.

Além disso, para evitar confusão devido à chegada de várias mensagens ao mesmo tempo, um ator é restrito a lidar com um pedido de cada vez. Por exemplo, se A quiser depositar $10 em uma conta enquanto B quiser retirar $5 da mesma conta ao mesmo tempo, processar ambos os pedidos simultaneamente poderia levar a um saldo incorreto na conta. No Modelo de Ator, mesmo que os pedidos cheguem simultaneamente, o sistema os executará sequencialmente (por exemplo, lidando primeiro com o pedido de A e depois com o de B) para garantir que o saldo da conta permaneça consistente.

• Memória Persistente

O estado de cada ator e os dados necessários são armazenados em sua própria memória, em vez de em armazenamento compartilhado externo, como discos rígidos ou bancos de dados. Isso reduz significativamente a necessidade de chamadas de API para interagir com o blockchain, permitindo que os dados sejam acessados diretamente da memória local, o que reduz a latência. Além disso, o estado de cada ator é persistido, o que significa que mesmo se um contrato inteligente pausar ou o sistema for reiniciado, o estado do ator pode ser imediatamente restaurado.

O Protocolo Gear também utiliza a tecnologia de Virtualização de Memória, que rastreia o comportamento de acesso à memória pelos programas para garantir que apenas os dados necessários sejam lidos e salvos. Isso minimiza o desperdício de recursos computacionais, tornando o sistema mais eficiente.

• WebAssembly (WASM)

O WebAssembly (WASM) é um ambiente de execução isolado que permite que contratos inteligentes sejam executados de forma eficiente. Suporta uma ampla variedade de linguagens de programação, para que os desenvolvedores possam usar ferramentas de desenvolvimento familiares para implementar contratos inteligentes no Gear.exe. Isso reduz significativamente as barreiras de implementação, tornando mais fácil para os desenvolvedores aproveitarem o poder computacional do Gear.exe sem precisar aprender novas linguagens ou estruturas.

Processo de Operação do Gear.exe

Figura 3, Processo de Operação do Gear.exe, Fonte: Protocolo Gear

Gear.exe fornece aos desenvolvedores dois métodos principais de integração para interagir com sua plataforma:

1. Integração Nativa
   Neste método, dApps invocam diretamente os procedimentos operacionais do Gear.exe, sem precisar enviar pedidos para Ethereum. Isso permite interação em tempo real com o sistema.

2. Integração baseada em eventos
   Neste modelo, os contratos inteligentes do Ethereum emitem eventos que acionam as operações do Gear.exe. Quando os validadores do Gear.exe detectam o evento, eles executam imediatamente o processo correspondente. Isso permite uma integração totalmente descentralizada em que o Ethereum e o Gear.exe podem operar de forma integrada.

Independentemente do método de integração escolhido, o processo operacional segue estes passos:

Processo Passo a Passo

1. Aceitação do Pedido
   Após receber um pedido, os nós validadores do Gear.exe executam o programa implantado do dApp dentro do ambiente Gear. Os nós então assinam o resultado final da computação para garantir a sua validade.

2. Segurança Econômica através de Re-staking
   Para prevenir comportamentos maliciosos dos nós, a segurança econômica do Gear.exe é protegida pelo protocolo de re-aplicação simbiótica. Além disso, os participantes do staking do token nativo da Vara Network (VARA) contribuem para a segurança. Também existem mecanismos de penalização para dissuadir comportamentos desonestos.

3. Pré-confirmação
   Depois que o Gear.exe começa a processar a solicitação, ele envia uma pré-confirmação ao usuário. Essa pré-confirmação atua como um recibo, contendo detalhes da transação, como remetente, destinatário, valor do hash, taxa de transação, etc. Isso assegura ao usuário que a transação será processada e eventualmente finalizada no Ethereum. A pré-confirmação é essencial porque os dados da transação ainda estão sendo processados, e o ajuste final no Ethereum levará algum tempo. Ao fornecer uma pré-confirmação, o Gear.exe permite que os dApps evitem esperar pela finalização da transação, oferecendo uma experiência de usuário mais rápida.

4. Agregação e Upload de Resultados
   Aproximadamente a cada 8 segundos, o sequenciador coleta todos os resultados computacionais (que podem envolver transações de vários dApps) e a última raiz de estado. Esses resultados são então empacotados e enviados para o contrato inteligente da Gear.exe no Ethereum.

5. Atualização dos Contratos Inteligentes das dApps
   Os resultados finais da transação são enviados para os contratos inteligentes das respetivas dApps, atualizando as suas raízes de estado com os dados mais recentes.

Principais Características da Arquitetura do Gear.exe

• Flexibilidade para desenvolvedores Web3:
  Os métodos de integração e arquitetura do Gear.exe oferecem aos desenvolvedores Web3 uma maior flexibilidade, permitindo-lhes escolher entre integrações nativas e baseadas em eventos, dependendo do caso de uso.

• Desempenho e Velocidade:
  Ao fornecer pré-confirmações e processar transações off-chain, o Gear.exe permite que dApps ofereçam uma experiência de usuário muito mais rápida e suave, pois os usuários podem interagir imediatamente com a plataforma sem esperar que a transação completa seja finalizada no Ethereum.

• Segurança e Validação:
  A combinação de re-staking, nós validadores e mecanismos de penalização garante que o sistema é seguro e que ações maliciosas são desencorajadas. A dependência na mainnet da Ethereum para a liquidação final adiciona uma camada extra de segurança, visto que o consenso da Ethereum é o árbitro final da legitimidade da transação.

Esta abordagem, que combina alto desempenho, transações rápidas e robustas funcionalidades de segurança, posiciona o Gear.exe como uma ferramenta valiosa para os desenvolvedores Web3 que procuram integrar cálculos fora da cadeia com o Ethereum de maneira escalável e eficiente.

Comparação entre Gear.exe e Camada 2

Tanto o Gear.exe como várias soluções de Camada 2 têm como objetivo melhorar a escalabilidade do Ethereum, permitindo-lhe acomodar mais utilizadores e aplicações. No entanto, existem diferenças significativas na forma como estas duas abordagens são implementadas. Esta comparação incidirá sobre dois aspetos críticos: segurança e desempenho.

Segurança

As soluções Gear.exe e Camada 2 movem as tarefas de computação do Ethereum para fora da cadeia e, em seguida, empacotam as transações de volta para a rede principal. Isso significa que uma parte significativa do processamento da transação ocorre off-chain, e torna-se crucial garantir a segurança e a consistência dos dados da transação durante a computação off-chain para evitar alterações maliciosas por nós.

• Camada 2 (por exemplo, Arbitrum): Nas soluções de Camada 2, como Arbitrum, o processo de computação é protegido por seu próprio consenso de rede. As transações são ordenadas por um sequenciador centralizado e depois enviadas para a mainnet para liquidação. Arbitrum usa um mecanismo de Prova Otimista com um período de desafio de 7 dias. O sistema assume que todos os dados de transação enviados estão corretos, mas oferece uma janela para que qualquer pessoa desafie a transação. Se ocorrer um desafio, os validadores do Ethereum são responsáveis por confirmar a validade da transação. Esse design garante que, mesmo que os nós de rede do Arbitrum sejam maliciosos, o Ethereum possa servir como uma linha de defesa final.
• Gear.exe: Gear.exe não possui seu próprio consenso de rede e depende do Symbiotic, que utiliza ETH re-apostado para fornecer segurança econômica. As transações são primeiramente ordenadas por um sequenciador centralizado e depois transmitidas para o Ethereum mainnet. No entanto, a documentação atual do Gear.exe não especifica se ele utiliza mecanismos como Provas Otimistas ou Provas de Conhecimento Zero (ZKPs) para verificar se os dados enviados para o Ethereum estão corretos. Portanto, a segurança do Gear.exe depende fortemente do protocolo de re-aposta do Symbiotic. Não está claro se a segurança fornecida por esse modelo de re-aposta pode ser completamente compatível com o consenso nativo do Ethereum, já que o mecanismo de re-aposta utiliza a segurança do Ethereum por meio de contratos inteligentes, introduzindo riscos sistêmicos potenciais.

Além disso, tanto o Gear.exe quanto a Camada 2 usam um sequenciador centralizado para ordenar transações, em vez de depender do consenso da rede. Embora isso acelere a rede, também concede ao sequenciador e à equipe do projeto um poder considerável. Em casos extremos, uma equipe de projeto pode manipular a ordem de transação para favorecer a si mesma e rejeitar transações que são prejudiciais aos seus interesses. Soluções de camada 2 como Arbitrum e Optimism fornecem um mecanismo de escape, permitindo que os usuários ignorem o sequenciador e enviem transações diretamente para a rede principal. No entanto, Gear.exe não tem esse design.

Conclusão sobre Segurança:
Em comparação com as soluções de Camada 2, a segurança do Gear.exe depende muito do Symbiotic e carece de algumas contramedidas para casos extremos encontrados nas soluções de Camada 2. Em termos de segurança, não é tão maduro e bem estruturado. No entanto, o Gear.exe pode fornecer mais detalhes em futuros white papers para esclarecer seu modelo de segurança.

Desempenho

Em termos de desempenho, Gear.exe e Layer 2 retornam ambas as informações pré-confirmadas aos usuários durante o processamento de transações, indicando que o sistema aceitou a transação e a processará. Isso permite que os usuários recebam rapidamente os resultados iniciais da transação e continuem outras operações sem esperar que o Ethereum finalize o bloco, melhorando significativamente a velocidade e eficiência das transações. Além disso, Gear.exe e Layer 2 utilizam sequenciadores centralizados para ordenar transações, poupando tempo na formação de consenso e comprimindo múltiplas transações em uma única. Isso reduz as taxas de gás e permite que os blocos do Ethereum acomodem mais transações.

• Camada 2:
  Soluções de Camada 2, como Arbitrum, oferecem desempenho aprimorado em comparação com a camada base do Ethereum, descarregando a computação. No entanto, a Camada 2 ainda enfrenta algumas limitações em termos de escalabilidade, uma vez que geralmente suporta melhorias lineares na taxa de transações, em vez de ganhos exponenciais.

• Gear.exe:
  O Gear.exe integra várias tecnologias avançadas, como o Modelo de Ator, Memória Persistente e WebAssembly (WASM), para suportar a execução paralela de tarefas. Isso otimiza ainda mais a eficiência computacional e o uso de recursos. A paralelização dos processos permite que o Gear.exe possa fornecer potencialmente um desempenho de rede significativamente maior do que as soluções de Camada 2. O Gear.exe afirma que pode alcançar 1000 vezes a potência computacional da camada base do Ethereum, mas se essa afirmação pode ser verificada depende de dados e testes de desempenho futuros.

Conclusão sobre o desempenho:
Embora as soluções de Camada 2 já forneçam melhorias significativas de desempenho em relação ao Ethereum, Gear.exe poderia oferecer um desempenho de rede ainda maior devido ao seu suporte para execução paralela. No entanto, se ele pode oferecer a alegada melhoria de 1000 vezes ainda precisa ser validado por meio de dados e testes do mundo real.

Perspectivas e Desafios

Em termos simples, o Gear.exe melhora o desempenho através da execução paralela, aproveitando a infraestrutura existente da Camada 2 e posicionando-se como um módulo de expansão para o Ethereum em vez de uma nova blockchain. Ele se concentra puramente em fornecer serviços computacionais para DApps em outras blockchains, evitando o problema de fragmentação de ativos que vem com várias soluções de Camada 2. No futuro, o Gear.exe poderia potencialmente substituir algumas soluções de Camada 2, reunindo o ecossistema do Ethereum. Além disso, com suas capacidades de alto desempenho, o Gear.exe torna o Ethereum mais competitivo em relação a outras blockchains públicas orientadas ao desempenho, como Solana, Sei, Sui e Aptos.

No entanto, resta saber se o desempenho operacional e a estabilidade do Gear.exe podem realmente atender às reivindicações feitas. Além disso, em termos de segurança, Gear.exe é protegida apenas por Simbióticos e carece de muitas das medidas associadas que as soluções de Camada 2 existentes fornecem. Há riscos de design a considerar, particularmente quando comparados com os recursos de segurança mais maduros das soluções de camada 2. A segurança tende a ser uma prioridade maior para desenvolvedores e usuários, especialmente considerando os muitos incidentes em que hackers roubaram ativos, inclusive de grandes exchanges centralizadas. Dado que o Gear.exe é um protocolo on-chain totalmente orientado por código, sua segurança deve ser comprovada como robusta e confiável, particularmente em situações como tempo de inatividade. Trata-se de um domínio Gear.exe terá de melhorar e reforçar para ganhar mais confiança no mercado.

Conclusão

Com o aumento da tecnologia blockchain e das blockchains modulares, a barreira para criar uma Camada 2 tornou-se cada vez mais baixa, com muitas plataformas oferecendo recursos de "criação de cadeia com um clique". Como resultado, o número de soluções de Camada 2 expandiu-se excessivamente, deixando os desenvolvedores e usuários do Ethereum incertos sobre qual escolher. Cada Camada 2 requer a criação de seu ecossistema, mas isso apenas replica o que outras blockchains públicas já passaram, o que de certa forma dificulta a inovação de novas tecnologias.

Gear.exe oferece uma solução de alto desempenho para DApps do que Layer 2 e elimina a necessidade de migrar usuários e fundos existentes. Ao usar o re-staking para segurança, ele oferece uma alternativa única para os desafios de escalabilidade do Ethereum. Embora essa solução ainda não tenha sido amplamente adotada e precise passar por validação de mercado, ela sem dúvida introduz novas possibilidades para o Ethereum. Gear.exe pode oferecer uma solução mais adequada para a escalabilidade do Ethereum, e seu desenvolvimento futuro merece atenção contínua.