Introdução

A escalabilidade tem sido há muito tempo um desafio para a maioria das blockchains públicas no campo da blockchain. Por exemplo, o Bitcoin enfrentou um debate de escalabilidade de três anos, e o Ethereum sofreu congestionamento de rede devido a um jogo simples, CryptoKitties. Para resolver esse problema, várias soluções foram propostas na indústria, incluindo escalabilidade de curto prazo aumentando o tamanho do bloco, sacrificando parcialmente a descentralização por meio do mecanismo de consenso DPoS, usando estruturas alternativas como DAG e métodos de escalonamento off-chain, como subcadeias e sidechains.

Entre essas, a tecnologia de fragmentação é considerada uma solução eficaz e fundamental. Na Conferência de Desenvolvedores de 2016, o fundador do Ethereum, Vitalik Buterin, publicou o “purple paper” do Ethereum 2.0, apresentando a ideia de processar transações por meio da fragmentação. Como uma direção importante para a escalabilidade do blockchain, a tecnologia de fragmentação aloca recursos de computação de forma dinâmica por meio de processamento paralelo, melhorando a escalabilidade da rede blockchain e estabelecendo uma base técnica para suportar transações globais de alta frequência.

Soluções Atuais de Escalabilidade Blockchain

Visão geral da tecnologia de fragmentação

Origem da Ideia

A tecnologia de fragmentação originou-se a partir da partição de bancos de dados, que tinha como objetivo dividir grandes bancos de dados em segmentos menores para um processamento de dados mais eficiente. A ideia de combinar a tecnologia de fragmentação com blockchain foi proposta pela primeira vez em 2015. Um par de pesquisadores da Universidade Nacional de Singapura, Prateek Saxena e Loi Luu, apresentaram um artigo na Conferência Internacional de Segurança CCS. Eles dividiram inovadoramente as redes blockchain em 'fragmentos' capazes de processar transações simultaneamente, fornecendo uma nova solução para o problema de escalabilidade das blockchains públicas.

Posteriormente, este par de pesquisadores transformou a teoria em prática, desenvolvendo o primeiro projeto baseado em fragmentação, Zilliqa. Zilliqa adotou um mecanismo de consenso híbrido de pBFT e PoW, tornando-se a cadeia pública mais eficiente para processamento de transações. Posteriormente, a tecnologia de fragmentação também recebeu reconhecimento do fundador do Ethereum, Vitalik Buterin. Em 2016, o Ethereum propôs um design de fragmentação em duas camadas, dividindo a rede Ethereum 2.0 em a cadeia principal e cadeias de fragmentos. A cadeia principal, por meio do Contrato de Gerenciamento de Validadores (VMC), gerencia a operação das cadeias de fragmentos, enquanto as cadeias de fragmentos usam o mecanismo de consenso PoS para empacotar dados de transação e gerar blocos de validação. Enquanto isso, o VMC garante a validade das transações e a transferência suave de dados entre fragmentos por meio do modelo UTXO e árvores de recibos.

Fluxograma de atualização do Ethereum 2.0 Sharding

Desde então, à medida que a tecnologia de fragmentação continua a evoluir, uma série de projetos inovadores surgiram, impulsionando ainda mais avanços na escalabilidade da Blockchain. Esses projetos não apenas exploram o potencial da fragmentação em velocidade de processamento e eficiência de rede, mas também fornecem um forte suporte para potenciais aplicações comerciais em larga escala, prometendo avançar a tecnologia Blockchain para uma nova narrativa de alta eficiência e ampla aplicação.

Definição de Fragmentação

A tecnologia de Fragmentação é um método para otimizar a arquitetura do Blockchain, dividindo a rede do Blockchain em vários “fragmentos” independentes para permitir o processamento paralelo de dados. Cada fragmento opera como uma unidade de processamento independente capaz de executar transações e lidar com dados por conta própria, distribuindo efetivamente as cargas computacionais e de armazenamento da rede. Essa abordagem não apenas melhora significativamente a velocidade de processamento de transações da rede do Blockchain, mas também otimiza os requisitos de armazenamento do nó. Os nós não precisam mais manter os dados completos de todo o Blockchain. Assim, a fragmentação melhora a escalabilidade e o desempenho das redes do Blockchain sem comprometer a segurança geral da rede, fornecendo suporte técnico para aplicações em grande escala.

Origem: Novas arquiteturas e metodologias para Blockchain de fragmentação de alta performance

Tipos de Fragmentação

A tecnologia de fragmentação pode ser categorizada em três tipos principais: fragmentação de rede, fragmentação de transações e fragmentação de estado. O princípio central reside em "dividir um todo em partes e gerenciá-las separadamente", permitindo que vários fragmentos processem transações diferentes simultaneamente e, em seguida, agreguem os resultados na cadeia principal, melhorando assim o desempenho geral da rede blockchain.

1. Fragmentação de Rede
   A fragmentação de rede é a forma fundamental de fragmentação sobre a qual outros mecanismos de fragmentação são construídos. A chave para a fragmentação de rede reside em garantir a segurança e prevenir ataques de nós maliciosos. Especificamente, envolve a seleção aleatória de um grupo de nós para formar um fragmento e estabelecer um consenso independente dentro do fragmento para lidar com transações. Esse método aumenta significativamente a concorrência de rede, pois vários fragmentos processam simultaneamente transações não relacionadas, melhorando assim o desempenho do sistema. Zilliqa é um exemplo típico de uma blockchain que usa fragmentação de rede, combinando os mecanismos de consenso PoW e pBFT para melhorar a velocidade. O PoW evita ataques Sybil, garantindo que apenas nós legítimos participem da fragmentação, enquanto o pBFT facilita o consenso rápido de transações, melhorando muito a velocidade de confirmação.

2. Fragmentação de transação
   A fragmentação de transações envolve distribuir diferentes transações para vários fragmentos para processamento, acelerando assim a velocidade de processamento de transações de toda a rede. As transações geralmente são alocadas com base no endereço do remetente, agrupando transações relacionadas para evitar gastos duplos. Por exemplo, se um endereço iniciar duas transações conflitantes, elas serão rapidamente identificadas e evitadas dentro do mesmo fragmento. Nos casos em que as transações ocorrem em vários fragmentos, a comunicação entre fragmentos é usada para detectar e bloquear gastos duplos. O modelo UTXO pode melhorar ainda mais a eficiência da fragmentação de transações, apesar de possíveis problemas como dividir transações grandes. A maturidade da fragmentação de transações avançou significativamente, permitindo que vários mecanismos de consenso funcionem em paralelo.

3. Fragmentação de Estado
   A fragmentação de estado é o tipo mais complexo e desafiador de fragmentação. A chave está em garantir que cada fragmento mantenha apenas seu estado interno em vez do estado global completo do blockchain, distribuindo assim os requisitos de armazenamento de dados. No entanto, quando ocorrem transações entre fragmentos, os fragmentos envolvidos devem compartilhar estados de transação, exigindo uma comunicação frequente entre fragmentos que pode reduzir o desempenho. Além disso, a fragmentação de estado enfrenta desafios em consistência de dados e tolerância a falhas: se um fragmento for atacado e ficar offline, sua validação de dados pode ser afetada. Lidar com esse problema pode exigir backups de estado global em cada nó, mas tais backups entram em conflito com a intenção de armazenamento descentralizado da fragmentação de estado e podem introduzir riscos de centralização.

Estratégias de Implementação de Fragmentação

Arquitetura de Fragmentação

O design da arquitetura de fragmentação é o núcleo da tecnologia de fragmentação, abrangendo os conceitos de design de cadeias principais e subcadeias, bem como a alocação de nós dentro e entre fragmentos. Nesta arquitetura, a cadeia principal mantém o consenso e a segurança da rede, funcionando como o núcleo da blockchain, coordenando as operações das subcadeias e garantindo a consistência global. As subcadeias são regiões independentes derivadas da cadeia principal, cada uma focada no processamento de tipos específicos de transações e contratos inteligentes, alcançando assim a paralelismo independente para melhorar a eficiência de desempenho e escalabilidade.

Além disso, os nós na arquitetura de fragmentação são divididos em dois papéis: nós de subcadeia, responsáveis por manter registros de transações e estados dentro de sua fragmentação, ao mesmo tempo que participam do consenso para validar transações, e nós entre subcadeias, encarregados de transmitir informações e atualizar estados entre fragmentações para garantir coordenação e sincronização entre a cadeia principal e as subcadeias. Essa divisão detalhada de papéis aprimora a utilização de recursos e aumenta a capacidade geral de processamento de transações, estabelecendo uma base sólida para a expansão e operação eficiente das redes blockchain.

Fonte: newcomputerworld

Amostragem Aleatória

Mecanismos de amostragem e seleção aleatória são essenciais para garantir a segurança e a imparcialidade das arquiteturas de fragmentação. A chave está na seleção aleatória de nós para formar fragmentos e impedir que atacantes maliciosos concentrem o controle sobre um fragmento. Durante a seleção de nós, algoritmos de geração de números aleatórios baseados em hash são frequentemente utilizados para garantir imparcialidade e descentralização, eliminando vieses baseados em localização geográfica ou comportamento histórico. Isso garante que todos os nós tenham a mesma chance de serem selecionados em diferentes fragmentos, aumentando a descentralização da rede e a resistência à censura.

Para evitar que atacantes manipulem um fragmento controlando certos nós, as arquiteturas de fragmentação geralmente introduzem múltiplos mecanismos de seleção e estratégias dinâmicas de alocação de nós. Por exemplo, quando o número de nós em um fragmento atinge um limite definido, o sistema automaticamente aciona a reorganização do fragmento, selecionando aleatoriamente novos nós para se juntarem e garantindo que a distribuição de nós dentro do fragmento não se torne excessivamente concentrada. Além disso, mecanismos de “rebalanceamento de fragmento” ajustam periodicamente a distribuição dos nós entre fragmentos, impedindo que atacantes explorem a concentração de nós para atacar ou manipular um fragmento. Esses mecanismos reduzem efetivamente o risco de falhas em pontos únicos na arquitetura de fragmentação e fortalecem a defesa da rede contra ataques maliciosos.

Origem: Um Algoritmo de Consenso de Fragmentação Efetiva para Sistemas Blockchain

Desafios e Soluções na Fragmentação

Questões de segurança

Os ataques adversários adaptativos referem-se a ataques nos quais atores maliciosos exploram seu conhecimento das condições da rede para direcionar shards específicos em uma rede blockchain. Os atacantes podem manipular transações, adulterar dados ou interferir nos processos de confirmação de transações para alcançar seus objetivos. Como cada shard em uma arquitetura fragmentada tem relativamente menos nós, torna-se mais fácil para os atacantes concentrarem seus esforços em um único shard, aumentando os riscos de segurança. Para resolver esse problema, medidas devem ser tomadas para garantir a integridade do shard.

Uma solução eficaz é introduzir mecanismos de verificação em várias camadas e protocolos de consenso compartilhados. Especificamente, múltiplos nós de validação devem ser estabelecidos dentro de cada fragmento para confirmar colaborativamente as transações, aumentando assim a complexidade e o custo dos ataques. Além disso, os protocolos de consenso entre fragmentos facilitam o compartilhamento de informações e a validação de estados entre fragmentos, garantindo coordenação e consistência em toda a rede e evitando que ataques em um único fragmento ameacem toda a rede. Esses mecanismos aumentam significativamente a resiliência de arquiteturas fragmentadas contra ataques e reduzem os riscos apresentados por ameaças adversárias adaptativas.

Desafios de Disponibilidade de Dados

A disponibilidade de dados é outro desafio crítico na tecnologia de fragmentação. À medida que a fragmentação se torna amplamente adotada, verificar eficientemente a acessibilidade e integridade dos dados em cada fragmento torna-se essencial para manter a estabilidade da rede blockchain. Uma abordagem para lidar com esse desafio é amostrar porções do conjunto de dados para verificar rapidamente a disponibilidade de todo o conjunto de dados. Esse método reduz a sobrecarga computacional de inspecionar todos os dados, melhorando a eficiência geral do sistema.

Além disso, mecanismos eficazes de verificação devem ser estabelecidos. Por exemplo, os nós participantes devem fornecer prova correspondente de disponibilidade de dados ao gerar novos blocos. Isso é particularmente importante em transações entre fragmentos para garantir a consistência e precisão dos dados entre os fragmentos.

Estudos de caso

Ethereum 2.0 Tecnologia de Fragmentação

No roadmap de escalabilidade do Ethereum, o Danksharding representa uma atualização revolucionária e uma tecnologia central para alcançar escalabilidade em larga escala no Ethereum 2.0. Ao contrário dos métodos de fragmentação tradicionais, o Danksharding integra "mercados de taxas fundidas" e adota um mecanismo de proposição de bloco único, simplificando os processos de transação entre fragmentos. A implementação técnica gradualmente passará para a fragmentação completa no Ethereum 2.0 por meio de mecanismos como EIP-4844 e proto-danksharding.

A singularidade do Danksharding reside no seu inovador design estrutural. O sharding tradicional divide as redes blockchain em múltiplas subcadeias paralelas, com cada subcadeia tratando independentemente as transações e alcançando consenso. O Danksharding, por outro lado, emprega um proponente de bloco único para eliminar a complexidade e os gargalos de desempenho causados por múltiplos proponentes no sharding tradicional. A Beacon Chain, como a camada de consenso central do Ethereum 2.0, desempenha um papel crucial nesse processo. Ela gerencia e coordena todos os validadores na rede Ethereum, garantindo segurança e consistência. Dentro do framework do Danksharding, a Beacon Chain mantém os estados dos validadores e facilita a comunicação entre subcadeias e a sincronização de dados, aprimorando coletivamente o desempenho geral do Ethereum 2.0.

A implementação do Danksharding será feita em várias fases. Inicialmente, o proto-danksharding é introduzido como uma fase de transição durante o upgrade Cancun do Ethereum. Usando o EIP-4844, ele suporta a tecnologia Rollup para reduzir os custos de armazenamento de dados, lançando as bases para a implementação completa do Danksharding. Além disso, o Danksharding melhorará a segurança do Ethereum, prevenindo ameaças potenciais como ataques de 51%, ao mesmo tempo em que otimiza as demandas computacionais e de armazenamento na rede para suportar aplicativos descentralizados em grande escala.

Fonte: Desvendando o ETH 2.0 - Explicação de Fragmentação

Tecnologia de Fragmentação Polkadot

Polkadot alcança a fragmentação por meio de sua inovadora arquitetura de "parachain", permitindo que blockchains independentes operem dentro da mesma rede, ao mesmo tempo em que alcançam interoperabilidade. Cada parachain é uma rede blockchain independente que processa seus dados e transações. Esses parachains são coordenados e gerenciados por meio da Relay Chain, que fornece um mecanismo de consenso unificado e garante a segurança da rede, assim como a sincronização e consistência de dados em todos os parachains.

As parachains também são personalizáveis, permitindo estruturas de governança independentes e funcionalidades personalizadas para atender a requisitos específicos, aumentando significativamente a flexibilidade e escalabilidade da rede. A arquitetura de parachains do Polkadot é especialmente adequada para aplicativos descentralizados (DApps) com altas demandas, especialmente nos setores de DeFi, NFT e DAO, onde sua escalabilidade e flexibilidade foram comprovadas. Por exemplo, o mecanismo de leilão de slot de parachain do Polkadot permite que cada parachain obtenha direitos de conexão à Relay Chain e use recursos computacionais específicos durante o período de locação. Com a adição de mais parachains, o Polkadot pode alcançar maior throughput de transações e taxas mais baixas.

No Polkadot 1.0, a alocação de recursos principais foi determinada por meio de um sistema de leilão de dois anos. Na versão 2.0, a alocação de recursos se tornou mais flexível. Com mais fragmentações ingressando e recursos distribuídos dinamicamente, o Polkadot está preparado para se tornar um ecossistema multi-cadeia eficiente, suportando uma ampla variedade de aplicativos descentralizados.

Fonte: Polkadot v1.0

PERTO de Sharding Technology

O Protocolo NEAR utiliza a inovadora tecnologia de fragmentação dinâmica Nightshade, permitindo ao sistema ajustar o número de fragmentos de forma flexível com base nas demandas da rede, mantendo operações eficientes e estáveis sob cargas variáveis. A arquitetura Nightshade, implementada com sucesso na mainnet do NEAR, processa grandes volumes de transações e suporta o desenvolvimento de DApps, destacando-se especialmente em condições de alta carga.

A vantagem principal do Nightshade reside na sua capacidade dinâmica de fragmentação, que ajusta o número de fragmentos em tempo real para melhorar o desempenho e a escalabilidade da rede. Com a próxima atualização da Fase 2, a NEAR introduz aprimoramentos significativos na sua arquitetura existente, incluindo a tecnologia de “Validação Sem Estado”. Esta inovação permite que os nós validadores da NEAR operem sem armazenar localmente estados de fragmentos, em vez disso, obtendo dinamicamente informações de “testemunha de estado” da rede para validação. Este enfoque melhora a eficiência do processamento de fragmentos, reduz os requisitos de hardware para os validadores e possibilita uma participação mais ampla. À medida que a tecnologia de fragmentação continua a evoluir, a NEAR está bem posicionada para suportar o crescimento de usuários em larga escala e fornecer a base arquitetônica para a adoção generalizada de aplicações descentralizadas.

Fonte: O que é o Protocolo NEAR? O Sistema Operacional Blockchain (BOS)

TON Tecnologia de Fragmentação

A arquitetura TON adota uma estrutura de várias camadas composta por uma cadeia principal e cadeias de trabalho, garantindo operação eficiente da rede e comunicação perfeita entre cadeias. A cadeia principal serve como o livro-razão central da rede, armazenando cabeçalhos de bloco para todas as cadeias de trabalho e gerenciando o estado geral da rede, incluindo atualizações de protocolo e eleições de validadores. As cadeias de trabalho são subcadeias independentes dentro da rede TON, cada uma especializada em cenários de aplicação específicos ou necessidades comerciais, alcançando assim flexibilidade e especialização da rede.

TON enfatiza a compatibilidade cross-chain, permitindo interação perfeita com outras redes blockchain para aprimorar a usabilidade do ecossistema e a funcionalidade inter-blockchain. Uma das inovações mais notáveis ​​da TON é seu paradigma de fragmentação infinita, permitindo que a rede ajuste dinamicamente o número de fragmentos de acordo com a carga de transações. Sob cargas altas, a TON divide os fragmentos para lidar com mais transações; sob cargas baixas, os fragmentos se unem para conservar recursos e melhorar a eficiência geral. Esse design de escalonamento horizontal permite que a TON atenda às crescentes demandas de transações sem sacrificar o desempenho, suportando aplicativos de alto volume como DeFi.

Além disso, o TON introduz a tecnologia Hypercube, onde o tempo de transmissão de dados escala de forma logarítmica com o número de blockchains. Isso significa que mesmo quando a rede TON se expande para milhões de cadeias, sua velocidade de processamento e tempos de resposta permanecem inalterados. Teoricamente, o TON pode suportar até 4,3 bilhões de workchains, embora sua implementação atual inclua apenas a masterchain e as cadeias base. Esta arquitetura inovadora demonstra o potencial do TON em ambientes de alta carga e alta concorrência, impulsionando a ampla adoção da tecnologia blockchain.

Origem: Fragmentos | A Rede Aberta

Direções Futuras de Pesquisa

Desenvolvimentos Potenciais na Tecnologia de Fragmentação

• Compatibilidade entre Cadeias: Com avanços na tecnologia de fragmentação, a comunicação entre cadeias se tornará cada vez mais crítica, especialmente à medida que a demanda por troca de informações e ativos entre diferentes redes blockchain cresce. No futuro, a tecnologia de fragmentação pode integrar ainda mais protocolos de comunicação entre cadeias, como a Relay Chain da Polkadot e o IBC da Cosmos, para permitir interações contínuas entre fragmentos e cadeias.
• Segurança aprimorada por meio do governo de fragmentos: ajustes dinâmicos de fragmentos e mecanismos de governança flexíveis se tornarão pontos focais de pesquisas futuras. As cadeias fragmentadas ainda enfrentam desafios ao equilibrar segurança e descentralização. Modelos de segurança emergentes, como mecanismos de incentivo econômico e compartilhamento de validadores de fragmentos, serão explorados para reduzir o risco de ataques às cadeias fragmentadas.
• Integração com Proteção de Privacidade: A combinação de fragmentação e proteção de privacidade será crucial em aplicações sensíveis a dados. Tecnologias como provas de conhecimento zero e Ambientes de Execução Confiáveis (TEE) podem se tornar partes integrantes da fragmentação, garantindo a segurança dos dados à medida que as cadeias fragmentadas se expandem.

Integrações e Inovações Potenciais em Outras Arquiteturas de Blockchain

• Inovações de Arquitetura Híbrida: As arquiteturas futuras de blockchain podem combinar múltiplas tecnologias, como integrar fragmentação com DAG (Grafo Acíclico Direcionado) ou arquiteturas de blockchain de várias camadas. As cadeias de várias camadas podem alavancar cadeias mestre e laterais para alcançar fragmentação de dados mais eficiente e expansão entre cadeias. Por exemplo, o blockchain mestre poderia focar em segurança e consenso, enquanto as cadeias laterais lidam com processamento de fragmentos mais flexível.
• Adaptando-se à Computação Quântica: À medida que a computação quântica avança, as arquiteturas de blockchain considerarão cada vez mais a compatibilidade quântica. As vantagens computacionais e de criptografia da computação quântica poderiam potencialmente melhorar a eficiência de fragmentação. Ao mesmo tempo, precauções devem ser tomadas contra ameaças quânticas aos algoritmos de criptografia atuais, especialmente nos mecanismos de comunicação e validação entre fragmentos.
• Gerenciamento de Fragmentação Inteligente Impulsionado por IA: A inteligência artificial e o aprendizado de máquina poderiam ser aplicados para automatizar e otimizar redes de fragmentação, especialmente na previsão de carga de fragmentos, previsão de tráfego e ajustes dinâmicos de fragmentos. No futuro, o gerenciamento de fragmentação impulsionado por IA permitirá que as blockchains otimizem adaptativamente a alocação de recursos, melhorando a eficiência geral da rede e a experiência do usuário.

Conclusão

A tecnologia de fragmentação divide as redes blockchain em vários 'shards' independentes e paralelos, reduzindo efetivamente a carga nos nós individuais e aprimorando as capacidades de processamento de transações. Está se tornando um foco central no fortalecimento do campo blockchain. Desde o Danksharding do Ethereum 2.0 até o paradigma de fragmentação infinita da TON, um número crescente de redes blockchain está explorando e implementando a tecnologia de fragmentação para atender à crescente demanda por throughput de transações. Enquanto isso, desafios como compatibilidade entre cadeias e disponibilidade de dados têm fomentado novas inovações tecnológicas, possibilitando a colaboração e fluxo de ativos entre diferentes blockchains.

No entanto, a implementação da tecnologia de fragmentação não está isenta de desafios. Questões como segurança, consistência de dados e eficiência da comunicação entre fragmentos exigem avanços adicionais. Olhando para o futuro, a tecnologia de fragmentação continuará impulsionando a blockchain em direção a uma nova era de alto desempenho e aplicação generalizada. À medida que a tecnologia amadurece, as arquiteturas de fragmentação se tornarão mais flexíveis e seguras, suportando mais aplicativos descentralizados (DApps) e inovações financeiras, trazendo, em última instância, maior sustentabilidade e inovação para o ecossistema global de blockchain.