A tese modular propõe que mudaremos coletivamente a forma como construímos e utilizamos blockchains. Além disso, um design focado no módulo permite camadas de execução seguras & escaláveis à medida que avançamos para o hype e intensificar a atividade de um bullrun!

Então, o que é arquitetura modular de blockchain?

Em redes monolíticas (ex. Ethereum e Solana), execução, acordo & consensus/disponibilidade de dados (DA) estão todos unificados numa camada:

• Disponibilidade de dados: O conceito em que todos os dados publicados numa rede são acessíveis e recuperáveis por todos os participantes da rede (pelo menos durante um certo tempo).
• Execução: Define como os nós da cadeia de blocos processam transações, fazendo a transição entre estados.
• Liquidação: A finalidade (probabilística ou determinística) é uma garantia de que uma transação comprometida na cadeia é irreversível. Isso só acontece quando a cadeia está convencida da validade da transação. Portanto, liquidação significa validar transações, verificar provas & arbitrar disputas.
• Consenso: O mecanismo pelo qual os nós concordam com quais dados na cadeia de blocos podem ser verificados como verdadeiros & precisos.

Arquitetura Blockchain Monolítica (Fonte: Celestia)

Embora a abordagem de design monolítico tenha algumas vantagens próprias (ex. complexidade reduzida & capacidade de composição melhorada), não necessariamente dimensiona bem. É por isso que os designs modulares separam estas funções, fazendo-as executar em camadas separadas e especializadas.

Consequentemente, o espaço de design modular consiste em:

• Camadas de execução (rollups)
• Camadas de liquidação (ex. Ethereum)
• Consensual/camada DA (ex. Celestia)

Arquitetura modular Blockchain (Fonte: Celestia)

Mais amplamente, a paisagem modular também inclui:

• Soluções de sequenciação,
• Provar soluções,
• Soluções de interoperabilidade,
• Projetos focados na abstração do fluxo de ordens
• Vários fornecedores de infra-estruturas (estruturas de rollup, soluções rollup-as-a-service & outras ferramentas)

Nesta breve peça introdutória, o foco está em como chegamos ao rollup-based (a.k.a. modular) soluções de escalonamento antes de mergulharmos profundamente nas nuances dos sistemas modulares de blockchain nas próximas semanas nesta nova série.

Um Chamado às Armas

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A História do Scaling

Escalar o rendimento de blockchains tem sido um foco principal de investigação e desenvolvimento no espaço desde a sua criação. É indiscutível que para alcançar a verdadeira “adoção em massa”, os blockchains devem ser capazes de escalar. Definido de forma simples, a escalabilidade é a capacidade de uma rede processar uma grande quantidade de transações rapidamente e a baixo custo. Isto significa, consequentemente, que à medida que surgem mais casos de uso e a adoção da rede acelera, o desempenho da cadeia de blocos não é prejudicado. Com base nesta definição, o Ethereum carece de escalabilidade.

Com o aumento da utilização da rede, os preços do gás no Ethereum dispararam para níveis insustentáveis elevados, acabando por eliminar o preço de muitos utilizadores mais pequenos de interagirem inteiramente com aplicações descentralizadas. Exemplos incluem a casa da moeda BAYC (levando a um aumento das taxas de gás até 8000 gwei) ou a queda do NFT dos blocos de arte (levando a um aumento das taxas de gás para mais de 1000 gwei) - como referência, o gás fica a 6 gwei no momento em que escrevo. Instâncias como estas deram blockchains L1 alternativas mais “escaláveis” (i.e. Solana) uma oportunidade de comer a quota de mercado do Ethereum. No entanto, isso também estimulou a inovação em torno do aumento do rendimento da rede Ethereum.

No entanto, as abordagens de escalonamento que estes ALT-L1s estão a adotar muitas vezes têm o custo da descentralização e da segurança. As cadeias Alt-L1 como a Solana, por exemplo, optaram por um conjunto de validadores mais pequeno e aumentaram os requisitos de hardware para os validadores. Embora isso melhore a capacidade da rede de verificar a cadeia e manter o seu estado, reduz quantas pessoas podem verificar a cadeia e aumenta as barreiras à entrada na participação na rede. Este conflito também é referido como o trilema da blockchain (visualizado abaixo). O conceito baseia-se na ideia de que uma blockchain não pode atingir todas as três qualidades essenciais que qualquer rede blockchain deve esforçar-se para ter (escalabilidade, segurança & descentralização) de uma só vez.

O trilema da blockchain (Fonte: SEBA Research)

Isso fica claro quando pensamos no aumento acima mencionado nos requisitos de hardware. Para escalar o rendimento, uma cadeia Alt-L1 deve utilizar uma estrutura de rede mais centralizada, onde os utilizadores têm de confiar num número menor de validadores com máquinas de alta especificação. Isto sacrifica dois braços do trilema da blockchain, descentralização & segurança, pela escalabilidade. Além disso, com a necessidade de um hardware mais potente, executar um nó também se torna mais caro (não só o hardware em si mas também a largura de banda & armazenamento). Isto prejudica drasticamente a descentralização da rede, uma vez que a barreira de entrada para a execução de um nó aumenta drasticamente, pelo que menos pessoas podem participar na validação da rede.

Uma vez que a descentralização e a inclusão são dois valores fundamentais da comunidade Ethereum, não é de surpreender que gerir a cadeia com um pequeno conjunto de nós de alta especificação não fosse um caminho adequado a seguir. Vitalik Buterin chegou a argumentar que é “crucial para a descentralização da blockchain para os utilizadores regulares poderem executar um nó”. Assim, outras abordagens de escalonamento ganharam força.

Sharding de Execução Homogénea

A comunidade Ethereum experimentou cadeias laterais, plasma e canais estaduais para resolver o problema de escalabilidade, todos com certas desvantagens que os tornam soluções abaixo do ideal. Uma abordagem de escalonamento que muitas blockchains L1 alternativas escolheram adotar é o que é referido como sharding de execução homogénea. Durante algum tempo, esta também pareceu a solução mais promissora para o Ethereum (no contexto do antigo roteiro ETH 2.0).

A fragmentação de execução homogénea é uma abordagem de escalonamento que procura aumentar o rendimento e a capacidade de uma rede blockchain dividindo a sua carga de trabalho de processamento de transações entre várias unidades menores (subconjuntos validadores) chamadas fragmentos. Cada estilhaço opera de forma independente e simultânea, processando o seu próprio conjunto de transações e mantendo um estado separado. O objetivo é permitir a execução paralela de transações, aumentando assim a capacidade geral da rede e a velocidade. Harmonia e Ethereum 2.0 (apenas roteiro antigo!) são dois exemplos de iniciativas de escalonamento que adotaram ou pelo menos consideraram a sharding de execução homogénea como parte da sua estratégia de escalonamento.

Visualização simplificada do Sharding de Execução

Harmony é uma plataforma alternativa de blockchain L1 que visa fornecer uma infraestrutura escalável, segura e energeticamente eficiente para aplicações descentralizadas (DApps). Usa uma abordagem baseada em partilha em que a rede é dividida em vários fragmentos, cada um com o seu próprio conjunto de validadores que são responsáveis pelo processamento de transações e pela manutenção de um estado local. Os validadores são atribuídos aleatoriamente a estilhaços, garantindo uma distribuição justa e equilibrada dos recursos.

A comunicação entre estilhaços é facilitada através de um mecanismo chamado “recibos”, que permite que os estilhaços enviem informações sobre as alterações de estado resultantes de uma transação para outros estilhaços. Isto permite interações contínuas entre DApps e contratos inteligentes que residem em diferentes estilhaços, sem comprometer a segurança e a integridade da rede.

O Ethereum 2.0, é uma actualização contínua da rede Ethereum com o objetivo de resolver os problemas de escalabilidade, segurança e sustentabilidade enfrentados pela versão original do Ethereum baseada na Proof-of-Work (PoW). O antigo roteiro do Ethereum 2.0 propunha um lançamento multifásico, a transição da rede para um mecanismo de consenso de Proof-of-Stake (PoS) (que finalmente vimos acontecer no outono passado) e introduzindo o sharding de execução para melhorar a escalabilidade. Ao abrigo deste plano original, o Ethereum 2.0 teria consistido numa Beacon Chain e 64 cadeias de estilhaço. A Beacon Chain foi concebida para gerir o protocolo PoS, o registo do validador e a comunicação cross-shard.

As cadeias de estilhaço, por outro lado, seriam cadeias individuais, responsáveis pelo processamento de transações e pela manutenção de estados separados em paralelo. Os validadores teriam sido atribuídos a um estilhaço, girando periodicamente para manter a segurança e a descentralização da rede. A Beacon Chain teria mantido o controlo das atribuições do validador e gerido o processo de finalização dos dados da cadeia de estilhaços. A comunicação entre estilhaços foi planeada para ser facilitada através de um mecanismo chamado “crosslinks”, que agruparia periodicamente os dados da cadeia de estilhaços na cadeia Beacon, permitindo que as alterações de estado fossem propagadas pela rede.

Mas enquanto a fragmentação de execução homogénea promete grande escalabilidade, tem o custo de compensações de segurança, uma vez que o validador é dividido em subconjuntos mais pequenos e, portanto, a descentralização da rede é prejudicada. Além disso, o valor em jogo que fornece segurança cripto-económica nos estilhaços é reduzido.

No entanto, o roteiro Ethereum 2.0 evoluiu desde então, e o sharding de execução foi substituído por uma abordagem conhecida como data sharding que visa fornecer a base escalável para uma tecnologia de escalonamento mais complexa conhecida como rollups (mais sobre isso em breve!).

Sharding de Execução Heterogénea

A partilha de execução heterogénea é uma abordagem de escalonamento que liga múltiplas cadeias de blocos independentes com diferentes mecanismos de consenso, modelos de estado e funcionalidades numa única rede interoperável. Esta abordagem permite que cada blockchain conectado mantenha as suas características únicas enquanto beneficia da segurança e escalabilidade de todo o ecossistema. Dois exemplos proeminentes de projetos que empregam sharding de execução heterogénea são o Polkadot e o Cosmos.

O Polkadot é uma plataforma descentralizada concebida para permitir a comunicação entre cadeias cruzadas e a interoperabilidade entre várias blockchains. A sua arquitetura consiste numa cadeia de relés central, vários Parachains e pontes.

Visualização simplificada da arquitectura de rede do Polkadot (Fonte: Polkadot Docs)

Relay Chain: A cadeia principal do ecossistema Polkadot, responsável por fornecer segurança, consenso e comunicação entre cadeias. Os validadores na cadeia de relés são responsáveis por validar as transações e produzir novos blocos.

Parachains: Blockchains independentes que se ligam à cadeia de retransmissão para beneficiar da sua segurança partilhada e mecanismos de consenso, bem como permitir a interoperabilidade com outras cadeias na rede. Cada parachain pode ter o seu próprio modelo de estado, mecanismo de consenso e funcionalidade especializada adaptada a casos de uso específicos.

Pontes: Componentes que ligam o Polkadot a blockchains externos (como o Ethereum) e permitem a comunicação e transferências de ativos entre essas redes e o ecossistema Polkadot.

A Polkadot utiliza um mecanismo de consenso híbrido chamado Nominated Proof-of-Stake (NPoS) para proteger a sua rede. Os validadores na cadeia de retransmissão são nomeados pela comunidade para validar transações e produzir blocos. Por outro lado, os Parachains podem usar diferentes mecanismos de consenso, dependendo dos seus requisitos. O que é uma característica importante da arquitectura de rede do Polkadot é que, por design, todos os Parachains partilham segurança com a cadeia de relés, herdando assim as garantias de segurança da Relay Chain.

Cosmos é outra plataforma descentralizada que visa criar uma “Internet de Blockchains”, facilitando a comunicação contínua e a interoperabilidade entre diferentes redes blockchain. A sua arquitetura é semelhante à do Polkadot sendo composto por um Hub central, várias Zonas e Pontes.

Visualização simplificada da arquitectura de rede do Cosmos (Fonte: Cosmos Docs)

Hub: A cadeia de blocos central no ecossistema Cosmos, que permite a comunicação entre cadeias e, em breve, a segurança entre cadeias (segurança partilhada semelhante ao Polkadot). O Cosmos Hub utiliza um mecanismo de consenso Proof-of-Stake (PoS) chamado Tendermint, que oferece uma finalidade rápida e um elevado rendimento. Teoricamente, pode haver vários hubs. No entanto, com o ATOM 2.0 e a segurança inter-cadeias a chegar, o Cosmos Hub provavelmente continuará a ser o centro da “Internet of Blockchains” habilitada para Cosmos.

Zonas: Blockchains independentes conectados ao Hub, cada um com o seu próprio mecanismo de consenso, modelo de estado, funcionalidade e conjunto de validadores (normalmente). As zonas podem comunicar umas com as outras através do Hub usando um protocolo normalizado chamado Inter-Blockchain Communication (IBC).

Pontes: Componentes que ligam o ecossistema Cosmos a blockchains externos, permitindo transferências de ativos e comunicação entre as Zonas Cosmos e outras redes.

Tanto o Polkadot como o Cosmos são exemplos de sharding de execução heterogénea, uma vez que ligam múltiplos blockchains independentes com diversas funcionalidades, mecanismos de consenso e modelos de estado num único ecossistema interoperável. Esta abordagem permite que cada cadeia conectada mantenha as suas características únicas ao mesmo tempo que permite a escalabilidade, separando as camadas de execução específicas da aplicação umas das outras, ao mesmo tempo que beneficia das capacidades de comunicação e segurança entre cadeias de toda a rede.

A principal diferença entre a abordagem Cosmos e Polkadot é o modelo de segurança. Enquanto o Cosmos opta por uma abordagem em que as cadeias específicas da aplicação (estilhaços heterogéneos) têm de girar e manter os seus próprios conjuntos de validadores, o Polkadot opta por um modelo de segurança partilhado. Sob este modelo de segurança partilhada, as cadeias de aplicação herdam a segurança da cadeia de retransmissão que está no centro do ecossistema. Este último está muito mais próximo da abordagem de escalonamento baseada em rollup que a Ethereum quer adotar para permitir o escalonamento.

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Escalar Ethereum com Rollups

Um roteiro Ethereum centrado no rollup não é exatamente um fenómeno novo, mas acelerou a um ritmo de aceitação e adoção. Vitalik escreveu pela primeira vez sobre este roteiro pivô em outubro de 2020.

Os rollups levam o sharding dentro de um paradigma de segurança partilhado para o próximo nível. É uma solução de escalonamento em que as transações são processadas fora da cadeia no ambiente de execução do rollup e, como o nome sugere, acumuladas em lotes. Os sequenciadores recolhem transações dos utilizadores e submetem os lotes de transações a um contrato inteligente no Ethereum L1 que impõe a execução correta da transação no L2. Posteriormente, os dados da transação são armazenados no L1, o que permite que os rollups herdam a segurança da camada base Ethereum testada em batalha.

Então, agora o que eram essencialmente estilhaços no antigo roteiro do Ethereum 2.0 estão completamente dissociados da camada base e os programadores têm um amplo espaço aberto para personalizar o seu L2 como quiserem (semelhante aos parachains do Polkadot ou às zonas do Cosmos). No entanto, graças ao acordo e à DA no Ethereum, os rollups ainda podem contar com garantias de segurança L1. Outra vantagem importante em comparação com as cadeias laterais (ex. Polygon) é que os rollups não precisam de um conjunto de validadores e de um mecanismo de consenso próprio.

Um sistema de rollup só precisa ter um conjunto de sequenciadores (recolha e encomenda de transações), com apenas um sequenciador a precisar estar ativo a qualquer momento. Com suposições fracas como esta, os rollups podem realmente funcionar num pequeno conjunto de máquinas de nível de servidor de alta especificação ou mesmo num único sequenciador, permitindo uma grande escalabilidade. No entanto, como isto implica uma compensação com a descentralização, a maioria dos rollups tenta projetar os seus sistemas o mais descentralizados possível (que inclui o sequenciador). Embora os rollups não precisem explicitamente de mecanismos de consenso (já que a finalidade vem do consenso L1), os rollups podem ter mecanismos de coordenação com programações de rotação para girar sequenciadores ou mesmo mecanismos PoS completos nos quais um conjunto de sequenciadores chega a consenso sobre lote/ordenação de transações. Estas abordagens podem aumentar a segurança & melhorar a descentralização.

Geralmente, existem dois tipos de sistemas de rollup...

Rollups otimistas

Os que são conhecidos como rollups otimistas caracterizam-se por ter um nó sequenciador que recolhe dados de transação em L2, submetendo subsequentemente esses dados para a camada base Ethereum ao lado da nova raiz do estado L2. Para garantir que a nova raiz de estado submetida ao Ethereum L1 está correta, os nós do verificador irão comparar a sua nova raiz de estado com a apresentada pelo sequenciador. Se houver uma diferença, eles vão começar o que se chama um processo de prova de fraude. Se a raiz do estado da prova de fraude for diferente da apresentada pelo sequenciador, o depósito inicial do sequenciador (a.k.a. título) será cortado. As raízes do estado a partir dessa transação serão apagadas e o sequenciador terá de recalcular as raízes de estado perdidas.

Mecanismo de rollup (Fonte: Panther Academy)

Rollups de validade (conhecimento zero)

Os rollups de validade, por outro lado, dependem de provas de validade na forma de provas de conhecimento zero (ex. SNARKs ou StarKs) em vez de mecanismos de prova de fraude. Semelhante aos sistemas otimistas de rollup, um sequenciador recolhe transações dos utilizadores e é responsável por enviar (e às vezes também gerar) a prova de conhecimento zero para o L1 juntamente com os dados da transação correspondentes. A aposta do sequenciador pode ser cortada se agirem de forma maliciosa, o que os incentiva a postar blocos válidos (ou provas de lotes). Os rollups de validade introduzem uma nova função ao sistema que não é necessária na configuração otimista. O provador é o ator que gera provas zk imfalsificáveis da execução da transação, provando que as transições de estado propostas são válidas.

O sequenciador submete subsequentemente estas provas ao contrato do verificador na rede principal Ethereum. Tecnicamente, as responsabilidades dos sequenciadores e dos provadores podem ser combinadas numa única função. No entanto, como a geração de provas e a ordenação de transações exigem competências altamente especializadas para ter um bom desempenho, dividir essas responsabilidades evita a centralização desnecessária no design de um rollup. A prova Zero Knowledge que o sequenciador submete ao L1 relata apenas as alterações no estado L2 e fornece esses dados ao contrato inteligente do verificador na rede principal Ethereum na forma de um hash verificável.

Visualização simplificada de um ZK-Rollup (Fonte: Chainlink)

Determinar qual abordagem é superior é uma tarefa desafiadora. No entanto, vamos explorar brevemente algumas diferenças importantes. Em primeiro lugar, porque as provas de validade podem ser comprovadas matematicamente, a rede Ethereum pode verificar sem confiança a legitimidade das transações em lote. Isso difere dos rollups otimistas, onde o Ethereum depende de nós de verificação para validar transações e executar provas de fraude, se necessário. Por isso, alguns podem argumentar que zk-rollups são mais seguros. Além disso, as provas de validade (as de conhecimento zero) permitem a confirmação instantânea de transações de rollup na cadeia principal.

Consequentemente, os utilizadores podem transferir fundos sem problemas entre o rollup e o blockchain base (bem como outros zk-rollups) sem experimentar atrito ou atrasos. Em contraste, os rollups otimistas (como o Optimismo e o Arbitrum) impõem um período de espera antes que os utilizadores possam retirar fundos para L1 (7 dias no caso do Optimism & Arbitrum) uma vez que os verificadores precisam de poder verificar as transações e iniciar o mecanismo de prova de fraude, se necessário. Isto limita a eficiência dos rollups e reduz o valor para os utilizadores. Embora existam maneiras de permitir saques rápidos, geralmente não é um recurso nativo.

No entanto, as provas de validade são computacionalmente caras de gerar e muitas vezes caras para verificar na cadeia (dependendo do tamanho da prova). Ao abstrair a geração e a verificação de provas, os rollups otimistas ganham uma vantagem sobre os rollups de validade em termos de custo.

Os rollups otimistas e de validade desempenham um papel fundamental no contexto do roteiro centrado no rollup do Ethereum. Transformar a camada base Ethereum numa camada importante de disponibilidade/liquidação de dados para um número quase infinito de camadas de execução altamente escaláveis e baseadas em rollup permitirá que a rede Ethereum global e os seus ecossistemas de rollup atinjam uma escala enorme.

Conclusão

Como vimos, construir aplicações descentralizadas que são soberanas & sem restrições pelas limitações das camadas de base é um empreendimento complexo. Requer coordenar centenas de operadores de nós, o que é difícil & caro. Além disso, é difícil escalar blockchains monolíticos sem fazer compensações significativas na segurança e/ou descentralização.

Embora estruturas como o Cosmos SDK e o Substrato do Polkadot tornem mais fácil abstrair certos componentes de software, não permitem uma transição perfeita do código para a rede física real do hardware p2p. Além disso, abordagens heterogêneas de fragmentação podem fragmentar a segurança do ecossistema, o que pode introduzir risco adicional de fricção &.

Rollups, a solução de escalonamento de próxima geração, oferece uma oportunidade incrível não só para eliminar a dificuldade de coordenar centenas ou mesmo milhares de indivíduos para operar uma rede descentralizada mas também são um importante trampolim para reduzir significativamente o custo & tempo necessário aos programadores para transformar as suas ideias & conceitos em realidade.

O conceito de cadeias modulares simplifica ainda mais isto. O design modular de blockchain é uma abordagem ampla que separa as funções centrais de uma cadeia de blocos em componentes distintos e intercambiáveis. Dentro destas áreas funcionais, surgem fornecedores especializados que facilitam conjuntamente a construção de camadas de execução de rollup escaláveis e seguras, ampla flexibilidade de design de aplicações e adaptabilidade melhorada para exigências tecnológicas em evolução.

Apesar disso, o escalonamento baseado em rollup ainda é uma tecnologia nascente. Por isso, ainda existem alguns obstáculos a ultrapassar. O principal gargalo de escalabilidade para os rollups (baseados em Ethereum) atualmente é a capacidade limitada de disponibilidade de dados (DA). No entanto, a inovação, impulsionada pela tese modular, tem algumas abordagens reservadas para resolver isso. Para saber mais sobre o problema da e possíveis soluções, fique atento ao nosso relatório aprofundado que será publicado na próxima semana à medida que continuarmos esta série!

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