Blockchain Camada 1 vs. Camada 2: Os Essenciais

A popularidade da criptomoeda e blockchain tem crescido exponencialmente, aumentando significativamente o número de usuários e transações. Isso causou gargalos infraestruturais para as operações de rede blockchain. Para alcançar a adoção geral, a indústria precisa buscar soluções para resolver seus problemas de escalabilidade a fim de atender aos crescentes números de usuários, transações e dados.

Duas das principais soluções empregadas pela indústria incluem Camada 1 e Camada 2:

• Camada 1: Arquitetura subjacente de blockchain

• Soluções de escalonamento de Camada 1: Mudanças fundamentais feitas na Camada 1

• Camada 2: Integração de terceiros no topo das redes de Camada 1

• Soluções de escalonamento da Camada 2: Melhorar a velocidade das plataformas de Camada 1 sem fazer alterações fundamentais no seu código ou arquitetura

Neste artigo, vamos explorar o trilema do blockchain, Camada 1 e Camada 2, e como ajudar os blockchains a alcançar escalabilidade.

Trilema Blockchain

O termo trilema do blockchain refere-se ao dilema de um blockchain conseguir simultaneamente as seguintes três características:

1. Descentralização: Distribuição de poder computacional/consenso por toda a rede

2. Segurança: Defesa contra atores maliciosos e ataques à rede

3. Escalabilidade: A capacidade de uma blockchain de suportar um alto volume transacional 

Argumenta-se que qualquer sistema pode atingir apenas duas das três características, forçando-o a abrir mão de uma.

Exemplos do Trilema do Blockchain

Tipicamente, as blockchains têm enfrentado dificuldades com o trilema do blockchain. Vamos dar uma olhada em alguns exemplos proeminentes.

Ethereum

O Ethereum é descentralizado e altamente seguro, com aproximadamente 561.000 validadores. É quase impossível atacar a blockchain do Ethereum, pois isso exigiria que um atacante tomasse controle de 51% dos validadores para comprometer a rede. No entanto, isso vem com uma troca em escalabilidade, razão pela qual as taxas da rede Ethereum disparam durante períodos de alta atividade.

Binance Smart Chain (BNB Chain)

Em contraste com o Ethereum, a BNB Chain permite no máximo 21 validadores. Portanto, é evidente que a BNB Chain não é descentralizada. No entanto, isso permite que ela alcance um alto grau de segurança e escalabilidade. 

Por que a Escalabilidade da Blockchain é Importante?

A definição da palavra "escalabilidade" varia de especialista para especialista. No entanto, em sua essência,a escalabilidade do blockchain refere-se à capacidade de um sistema de oferecer uma experiência rica a cada usuário, independentemente do número total de usuários em um dado momento.

O termo throughput refere-se ao número de transações que um sistema processa por segundo. Enquanto empresas/canais de pagamento como a Visa processam cerca de 20.000 TPS com a rede de pagamento eletrônico VisaNet, acadeia principal do Bitcoin pode realizar apenas de 3 a 7 TPS.

A diferença de capacidade pode ser chocante, mas há uma explicação simples por trás disso. O Bitcoin adota um sistema descentralizado, enquanto o VisaNet opera em um sistema centralizado. O primeiro utiliza mais poder de processamento e tempo para proteger a privacidade de seus usuários. Cada transação de dados precisa passar por várias etapas, incluindo aceitação, mineração, distribuição e validação por uma rede de nós.

Com a criptomoeda prevista para se tornar uma força imperativa no mundo dos negócios, os desenvolvedores de blockchain estão tentando aumentar o escopo do manuseio de blockchain. Ao criar camadas de blockchain e otimizar o escalonamento da Camada 2, eles querem acelerar os tempos de processamento e aumentar o número de TPS.

O Problema de Escalabilidade do Blockchain

Vamos usar o Ethereum como exemplo. Na tecnologia blockchain, um mecanismo de consenso é um sistema tolerante a falhas que permite acordos sobre um único estado de rede em nós distribuídos. Essesprotocolos garantem que todos os nós concordem com as transações e estejam sincronizados. Isso torna a cadeia do Ethereum imensamente difícil de sobrescrever ou atacar.

Devido à estabilidade e segurança do Ethereum, amania de ICOs começou, levando indivíduos a criar criptomoedas e aplicativos descentralizados (DApps) na blockchain. Consequentemente, houve um influxo de usuários e um aumento no número de transações realizadas no Ethereum. À medida que o sistema ficou congestionado, a taxa de transação — ou gasolina paga às partes que processam transações na rede do Ethereum — aumentou.

Quando uma rede blockchain está congestionada, as transações pendentes acabam na memória pool e demoram mais para serem processadas. Para combater isso, os mineradores começam a priorizar transações que têm preços de gás mais altos para confirmá-las. Isso aumenta ainda mais o custo mínimo necessário para realizar uma transação.

O ciclo de aumento de preço chega a um ponto em que as taxas de gás disparam, tornando a situação pior para todos. A escalabilidade de Camada 2 visa fornecer uma solução para este problema e reduzir os custos das transações.

O que são Camadas 1?

Camadas 1 são a rede blockchain principal sobre a qual outras blockchains e DApps são construídos. Elas são capazes de suportar transações e operações que são realizadas na blockchain. Para melhorar a escalabilidade, uma Camada 1 terá que fazer mudanças diretas no código ou na arquitetura do blockchain. Exemplos incluem aumentar a velocidade de confirmação do bloco ou aumentar a capacidade de contenção de dados de um bloco.

Ethereum, Binance Smart Chain e Solana são as Camadas 1 mais proeminentes.

Vamos dar uma olhada em algumas soluções de escalabilidade da Camada 1.

Soluções de Escalabilidade da Camada 1

Mecanismo de consenso

Blockchains diferentes utilizam diferentes mecanismos de consenso.

Blockchains como Bitcoin utilizam prova de trabalho (PoW). Mesmo que um sistema PoW seja altamente seguro, ele pode ser lento. Isso ocorre porque requer um poder computacional substancial para resolver algoritmos criptográficos. O Ethereum começou com um mecanismo de consenso PoW, o que levou a congestionamento severo na rede quando um grande número de usuários entrou na rede Ethereum.

O Ethereum desde então mudou para usar um mecanismo de consenso proof-of-stake (PoS) através da The Merge, e agora processa e valida novos blocos por consenso da rede. Essa mudança permitiu ao Ethereum alterar sua velocidade de 10–20 transações por segundo (TPS) para mais de 20.000 TPS. Isso é alcançado enquanto mantém a descentralização e a segurança.

Bifurcação de Cadeia

As soluções de escalabilidade da Camada 1 são geralmente introduzidas pela equipe de desenvolvimento do blockchain. Bifurcar uma cadeia significa atualizar ou ajustar um blockchain. Existem 2 tipos de forks: soft fork e hard fork.

Soft forks são mudanças arquitetônicas que são compatíveis com a blockchain existente. Por outro lado, hard forks são mudanças para a arquitetura da blockchain que são distintamente diferentes da existente. 

Um exemplo de um soft fork seria SegWit soft fork da rede Bitcoin, que ajudou a aumentar o desempenho da rede de aproximadamente 1.600 transações por bloco para 3.000.

Enquanto mudanças maiores a serem feitas na blockchain, como aumentar o tamanho do bloco do Bitcoin para 8MB, requerem um hard fork. Isso criará duas versões do Bitcoin, uma rede atualizada e uma antiga.

Sharding

Sharding é uma das técnicas de escalonamento que divide grandes conjuntos de transações em conjuntos de dados menores conhecidos como "shards". A rede processa essas divisões de rede simultaneamente em paralelo, permitindo o trabalho sequencial em várias transações ao invés de ter uma rede processando cada transação de forma sequencial. Este é um mecanismo mais rápido e mais eficaz.

Além disso, em vez de manter uma cópia completa do blockchain, cada nó da rede é atribuído a um determinado fragmento. Fragmentos individuais trocam endereços, saldos e estados gerais utilizando protocolos de comunicação entre fragmentos enquanto também fornecem provas para a cadeia principal.

Exemplos de blockchains que integraram fragmentação são Ziliqa e Tezos.

No entanto, deve-se notar que a fragmentação é experimental e nenhuma Layer 1 a implementou com sucesso ainda.

O Que São Layer 2?

Uma Layer 2 melhora a escalabilidade e eficiência de um protocolo blockchain operando sobre ele. Ela permitirá transações fora da Layer 1 usando uma rede externa e paralela.

Para concluir os resultados das transações, as Layers 2 pegam conjuntos de transações da cadeia principal, processam-nas em seu nome e então agrupam as transações de volta na Layer 1. A blockchain Layer 1 torna-se menos sobrecarregada e, em última análise, mais escalável ao abstrair a maioria do processamento de dados para uma arquitetura auxiliar.

Exemplos proeminentes de Layers 2 são Polygon, Optimism, Arbitrum, zkSync e a Lightning Network do Bitcoin.

Soluções de Escalonamento de Layer 2

Aqui estão algumas das soluções de escalonamento de Layer 2.

Blockchain Aninhada

Aninhamento é uma das soluções de escalonamento de Layer 2 em que um protocolo blockchain abriga outros blockchains dentro ou sobre ele. A arquitetura de blockchain aninhada normalmente envolve uma blockchain principal que define regras e parâmetros para uma rede mais ampla, enquanto as execuções são realizadas em uma teia interconectada de cadeias secundárias.

A cadeia aninhada compreende tanto cadeias parentais quanto filiais. A cadeia parental delegará às cadeias filiais a execução da transação. As transações serão realizadas pelas cadeias filiais, que então informarão o resultado à cadeia parental. A cadeia parental fornecerá à Camada 1 o resultado uma vez que as transações tenham sido concluídas. 

A menos que se torne necessário para resolução de disputas, a blockchain base subjacente não participa das operações de rede das cadeias aninhadas. Porque todos estão trabalhando juntos, é um dos maiores métodos de escalabilidade e é mais rápido. A divisão do trabalho neste paradigma diminui a carga de processamento na cadeia principal, melhorando enormemente a escalabilidade.

Um exemplo disso é o Projeto OMG Plasma, que atua como uma blockchain de Camada 2 para o Ethereum, garantindo transações mais baratas e rápidas.

Canais de estado

A comunicação bidirecional entre uma blockchain e canais transacionais fora da cadeia pode ser facilitada através de um canal de estado. O canal de estado é essencialmente um recurso adjacente à rede que realiza atividades usando um multisig ou mecanismo de contrato inteligente, sem a necessidade de validação pelos nós da Camada 1.

As transações podem ser executadas sem a necessidade de submeter os dados de transação à Camada 1. Assim que as transações forem concluídas, o estado final do canal será enviado para a Camada 1 para validação. Este mecanismo permite melhorar a velocidade das transações e aumenta a capacidade total da rede. Os canais de estado apresentam velocidade e privacidade incomparáveis. Sem a necessidade de encaminhar através de terceiros, como mineradores, os canais de estado são uma das melhores soluções de escalabilidade existentes.

Tanto a Rede Raiden no Ethereum quanto a Rede Lightning no Bitcoin são exemplos de canais de estado. Ambos usam canais de estado que são executados por contratos de time lock hash (HTLCs). Enquanto a Rede Lightning permite que os usuários concluam muitas microtransações rapidamente, a Raiden também permitirá que os usuários executem contratos inteligentes através de seus canais.

Canais de estado como a Rede Lightning também são totalmente seguros, uma vez que apenas os participantes conhecem as transações. Por outro lado, a blockchain da Camada 1 do Ethereum registra todas as transações em um livro razão auditável publicamente.

Sidechains

Grandes transações em lotes frequentemente usam sidechains, que são redes de blockchain distintas com seus próprios conjuntos de validadores (e mecanismos de consenso), que coexistem com uma Camada 1 para melhorar sua velocidade e escalabilidade.

Com um design de sidechain, as principais responsabilidades da Camada 1 são manter a segurança geral, validar registros de transações em lote e resolver conflitos. Assim que a sidechain terminar de processar as transações da corrente principal, os ativos são bloqueados. Além disso, a maioria das sidechains tem uma federação ou outro terceiro independente que verifica se há irregularidades nas atividades entre a mainnet e a sidechain. A federação pode ser composta de contratos inteligentes ou de um grupo de pessoas.

Existem duas principais diferenças entre sidechains e state channels:

1. As transações feitas em uma sidechain não são privadas entre os participantes; ao invés disso, elas são tornadas públicas no ledger. 

2. A mainchain e outras sidechains não são afetadas por falhas de segurança da sidechain.

Rollups

Uma abordagem de escalonamento que está ganhando popularidade no ambiente de blockchain é o rollup. Nos rollups, grupos de transações de uma Camada 1 são agrupados, processados fora da cadeia, e depois carregados novamente na cadeia principal.

Como resultado, as Camadas 1 não precisam lidar com tudo de forma independente. Rollups permitem que redes de Camada 1, como Ethereum, se tornem mais escaláveis. Rollups também funcionam de maneira diferente. Alguns adotam a abordagem otimista, enquanto outros usam o procedimento de conhecimento zero.

Os dois tipos de rollups são:

• Rollups Otimistas: Estes assumem por padrão que as transações são válidas. Assim, só realizam computação para detectar fraudes se houver um desafio.

• Rollups de Conhecimento Zero: Esses rollups executam cálculos fora da cadeia. Subsequentemente, eles submetem a prova de validade à camada base ou cadeia principal.

Rollups ajudam a aumentar o volume de transações, abrir participação e reduzir taxas de gás para os usuários.

Limitações da Camada 1 e Camada 2

O escalonamento de blockchain vem com vários benefícios. Por exemplo, a principal vantagem das soluções da Camada 1 é que os desenvolvedores não precisam adicionar nada à arquitetura existente, uma vez que a camada base é alterada.

Enquanto isso, as soluções de escalonamento da Camada 2 não alteram o protocolo da camada base. Além disso, essas soluções permitem múltiplas microtransações sem exigir que os usuários paguem taxas de transação exorbitantes ou percam tempo na verificação de mineradores.

No entanto, ambas essas camadas de blockchain têm limitações que precisam ser consideradas.

Adição aos Protocolos Existentes

O principal problema com as camadas de blockchain é adicioná-las aos protocolos existentes. Tanto o Bitcoin quanto o Ethereum têm capitalizações de mercado em bilhões. Usuários estão negociando milhões de dólares todos os dias. Portanto, não faz sentido complicar o processo através de codificação e experimentação desnecessárias, pois isso exigiria muito dinheiro.

Qual é o Futuro Após a Camada 1 e Camada 2? 

A escalabilidade é uma das razões pela qual a adoção em massa de criptomoeda não é possível na indústria de blockchain no momento. À medida que a demanda por criptomoeda aumenta, a pressão para escalar os protocolos de blockchain também aumentará. Como ambas as camadas blockchain têm certas limitações, a solução no futuro será construir um protocolo que possa lidar com o trilema de escalabilidade. 

Conclusão

Com relação ao gargalo mencionado anteriormente, existem duas opções disponíveis: 1) mitigar o problema de escalabilidade, ou 2) procurar alternativas viáveis. Os desenvolvedores de blockchain estão optando pela primeira opção, direcionando-se para a escalabilidade de Camada 2 em ação com o Ethereum.

No momento da publicação, os sistemas blockchain ainda estão em desenvolvimento. A questão urgente para o futuro é se as camadas blockchain e a escalabilidade de Camada2 serão temporárias ou permanentes.