Blockchains Modulares e Rollups: O Futuro do Ethereum e Além

Compreendendo Blockchains Modulares: Melhorando a Escalabilidade e o Desempenho da Blockchain

Blockchains modulares estão transformando a paisagem da blockchain, aumentando a escalabilidade e a eficiência. Para entender isso, é crucial ver por que modularidade e rollups são frequentemente discutidos juntos. Ambas as abordagens visam aumentar o desempenho da blockchain dividindo funções essenciais, como consenso, disponibilidade de dados, execução de transações e liquidação, em camadas distintas. Diferentemente das blockchains "monolíticas" tradicionais, como as primeiras versões do Ethereum, onde todos os componentes são tratados em uma arquitetura de camada única, as blockchains modulares alocam essas tarefas em várias camadas, reduzindo gargalos e melhorando a escalabilidade à medida que os volumes de transações crescem.

A diferença com as blockchains modulares está em seu design em camadas. Ao distribuir funções essenciais entre camadas especializadas, as blockchains modulares aliviam os nós individuais do processamento de todas as tarefas, aumentando significativamente o throughput. Por exemplo, a Camada de Liquidação finaliza transações e cria um ledger de confiança mínima, que é frequentemente usado junto com rollups. Essa camada também gerencia a verificação de provas e a resolução de disputas, garantindo segurança e confiabilidade nas transações da blockchain. A Camada de Disponibilidade de Dados e a Camada de Consenso mantêm dados de transação acessíveis, cruciais para o processamento e validação off-chain, o que por sua vez ajuda a manter o consenso sobre o estado atual da blockchain.

Além disso, os Contratos Inteligentes operam dentro da Camada de Execução, que lida com o processamento de transações para aplicativos descentralizados (dApps). Essa camada dedicada para processamento de transações e contratos inteligentes permite tarefas computacionais eficientes, essenciais para aplicativos blockchain. Enquanto isso, os Rollups atuam como uma poderosa solução de escalabilidade, executando transações off-chain e postando os dados necessários de volta à camada de execução. Ao reduzir a congestionamento on-chain, os rollups melhoram ainda mais o desempenho geral das blockchains modulares.

Compreender como as blockchains modulares funcionam pode esclarecer seu papel no suporte a soluções de escalabilidade da blockchain. Essas arquiteturas em camadas são fundamentais para enfrentar os desafios de escalabilidade, estabelecendo a base para o futuro de aplicativos blockchain de alto desempenho.

Os rollups, como Arbitrum e Optimism, tornaram-se soluções essenciais para a escalabilidade de blockchain. Originalmente desenvolvidos para apoiar blockchains monolíticos como o Ethereum, eles executam transações fora da cadeia principal (off-chain). No modelo de blockchain modular, no entanto, os rollups agora desempenham um papel crucial como uma camada dedicada que processa transações e envia dados de volta para a Layer 1. Essa sinergia entre os rollups e a arquitetura modular de blockchain faz com que eles sejam frequentemente discutidos juntos ao se considerar o futuro da escalabilidade das blockchains. Vamos explorar essa relação mais a fundo nas próximas seções – continue acompanhando!

Blockchains Monolíticos vs. Modulares

Os blockchains monolíticos e modulares representam duas abordagens distintas de arquitetura de blockchain, cada uma com suas vantagens exclusivas e desafios específicos. Os blockchains monolíticos, como as primeiras versões do Ethereum, integram todas as funções principais — consenso, disponibilidade de dados, execução de transações e liquidação — em uma única camada, o que pode gerar problemas de escalabilidade à medida que o volume de transações aumenta. Em contraste, os blockchains modulares separam essas tarefas em várias camadas, cada uma otimizada para funções específicas, melhorando significativamente a escalabilidade. Para ilustrar melhor essas diferenças, examinaremos exemplos reais de blockchains modulares e monolíticos, destacando como cada abordagem de design atende às demandas de desempenho das blockchains modernas.

Começando com as primeiras blockchains monolíticas, como o Ethereum antes das atualizações do Ethereum 2.0, a rede enfrentava grandes desafios de escalabilidade, como altas taxas de gas e velocidades de transação mais lentas devido à congestão da rede. À medida que a base de usuários do Ethereum cresceu, essa congestão se intensificou, pois, nas arquiteturas monolíticas, cada nó é responsável por processar e armazenar todas as transações. Essa configuração limita o throughput e dificulta a escalabilidade. Desde então, mudanças significativas foram implementadas, como a transição do Ethereum para o Ethereum 2.0, que introduziu o mecanismo de consenso proof-of-stake (PoS). Além disso, o surgimento de soluções de escalabilidade de Camada 2, como Optimism, Arbitrum e zkSync, ajudou a aliviar a congestão. No entanto, o conceito de blockchains modulares emergiu como um dos mais recentes avanços em 2024. Uma blockchain modular, como a Celestia, divide as funções da blockchain em camadas especializadas, como execução e consenso & disponibilidade de dados, o que significa que nem todos os nós precisam lidar com todas as tarefas. Em vez disso, os nós podem se concentrar em uma única camada, reduzindo significativamente a carga da rede.

Explorando Rollups para Escalabilidade de Blockchain

Os rollups se tornaram uma solução de escalabilidade essencial, aprimorando o desempenho da blockchain ao permanecerem conectados à blockchain principal para segurança e disponibilidade de dados. Ao “agrupar” várias transações em um único lote, os rollups reduzem a carga de trabalho na camada principal, responsável pelo consenso e armazenamento de dados, melhorando a eficiência geral.

Como Funcionam os Rollups

Os rollups oferecem vantagens distintas para transações maiores, confirmações rápidas e altos volumes de transações. Embora transações pequenas com menor urgência possam não exigir rollups, transações maiores e atividades que exigem agilidade beneficiam-se significativamente, pois os rollups possibilitam um processamento mais rápido e uma gestão de custos mais eficiente, uma característica essencial para escalabilidade em redes como o Ethereum.

Em 7 de outubro de 2024, as taxas de gas em rollups do Ethereum, como Optimism, Arbitrum e zkSync, variavam de 0,001 a 0,02 ETH, 0,0015 a 0,015 ETH e 0,001 a 0,005 ETH, respectivamente. Se você tem ativos no Ethereum e quer economizar nas taxas e no tempo das transações, usar um rollup é uma escolha inteligente. Veja como funciona: faça login na sua carteira (como MetaMask ou WalletConnect) e, se seus ativos estiverem na mainnet do Ethereum, você pode transferi-los para um rollup como o zkSync. Depois disso, você pode enviar transações diretamente de um endereço zkSync para outro — simples e eficiente!

Mas como os rollups funcionam na prática?

Processamento Off-Chain: Em blockchains modulares como o Celestia, a maior parte das tarefas computacionais, como a execução de transações e o processamento de contratos inteligentes, ocorre fora da cadeia no nível do rollup, reduzindo a congestão da cadeia principal. Em vez de executar cada transação diretamente na blockchain base, os rollups agrupam várias transações em um único lote, minimizando a carga computacional.

Envio em Lotes: Após o processamento off-chain, as transações são agrupadas em um único lote e enviadas para a blockchain principal. Esse envio é muito menor do que executar cada transação individualmente na blockchain base, contendo apenas os dados necessários para verificação.

Disponibilidade de Dados On-Chain: Embora a execução aconteça off-chain, os dados precisam estar disponíveis para verificação e consenso. Os rollups publicam provas compactas de dados—sejam Provas de Validade ou Provas de Fraude—para garantir uma verificação transparente das transações na cadeia principal. Os dois tipos de provas de rollup são: Provas de Validade (usadas pelos ZK-Rollups) e Provas de Fraude (usadas pelos Optimistic Rollups).

Dependência da Segurança da Layer 1: Os rollups dependem da segurança e do consenso da cadeia Layer 1. Nos rollups otimistas, qualquer pessoa pode contestar a validade das transações usando provas de fraude. Nos ZK-rollups, as provas de validade garantem que apenas transações válidas sejam aceitas. Explicaremos isso em breve!

Finalidade das Transações: Uma vez que o lote de transações é confirmado na blockchain Layer 1, as transações daquele lote são consideradas finais. Dependendo de o rollup ser otimista ou baseado em ZK, a finalização pode ocorrer quase que imediatamente.

Agora, vamos explorar os diferentes tipos de rollups.

Explicação dos Rollups Otimistas Optimism e Arbitrum são alguns dos exemplos mais conhecidos de rollups otimistas, com outras soluções como Base, Metis e Cartesi também ganhando destaque. Os rollups otimistas são soluções Layer 2 que melhoram o throughput do Ethereum processando transações off-chain. O termo "otimista" vem da suposição de que as transações são válidas por padrão, ou seja, elas não são verificadas imediatamente na blockchain. Em vez disso, um resumo dos lotes de transações é enviado para a Layer 1 do Ethereum, reduzindo a carga na blockchain principal.

O modelo de segurança dos rollups otimistas depende das provas de fraude, que permitem que os usuários contestem transações inválidas durante uma janela de disputa (geralmente uma semana ou mais). Se fraudes forem detectadas, o sistema re-executa a transação para validação. Essa abordagem permite escalabilidade enquanto mantém a segurança, permitindo que as transações prossigam sem verificação imediata, mas ainda fornecendo um mecanismo para reverter transações fraudulentas.

Rollups otimistas como Arbitrum e Optimism diminuem as taxas de gas e aumentam o throughput das transações, tornando-os ideais para dApps que buscam reduzir as taxas e melhorar o desempenho. No entanto, eles apresentam um tempo de finalização mais longo devido ao período de contestação, o que os torna menos adequados para operações sensíveis ao tempo.

ZK Rollups: Uma Análise Profunda Os rollups Zero-Knowledge (ZK) oferecem uma solução de escalabilidade avançada, utilizando provas criptográficas para validar transações e aumentar a eficiência, particularmente dentro do ecossistema do Ethereum. Ao contrário dos rollups otimistas, que assumem que as transações são válidas até que se prove o contrário, os ZK rollups usam provas criptográficas para verificar que cada transação em um lote é válida. Isso torna os ZK rollups uma escolha altamente segura, especialmente para aplicativos que requerem finalização imediata e de alta confiança.

Os ZK rollups operam em várias etapas. Assim como os rollups otimistas, os ZK rollups processam transações off-chain, mas a grande diferença está em como as transações são validadas. Os ZK rollups geram provas de validade (zk-SNARKs) para os lotes de transações, garantindo sua integridade antes de submetê-los à blockchain principal.

Para cada lote de transações, os ZK rollups criam uma prova criptográfica compacta, conhecida como zk-SNARK (Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge). Essa prova verifica a validade de todas as transações no lote sem divulgar quaisquer dados subjacentes ou exigir que a blockchain principal processe cada transação.

Após gerar o zk-SNARK, apenas essa prova e uma pequena quantidade de dados relacionados ao lote precisam ser enviados para a blockchain principal. Isso reduz significativamente a carga de dados e as taxas de gás envolvidas no processamento de transações. Uma vez submetido, a blockchain principal verifica a prova zk-SNARK contra os dados fornecidos. Se a prova for válida, todo o lote é considerado válido sem mais exames, resultando em uma finalidade quase instantânea. Esse processo rápido de verificação melhora muito a experiência do usuário, especialmente para aplicações onde o tempo é crucial.

Em termos de segurança e confiança, os rollups ZK se beneficiam da segurança subjacente da blockchain de Camada 1 (como Ethereum) e mantêm um alto nível de confiança na validade das transações devido às provas criptográficas envolvidas. Essa abordagem mitiga o risco de fraude que pode ocorrer durante o período de desafio associado aos rollups otimistas.

Os benefícios dos rollups ZK são notáveis. Eles aumentam significativamente a escalabilidade ao aumentar a taxa de transações enquanto reduzem as taxas de gás, pois comprimem eficientemente várias transações em uma única prova. Com zk-SNARKs facilitando a finalidade quase instantânea, eles são particularmente adequados para aplicações que requerem confirmação imediata de transações, como pagamentos e negociações. Além disso, os rollups ZK melhoram a privacidade do usuário, pois os detalhes das transações individuais permanecem ocultos nas provas enviadas à blockchain principal, tornando-os ideais para aplicações que exigem confidencialidade.

Soluções de rollup ZK proeminentes, incluindo zkSync e StarkWare, tornaram-se integrais ao ecossistema Ethereum devido à sua eficiência. Essas soluções ganharam tração no ecossistema Ethereum por sua eficiência e uso inovador da tecnologia de conhecimento zero. A partir de outubro de 2024, as taxas de gás para rollups ZK como o zkSync variam de 0,001 a 0,005 ETH, tornando-os uma opção atraente para usuários que procuram minimizar custos enquanto desfrutam de velocidades de transação mais rápidas.

O Conceito de MEV de Camada 2

MEV, ou Valor Máximo Extraível, refere-se aos lucros obtidos pela manipulação da ordem das transações dentro das redes blockchain. Desde que foi formalmente definido no artigo "Flash Boys 2.0" em 2019, o MEV tornou-se uma preocupação significativa, particularmente com o surgimento de soluções de Camada 2, como os rollups. Bots de arbitragem visam capturar MEV em negociações DEX, enquanto mineradores e validadores podem explorar a ordenação de transações para lucro.

O sequenciador desempenha um papel central na extração de MEV dentro dos rollups, gerenciando a ordenação de transações e a submissão de blocos à Camada 1. E o problema é que atualmente a maioria dos rollups de Ethereum L2 possui um único sequenciador centralizado que controla a ordenação das transações. Este sequenciador centralizado possui uma influência considerável sobre a extração de MEV, afetando a ordenação das transações e os lucros potenciais.

No entanto, o potencial para extração de MEV varia entre diferentes rollups com base em seus mecanismos de sequenciamento. Por exemplo, no modelo Primeiro a Chegar, Primeiro a Ser Servido do Arbitrum, a sequência de transações segue a ordem de recebimento, limitando as oportunidades de manipulação de MEV. Em contraste, o sequenciador do Optimism tem mais discrição sobre a ordem das transações, proporcionando mais espaço para extração de MEV. Dito isso, o Optimism possui salvaguardas, como janelas de tempo para inclusão de transações, que restringem a capacidade do sequenciador de explorar totalmente esse poder.

Dado o roteiro centrado em rollup do Ethereum, que prevê que 99% de toda atividade eventualmente ocorrerá em L2s à medida que os rollups amadurecem, projetar rollups com mecanismos para mitigar a corrida de extração de MEV será crucial para garantir a equidade e eficiência em toda a rede.

Impacto do MEV de Camada 2 no Ethereum

A adoção da Camada 2 reformulou o ecossistema Ethereum, especialmente no que diz respeito à dinâmica do Valor Máximo Extraível (MEV). À medida que o Ethereum continua a escalar por meio de rollups, a dinâmica da sequência de transações e extração de MEV desloca-se para essas redes L2, onde sequenciadores—centralizados ou descentralizados—desempenham um papel fundamental na determinação da ordem das transações. Isso tem várias implicações para o Ethereum como um todo:

Soluções L2 como Optimism e Arbitrum aumentam significativamente a escalabilidade do Ethereum ao reduzir a carga na blockchain de Camada 1. No entanto, a centralização dos sequenciadores cria um gargalo onde o potencial para extração de MEV pode aumentar. Embora o roteiro centrado em rollup do Ethereum prometa maior escalabilidade, o desafio está em equilibrar isso com uma sequência de transações justa. Sequenciadores centralizados não regulados podem explorar a ordenação de transações, minando os ideais de descentralização do Ethereum, aumentando potencialmente os custos ou favorecendo transações específicas—minando o ethos descentralizado do Ethereum.

Um dos esforços contínuos para mitigar a extração de MEV envolve a descentralização do papel dos sequenciadores. Introduzir métodos de sequenciamento descentralizado ou sistemas de sequenciadores competitivos pode mitigar os riscos de MEV e alinhar-se com os objetivos de descentralização do Ethereum, os rollups podem reduzir a probabilidade de abuso de MEV. Isso é especialmente crítico à medida que o Ethereum avança para uma maior adoção de soluções de Camada 2. Tal descentralização alinharia com o objetivo de longo prazo de descentralização do Ethereum e melhoraria a segurança geral da rede.

À medida que o MEV se torna uma questão cada vez mais reconhecida, alguns L2s estão explorando a implementação de leilões de MEV, onde os lucros da extração de MEV são distribuídos para validadores ou de volta aos usuários, em vez de serem capturados exclusivamente pelo sequenciador. Este mecanismo poderia realinhar incentivos econômicos para reduzir o impacto negativo do MEV, garantindo que o valor flua de volta para o ecossistema Ethereum mais amplo, em vez de ser concentrado nas mãos de poucos.

A extração de MEV na Camada 2 pode levar a taxas de transação mais altas e finalidade atrasada, particularmente em rollups com sequenciadores centralizados que manipulam a ordem das transações, especialmente em rollups com sequenciadores centralizados que podem manipular a ordenação de transações para lucro. Por outro lado, rollups mais descentralizados ou bem projetados que minimizam a extração de MEV podem oferecer uma experiência mais suave, mais barata e mais segura. Taxas de gás mais baixas em L2s também poderiam ajudar o Ethereum a alcançar uma adoção mais ampla, mas o desafio permanece em garantir a justiça na ordenação de transações nessas soluções.

À medida que mais transações se deslocam para a Camada 2, a segurança do Ethereum dependerá cada vez mais das abordagens de gerenciamento de MEV dentro dos rollups de Camada 2. Rollups mal projetados que permitem extração excessiva de MEV poderiam corroer a confiança na rede, enquanto rollups com provas de fraude/validade, sequenciadores descentralizados e limitações de MEV reforçarão a segurança e a descentralização do Ethereum.

Ou seja, enquanto as soluções L2 como rollups apresentam um caminho poderoso para a escalabilidade do Ethereum, elas introduzem novos desafios relacionados ao MEV de Camada 2 do Ethereum. O sucesso do futuro centrado em rollup do Ethereum depende do enfrentamento desses desafios através da descentralização, transparência e realinhamento econômico, garantindo que o Ethereum permaneça escalável e justo.