Blockchains modulares e rollups: o futuro do Ethereum e mais além

Introdução aos Blockchains Modulares

Antes de começarmos, é necessário compreender por que razão os rollups de blockchain e a modularidade são discutidos em conjunto. O mais importante a perceber aqui é que ambos os conceitos abordam a descoberta de diferentes funcionalidades do blockchain numa tentativa de melhorar o desempenho. Vai perceber o que estou a dizer, só tenha mais um pouco de paciência.

Vamos começar com blockchains monolíticos como o Ethereum inicial. Estas blockchains tratam todos os componentes principais — consenso, contratos inteligentes, disponibilidade de dados, execução de transações e liquidação — dentro de uma estrutura de camada única. Mas, embora este design integrado funcione, também cria desafios de escalabilidade porque tudo é abordado numa camada, dependendo do mesmo conjunto de nós, o que resulta em estrangulamentos.

Compare isto com os blockchains modulares modernos. Empregam um mecanismo diferente ao dividir funções-chave em camadas especializadas, onde diferentes tarefas são executadas em diferentes nós. A Camada de Liquidação, por exemplo, finaliza os resultados das transações, formando um livro-razão minimizado pela confiança, normalmente em combinação com a execução em rollups. O seu principal objetivo é fornecer verificação de provas e resolução de disputas para rollups. A Camada de Disponibilidade de Dados e a Camada de Consenso facilitam que os dados das transações estejam disponíveis para validação e processamento off-chain porque, para que a rede tenha um consenso sobre o estado da blockchain, este é crucial. Os contratos inteligentes são códigos executados na camada de execução, que processa as transações para as dApps. E a Camada de Execução processa as transações e contratos inteligentes e garante que todo o trabalho computacional é realizado de forma eficiente. Os rollups são uma solução de escalonamento que executa transações off-chain e publica dados numa camada de execução on-chain.

Abordagem de blockchains monolíticos vs modulares

Posto isto, rollups como o Arbitrum e o Optimism evoluíram para uma solução de escalonamento para blockchains monolíticos como o Ethereum, realizando a execução fora da cadeia.

No entanto, tornaram-se essenciais nesta abordagem modular, servindo muitas vezes como uma camada separada que processa transações e publica dados de volta para a Camada 1. Esta relação próxima entre rollups e arquitetura modular é a razão pela qual são frequentemente discutidos em conjunto ao explorar o futuro da escalabilidade da blockchain. Vamos aprofundar mais este tópico nas próximas secções! Fique atento. Blockchains monolíticos vs. modulares Então, já sabe que as blockchains monolíticas e as blockchains modulares são duas formas arquitetónicas diferentes na construção de blockchains, cada uma com os seus prós e contras. Mas em vez de falarmos de teoria, vamos explicitar as diferenças e comparar alguns blockchains modulares de utilização real com os seus equivalentes monolíticos.

Comece com blockchains monolíticos como o Ethereum antes das atualizações do Eethereum 2.0, tinha problemas com a escalabilidade, uma vez que os custos do gás eram muito elevados e as transações eram mais lentas devido ao congestionamento da rede.

Com o congestionamento, quando o Ethereum cresceu, uma vez que estava em formato monolítico, com cada nó a processar e armazenar cada transação, restringiu a produtividade e tornou o dimensionamento mais difícil.

Houve inúmeras atualizações desde então para fazer estas melhorias. A transição para o Ethereum 2.0 introduziu o mecanismo de consenso de prova de participação (PoS), verificámos um aumento nas soluções de escalonamento de Camada 2, como o Optimism, Arbitrum e zkSync. No entanto, o paradigma do blockchain modular é relativamente novo e um dos desenvolvimentos mais recentes em 2024. Um blockchain modular, como o Celestia, separa a funcionalidade do blockchain em camadas, como a execução e o consenso e a disponibilidade de dados. Isto leva ao aspeto de que já nem todo o nó precisa de fazer tudo. Os nós podem especializar-se numa camada e, em geral, a carga da rede é menor.

Compreendendo Rollups

Os rollups geralmente fornecem uma solução de dimensionamento robusta, sem nunca se separarem da blockchain principal para segurança e disponibilidade de dados. Basicamente, "acumulam" múltiplas transações num lote, reduzindo a carga na camada base necessária para o consenso e disponibilidade de dados.

Como funcionam os rollups:

Se estiver a fazer pequenas transferências de criptomoedas e tiver tempo para esperar alguns minutos ou horas para que a sua transação seja verificada, poderá não precisar de um rollup. Mas se precisa de grandes transações, tempos de confirmação mais rápidos ou está a fazer muitas transações, os rollups são uma grande vantagem.

Em 7 de outubro de 2024, os preços do gás em rollups de Ethereum como Optimism, Arbitrum e zkSync variavam geralmente de 0,001 a 0,02 ETH, 0,0015 a 0,015 ETH e 0,001 a 0,005 ETH, respetivamente.

Portanto, se tem criptomoedas no Ethereum e gostaria de poupar taxas ou tempo, utilizar um rollup é uma escolha sensata.

Veja o que normalmente acontece: abre a sua carteira, por exemplo, MetaMask ou WalletConnect, e se o seu saldo estiver mantido na rede principal Ethereum, liga-o a um rollup, como o zkSync.

Pode então simplesmente enviar transações entre contas zkSync. Simples e eficiente! Mas como é que isso funciona em segundo plano num rollup?

1. Processamento fora da cadeia: nas blockchains modulares como a Celestia, a maior parte do trabalho computacional fora da cadeia, como a execução de transações e o processamento de contratos inteligentes, ocorre na camada de rollup, aliviando o congestionamento da cadeia principal. Em vez de executar cada transação diretamente na blockchain principal, os rollups agregam milhões de transações num único pacote, o que reduz a sobrecarga computacional.
2. Envio em lote: depois de processados ​​fora da cadeia, são enviados em conjunto num envio em lote para a cadeia principal. O envio tem um tamanho mínimo e contém apenas dados relevantes para verificação, que são muito mais pequenos em comparação com o processamento de cada transação separadamente na cadeia base.
3. Disponibilidade de dados na cadeia: a execução é feita fora da cadeia, mas os dados devem estar disponíveis para serem verificados e obter consenso. Os rollups publicam provas de dados comprimidos, provas de validade ou fraude, para permitir a verificação de transações abertas na cadeia principal. Estão disponíveis dois tipos de provas de rollup: Provas de Validade (utilizadas pelos ZK-Rollups) e Provas de Fraude (utilizadas pelos Optimistic Rollups).
4. Dependência de segurança da camada 1: os rollups ainda dependem da segurança e do consenso da cadeia da camada 1. Se o rollup for otimista, qualquer pessoa pode contestar a validade das transações através de provas de fraude. Em ZK-rollups, a prova de validade garante que apenas as transações válidas são aceites. Chegaremos lá num segundo, aguarde!
5. Finalidade da transação: depois de o lote de transações ser liquidado na blockchain da camada 1, as transações dentro do lote são finais. Dependendo se o rollup é otimista ou baseado em ZK, o propósito pode acontecer praticamente instantaneamente.

Hora de falar sobre os diferentes tipos de rollups, porque tenho a certeza que tem dúvidas.

Rollups otimistas explicados

O Optimism e o Arbitrum são implementações muito populares de rollups otimistas, mas algumas outras soluções notáveis ​​são a Base, a Metis e a Cartesi.

Algumas outras soluções notáveis ​​são a Base, a Metis e a Cartesi.

Os rollups otimistas são uma categoria de solução de escalonamento da Camada 2 destinada a aumentar a taxa de transferência do Ethereum, executando transações fora da cadeia.

Os rollups otimistas consideram as transações como válidas por defeito e, portanto, o nome "otimista" para se referir a este método de verificação.

Em vez de verificar todas as transações na cadeia, os rollups otimistas apenas reportam um resumo em lote de uma transação para a Camada 1 do Ethereum, aliviando a carga computacional e de armazenamento da Camada 1 e diminuindo a carga computacional e de armazenamento da Camada 1. Isto é bastante diferente dos zk-rollups, que dependem de provas criptográficas para verificar a validade das transações. O modelo de segurança dos rollups otimistas baseia-se em provas de fraude, com os utilizadores capazes de contestar transações fraudulentas num período de disputa. Depois de as transações serem liquidadas off-chain, existe um período de tempo — normalmente várias semanas — antes, em que qualquer pessoa pode contestar uma transação pouco clara, fornecendo uma prova de fraude. Ao encontrar a fraude, o sistema reexecuta a transação para verificar se foi legítima ou não. Equilibra a escalabilidade e a segurança ao permitir que a maioria das transações ocorra sem verificação direta, mas com meios para desfazer atividades maliciosas. Os rollups otimistas como o Arbitrum e o Optimism oferecem benefícios de escalabilidade através da redução das taxas de gás e de uma maior capacidade de transações, sendo, por isso, ideais para dApps otimizados para reduzir as taxas de gás e expandir a capacidade de transações. A desvantagem está na forma de um tempo de finalização mais longo devido ao período de desafio, tornando-o menos ideal para operações com tempo limitado.

ZK Rollups: Uma Análise Profunda

Os rollups de conhecimento zero (ZK) oferecem uma solução de ponta para o dimensionamento, aproveitando provas criptográficas para validação e eficiência de transações, especialmente para Ethereum. Ao contrário dos rollups otimistas, que assumem que as transações são válidas até que seja estabelecido o contrário, os rollups ZK utilizam provas criptográficas para garantir que todas as transações dentro de um lote são realmente válidas. A utilização de provas criptográficas torna os rollups ZK uma escolha segura e robusta, especialmente para utilização em que a imediatez e a finalidade de alta confiança são importantes. A operação dos rollups ZK envolve uma série de etapas principais. Em primeiro lugar, à semelhança dos rollups otimistas, os rollups ZK executam transações fora da cadeia. A distinção, no entanto, reside na abordagem pela qual autenticam estas transações: os rollups ZK generate provas de validade (zk-SNARKs) das transações em lotes, permitindo a verificação da integridade antes de serem enviadas para a cadeia principal. De seguida, para um lote de transações, os rollups ZK geram uma breve prova criptográfica denominada zk-SNARK (Argumento de Conhecimento Sucinto e Não Interativo de Conhecimento Zero). A prova verifica a exatidão de todas as transações dentro de um lote sem expor qualquer informação subjacente e sem exigir que a blockchain principal valide cada transação

Depois de o zk-SNARK ser gerado, apenas a prova e um pequeno segmento de dados específicos do lote precisam de ser enviados para a blockchain principal.

Isto reduz a quantidade de dados e as taxas de gás para o processamento de transações.

Após a publicação, o blockchain principal verifica a prova do zk-SNARK em relação aos dados fornecidos.

Se tudo estiver correto, todo o lote será considerado válido sem qualquer verificação adicional, resultando numa finalização quase instantânea.

Este mecanismo de verificação rápida melhora muito a experiência do utilizador, especialmente nos casos de utilização em que o tempo é crítico.

Em termos de segurança e confiança, os rollups ZK herdam a segurança da blockchain base da Camada 1 (por exemplo, Ethereum) e gozam de um elevado nível de confiança na correção das transações devido às provas criptográficas. Esta abordagem diminui a possibilidade de fraude que pode ocorrer durante o período de desafio dos rollups otimistas.

As vantagens dos rollups ZK são consideráveis. Melhoram muito a escalabilidade através de um grande multiplicador na taxa de transferência de transações com custos de gás reduzidos, uma vez que comprimem efetivamente várias transações numa única prova. Com a finalidade quase instantânea possibilitada pelos zk-SNARKs, são especialmente ideais para aplicações em que as transações precisam de ser confirmadas imediatamente, como pagamentos e negociações. Além disso, os rollups ZK reforçam o anonimato do utilizador, uma vez que os detalhes de transações específicas são ocultados nas provas apresentadas à blockchain principal e, consequentemente, são adequados para aplicações com requisitos de confidencialidade. As ofertas populares de zk rollup, como o zkSync e o StarkWare, tornaram-se parte do ecossistema Ethereum devido à sua eficiência. Estas ofertas ganharam força no ecossistema Ethereum por serem eficientes e empregarem tecnologia de conhecimento zero de última geração. As taxas de gás dos zk-rollups como o zkSync, em outubro de 2024, variam entre 0,001 ETH e 0,005 ETH, o que é um grande argumento de venda para os utilizadores que procuram poupar dinheiro enquanto realizam transações a uma taxa mais rápida.

O conceito L2-MEV

MEV, ou Valor Máximo Extraível, é o lucro obtido pela reordenação de transações em redes blockchain. Desde que foi formalmente definido no artigo "Flash Boys 2.0" em 2019, o MEV tem sido um tópico importante, principalmente com o advento de soluções de L2, como os rollups. O MEV é o que os bots de arbitragem tentam extrair nas transações DEX, e os mineiros e validadores podem acumular lucros de transações reordenadas. O sequenciador também desempenha um papel dominante na extração de MEV em rollups, gerindo a ordenação de transações e o envio de blocos para a Camada 1. E o problema é que a maioria dos rollups existentes da Camada 2 do Ethereum tem um único sequenciador centralizado a dominar a ordenação de transações. O sequenciador centralizado tem um grande controlo sobre a extração de MEV, afetando a ordem das transações e os lucros. Mas o tamanho do MEV extraível varia entre rollups com base no mecanismo de sequenciação. No sistema "Primeiro a Chegar, Primeiro a Ser Servido" da Arbitrum, a ordenação das transações ocorre pela ordem de receção, havendo menos espaço para manipulação de MEV.

O sequenciador do Optimism, no entanto, possui um maior grau de controlo de ordem de transações, permitindo uma maior flexibilidade para a extração de MEV.

Ainda assim, o Otimismo tem verificações, ou seja, janelas de tempo para publicar transações, que restringem o sequenciador de exercer esse poder ao máximo.

Com o roadmap orientado para rollups do Ethereum, olhando para o futuro em que 99% de todas as coisas acabarão por acontecer em L2s à medida que os rollups tomam forma completa, implementar rollups com mecanismos para reduzir a corrida de extração de MEV será crucial para garantir justiça e eficiência na rede.

Impacto do L2-MEV no Ethereum

A adoção da Camada 2 alterou o ecossistema Ethereum, especialmente como ocorre a dinâmica do Valor Máximo Extraível (MEV). Com o Ethereum a avançar com os rollups, a dinâmica de sequenciação de transações e extração de MEV muda para estas redes L2, onde os sequenciadores, sejam centralizados ou descentralizados, controlam a ordem das transações. Isto cria uma série de implicações para o Ethereum como um todo:

1. Escalabilidade com compensações

Soluções de nível 2, como o Optimism e o Arbitrum, aumentam consideravelmente a escalabilidade do Ethereum ao eliminar a sua blockchain de nível 1. No entanto, a centralização de sequenciadores dá origem a um estrangulamento no qual o potencial de extração de MEV pode aumentar. O roteiro centrado no rollup do Ethereum oferecerá certamente maior escalabilidade, mas interrompe o equilíbrio com a sequenciação justa de transações.

Os sequenciadores centralizados sem restrições podem tirar partido da ordenação de transações à custa do espírito de descentralização do Ethereum, potencialmente elevando os preços ou favorecendo certas transações, sacrificando o espírito descentralizado do Ethereum.

2. Descentralização de Sequenciadores

Um dos esforços existentes contra a extracção de MEV é a descentralização da função do sequenciador. A implementação de protocolos de sequenciação descentralizada ou de sistemas de sequenciadores competitivos pode contrariar os ataques de MEV e estar em linha com as metas de descentralização do Ethereum. Os rollups podem potencialmente reduzir o abuso de MEV. Isto é especialmente significativo porque o Ethereum está cada vez mais aberto às tecnologias L2. A descentralização estaria alinhada com o objetivo de longo prazo da Ethereum de descentralização e aumentaria a segurança global na rede.

3. Incentivos Económicos e Leilões de MEV

À medida que o MEV se torna mais predominante, já existem algumas L2 a testar leilões de MEV, em que o lucro da extração de MEV regressa aos validadores ou utilizadores finais, em vez de ser colhido pelo sequenciador. Este protocolo poderia redistribuir os incentivos económicos para despriorizar os efeitos negativos do MEV, pelo que o valor regressaria ao ecossistema Ethereum como um todo, em vez de se concentrar apenas em alguns.

4. Experiência do utilizador e taxas de gás

A extração de L2-MEV pode levar a taxas de transação mais elevadas e a um atraso na finalização, particularmente em rollups com sequenciadores centralizados que podem reordenar as transações para obter lucro, particularmente em rollups com sequenciadores centralizados que podem reordenar as transações para obter ganho financeiro. Por outro lado, rollups mais descentralizados ou mais desenhados que minimizem a extração de MEV podem proporcionar uma experiência de menor custo, menor latência e mais segura.

Os preços mais baixos do gás em L2s também podem permitir ao Ethereum alcançar uma adoção mais ampla, mas o desafio é como garantir a justiça na ordenação das transações entre estas soluções.

5. Considerações de segurança

Quanto mais transações forem processadas na Camada 2, mais a segurança do Ethereum dependerá das técnicas de gestão de MEV nos rollups da Camada 2. Os rollups construídos de forma maliciosa que facilitam a extração excessiva de MEV podem diminuir a confiança na rede, enquanto os rollups com provas de fraude/validade, sequenciadores descentralizados e limites de MEV melhorarão a segurança e a descentralização do Ethereum.

Especificamente, embora as soluções de nível 2, como os rollups, forneçam um caminho atraente para a escalabilidade do Ethereum, criam novos problemas de Ethereum L2-MEV. O sucesso do futuro baseado em rollup do Ethereum depende da resolução destes problemas através da descentralização, abertura e reequilíbrio económico, tornando o Ethereum escalável e justo.