Problema de Escalabilidade da Blockchain Explicado

Na criação da tecnologia blockchain, os desenvolvedores contavam com a privacidade e o anonimato do dinheiro digital. Esse objetivo foi alcançado com a introdução do princípio de um sistema peer-to-peer — cada usuário é igual, e não existe um sistema de gestão nem um órgão de controle do dinheiro como os bancos.

Agora as criptomoedas, como tecnologia, enfrentam a próxima tarefa — alcançar uma alta velocidade de operações, comparável à da Visa e da MasterCard. O problema da escalabilidade continua sendo um dos principais obstáculos para a implementação em massa da tecnologia blockchain. Um número crescente de equipes de projetos blockchain está em busca de soluções que possam melhorar o desempenho de sua rede. Muitos afirmam já ter resolvido ou quase resolvido esse problema, mas tais declarações devem ser tratadas com ceticismo.

Objetivo Principal

Há dez anos, o Bitcoin não era popular entre os usuários. Mas então, com o passar dos anos, o aumento no número de usuários no sistema criou problemas com o poder de processamento da tecnologia. Usar criptomoeda tornou-se mais difícil devido às longas filas causadas pelas restrições ao número de pagamentos processados por segundo. Assim, o problema da escalabilidade se agravou.

Os desenvolvedores começaram a procurar ativamente mecanismos ideais para estabilizar o funcionamento. Desde então, as coins têm sido atualizadas ou separadas regularmente na ausência de compromissos. No entanto, vamos abordar as questões, uma de cada vez.

Problema de Escalabilidade: A Essência da Questão

Todas as transações do Bitcoin são feitas em blocos que recebem os dados da transação. Um bloco comporta 1 MB de informação, e a velocidade de processamento é em média de quatro pagamentos por segundo. Por outro lado, o poder de processamento dos miners é responsável pela movimentação de fundos e pela estabilidade das operações. Isso é necessário para calcular algoritmos ao criar coins e registros de transações criptografadas. A cada transação, os mineradores de moeda digital recebem uma comissão.

Aumentar o número de transações também reduz a velocidade de cada transação. Isso faz com que a blockchain não consiga lidar com um grande fluxo. Todas as transferências de criptomoedas são construídas em uma longa fila. Apenas o alto valor da comissão torna possível ter prioridade na fila. Esse fenômeno impacta a liquidez (picos de preço) da coin — para um comprador, é mais fácil usar dinheiro em espécie ou um cartão bancário, mesmo em detrimento do anonimato e da privacidade.

Nesses casos, os usuários perdem interesse e confiança na moeda, seguidos pelos miners. Como resultado, os investidores veem o risco dos investimentos e fazem os ativos caírem do valor máximo e da popularidade, enquanto os traders apostam nos movimentos de preço.

Como o Problema de Escalabilidade se Manifesta

Com a popularização do Bitcoin, o problema da escalabilidade da criptomoeda se manifestou devido ao congestionamento da rede. Por isso, ficou mais difícil usar a coin — em maio de 2017, as filas de transações chegaram a até cinco dias. Assim, surgiu a questão do equilíbrio entre velocidade e segurança das transações.

É possível analisar o problema usando um exemplo prático. Suponha que seja necessário transportar 500 toneladas de carga em um trem com vagões de capacidade de uma tonelada, com uma verificação de segurança prévia e carregamento com tempo de carregamento de 2 horas por unidade. No entanto, o custo dos serviços de transporte afeta a posição dos bens em ordem decrescente. Como resultado, os destinatários com o menor pagamento pela entrega levam pelo menos duas semanas para receber o produto final. O mesmo acontece com o Bitcoin — não é possível fazer pagamentos tão rapidamente quanto com um cartão bancário.

Com base no que foi escrito, é possível distinguir a definição do problema de escalabilidade — limitar o número de transações processadas em um determinado tempo. No entanto, a possibilidade de selecionar uma comissão paga pode aumentar a prioridade da operação na fila da blockchain, mas não resolve o problema.

A primeira coisa que vem à mente é aumentar o tamanho do bloco e o número de pagamentos processados sem medidas adicionais. Infelizmente, essa abordagem reduzirá a segurança, já que o processamento em doses de informações evita o alto risco de ataques DDoS (congestionamento intencional da rede para fins fraudulentos). O tamanho é definido para uma verificação cuidadosa dos dados. Mesmo assim, é necessário analisar em detalhes as possíveis soluções para a situação.

Como Resolver a Escalabilidade

Desenvolvedores, ativistas e cientistas começaram a procurar maneiras de resolver o problema de escalabilidade do Bitcoin. O auge e o exemplo mais marcante foi a situação descrita em 2017 com as longas filas. Foi então que a questão foi amplamente discutida na comunidade crypto. Foram destacados três conceitos para corrigir essa deficiência da blockchain:

• aumentar o tamanho do bloco, reduzindo assim a taxa dos pagamentos e aumentando a taxa de processamento de transações por segundo (TPS). Há duas desvantagens — o caminho leva à centralização da coin e ao risco de tentativas bem-sucedidas de ataques DDoS;
• processamento segmentado de informações, ou sharding. Parte das informações é exibida fora das células. Dessa forma, a blockchain é dividida em dois ou mais segmentos responsáveis por diferentes grupos de transações. Também existe o risco de ataques de hackers, já que é necessário menos poder de minerador para processar shards. Devido à separação em várias partes, as verificações de segurança exigem algoritmos leves. Assim, fraudadores podem adicionar transações falsas à rede, como no exemplo do ataque 51 ％;
• um grupo de soluções L2 para o problema de escalabilidade. A abordagem é um framework, um programa que funciona sobre a blockchain e descarrega uma rede existente. Tais conceitos diferem de on-chain (decisões dentro do sistema da coin) pela intervenção de um intermediário.

O primeiro método requer dividir a rede e criar uma nova coin. Assim, há perda do suporte à compatibilidade retroativa com a original. Ou seja, as moedas, nesse caso, deixam de ter homogeneidade. Em um ambiente criptográfico, esse fenômeno é chamado de hardfork. O Bitcoin Cash seguiu esse caminho. Como resultado da divisão, em agosto de 2017 houve a separação da primeira criptomoeda, com aumento do tamanho do bloco para 8 MB.

A segunda solução envolve a criação de sub-redes separadas do bloco com a movimentação de parte das informações além de seus limites. Nesse caso, ocorre um softfork — uma mudança no protocolo de software sem dividir a coin. Semelhante ao lançamento de um patch para um jogo de computador com complementos. Um exemplo é a atualização Segregated Witness. O tamanho do bloco aumentou para 2 MB, com parte das informações armazenada fora da cadeia principal de transações.

A solução tem desvantagens — cada shard ficará exposto ao perigo de um ciberataque. Para cada segmento desse tipo, usa-se menos poder do que por unidade.

Soluções de Segundo Nível

A arquitetura das primeiras blockchains, principalmente Bitcoin e Ethereum, não foi projetada para um grande número de transações e usuários, e por isso elas têm baixa largura de banda. Por exemplo, no Bitcoin ela é de 5 a 7 transações por segundo (TPS), e no Ethereum é de cerca de 15 TPS.

A escalabilidade pode ser aumentada alterando o código do protocolo da blockchain com funções como sharding. Mas isso leva muito tempo e pode demorar anos. Além disso, tais melhorias alteram os fundamentos da arquitetura, de modo que a comunidade do projeto nem sempre concorda em realizá-las.

As soluções L2 permitem, ao menos parcialmente, resolver o problema da baixa largura de banda e das altas taxas de transferências sem afetar o código da blockchain principal. Sua principal vantagem é a possibilidade de transferir ativos entre os endereços do "primeiro nível" enquanto se usa o "segundo nível", que pode ser tanto um protocolo off-chain separado quanto uma blockchain separada.

Quais Soluções de Layer 2 Existem para o Bitcoin?

O principal projeto L2 para a primeira criptomoeda é a Lightning Network (LN). Ela funciona em um protocolo que usa smart contracts e os chamados canais de estado. A Lightning Network foi lançada em 2015 e, desde então, vem se desenvolvendo ativamente. Até o final de maio de 2022, a capacidade total dos canais da LN достигiu 3.900 BTC.

A principal função da LN é permitir que os detentores de bitcoin façam trocas diretas sem registrar informações em seu livro-razão. Para isso, é necessário abrir um canal especial usando uma única transação on-chain e depositar bitcoins nele.

Após a ativação, o canal de pagamento permite fazer transferências off-chain, ou seja, fora da rede principal, com velocidade muito maior e taxas mais baixas. Ao contrário das transações on-chain, as transações nos canais da Lightning Network são visíveis apenas para seus usuários. Apenas os estados inicial e final das transações são registrados na blockchain principal.

Essa abordagem reduz significativamente a carga na rede principal do bitcoin: a Lightning Network é capaz de processar milhares de operações por segundo, garantindo ao mesmo tempo um alto nível de segurança do sistema.

Quais Soluções de Layer 2 Existem para o Ethereum?

Apesar de sua baixa velocidade, o ecossistema Ethereum é o mais requisitado para aplicações descentralizadas. Muitos projetos populares nas áreas de finanças descentralizadas (DeFi) e tokens não intercambiáveis (NFT) funcionam nele. Por isso, o problema da escalabilidade é especialmente agudo para o Ethereum.

Agora, várias grandes soluções L2 estão sendo desenvolvidas em paralelo ao mesmo tempo:

• Polygon (MATIC);
• Arbitrum;
• Optimism.

A principal tecnologia para o seu funcionamento são os Rollups, que possuem duas variedades principais:

• Optimistic Rollups. Com essa solução, as transações são feitas na rede L2 e depois, em grandes grupos, são combinadas em um bloco compacto, que é incluído pelos validadores na rede principal Ethereum. Os Optimistic Rollups são usados em Arbitrum e Optimism.
• ZK-Rollups. As transações na rede de segundo nível também são combinadas em pacotes e enviadas para a rede Ethereum, mas sua confirmação ocorre com a ajuda de verificadores especiais, que são provas criptográficas da validade das operações. O Polygon é implementado com base em ZK-Rollups. Essa tecnologia para escalabilidade do Ethereum é considerada pelo principal cofundador da plataforma, Vitalik Buterin.

Independentemente da solução L2, o Ethereum, como "primeira camada", assume a função de verificar transações e produzir blocos, o registro onde os estados finais são gravados e o mecanismo de consenso. Assim, o projeto não precisa criar sua própria infraestrutura.

Existem outros projetos de Layer 2. Por exemplo, em julho de 2022, a startup Matter Labs anunciou o lançamento do zkSync 2.0. Um mês depois, seu próprio protocolo, escrito na linguagem Cairo, foi lançado pelo projeto StarkWare.

Vamos Resumir

É fácil notar que, no protocolo Bitcoin, os recursos da rede são usados de forma ineficiente. Cada nó processa e transmite dados sobre um novo bloco apenas por uma pequena fração do tempo. A largura de banda da rede é utilizada plenamente apenas por alguns segundos. No restante do tempo, esse nó envia transações não confirmadas e dados de suporte. Essa observação inspirou pesquisadores a encontrar esquemas de protocolo mais eficientes que pudessem melhorar significativamente a taxa de transferência do sistema sem comprometer a segurança e a descentralização da rede.

Agora, a comunidade crypto ainda não chegou a uma única solução. Disputas continuam surgindo, novas coins são criadas e atualizações de protocolo são lançadas. Soluções eficazes já foram desenvolvidas, mas ainda existe o risco do fator humano. A questão será encerrada com o desenvolvimento da inteligência artificial como intermediária das transações.