Soluções de Escalabilidade: O que São os Protocolos de Camada 1 e Camada 2

Nos últimos anos, as indústrias de cripto e blockchain passaram por um verdadeiro boom, e o número de usuários e transações também cresceu significativamente. Embora ninguém possa negar a natureza revolucionária da tecnologia, ela começou a enfrentar problemas de escalabilidade — a capacidade do sistema de crescer com o aumento da demanda.

Para Que Servem as Soluções de Escalabilidade?

Descentralização significa que o poder de computação e o consenso são distribuídos pela rede, enquanto a segurança reflete a defesa da blockchain contra malfeitores e ataques de hackers. Ambas as características são consideradas essenciais para redes blockchain. 

Sistemas descentralizados altamente seguros frequentemente enfrentam problemas de throughput de transações, o que criou um problema conhecido como Trilema da Blockchain. Ele afirma que alcançar simultaneamente altos níveis de segurança, descentralização e escalabilidade é quase impossível e que as redes blockchain, na prática, conseguem no máximo atingir dois desses três fatores. 

Mas há muitos desenvolvedores trabalhando para superar esse problema, e eles já alcançaram resultados significativos. As melhorias de escalabilidade em redes blockchain podem ser categorizadas em soluções de Layer-1 e Layer-2. Cada uma delas tem um mecanismo diferente, suas próprias vantagens e complicações. 

A Importância das Soluções de Escalabilidade

Embora a blockchain seja uma forma mais justa e segura de possuir e gerenciar dinheiro, as instituições financeiras centralizadas são muito mais eficientes em termos de throughput. Por exemplo, a Visa ostenta 65 mil transações por segundo, enquanto para o Bitcoin esse número é apenas 7 e, para o Ethereum, 15. 

Para competir com os sistemas centralizados de processamento de pagamentos, as redes blockchain precisam ser mais escaláveis para acomodar números crescentes de usuários, transações e dados. Se nada for feito, as blockchains ficarão congestionadas com transações presas uma atrás da outra. O sistema não conseguirá processar todas elas ao mesmo tempo, e isso criará desigualdade na experiência do usuário. 

O que é Blockchain Layer-1?

As soluções de escalabilidade de Layer-1 focam em melhorias on-chain. Elas modificam o protocolo básico e a arquitetura da rede para oferecer um melhor throughput. Por exemplo, Bitcoin, Ethereum, Binance Smart Chain e Litecoin são redes blockchain de Layer-1. A solução de escalabilidade de Layer-1 aprimora a camada base, ou o próprio protocolo.

Sharding

O sharding foi adaptado de bancos de dados distribuídos e tornou-se a solução de escalabilidade de Layer-1 mais popular. No sharding, toda a rede blockchain é dividida em partes, ou conjuntos de dados, chamados shards, tornando mais fácil para os nós manterem os shards do que toda a rede. Todos os shards são processados ao mesmo tempo, permitindo trabalho sequencial em inúmeras transações. 

Cada nó também é atribuído a diferentes shards. Os shards individuais fornecem provas à mainchain e interagem entre si por meio de protocolos de comunicação entre shards para compartilhar endereços, estados gerais e saldos. 

Ethereum 2.0, a nova versão da blockchain Ethereum, implementa sharding como solução de escalabilidade.

Outra blockchain de Layer-1 que usa sharding é Elrond. Ela conseguiu atingir um throughput de 100 000 TPS (transações por segundo) por meio de Adaptive State Sharding e de um mecanismo de consenso Proof-of-Stake seguro. 

A rede blockchain Harmony é outro exemplo de projeto que aplica shards para alcançar maior escalabilidade. Ela se concentra no uso de prova de conhecimento zero e Organizações Autônomas Descentralizadas. 

Melhorias no Mecanismo de Consenso

Alguns mecanismos de consenso são mais eficientes do que outros. Por exemplo, o Proof-of-Work usado por Bitcoin, Ethereum, Litecoin, Doge etc. oferece um alto nível de descentralização e segurança. Mas, ao mesmo tempo, é bastante lento, o que faz com que muitos desenvolvedores escolham Proof-of-Stake ao desenvolver redes. 

Até mesmo blockchains existentes podem mudar o mecanismo de consenso, e o melhor exemplo é o Ethereum, que planeja migrar para o mecanismo de consenso Proof-of-Stake para aumentar a capacidade e a descentralização da blockchain, mantendo ainda um alto nível de segurança. 

De modo geral, hoje as blockchains de Layer-1 e Layer-2 mais avançadas adotam um mecanismo de consenso Proof-of-Stake ou suas variações. Como ele elimina a necessidade de os computadores competirem para validar, o PoS já oferece mais espaço para escalabilidade.

A blockchain Kava pode ser um bom exemplo de uma rede de Layer-1 que alcança escalabilidade usando um algoritmo de consenso Tendermint Proof-of-Stake para melhorar as transações na co-chain EVM. 

Solana é considerada um protocolo blockchain de Layer-1 de nova geração que usa um novo e promissor mecanismo de consenso Proof-of-History e conseguiu aumentar significativamente o throughput para mais de 3000 transações por segundo. 

Outras soluções de Layer-1, um pouco menos populares, para cripto incluem reparameterização e a criação de estruturas de dados alternativas. A principal vantagem de todos esses métodos é que eles fornecem os aprimoramentos em grande escala mais eficazes.

Os Problemas das Soluções de Layer-1 

Um dos principais problemas da solução de Layer-1 é que o validador da rede precisa concordar com a mudança por meio de um fork duro. E isso nem sempre é tão fácil, porque em alguns casos eles teriam prejuízo. Por exemplo, quando a blockchain migra de Proof-of-Work para Proof-of-Stake, os mineradores perderão renda e podem negar a necessidade de escalabilidade. 

O que é Blockchain Layer-2?

A solução de Layer-2 foca na criação de uma solução off-chain, executando uma blockchain paralela ou construindo uma rede de terceiros sobre a original. Essa segunda camada, em outras palavras, chamada de camada computacional, é usada para desobstruir a rede principal ou parental. É a forma mais fácil e rápida de melhorar a escalabilidade da blockchain.

Uma parte das transações do protocolo é transferida para a arquitetura blockchain adjacente, que processa a transação e apenas retorna à chain mãe para finalizar os resultados. Soluções de Layer-2 são frequentemente combinadas com soluções de Layer-1. 

As melhores soluções de layer-2 incluem pontes escaláveis entre chains legadas e aplicativos descentralizados, o que levou à descoberta de novas variações de PoS, como Liquid Proof-of-Stake, delegated Proof-of-Stake, Hybrid PoS e outras. 

As principais formas de aplicar soluções de Layer-2 são Nestchains, Rollups, State Channels e Sidechains. 

Nested Blockchains 

Uma blockchain aninhada geralmente é a rede adicional acima de outra blockchain. Normalmente, ela requer uma blockchain básica que define os parâmetros para uma rede mais ampla, enquanto as transações e as execuções de smart contracts ocorrem nas chains secundárias interconectadas. Múltiplas redes podem ser construídas sobre a chain principal como child chains. A chain principal delega a operação para a child chain, que a processa de forma independente da chain principal e só então a devolve à parental. A participação da chain principal só é necessária se houver uma disputa a resolver.  

Sidechains 

Uma sidechain é uma chain adicional acoplada à principal. Ela geralmente é usada para transações em grandes lotes. Sidechains usam um algoritmo de consenso independente, diferente da chain principal e desenvolvido de forma independente do zero. Esse mecanismo pode ser otimizado para velocidade e escalabilidade. A chain principal aqui mantém a segurança, confirma os lotes de transações e resolve conflitos. 

A diferença entre sidechains e state channels é o número de vias integrais. Todas as transações são registradas no ledger público e visíveis para todos os participantes. Importante: as violações nas sidechains não afetam a chain principal. 

Uma rede Plasma é um exemplo de solução de Layer-2 baseada em sidechain para Ethereum. Ela consiste em pequenas blockchains conectadas em uma estrutura semelhante a uma árvore. 

State Channels

State channels são implementados para facilitar o desempenho geral da blockchain. Eles também melhoram a comunicação bidirecional entre a blockchain e canais transacionais off-chain. Um state channel não precisa de validação pelos nós da Layer-1; em vez disso, ele usa um mecanismo de multiassinatura ou smart contract. As transações concluídas são registradas na rede subjacente. 

Exemplos de State Channels são Celer, Bitcoin Lightning e a Lightning Network do Ethereum. O principal problema com essa abordagem é que os state channels perdem certo grau de descentralização para alcançar maior escalabilidade. 

Roll-Ups 

Roll-ups executam operações de transação fora da blockchain principal, mas registram os dados relacionados na Layer-1, garantindo assim as transações na camada básica. Graças à execução no nível off-chain, as taxas diminuem. Os smart contracts rodam na Layer-1, mas executam as transações na layer 2 usando os dados da blockchain principal. Há roll-ups otimistas, que presumem que as transações estão corretas por padrão e só executam computação como contestação por meio de fraude-proof. Os zero-knowledge roll-ups executam a computação off-chain e submetem provas de validade à chain principal. 

Cartesi, Fuel Network, Optimism e Boba são blockchains de Layer-2 que usam roll-ups otimistas. Loopring, Immutable X, Starkware e Polygon Hermez são soluções de Layer-2 que usam zero-knowledge roll-ups. 

Os Problemas das Soluções de Layer-2

O principal problema da cripto Layer-2 é que a chance de perder segurança aqui é muito maior, então os usuários tendem a confiar mais facilmente em projetos resilientes como Bitcoin ou Ethereum por seus históricos de segurança. Mas agora, com mais frequência, eles vão recorrer a redes de Layer-2 devido à velocidade e ao custo das transações. Assim, os especialistas pensam que o futuro da Layer-2 está em nichos específicos, enquanto blockchains maiores continuarão dominando e focando em segurança. 

Conclusão 

A escalabilidade é o principal obstáculo no caminho da adoção global de cripto. A solução é construir blockchains que consigam lidar com o trilema da escalabilidade, ao mesmo tempo em que tentam melhorar as redes existentes para evitar o gargalo. No momento, todas as soluções possíveis podem ser divididas em Layer-1 e Layer-2. É difícil comparar soluções Layer-1 vs Layer-2, já que ambas têm prós e contras, embora seja possível que o futuro esteja na combinação das duas.