Top 10 Soluções de Escalabilidade para Redes Blockchain

Os desenvolvedores de aplicativos descentralizados ampliam as possibilidades das blockchains com soluções inovadoras de escalabilidade. Eles buscam formas de atender à demanda e reduzir o congestionamento da economia digital. Processar volumes muito grandes de transações exige conciliar capacidade, segurança e participação na rede.

As Abordagens Variadas

As abordagens vão de alterações no código do protocolo à construção de camadas adicionais sobre a rede. A seguir, apresentamos onze estratégias de escalabilidade para blockchains.

Novos Mecanismos de Consenso

Uma abordagem é mudar o mecanismo de consenso. O Bitcoin continua utilizando prova de trabalho (PoW), enquanto o Ethereum passou de PoW para prova de participação (PoS) em setembro de 2022. O PoS substitui a mineração por validadores que colocam ativos em garantia e reduz o consumo energético. A capacidade de processamento, porém, também depende de outros aspectos do projeto da rede.

No staking, participantes comprometem tokens com a segurança da rede e podem receber recompensas. Não é necessário comprar equipamentos de mineração. A participação pode ocorrer pela operação de um validador, pelo uso de um serviço ou por delegação, conforme as regras da rede. Operar um nó próprio exige conhecimentos técnicos, e as recompensas dependem do cumprimento das tarefas e dos riscos do protocolo ou do prestador.

A prova de participação delegada (DPoS) é uma variação do PoS. Os detentores de tokens escolhem representantes ou produtores de blocos, permitindo participar sem operar um validador próprio. Um conjunto menor de produtores pode facilitar a coordenação e melhorar o desempenho, mas também concentra influência. O processo de escolha e as garantias de segurança variam conforme o protocolo.

Protocolos de segunda camada

Soluções de segunda camada, ou layer 2, processam transações fora da blockchain básica e recorrem a ela para liquidação ou segurança. Exemplos são a Lightning Network do Bitcoin e o Fuel V1, um rollup lançado no Ethereum em 2020.
Transferir a computação para fora da rede principal reduz sua carga. Rollups e canais de pagamento são soluções de segunda camada. Sidechains também podem ampliar a capacidade, mas têm consenso e segurança próprios e não herdam automaticamente as garantias da blockchain básica.

Uma sidechain funciona em paralelo à blockchain básica e pode executar contratos inteligentes com seus próprios validadores. Canais de pagamento como os da Lightning permitem muitos pagamentos fora da cadeia. A abertura e o encerramento do canal são liquidados no Bitcoin, sem publicar cada pagamento intermediário. O sucesso dos pagamentos depende da capacidade dos canais, da liquidez e da disponibilidade de rotas.
Soluções de segunda camada podem apresentar concentração em grandes nós de roteamento, sequenciadores ou serviços de custódia. Entretanto, o roteamento não custodial da Lightning utiliza condições criptográficas: os intermediários não precisam assumir a propriedade dos fundos. Um nó pode recusar o encaminhamento, mas não pode se apropriar do pagamento apenas por participar da rota.

Bifurcações incompatíveis ou hard forks

Um hard fork altera as regras de consenso de forma incompatível com as regras anteriores. Os nós que seguem as novas regras precisam atualizar seu software. Se parte da comunidade mantiver as regras antigas, duas cadeias podem continuar separadamente. Nem todos são obrigados a abandonar a rede original ou interromper sua mineração. Divergências sobre a mudança podem tornar esse processo controverso.

Os projetos podem usar mecanismos de governança comunitária para discutir mudanças e reduzir conflitos. Organizações autônomas descentralizadas (DAOs) permitem que seus membros apresentem propostas e votem. Esses procedimentos ajudam na tomada de decisões, mas não garantem que uma rede nunca se divida.

Rollups com provas de conhecimento zero

Uma prova de conhecimento zero permite demonstrar a veracidade de uma afirmação sem revelar todas as informações que a sustentam. Em um ZK-rollup, provas de validade demonstram a execução correta de um lote de transações fora da cadeia. Rollup significa agrupar transações em lotes, não necessariamente em um único bloco. A técnica não torna automaticamente todas as transações anônimas.

O processamento na segunda camada reduz a carga da rede principal. Dados comprimidos das transações ou do estado e provas de validade são enviados à blockchain básica. A segurança também depende da disponibilidade dos dados necessários e da implementação correta do protocolo.

Os operadores do rollup agrupam as transações e produzem as provas. Contratos inteligentes na blockchain básica verificam essas provas e aceitam as atualizações de estado. Em 2023, rollups do Ethereum publicavam os dados necessários, por exemplo, como calldata. Isso permite aumentar a capacidade sem executar novamente cada transação na rede principal.

Rollups otimistas

Um rollup otimista presume inicialmente que o resultado de um lote está correto. Em seguida, existe um prazo para contestar uma atualização incorreta com uma prova de falha. As regras e permissões de contestação dependem da implementação.
Rollups otimistas podem executar contratos inteligentes complexos e usar ferramentas compatíveis com o Ethereum. Optimism e Arbitrum eram exemplos conhecidos em 2023. Essa capacidade também existe em soluções ZK: redes compatíveis com a EVM, como a Polygon zkEVM, já haviam sido lançadas naquele ano.

Fragmentação ou sharding

Sharding divide um banco de dados ou o estado de uma rede em partes menores que podem ser armazenadas e processadas em paralelo. A técnica é usada em bancos de dados distribuídos e blockchains. O Bigtable do Google é um exemplo de armazenamento distribuído, e não deve ser confundido com a própria origem de toda essa abordagem.

Uma analogia é imaginar um espelho dividido em fragmentos, cada um sob responsabilidade de servidores ou grupos de nós diferentes. O armazenamento e a computação podem ser distribuídos entre participantes. Os ganhos dependem da comunicação entre fragmentos e da estrutura da aplicação; a capacidade não cresce de forma ilimitadamente linear.

Redes fragmentadas podem processar tarefas independentes em paralelo. Seus desafios incluem transações entre fragmentos, disponibilidade de dados e segurança de cada parte. A divisão do trabalho pode ocorrer dentro da própria rede, sem depender necessariamente de serviços externos à cadeia.

Segregated Witness (SegWit)

O SegWit foi apresentado para o Bitcoin em 2015 e ativado em 2017. Pieter Wuille e outros desenvolvedores da Blockstream e do Bitcoin Core contribuíram para seu desenvolvimento. Segregated Witness separa dados de testemunha, como assinaturas, da estrutura básica das transações e muda a forma de contabilizá-los no peso do bloco.

Os dados de testemunha continuam fazendo parte dos dados completos do bloco; não são apenas removidos temporariamente durante a computação. O SegWit atribui peso menor aos bytes de testemunha do que aos dados básicos. O limite de quatro milhões de unidades de peso permite, assim, uma capacidade maior de transações.

O SegWit também corrigiu problemas de maleabilidade dos identificadores de transação, facilitando a construção de canais de pagamento como os da Lightning. Os tokens BRC-20 que se difundiram em 2023 estão relacionados às inscrições Ordinals e ao uso de dados de testemunha possibilitado pelo SegWit e pela posterior atualização Taproot.

Design Modular

Uma blockchain monolítica procura executar suas funções principais na mesma rede básica. Uma arquitetura modular distribui algumas dessas funções entre sistemas ou camadas diferentes.
Essas funções incluem execução de transações, consenso, disponibilidade de dados e liquidação final. Em uma rede monolítica, muitos nós repetem o mesmo trabalho computacional. Isso favorece a verificação, mas pode limitar a capacidade.

Escalabilidade modular

Um sistema modular pode transferir a execução de contratos inteligentes para uma camada distinta e deixar a liquidação ou a disponibilidade de dados em outra. A EVM do Ethereum é o ambiente de execução da própria rede básica, não uma rede independente de escalabilidade. Rollups são um exemplo de execução separada apoiada no Ethereum.

Soluções modulares permitem que os componentes se especializem em tarefas específicas. Padrões comuns e ferramentas prontas podem facilitar o desenvolvimento e a implantação de aplicativos. O desempenho e a segurança continuam dependendo da implementação de cada rede.

A rede principal da SKALE foi lançada em 2020. Sua arquitetura multicadeia permite que desenvolvedores utilizem cadeias adaptadas às suas aplicações. A SKALE V2 ampliou posteriormente a interoperabilidade com cadeias interconectadas e hubs. A SKALE é um exemplo de solução que combina várias cadeias e divisão de funções.

Tamanho do Bloco

Antes de as soluções de segunda camada se difundirem, o aumento do tamanho dos blocos já era debatido como forma de elevar a capacidade. O tamanho de um bloco corresponde à quantidade de dados que ele contém.

O limite antigo do Bitcoin era de um megabyte por bloco. Após o SegWit, a capacidade é limitada pela regra de quatro milhões de unidades de peso. A quantidade de transações por segundo depende, entre outros fatores, do tamanho e da estrutura de cada transação. Dobrar o espaço disponível não garante uma passagem fixa de sete para quatorze transações por segundo.

O Bitcoin Cash surgiu da separação do Bitcoin em 2017, apoiada por defensores de blocos maiores. Seu limite foi elevado de oito para 32 megabytes em maio de 2018. Blocos maiores podem aumentar a capacidade, mas também exigem mais largura de banda, armazenamento e recursos de hardware dos nós. Isso pode dificultar a participação de operadores menores e favorecer a concentração.

Grafos Acíclicos Direcionados (DAG)

Um DAG é um grafo em que seguir as conexões direcionadas não permite retornar ao ponto de partida. Seus nós podem representar transações ou blocos, com vários ramos paralelos. Nem todas as transações se comunicam diretamente entre si, e o grafo não precisa ter a estrutura de uma árvore.

Em blockchains tradicionais, alguns blocos válidos encontrados quase simultaneamente ficam fora da cadeia escolhida. Blocos maiores ou intervalos menores entre blocos podem aumentar essa ocorrência se a propagação dos dados pela rede não acompanhar o ritmo.

Um blockDAG pode incorporar blocos produzidos em paralelo e determinar sua ordem por regras de consenso. Cada bloco pode referenciar vários blocos anteriores. Isso pode reduzir o desperdício do trabalho paralelo e elevar a capacidade. Um DAG também pode funcionar com prova de trabalho; a estrutura de dados, por si só, não substitui o consenso.

Redes Hashgraph

O Hashgraph usa uma estrutura de eventos baseada em DAG em vez de uma cadeia linear de blocos. Os nós compartilham transações e informações sobre comunicações anteriores pelo método gossip about gossip. Esse histórico permite calcular votos virtuais e chegar a um consenso sobre a ordem final das transações.
O método atribui carimbos de tempo definidos por consenso, sem depender de um serviço externo de ordenação. Os recursos de privacidade variam conforme a aplicação e a implementação. A Hedera é um exemplo conhecido de rede que utiliza Hashgraph. Em 2023, seus nós de consenso eram operados por membros autorizados do conselho, com um modelo de participação e governança diferente da mineração aberta do Bitcoin.

Blockchains Precisam de Escalabilidade para Sobreviver

Os desenvolvedores de blockchain continuam melhorando a capacidade e as funcionalidades das redes. As abordagens apresentadas são opções importantes, mas não as únicas. Novas soluções podem surgir à medida que a adoção se amplia. O desempenho precisa ser avaliado em conjunto com segurança, descentralização e usabilidade.