Análise aprofundada da modularidade: Solução plugável para os gargalos de desempenho do Blockchain

A blockchain monolítica é conhecida pela sua abrangência, assumindo de forma independente todos os aspectos da rede, desde o armazenamento de dados até a validação de transações, entre outros. Por outro lado, a blockchain modular, ao separar as diferentes funcionalidades da blockchain em módulos independentes, pode oferecer suporte de desempenho e uma experiência de utilizador fluida em funcionalidades específicas, resolvendo em certa medida o problema do "triângulo impossível".

Ethereum, como a primeira plataforma de blockchain a suportar contratos inteligentes, oferece um solo fértil para o design modular. Com o desenvolvimento da tecnologia blockchain, o ecossistema do Bitcoin também começou a explorar a possibilidade de modularidade, adicionando novos módulos para alcançar funcionalidades mais avançadas, como proteção de privacidade aprimorada, processamento de transações mais eficiente ou funcionalidades de contratos inteligentes aprimoradas.

A tecnologia modular representa uma abordagem de produto mais "soulful" e plugável, no futuro surgirão soluções de Blockchain mais flexíveis e personalizáveis, onde vários serviços e funcionalidades podem ser facilmente inseridos e removidos como blocos de Lego. Essa flexibilidade permite que os desenvolvedores construam e implantem rapidamente soluções de Blockchain de acordo com as necessidades de cenários de aplicação específicos.

Blockchain Monolítico e Blockchain Modular

Quando exploramos blockchains modulares, devemos primeiro compreender o conceito de Blockchain Monolítica. As blockchains monolíticas, como o Bitcoin e o Ethereum, são conhecidas pela sua abrangência, assumindo de forma independente todos os níveis da rede, desde o armazenamento de dados até a validação de transações e a execução de contratos inteligentes. Nesse processo, a blockchain monolítica desempenha o papel de um generalista, envolvendo-se em todos os aspectos.

Tomando o Ethereum como exemplo, uma blockchain monolítica madura pode ser geralmente dividida em quatro arquiteturas:

• Camada de Execução (Camada de Execução)
• Camada de Liquidação (Settlement Layer )
• Camada de Disponibilidade de Dados/ DA camada (Data Availability Layer)
• Camada de Consenso (Consensus Layer)

Através dessa analogia, podemos entender mais claramente como as várias arquiteturas da Blockchain trabalham em conjunto. A Blockchain monolítica é aquela que concentra todas as funções em uma única cadeia, enquanto a Blockchain modular é um novo tipo de arquitetura de Blockchain que decompõe o sistema de Blockchain em vários componentes ou camadas especializadas, cada uma responsável por lidar com tarefas específicas, como consenso, disponibilidade de dados, execução e liquidação.

Blockchains modulares são como um grupo de especialistas, focados na exploração profunda e na inovação tecnológica em suas respectivas áreas. Esse foco permite que as blockchains modulares ofereçam desempenho e experiência do usuário excepcionais em funções específicas, por exemplo, elas conseguem fornecer velocidades de processamento de transações mais rápidas a um custo mais baixo.

Em termos de arquitetura de nós, a cadeia monolítica depende de nós completos, que devem baixar e processar uma cópia completa dos dados da Blockchain. Isso não só impõe exigências mais altas em termos de recursos de armazenamento e computação, como também limita a velocidade de escalabilidade da rede. Em contraste, a Blockchain modular adota um design de nós leves, que apenas precisa processar as informações do cabeçalho do bloco, aumentando significativamente a velocidade das transações e a eficiência da rede.

Uma vantagem notável das Blockchains modularizadas é a sua flexibilidade e colaboração. Elas conseguem externalizar funcionalidades não centrais para outros especialistas, formando um efeito de sinergia que resulta em uma melhoria significativa do desempenho global. Esta filosofia de design é semelhante aos blocos de Lego, permitindo que os desenvolvedores combinem livremente diferentes módulos de acordo com as necessidades do projeto, criando soluções diversificadas.

Apesar de as cadeias monolíticas terem vantagens em termos de controle global, segurança e estabilidade, também enfrentam desafios relacionados à escalabilidade, dificuldade de atualização e adaptação a novas necessidades. As blockchains modularizadas destacam-se pela sua elevada flexibilidade e personalização, simplificando o processo de criação e otimização de novas blockchains.

No entanto, a Blockchain modular também enfrenta desafios próprios. A sua arquitetura complexa aumenta a carga de trabalho dos desenvolvedores em termos de design, desenvolvimento e manutenção. Como uma tecnologia emergente, a Blockchain modular ainda não passou por testes de segurança abrangentes e provas de volatilidade de mercado, e a sua estabilidade e segurança a longo prazo ainda precisam de mais validação.

Como a Blockchain Modular Resolve o "Triângulo Impossível"

Por que a tecnologia de blockchain modular está recebendo ampla atenção e sendo prevista como "tendência futura"? Isso está intimamente relacionado à famosa teoria do "triângulo impossível" no campo do blockchain.

A "tríade impossível" da blockchain refere-se à dificuldade de uma rede blockchain em alcançar um estado ótimo nas três propriedades centrais de segurança, descentralização e escalabilidade ao mesmo tempo.

• A escalabilidade refere-se à capacidade da rede de processar um grande número de transações e de operar de forma eficiente e a baixo custo à medida que o número de utilizadores e transações aumenta. Geralmente é medida pelo TPS (transações por segundo) e pela latência (tempo necessário para a confirmação da transação).
• A segurança envolve o custo e a dificuldade de proteger a rede Blockchain contra ataques. Por exemplo, o mecanismo POW do Bitcoin exige que os atacantes possuam mais de 51% da capacidade computacional da rede, enquanto o mecanismo POS do Ethereum requer que mais de ⅓ dos nós conspiram.
• A descentralização descreve o funcionamento da rede que não depende de um único nó central, mas é distribuído entre vários nós. Quanto mais nós houver e mais ampla for a distribuição geográfica, maior será o grau de descentralização da rede.

O ponto central do "triângulo impossível" é que é difícil para um sistema de Blockchain otimizar essas três características. Por exemplo: entre muitas blockchains públicas, o Bitcoin e o Ethereum se destacam em descentralização e segurança devido à sua ampla distribuição de nós e ao número suficiente de nós.

No entanto, eles sacrificaram uma certa escalabilidade, resultando em velocidades de transação mais lentas e taxas de transação mais altas: o tempo de criação de blocos do Bitcoin é de cerca de 10 minutos, enquanto o TPS do Ethereum é de aproximadamente 13; durante picos de volume de transações, as taxas de transação do Ethereum podem chegar a centenas de dólares.

É neste contexto que a tecnologia de blockchain modular surgiu, resolvendo os desafios de escalabilidade e custo de transação das blockchains tradicionais ao atribuir diferentes funções a módulos especializados. Por exemplo, a Lightning Network do Bitcoin e a tecnologia Rollup do Ethereum são ambas manifestações do pensamento modular.

As vantagens da blockchain modular residem na sua arquitetura em camadas, permitindo que cada camada seja otimizada para necessidades específicas. A camada de dados pode concentrar-se no armazenamento e validação de dados, enquanto a camada de execução pode tratar da lógica dos contratos inteligentes. Esta separação não só melhora o desempenho e a eficiência, mas também promove a interoperabilidade entre diferentes blockchains, fornecendo uma base para a construção de um ecossistema aberto e interconectado.

Em suma, a tecnologia de blockchain modular oferece uma nova abordagem para resolver as limitações das blockchains públicas tradicionais. Ela alcança maior escalabilidade e custos de transação mais baixos, mantendo a descentralização e a segurança, o que tem um impacto profundo na ampla aplicação e desenvolvimento a longo prazo da tecnologia blockchain.

Classificação da Blockchain Modular

As blockchains modularizadas, de acordo com suas características de arquitetura, podem ser classificadas em diferentes tipos. Dentre esses tipos, a camada de disponibilidade de dados e a camada de consenso, devido à sua estreita interdependência, costumam ser projetadas como um todo unificado. Isso ocorre porque, quando os nós recebem os dados das transações, geralmente também determinam a ordem das transações, que é o núcleo da segurança e da imutabilidade do blockchain.

Com base neste princípio de design, podemos entender os diferentes projetos de blockchain modular a partir de três aspectos: a camada de execução, a camada de disponibilidade de dados e a camada de consenso e a camada de liquidação.

Camada de Execução

A tecnologia Layer 2, como uma extensão da camada de execução na arquitetura blockchain, é uma manifestação do conceito de blockchain modular. Ela se dedica a melhorar a escalabilidade da cadeia principal, construindo redes, sistemas ou tecnologias fora da cadeia subjacente.

As soluções Layer 2 permitem um processamento de transações mais rápido e eficiente em termos de custo, mantendo a segurança e a descentralização da blockchain subjacente. De acordo com o painel dune criado por @0xning, pode-se ver que a proporção de gas consumido nas validações e liquidações do Layer 2 na ecologia Ethereum é, em média, inferior a 10%, economizando significativamente nos custos de transação dos usuários.

A tecnologia Rollup é atualmente a solução mais popular de Layer 2, e sua ideia central é "execução fora da cadeia, validação na cadeia", realizando cálculos e outras tarefas fora da cadeia e, em seguida, enviando os dados de calldata de volta para a mainnet.

Execução off-chain

No modelo Rollup, as transações são executadas fora da cadeia, enquanto a blockchain subjacente é responsável apenas por validar as provas de transação nos contratos inteligentes e armazenar os dados das transações originais. Este design alivia significativamente a carga computacional da cadeia principal, reduzindo as necessidades de armazenamento, permitindo assim um processamento de transações mais eficiente.

Para reduzir ainda mais os custos, o Rollup utiliza a tecnologia de empacotamento de transações. Pode-se compará-lo ao agrupamento de mercadorias na logística; enviar cada mercadoria individualmente geraria altos custos de transporte. A tecnologia Rollup, ao agrupar várias transações, exige apenas um "transporte", reduzindo assim significativamente o custo de cada transação.

Verificação em Blockchain

A verificação na cadeia é a chave para a segurança das redes Layer 2. As redes Layer 2 devem fornecer provas criptográficas para resolver potenciais divergências na blockchain subjacente. Atualmente, os dois mecanismos de prova mais populares são a prova de erro e a prova de validade, que sustentam, respetivamente, os Optimistic Rollups e os ZK Rollups.

Prova de erro de Rollups otimistas

As Rollups Otimistas adotam uma suposição otimista de que todas as transações são válidas por padrão, a menos que haja evidências claras de erro. Esse modelo depende da prova de erro (prova de fraude) durante o período de contestação, onde qualquer participante da rede pode apresentar provas para contestar o estado do contrato inteligente, garantindo a justiça e transparência da rede.

De acordo com os dados da L2BEAT, atualmente existem 16 Layer 2 que utilizam o mecanismo de Optimistic Rollups, como: Arbitrum, OP, Base, Blast, entre outros.

Prova de validade dos ZK Rollups

Ao contrário dos Optimistic Rollups, os ZK Rollups adotam uma abordagem mais cautelosa, exigindo que todas as transações sejam validadas antes de serem aceites. Este mecanismo de prova é semelhante a um processo de verificação, garantindo que cada transação e cálculo na rede de Layer 2 sejam precisos.

Em resumo, a prova de validade é a pedra angular dos ZK-Rollups, exigindo que cada lote de transações venha acompanhado da respectiva prova, garantindo que os contratos inteligentes na blockchain subjacente possam verificar e aprovar as mudanças de estado. Para os nós de validação, os ZK Rollups oferecem um mecanismo de liquidação sem erros, uma vez que cada transação deve passar por uma rigorosa validação de validade.

De acordo com os dados da L2BEAT, atualmente existem 11 Layer 2 que utilizam o mecanismo ZK Rollups, como: Linea, Starknet, zkSync, entre outros.

Camada de disponibilidade de dados e camada de consenso

A Celestia, como pioneira no campo das Blockchains modular, é essencialmente uma camada de disponibilidade de dados, proporcionando uma base sólida para o desenvolvimento de dApps e Rollups. Ao implantar na camada de disponibilidade de dados e na camada de consenso da Celestia, os desenvolvedores de aplicativos podem se concentrar na otimização da lógica de execução, enquanto deixam a complexidade da disponibilidade de dados e do mecanismo de consenso para a Celestia.

O design da arquitetura da Celestia oferece soluções diversificadas para a expansão modular, e sua arquitetura é composta principalmente por três tipos:

• Rollup Soberano: Celestia fornece a camada de disponibilidade de dados e a camada de consenso, enquanto a camada de liquidação e a camada de execução são fornecidas por seus próprios soberanos.