Expansão fora da cadeia: Análise Profunda

1. A necessidade de escalabilidade

A visão futura da blockchain é alcançar descentralização, segurança e escalabilidade. Mas geralmente, só é possível satisfazer simultaneamente dois desses aspectos, o que é conhecido como o problema do triângulo impossível da blockchain. Ao longo dos anos, as pessoas têm explorado como aumentar a capacidade de processamento e a velocidade das transações da blockchain, garantindo a descentralização e a segurança, ou seja, resolver o problema de escalabilidade.

Vamos primeiro definir a descentralização, segurança e escalabilidade da blockchain:

• Descentralização: qualquer pessoa pode se tornar um nó e participar do sistema blockchain; quanto maior o número de nós, maior o grau de descentralização.

• Segurança: Quanto maior o custo para obter o controle do sistema de blockchain, maior a segurança, a cadeia pode resistir a uma maior proporção de ataques.

• Escalabilidade: a capacidade da blockchain de processar um grande número de transações.

A primeira grande bifurcação dura da rede Bitcoin surgiu devido a problemas de escalabilidade. Com o aumento do número de usuários e do volume de transações, a rede Bitcoin, com um limite de 1MB por bloco, começou a enfrentar problemas de congestionamento. Desde 2015, a comunidade Bitcoin apresenta divergências sobre a questão da escalabilidade; um lado apoia a ampliação do bloco, enquanto o outro apoia a otimização da estrutura da cadeia principal usando a solução de Segregated Witness. Em 1 de agosto de 2017, a parte que apoiava a ampliação do bloco desenvolveu um sistema cliente de 8MB e o executou, levando à primeira grande bifurcação dura do Bitcoin, que resultou no surgimento da nova moeda BCH.

A rede Ethereum também optou por sacrificar uma parte da escalabilidade para garantir a segurança e a descentralização da rede. Embora o Ethereum não limite o tamanho dos blocos como o Bitcoin, ele restringe o volume de transações ao estabelecer um limite máximo de taxa de gás por bloco, com o objetivo de alcançar um consenso sem confiança e garantir uma ampla distribuição de nós.

Desde os CryptoKitties de 2017, o verão DeFi, até o surgimento de aplicações em cadeia como GameFi e NFT, a demanda do mercado por profundidade tem aumentado constantemente, mas o Ethereum só pode processar de 15 a 45 transações por segundo. Isso resultou em um aumento constante nos custos de transação, tempos de liquidação mais longos e a maioria dos Dapps tendo dificuldades em suportar os custos operacionais, tornando toda a rede lenta e cara, necessitando urgentemente de uma solução para o problema de escalabilidade. A solução ideal de escalabilidade é: aumentar a velocidade de transação e a profundidade da rede blockchain tanto quanto possível, sem sacrificar a descentralização e a segurança.

2. Tipos de soluções de escalabilidade

Nós classificamos as soluções de escalabilidade em duas grandes categorias: escalabilidade em cadeia e escalabilidade fora da cadeia, de acordo com o critério "se altera um nível da mainnet".

2.1 Expansão em cadeia

Conceito central: solução que alcança o efeito de escalabilidade ao alterar um nível do protocolo da rede principal, sendo a principal solução atual a fragmentação.

A escalabilidade na cadeia tem várias soluções, este artigo não se aprofundará, apenas listarei brevemente duas soluções:

• A opção um é expandir o espaço do bloco, ou seja, aumentar o número de transações empacotadas em cada bloco, mas isso aumentará os requisitos para dispositivos de nós de alto desempenho, elevará a barreira de entrada para nós e diminuirá o grau de descentralização.

• A opção dois é a fragmentação, que divide o livro-razão da blockchain em várias partes, sendo que diferentes fragmentos, ou seja, diferentes nós, são responsáveis por diferentes registros contábeis. O cálculo paralelo pode processar várias transações ao mesmo tempo; isso pode reduzir a pressão computacional sobre os nós e o limiar de entrada, aumentando a velocidade de processamento de transações e o grau de descentralização; mas significa que a capacidade de cálculo da rede é dispersa, o que pode reduzir a segurança de toda a rede.

Alterar o código do protocolo da camada principal da rede pode ter efeitos negativos imprevisíveis, pois qualquer pequena vulnerabilidade de segurança subjacente pode ameaçar gravemente a segurança de toda a rede, podendo a rede ser forçada a realizar um fork ou a interromper a atualização de reparação.

2.2 fora da cadeia expansão

Conceito central: solução de escalabilidade que não altera o protocolo da rede principal de camada um existente.

O plano de escalabilidade fora da cadeia pode ser subdividido em Layer2 e outras soluções:

Layer2:

• Canais de Estado
• Plasma
• Rollups
  • Rollups Otimistas
  • ZK Rollups

Outros:

• Sidechains
• Validium

3. Plano de expansão fora da cadeia

3.1 Canais de Estado

3.1.1 Resumo

Os canais de estado estipulam que os usuários só precisam interagir com a rede principal quando o canal é aberto, fechado ou quando há uma disputa a ser resolvida, e que a interação entre os usuários deve ser feita fora da cadeia, a fim de reduzir o tempo e os custos monetários das transações, além de permitir que o número de transações não tenha limites.

Os canais de estado são protocolos P2P simples, adequados para "aplicações baseadas em turnos", como jogos de xadrez para duas pessoas. Cada canal é gerido por um contrato inteligente multi-assinatura que opera na rede principal, e esse contrato controla os ativos depositados no canal, valida atualizações de estado e arbitra disputas entre os participantes. Após o contrato ser implantado na rede blockchain, os participantes fazem um depósito de fundos e o bloqueiam; após a confirmação da assinatura de ambas as partes, o canal é oficialmente aberto. O canal permite que os participantes realizem transações fora da cadeia ilimitadas e gratuitas ( desde que o valor líquido das suas transferências não exceda o total de tokens depositados ). Os participantes enviam atualizações de estado um ao outro, aguardando a confirmação da assinatura do outro. Assim que a assinatura do outro é confirmada, a atualização de estado é considerada concluída. Normalmente, as atualizações de estado acordadas por ambas as partes não são carregadas na rede principal; apenas em caso de disputa ou ao fechar o canal é que se depende da confirmação da rede principal. Quando é necessário fechar o canal, qualquer participante pode solicitar uma transação na rede principal; se o pedido de saída receber a aprovação de todos os assinantes, a execução na cadeia ocorre imediatamente, ou seja, o contrato inteligente distribui os fundos bloqueados restantes com base nos saldos de cada participante no estado final do canal; se outros participantes não aprovaram a assinatura, todos devem esperar até o término do "período de desafio" para receber os fundos restantes.

Em suma, a solução de canais de estado pode reduzir significativamente a carga de cálculo da rede principal, aumentar a velocidade das transações e diminuir os custos das transações.

3.1.2 Linha do tempo

• 2015/02, Joseph Poon e Thaddeus Dryja publicaram o rascunho do white paper da Lightning Network.

• 2015/11, Jeff Coleman fez uma primeira síntese sistemática do conceito de State Channel, propondo que o Payment Channel do Bitcoin é um subcaso do conceito de State Channel.

• 2016/01, Joseph Poon e Thaddeus Dryja publicaram oficialmente o white paper "The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments" propondo o esquema de escalabilidade da rede Lightning do Bitcoin, Payment Channel ( canal de pagamento ), que é utilizado apenas para processar pagamentos de transferências na rede Bitcoin.

• Em 11/2017, a primeira especificação de design sobre State Channel, baseada na estrutura de Payment Channel, chamada Sprites, foi proposta.

• 2018/06, a Counterfactual apresentou um design de Canais de Estado Generalizados muito detalhado, que é o primeiro design totalmente relacionado a canais de estado.

• 2018/10, o artigo Generalised State Channel Networks apresentou os conceitos de State Channel Networks e Virtual Channels.

• 2019/02, o conceito de canais de estado foi expandido para N-Party Channels, Nitro é o primeiro protocolo construído com base nessa ideia.

• 2019/10, A Pisa, para resolver o problema de todos os participantes precisarem estar continuamente online, expandiu o conceito de Watchtowers.

• 2020/03, Hydra apresentou Canais Isomórficos Rápidos.

3.1.3 Princípios Técnicos

Fluxo de trabalho geral de canais de estado:

1. Alice e Bob depositam fundos de suas contas pessoais no endereço do contrato fora da cadeia, e esses fundos são bloqueados no contrato até que o canal seja fechado, momento em que o saldo é devolvido ao usuário; após a confirmação das assinaturas, o canal de estado entre os dois é oficialmente aberto.

2. Alice e Bob podem realizar transações ilimitadas fora da cadeia, os participantes se comunicam através de mensagens de assinatura criptografadas ( em vez de se comunicarem com a rede blockchain ). Ambos os usuários precisam assinar cada transação para evitar fraudes de gasto duplo. Através dessas mensagens, eles propõem atualizações de estado de suas contas e aceitam as atualizações de estado propostas pelo outro.

3. Se Alice quiser fechar o canal e terminar a transação com Bob, Alice precisa enviar o estado final de sua conta ao contrato. Se Bob assinar para aprovar, o contrato irá liberar os fundos bloqueados de acordo com o estado final de volta para o usuário correspondente. Se Bob não responder à assinatura, o contrato liberará os fundos bloqueados de volta para o usuário correspondente após o término do período de contestação.

3.1.4 Vantagens e desvantagens

Vantagens:

• Confirmação imediata da transação
• Alta taxa de transferência
• Baixas taxas de transação
• Proteger a privacidade

Desvantagens:

• É necessário bloquear fundos
• É necessário monitoramento online contínuo
• O limiar de infraestrutura é alto
• Não é possível realizar operações complexas
• Necessário coordenação fora da cadeia
• Não é possível suportar a colaboração entre várias partes

3.1.5 Aplicação

Rede Lightning do Bitcoin

Resumo: A Lightning Network é um canal de pagamentos de baixo valor na rede Bitcoin, cuja evolução tecnológica global passou por: a construção de um canal de pagamento unidirecional com 2/2 multi-assinaturas, a adição de RSMC que permite a construção de um canal de pagamento bidirecional, e a adição de HTLC que conecta os canais de pagamento para expandir para pagamentos entre várias pessoas, culminando na construção da rede de pagamentos, ou seja, a Lightning Network. Através de canais de pagamentos de baixo valor fora da cadeia, e utilizando intermediários para formar uma rede de transações, é possível resolver o problema de escalabilidade da rede Bitcoin. O uso geral da Lightning Network segue o fluxo "deposição ( estabelecer canal ) → transação na Lightning Network ( atualizar estado do canal ) → reembolso/ liquidação ( encerrar canal )"; teoricamente, a Lightning Network pode processar um milhão de transações por segundo.

Linha do tempo:

• Em fevereiro de 2015, Joseph Poon e Thaddeus Dryja publicaram o rascunho do white paper da Lightning Network;
• Lançamento da versão oficial do white paper em janeiro de 2016 e criação da Lightning Labs;
• Em 15 de março de 2018, a Lightning Labs lançou a primeira versão da mainnet da Lightning Network, o Lightning Network Daemon (LND) versão 0.4.
• No início de 2021, a capacidade pública da Lightning Network (TVL) era de apenas cerca de 40 milhões de dólares, com cerca de 100 mil usuários a utilizar a Lightning Network.
• Em junho de 2021, El Salvador anunciou a adoção do Bitcoin como moeda legal, e em setembro lançou a carteira Chivo baseada na Lightning Network.
• Em 2022, o Cash App e 26 plataformas de negociação de criptomoedas, incluindo OKX, Kraken e Bitfinex, anunciaram suporte para a rede Lightning, permitindo depósitos e saques de BTC instantâneos e baratos.
• Outubro de 2022, a Lightning Labs lançou um novo protocolo baseado em Taproot ------ versão alpha do Taro protocol(, atualmente em testes na rede de testes, que no futuro poderá ser usado para cunhar, enviar e receber ativos na rede Bitcoin, e realizar transações instantâneas, de grande volume e com baixas taxas através da rede Lightning.
• Em 23 de novembro de 2022, de acordo com 1ml.com, a rede Lightning tinha um total de 76.236 canais de pagamento, com um capital de 5049 $BTC)$81.8M(.

Desenvolvimento ecológico: O ecossistema da rede Lightning do BTC é composto, de baixo para cima, pela: rede BTC de base --- infraestrutura central --- várias Dapps.

Infraestrutura básica essencial inclui

• Solução de rede relâmpago: indivíduos e empresas podem executar e conectar-se a programas de software da rede relâmpago, onde a maior parte da participação no mercado é da Lightning Labs.
• Nós e serviços de liquidez: porque é complicado para os usuários executarem seus próprios nós de forma independente, é necessário fornecer uma interface mais amigável para ajudar a gerenciar canais de pagamento relâmpago.

Acima da infraestrutura básica estão vários serviços de pagamento e financeiros, bem como aplicações, por exemplo, o Strike é construído sobre a solução LND que permite aos usuários comprar e vender BTC, usar BTC para recompensar criadores no Twitter e permitir que comerciantes do Shopify aceitem BTC, entre outros.

Até novembro de 2022, o número de Dapps baseados na rede Lightning do Bitcoin aumentou para mais de 20 categorias e mais de 100 aplicações, com categorias de aplicações que incluem pagamentos na rede Lightning do Bitcoin, carteiras, gestão de nós, extensões de navegador, podcasts e streaming, entre outros. A camada base da infraestrutura relacionada a nós já está basicamente madura, o suporte a carteiras está aumentando, a integração de serviços financeiros e pagamentos continua a crescer, mais aplicações de entretenimento estão sendo construídas na rede Lightning, e o ecossistema da rede Lightning está prosperando.

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)## Rede Relâmpago do Ethereum

Resumo: Relâmpago