Ethereum Layer 2 Scaling Technologies Explained

A tecnologia de escalonamento da Camada 2 é essencial devido a várias limitações inerentes às redes da Camada 1, como o Ethereum. Compreender por que precisamos de soluções de escalonamento da Camada 2 requer uma análise detalhada dos desafios subjacentes que elas visam resolver.

Um dos problemas principais do Ethereum é sua capacidade limitada de processar apenas cerca de 15 a 30 transações por segundo (TPS). Essa limitação decorre do tamanho do bloco e do tempo de bloco, que são projetados para manter a segurança e a descentralização da rede, mas ao custo da velocidade.

Quando os limites superiores das capacidades de uma blockchain da Camada 1 estão sendo testados e o tráfego está saturado, os usuários precisam pagar taxas de gás mais altas (taxas de transação). Isso pode tornar o uso do Ethereum e de outras blockchains EVM proibitivamente caro, especialmente para transações menores, comprometendo a proposta de uma economia descentralizada ao limitar efetivamente o acesso à rede durante períodos de congestionamento apenas àqueles que podem arcar com os custos.

A congestão na rede não apenas aumenta os custos das transações, mas também leva a tempos de processamento mais lentos e à formação de filas de transações de usuários. Isso pode resultar em uma experiência de usuário terrível, no mínimo, e ruína financeira desastrosa nos piores cenários. Por exemplo, quando as transações ficam 'presas' devido a custos temporariamente elevados de gás, os usuários frequentemente tentam reenviá-las, levando à duplicação e a possíveis consequências não intencionadas. Infelizmente, mesmo em 2023, aprender como cancelar ou substituir transações com base em seu nonce ainda é um pré-requisito para que os usuários possam utilizar a blockchain com segurança e eficácia. Somado à dificuldade de gerenciar números de conta longos e criptografados e frases-semente, uma má experiência do usuário dificulta o uso de dApps e da tecnologia blockchain em geral, impedindo a adoção em massa.

Felizmente, as soluções baseadas na Camada 2 estão vindo para o resgate.

Inicialmente, a visão para escalar o Ethereum tinha um foco significativo e dependência do sharding, um processo que divide a rede em várias partes menores (shards) para distribuir a carga. No entanto, após o desenvolvimento e a crescente popularidade dos rollups, com a adoção pelo usuário seguindo um curso algo semelhante a um taco de hóquei, a comunidade Ethereum e seus desenvolvedores adaptaram sua estratégia para favorecer os Rollups da Camada 2 com sharded Data Availability.

Que tipos de soluções da Camada 2 estão disponíveis para o Ethereum?

As soluções de escalonamento da Camada 2 do Ethereum englobam uma variedade de tecnologias, cada uma projetada para aprimorar a velocidade das transações, reduzir custos e melhorar a eficiência geral da rede. Estas incluem:

State Channels, como Raiden e Celer Network, facilitam transações diretas fora da cadeia entre os participantes, com o estado final posteriormente registrado na blockchain do Ethereum. São ideais para aplicações que necessitam de transações bidirecionais de alta velocidade, como jogos ou serviços de streaming, oferecendo transações instantâneas e maior privacidade a custos reduzidos. No entanto, eles exigem que os usuários bloqueiem fundos e funcionam melhor para interações repetidas entre as mesmas partes.

Sidechains, incluindo Gnosis chain e Polygon PoS Network, não são verdadeiramente soluções de escalonamento da Camada 2, mas blockchains independentes que funcionam em paralelo ao Ethereum, conectadas por pontes bidirecionais. Oferecem um ambiente personalizável para dApps, proporcionando flexibilidade com transações mais rápidas e mais baratas. A compensação é que sua segurança depende de seus próprios mecanismos de consenso, potencialmente menos robustos, porque não registram mudanças de estado e dados de transações de volta à Ethereum Mainnet.

Plasma, exemplificado por plataformas como OMG e Loom, cria blockchains secundárias menores ligadas à cadeia principal do Ethereum, baseadas em árvores de Merkle. Essas blockchains secundárias lidam com inúmeras transações com equivalência à EVM, registrando apenas os blocos finais e dados de estado na cadeia principal. Essa abordagem é versátil, atendendo a uma ampla gama de aplicações, desde DeFi até jogos, aumentando significativamente a capacidade e reduzindo a congestão da cadeia principal. No entanto, o Plasma pode enfrentar desafios com procedimentos complexos de saída e tempos longos de retirada de 7 a 14 dias, além da disponibilidade de dados.

Os Rollups vêm em duas variedades: Rollups Otimistas, como Optimism e Arbitrum, assumem que as transações são válidas por padrão, verificando-as apenas na cadeia em caso de contestação, e Rollups ZK (Rollups de Conhecimento Zero), como Astar zkEVM e zkSync, que agrupam transações e usam provas de conhecimento zero para verificação. Ambos os tipos de Rollups são adequados para DeFi e mercados de NFT, oferecendo taxas reduzidas e maior capacidade de processamento. Rollups Otimistas, no entanto, são afetados por retiradas atrasadas devido a um período de contestação por fraude, enquanto as plataformas ZK Rollup geralmente enfrentam limitações na compatibilidade com contratos inteligentes devido a seus cálculos criptográficos complexos e falta de equivalência à EVM*.

Por último, o Validium, a mais recente solução de escalonamento da Camada 2, como o StarkWare’s StarkEx ou o Avail da Polygon, é semelhante aos ZK rollups, mas armazena dados de transações fora da cadeia, impulsionando ainda mais a escalabilidade. Sendo ideal para aplicações de alta capacidade, como exchanges e jogos, oferece uma tremenda capacidade de processamento e custos baixos. A principal preocupação com o Validium, no entanto, é o armazenamento de dados fora da cadeia, o que acarreta certas implicações relacionadas à centralização, censura e segurança.

Cada tipo de solução da Camada 2 aborda os desafios de escalabilidade do Ethereum de maneiras únicas, equilibrando as compensações entre segurança, descentralização e capacidade de processamento. Sua aplicabilidade depende em grande parte das necessidades específicas e da natureza da aplicação que pretendem suportar, mas, em geral, o escalonamento da Camada 2 está seguindo a tendência de uso de ZK e Optimistic Rollups como favoritos populares, e muitos participantes conhecidos na indústria web3 anunciaram planos de adotar suas próprias soluções nessa direção.

Como os ZK Rollups se comparam aos Optimistic Rollups e agora ao Validium?

ZK Rollups, Optimistic Rollups e Validium são todas soluções de escalonamento da Camada 2, mas diferem em suas abordagens para lidar com transações, disponibilidade de dados e segurança. Compreender essas diferenças é fundamental para determinar qual solução pode ser melhor para qualquer caso de uso específico. Vamos compará-las:

Como funcionam os ZK Rollups?

Os ZK Rollups são um tipo de solução da Camada 2 que ajuda a reduzir a carga na principal blockchain do Ethereum processando transações fora da cadeia. O "ZK" em ZK Rollup significa Provas de Conhecimento Zero, um método criptográfico que permite a uma parte provar a outra que uma declaração é verdadeira, sem revelar qualquer informação sobre a declaração em si. Isso é fundamental para manter a segurança e a privacidade.

Os ZK Rollups funcionam agrupando (ou "rolando") várias transações em uma única transação. Essas transações agrupadas são então processadas fora da cadeia. Uma vez que as transações são processadas, o rollup gera uma prova criptográfica, conhecida como SNARK (Argumento Não Interativo e Sucinto de Conhecimento), e a submete à principal blockchain. Essa prova confirma que o lote de transações foi processado corretamente.

Nos ZK Rollups, todos os dados de transação são armazenados na principal blockchain (Camada 1). Isso garante alta disponibilidade de dados, o que significa que os usuários sempre podem acessar seus fundos e dados, mesmo se a rede da Camada 2 enfrentar problemas. Ao fazer isso, os ZK Rollups reduzem significativamente as taxas de transação e aumentam a capacidade de processamento da rede subjacente ao descarregar a carga computacional da cadeia principal. Eles também oferecem um alto nível de segurança e disponibilidade de dados, ambos garantidos pela Camada 1.

Embora os ZK Rollups ofereçam uma capacidade de processamento aprimorada em comparação com a Camada 1, a necessidade de armazenar todos os dados na cadeia pode limitar a escalabilidade em certa medida e aumentar os custos em comparação com outras soluções da Camada 2 que não armazenam todos os dados na cadeia.

How do Optimistic Rollups work?

Transactions are executed and recorded on a separate Layer 2 chain, but unlike ZK Rollups, they don't use zero-knowledge proofs for instant validation. Transaction data is also posted on-chain, similar to ZK Rollups, but it is assumed that transactions are valid by default and computation is only run on-chain in case of a dispute (hence finality is "optimistic"). This requires a "fraud proof" mechanism and a challenge period for disputes, but offers increased scalability at a cost of having generally slower finality times than ZK Rollups, due to the challenge period.

Como funcionam os Optimistic Rollups?

As transações são executadas e registradas em uma cadeia separada da Camada 2, mas, ao contrário dos ZK Rollups, eles não usam provas de conhecimento zero para validação instantânea. Os dados de transação também são registrados na cadeia, semelhante aos ZK Rollups, mas presume-se que as transações são válidas por padrão, e o processamento é executado na cadeia apenas em caso de disputa (portanto, a finalidade é "otimista"). Isso requer um mecanismo de "prova de fraude" e um período de desafio para disputas, mas oferece uma maior escalabilidade a um custo de ter tempos de finalização geralmente mais lentos do que os ZK Rollups, devido ao período de desafio.

Como o Validium funciona?

Ao contrário dos ZK e Optimistic Rollups, onde os dados de transação são armazenados na principal blockchain, o Validium armazena esses dados fora da cadeia. Isso reduz significativamente a carga de armazenamento na principal blockchain, permitindo uma maior escalabilidade.

O Validium geralmente depende de um conjunto de terceiros confiáveis ou comitês para armazenar os dados fora da cadeia. Esses comitês são responsáveis por manter a integridade e disponibilidade dos dados.

Embora o Validium herde as garantias de segurança das provas de conhecimento zero para validade das transações, os comitês de disponibilidade de dados introduzem riscos adicionais de contraparte. Os usuários devem confiar nessas entidades para manter e fornecer acesso aos dados fora da cadeia. Ao sacrificar um grau de segurança pela eficiência de armazenamento e ao descarregar dados da principal blockchain, o Validium pode processar um maior número de transações por segundo a um custo mais baixo em comparação com soluções como Optimistic ou ZK Rollups, que armazenam todos os seus dados na cadeia.

Conclusão

Em conclusão, os ZK Rollups oferecem um equilíbrio entre segurança, descentralização e escalabilidade, enquanto os Optimistic Rollups priorizam simplicidade e compatibilidade com o modelo de execução do Ethereum, embora comprometam o tempo de finalização e, portanto, alguma eficiência de capital.

O Validium, por outro lado, maximiza a escalabilidade e eficiência, mas também exige confiança na gestão de dados fora da cadeia.

À medida que a tecnologia blockchain evolui, essas soluções podem se adaptar, oferecendo abordagens mais nuanciadas e otimizadas para o escalonamento da Camada 2.

Saiba mais sobre as soluções de escalonamento da Camada 2:

https://astar.network/blog/introduction-to-zero-knowledge-proofs-39331

https://astar.network/blog/all-you-need-to-know-about-optimistic-and-zk-rollups-39524

Start building on Astar zkEVM:

https://docs.astar.network/docs/build/zkEVM