Introdução

Há cerca de uma década, o mundo assistiu a um aumento do crescimento dos telemóveis inteligentes. Na altura, algumas grandes empresas pensaram que podiam revolucionar os smartphones introduzindo arquitecturas modulares. Em 2013, a Google anunciou o Project Ara, um novo smartphone com um design modular. Ao contrário dos telefones "monolíticos" actuais, feitos de peças seladas de alumínio e vidro, o Ara permitiria aos utilizadores personalizarem os seus telefones de várias formas, permitindo que todas as peças essenciais fossem modulares. Não será obrigado a atualizar o seu telemóvel com tanta frequência. Em vez disso, pode simplesmente adicionar as melhores peças novas ao seu telemóvel mais antigo, de acordo com as suas preferências. Infelizmente, a modularidade não teve sucesso no ecossistema dos telemóveis e o conceito continua a ser uma peça esquecida da história da tecnologia.

O smartphone modular pode servir como um conto de advertência para as cadeias de blocos modulares, uma vez que a propaganda de soluções novas e excitantes não garante uma vitória a longo prazo, apesar das desvantagens legítimas das ferramentas actuais. No entanto, no caso das cadeias de blocos, a procura de escalabilidade por parte dos utilizadores já está a levar os programadores a construir e a adotar arquitecturas modulares. Esta procura torna improvável que as arquitecturas modulares de cadeias de blocos tenham o mesmo destino que o do smartphone modular.

Mas o que é exatamente uma arquitetura modular de cadeia de blocos? Como podemos garantir que estas soluções não se transformam em mais um Projeto Ara? Este artigo pretende responder a todas estas questões.

Monolítico e modular

Antes de nos aprofundarmos mais, vamos esclarecer a diferença entre arquitecturas monolíticas e modulares. A forma mais simples de introduzir este conceito seria através de um exemplo de um conceito familiar. Tal como os telemóveis têm certos componentes essenciais, como uma câmara, uma bateria e um ecrã tátil, uma cadeia de blocos também tem componentes essenciais.

O iPhone é um excelente exemplo de um telemóvel "monolítico". É fornecido com todos os componentes necessários para utilizar o telemóvel e não oferece muitas opções de personalização. É certo que pode não conseguir editar muito os componentes internos, mas é elegante e rápido. No entanto, pode haver uma altura em que deseje personalizar ainda mais o seu telemóvel. Suponha que, com o passar dos anos, surgem novos telemóveis com câmaras muito melhores. O resto do seu telemóvel desatualizado pode funcionar bem, mas com a sua câmara atual, não pode igualar a experiência dos telemóveis mais recentes.

Com uma arquitetura modular, não terá de comprar um telemóvel totalmente novo. Em vez disso, pode trocar a sua câmara como se fosse uma peça de lego e colocar uma melhor.

O Project Ara da Google é um exemplo de um telemóvel modular. O telemóvel é feito de blocos de construção que podem ser trocados por peças à sua escolha. Desde que sejam fabricadas peças compatíveis, a Ara apoiá-las-á.

Tal como os smartphones, as cadeias de blocos são compostas por vários componentes essenciais; estes componentes são apresentados em seguida:

• Consenso
  • A camada de consenso das cadeias de blocos fornece ordem e finalidade através de uma rede de computadores que chegam a um consenso sobre o estado da cadeia.
• Execução
  • Esta camada trata do processamento real das transacções, executando o seu código especificado. É também onde os utilizadores normalmente interagem com a cadeia de blocos, por exemplo, assinando transacções, implementando contratos inteligentes e transferindo activos.
• assentamento
  • O nível de liquidação serve de plataforma para verificar a atividade executada no nível 2, como os rollups, bem como a resolução de litígios. Mais importante ainda, é onde o estado final da cadeia de blocos real é registado.
• Disponibilidade de dados
  • Os dados necessários para verificar se uma transição de estado é válida devem ser publicados e armazenados nesta camada. Estes dados devem ser facilmente recuperáveis e verificáveis em caso de ataques ou falhas operacionais em que os produtores de blocos não forneçam dados de transação.

Simplificando, uma cadeia de blocos monolítica executa todas estas tarefas por si só, numa única peça de software, enquanto uma cadeia de blocos modular as separa em várias peças de software. Nesta altura, pode perguntar-se quais são as desvantagens de uma cadeia de blocos que trata de todas estas tarefas ao mesmo tempo?

Isto leva-nos ao problema antigo, o trilema da escalabilidade.

O trilema da escalabilidade diz que uma cadeia de blocos só pode ter duas das três características seguintes: descentralização, segurança e escalabilidade. As cadeias de blocos monolíticas existentes tendem a otimizar-se para os cantos seguros e escaláveis do triângulo. A Bitcoin e a Ethereum colocam mais ênfase no facto de serem tão descentralizadas e seguras quanto possível. Infelizmente, isto tem um preço. As cadeias descentralizadas não dispõem normalmente de grande largura de banda para a execução de transacções. O Ethereum limita-se a cerca de 20 transacções por segundo, e o Bitcoin desce ainda mais na escala. 20 transacções por segundo é extremamente inadequado se quisermos utilizar estes protocolos a uma escala global. Algumas cadeias monolíticas poderiam, pelo menos teoricamente, aproximar-nos muito mais da escala global, uma vez que o seu TPS e o seu rendimento global são suficientes. No entanto, muitas vezes falta-lhes a descentralização, o princípio fundamental da tecnologia blockchain.

Uma arquitetura modular visa externalizar parte do trabalho de uma cadeia de blocos para criar cadeias com maior desempenho, mantendo a descentralização. Vamos analisar o Ethereum e discutir como se espera que aproveite a modularidade.

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Um ecossistema centrado no Ethereum

Exemplos: A maioria dos Layer 1s, Combustível

O Ethereum, tal como existe atualmente, é uma cadeia de blocos monolítica. A maioria das outras cadeias de blocos de nível 1 actuais também seriam classificadas como cadeias de blocos monolíticas e estruturadas como tal. Tal como no exemplo do iPhone, certas capacidades das cadeias de blocos monolíticas começam, por vezes, a ficar para trás em relação às alternativas mais recentes, levando à perda de programadores e consumidores que procuram a camada 1 mais recente e inovadora. Para resolver os actuais estrangulamentos de rendimento do Ethereum, os programadores estão a criar camadas de execução rollup para aumentar a largura de banda das transacções.

Exemplos: Optimism, Arbitrum, Fuel, Scroll, ZkSync

Os rollups como camada de execução são o método de escalonamento mais utilizado atualmente no Ethereum. Os rollups são cadeias de blocos separadas com uma execução de transacções mais eficaz e cujos resultados líquidos assentam no Ethereum para herdar efetivamente a sua (muito melhor) segurança e descentralização.

Num nível elevado, um rollup é apenas uma blockchain que publica o resultado líquido dos seus blocos noutra blockchain. No entanto, esta é apenas uma das componentes de um rollup, uma vez que também precisa de fraude & provas de validade e um método de inserção de transacções sem autorização. Os rollups conseguem isso sincronizando os dados entre dois contratos inteligentes, um implantado na camada 1 e outro implantado na camada 2. Este design é o que o torna um rollup e não uma sidechain. Estes componentes-chave são necessários para que um rollup seja seguro, uma vez que o rollup pode ser interrompido ou censurado sem eles.

Atualmente, a maioria dos rollups oferece compatibilidade EVM para ajudar os programadores Ethereum a migrar facilmente, mas em termos de eficiência de computação e facilidade de desenvolvimento, podem existir melhores alternativas para as camadas de execução. Os utilizadores podem até querer mais características de qualidade de vida que não estão presentes nas cadeias equivalentes EVM, como a abstração de contas. Dada a ampla gama de preferências dos desenvolvedores, é provável que essa tendência continue, e veremos ainda mais soluções novas povoarem o mercado, como as camadas de execução SolanaVM e MoveVM. O combustível é um exemplo de um nível de execução que não é compatível com EVM e cujo único objetivo é efetuar cálculos que não são possíveis noutros rollups. O Fuel é também a primeira "camada de execução modular", o que, como veremos, lhe permite ser um rollup soberano, uma cadeia de liquidação ou mesmo uma blockchain monolítica. Enquanto os rollups são apenas camadas de execução, o Fuel pode ser mais.

O combustível pode ser modularizado de formas que os rollups normais não podem. Daí o nome "camada de execução modular". Em breve, iremos aprofundar a mecânica da arquitetura Celestia. (Fonte: Fuel)

O combustível mostrou que as camadas de execução podem ser criativas e dar prioridade à velocidade de computação em detrimento do suporte EVM. Enquanto muitos familiarizados com arquitecturas modulares conhecem o Fuel, outro grande concorrente é menos conhecido. Uma das futuras camadas de execução modular mais interessantes chama-se Kindelia. Para além de ser uma das camadas de computação mais rápidas, o Kindelia tem um sistema de prova único que utiliza a sua máquina virtual. O HVM da Kindelia oferece um verificador de provas quase instantâneo incorporado na sua linguagem de contrato inteligente chamada Kind. O tipo é essencial porque os contratos inteligentes podem provar no seu código que o seu código é seguro contra explorações e funciona corretamente. Este tipo de conceção poderia resolver o problema dos contratos inteligentes mal codificados e salvar-nos das explorações que atualmente assolam os contratos inteligentes. Esta é apenas uma das formas em que o Kindelia oferece valor em relação a outras camadas de execução.

Mas o escalonamento em termos de uma camada de execução é apenas uma peça do puzzle. Os desenvolvedores procuram modular ainda mais as blockchains monolíticas para extrair cada grama possível de desempenho. Isto leva-nos à forma como a camada de disponibilidade de dados pode ser modularizada.

Exemplos: Metis, ZkPorter, Anytrust

Um Validium é um rollup cujos dados são deslocados para fora da cadeia em vez de serem armazenados na cadeia.

Mas porque é que estamos a transferir dados para fora da cadeia? Isto deve-se ao facto de estarmos a tentar otimizar a disponibilidade dos dados. A eficiência global de um sistema de rollup depende em grande medida das capacidades da sua camada de disponibilidade de dados. Quando esta camada não consegue lidar com o volume de dados gerados pelo sequenciador de transacções do rollup, origina um estrangulamento no processamento das transacções. Como resultado, o rollup não pode tratar transacções adicionais, levando a um aumento das taxas de gás e/ou a tempos de execução lentos. Por outras palavras, o desempenho da camada de disponibilidade de dados do rollup é um fator crítico para determinar as suas capacidades globais de processamento de transacções e as taxas a elas associadas.

A desvantagem dos validiums é o facto de estarem fora da cadeia, introduzindo mais pressupostos de confiança. Queremos uma solução on-chain para melhorar a camada de disponibilidade de dados do Ethereum. A resposta é Danksharding.

A integração do Danksharding no Ethereum transforma-o numa plataforma simplificada tanto para a liquidação como para a acessibilidade dos dados.

O que torna o Danksharding inovador é a sua capacidade de fundir estes conceitos numa unidade coesa. As provas de rollup e os dados são verificados no mesmo bloco, criando um sistema eficiente e sem descontinuidades. No entanto, como parte do seu funcionamento normal, os rollups requerem um armazenamento significativo para os seus dados comprimidos. A Danksharding fornece uma solução para este requisito, oferecendo o potencial para milhões de TPS em vários rollups. Danksharding é uma técnica que divide a atividade da rede em fragmentos para aumentar o espaço para blobs de dados. Um blob de dados é um formato de dados mais eficiente e padronizado no Ethereum que pode transportar uma grande quantidade de dados e é usado por rollups para reduzir as taxas de gás. A Danksharding utiliza a "amostragem de disponibilidade de dados" para permitir que os nós verifiquem quantidades significativas de dados examinando apenas uma pequena parte, abrindo caminho para um futuro em que redes de camada 2 mais baratas e mais rápidas possam prosperar, permitindo transações diretas no Ethereum.

O Danksharding também é ótimo, pois herdaria toda a segurança e descentralização do próprio Ethereum. No entanto, isto tem uma desvantagem. Devido ao ritmo relativamente lento do desenvolvimento do Ethereum, estamos provavelmente a anos de Danksharding ser devidamente implementado no Ethereum. A EIP-4844 planeia introduzir o Proto-Danksharding, que é o primeiro passo para alcançar o Danksharding. A EIP-4844 melhora o Ethereum introduzindo uma nova transação que acomoda blobs de dados. Este armazenamento especializado para dados de rollup abre caminho a um mercado de taxas mais económico.

E se quiser uma camada de disponibilidade de dados rápida mas não quiser ficar à espera que o Danksharding seja lançado? O Celestia é um protocolo que lhe oferece exatamente isso. Partindo de uma visão centrada no Ethereum sobre a modularidade, vale a pena mergulhar no Celestia para ver de que outra forma as cadeias de blocos modulares podem ser interpretadas.

Um ecossistema centrado na Celestia

A Celestium é uma solução única que combina a disponibilidade de dados da Celestia com a liquidação e o consenso da Ethereum. O Danksharding continua a ser o método mais seguro devido à sua integração no Ethereum, descentralização e robustez. No entanto, alguns rollups preferem procurar a escalabilidade agora mesmo, em vez de esperar que o Danksharding seja implementado no Ethereum.

Para os projectos que não podem esperar pelo Danksharding, uma opção possível é utilizar soluções de disponibilidade de dados fora da cadeia, como os Validiums, que utilizam um "Comité de Disponibilidade de Dados" (DAC) para atestar que os dados estão disponíveis. No entanto, este método não é tão descentralizado ou seguro, uma vez que depende de um multi-sig, e não há forma de verificar se o DAC é atualmente honesto ou se foi honesto no passado.

O Celestium oferece uma alternativa mais segura aos DACs. Com a Celestium, o atestado de que os dados estão disponíveis é apoiado pela aposta de todo o conjunto de validadores da Celestia, o que significa que se ⅔ dos validadores fornecerem informações incorrectas, podem ser cortados e perder potencialmente uma grande soma de dinheiro. Isto proporciona uma resposta dura e imediata, ao contrário de um DAC onde não existe qualquer penalização.

Além disso, os utilizadores podem verificar a honestidade da Celestia executando a Amostragem de Disponibilidade de Dados nos blocos e verificando a Ponte de Gravidade Quântica, que é a ponte de mensagens unidirecional sem confiança da Celestia para a Ethereum. As pontes são normalmente a parte mais vulnerável de qualquer solução, pelo que devem ser criadas redundâncias.

A Celestium, juntamente com a Danksharding, utiliza a amostragem de disponibilidade de dados (DAS) para verificar a natureza não maliciosa de todos os dados. O DAS permite que os nós assegurem a disponibilidade de um bloco descarregando segmentos aleatórios e alertando para o caso de faltar alguma parte. Este sistema de alerta é apenas um dos aspectos de um mecanismo DAS que utiliza provas de fraude (como o Celestia). No caso de um mecanismo DAS à prova de validade como o Danksharding, não há necessidade de um sistema de alerta, uma vez que as provas de validade garantem a correção da codificação de apagamento e dos compromissos. Estes mecanismos reduzem o risco de ocultação dos dados do bloco e garantem que vários nós inspeccionam o bloco de forma aleatória.

Um nó faz uma amostragem aleatória de um bloco para verificar a sua disponibilidade. (Fonte: Vitalik Buterin)

A amostragem de dados é o que torna Celestia e Danksharding tão seguras. Pelo menos, os utilizadores sabem que, se houver corrupção, podem detectá-la rapidamente. Em contrapartida, com a caixa negra de um DAC, pode haver corrupção durante um ano e ninguém se aperceberá.

Exemplos: Combustível

Em contraste com os rollups tradicionais no Ethereum, os rollups soberanos funcionam de forma diferente. Ao contrário dos rollups padrão, os rollups soberanos não dependem de um conjunto de contratos inteligentes na camada 1 para validar e anexar blocos à cadeia canónica. Em vez disso, os blocos são publicados como dados brutos diretamente na cadeia, e os nós no rollup são responsáveis por verificar a regra de escolha do fork local para determinar a cadeia correcta. Isto transfere a responsabilidade pela liquidação do nível 1 para o rollup. Ao contrário dos rollups tradicionais, não existe uma ponte estabelecida de confiança minimizada entre um rollup soberano e a Celestia. Isto pode ser visto como um ponto negativo, uma vez que você quer que uma ponte seja o mais trust-minimized possível, mas isto dá aos rollups soberanos a vantagem de um caminho de atualização independente através de forking. Isto permite uma coordenação mais fácil e actualizações mais seguras do que os rollups não soberanos podem oferecer. Tecnicamente, não devemos considerar isto um rollup, uma vez que um rollup implica normalmente ter uma camada unificada de liquidação e disponibilidade de dados. Por este motivo, os rollups soberanos são também designados simplesmente por blockchains soberanas.

Para facilitar aos programadores a criação de rollups soberanos na Celestia, a Celestia criou o Rollmint, substituindo o Tendermint como mecanismo de consenso. Isto permite que os rollups publiquem blocos diretamente na Celestia em vez de passarem pelo processo Tendermint. Com esta conceção, a comunidade por detrás da cadeia tem total soberania e não está sujeita à autoridade de qualquer outra máquina estatal. Isto distingue-o das comunidades por detrás dos contratos inteligentes ou dos rollups no Ethereum, que estão vinculados ao consenso social da comunidade Ethereum.

Exemplos de uma cadeia de liquidação: Fuel, Cevmos, dYmension

A criação de um componente de liquidação autónomo e modular é o que define o conceito de um rollup de liquidação. Atualmente, os rollups utilizam a cadeia principal Ethereum para as liquidações, mas existem outras soluções para além desta. A cadeia Ethereum é partilhada com outras aplicações que não são de rollup para transacções de contratos inteligentes, o que leva a uma escala reduzida e a uma falta de especialização.

Uma camada de liquidação ideal para os rollups só permitiria contratos inteligentes de rollup e transferências simples entre rollups, proibindo ou tornando dispendiosa a liquidação de transacções por parte de aplicações que não sejam de rollup.

O design do Celestia oferece uma camada de consenso de estado global padrão para os desenvolvedores construírem rollups de execução que fazem parte de um único cluster de confiança minimizada. Também permite a criação de pontes de confiança minimizada entre rollups na mesma camada de consenso de estado global, um novo conceito não visto nas arquitecturas actuais. Resta saber se os programadores vão ou não adotar este novo paradigma de cross-rollup.

Exemplos de cadeias de povoamento incluem a Cevmos, a Fuel e a dYmension, com a Polygon a competir com a Celestia, construindo a sua interpretação de uma arquitetura modular. Na conceção modular do Polygon, o Polygon Avail funciona como a disponibilidade de dados e componentes modulares de consenso, enquanto a cadeia de bloqueio Polygon funciona como a camada de liquidação.

O caso das cadeias monolíticas

Muitos artigos sobre cadeias de blocos modulares referem normalmente que as camadas 1 monolíticas são uma tecnologia dinossáurica em comparação com as soluções modulares mais recentes. Atualmente, é difícil apoiar totalmente esta afirmação, uma vez que um dos principais problemas com estas soluções de escalonamento são os pressupostos de confiança adicionais que acrescentam ao sistema global. Embora tenhamos discutido o facto de a maioria dos DAC e dos validium serem inseguros, esta situação pode mesmo estender-se à camada de execução (ou seja, os rollups).

Alguns dos rollups mais utilizados atualmente ainda não se tornaram genuinamente descentralizados, apesar de garantirem milhares de milhões de dólares. No momento em que escrevo este artigo, o Optimism ainda não tem provas funcionais de fraude e o Arbitrum é mutável a partir de um único multisig. Ambos os protocolos estão a trabalhar para resolver estas questões como parte do seu desenvolvimento programado, mas é importante ter em mente que a descentralização não é um dado adquirido só porque um protocolo utiliza uma determinada arquitetura. Além disso, as pontes entre todas as peças de componentes modulares, principalmente os rollups soberanos, podem enfrentar as mesmas inseguranças que as pontes entre cadeias enfrentam. Por último, uma questão importante é que o desenvolvimento sobre uma pilha modular acarreta uma complexidade acrescida; para alguns programadores, pode ser um desafio. Eventualmente, esperamos que os rollups resolvam estes problemas e consigam uma descentralização suficiente. No entanto, as camadas 1 monolíticas podem entretanto tornar-se igualmente descentralizadas.

Os nossos relatórios anteriores discutiram a forma como algumas camadas 1 monolíticas escalam internamente com uma arquitetura DAG. Este é apenas um exemplo que mostra que as blockchains monolíticas estão a tentar inovar sem depender de componentes fora da cadeia, e inúmeras outras optimizações estão a ser trabalhadas para maximizar o desempenho. Não podemos simplesmente desacreditar a ideia de um novo projeto de cadeia de blocos que vise resolver todos os cantos do trilema da escalabilidade.

Conclusão

Tal como existiam telefones modulares, existem agora cadeias de blocos modulares. No entanto, ver o potencial para um futuro centrado no rollup baseado em Danksharding indica que a arquitetura modular da cadeia de blocos não deverá sofrer o mesmo destino que o telefone modular. Camadas de execução como a Kindelia e a Fuel verão especialmente o crescimento dos utilizadores, uma vez que a sua ênfase na velocidade e nas novas funcionalidades permitirá que as aplicações construídas sobre elas sejam verdadeiramente inovadoras.

Infelizmente, muitas destas concepções modulares ainda não foram testadas e algumas concepções modulares de cadeias de blocos podem nunca vir a ser amplamente adoptadas. Os validiums podem ser completamente eliminados à medida que Celestia e Danksharding forem amplamente adoptados. Os rollups soberanos da Celestia podem enfrentar alguns dos mesmos problemas de ponte que os existentes de camada 1, dificultando a adoção devido a preocupações de segurança e complexidade.

Um futuro de blockchain descentralizado e modular ainda está muito longe. Entretanto, as cadeias de blocos monolíticas continuarão a ser relevantes e a inovar. Quando finalmente chegarmos a um futuro em que as cadeias de blocos modulares sejam amplamente adoptadas, o panorama das cadeias de blocos monolíticas também poderá ser completamente diferente. No entanto, precisamos de soluções de escala para servir as cadeias de blocos existentes com liquidez e utilizadores e, a longo prazo, uma arquitetura modular de cadeias de blocos será provavelmente a melhor forma de o fazer.

Autor(a)

Robert McTague é um Associado de Investimento do Eco Fund do Amber Group, o fundo de risco de criptografia em fase inicial da empresa. Recentemente, ganhou o terceiro prémio durante a ETHSF com alguns amigos a construir em cima do Fuel. Está muito otimista quanto ao futuro das cadeias de blocos modulares.

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