Explicação Profunda da Expansão Fora da Cadeia

1. A necessidade de escalabilidade

A visão futura da blockchain é a descentralização, segurança e escalabilidade, mas geralmente apenas dois desses aspectos podem ser alcançados, o que é conhecido como o problema do triângulo impossível da blockchain. Ao longo dos anos, as pessoas têm explorado como aumentar a taxa de transferência e a velocidade das transações da blockchain, garantindo a descentralização e a segurança, ou seja, resolver o problema de escalabilidade, que é um dos tópicos quentes no desenvolvimento atual da blockchain.

A descentralização, segurança e escalabilidade da blockchain podem ser definidas como:

• Descentralização: qualquer pessoa pode se tornar um nó e participar do sistema de blockchain, quanto mais nós houver, maior será o grau de descentralização, garantindo que a rede não seja controlada por um pequeno número de participantes centralizados.

• Segurança: quanto maior o custo de obtenção do controle do sistema de blockchain, maior a segurança, a cadeia consegue resistir a ataques de uma proporção maior de participantes.

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

A primeira grande bifurcação do sistema Bitcoin ocorreu 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 congestionamentos. Desde 2015, a comunidade Bitcoin tinha divergências sobre a questão da escalabilidade; um grupo defendia a ampliação do bloco, enquanto o outro propunha a utilização do SegWit para otimizar a estrutura da cadeia principal. Em 1 de agosto de 2017, o grupo que apoiava a ampliação desenvolveu por conta própria uma blockchain de 8MB, resultando na primeira grande bifurcação do Bitcoin, dando origem à nova criptomoeda BCH.

A rede Ethereum também optou por sacrificar parte da escalabilidade para garantir segurança e descentralização, limitando o volume de transações através de um teto de taxas de gás. Desde o CryptoKitties de 2017 até o surgimento do DeFi, GameFi e NFT, a demanda do mercado por maior throughput tem aumentado continuamente, mas a Ethereum só consegue processar de 15 a 45 transações por segundo, resultando em aumento dos custos de transação e prolongamento do tempo de liquidação, tornando a maioria dos DApps insustentáveis em termos de custo operacional, fazendo com que toda a rede se tornasse lenta e cara, necessitando urgentemente de uma solução para o problema de escalabilidade. A solução ideal de escalabilidade é aumentar a velocidade e o throughput das transações tanto quanto possível, sem sacrificar a descentralização e a segurança.

2. Tipos de soluções de escalabilidade

Podemos classificar os planos de escalabilidade em duas grandes categorias: escalabilidade em cadeia e escalabilidade fora da cadeia, de acordo com "se altera uma camada da rede principal".

2.1 Expansão na cadeia

Conceito central: uma solução para aumentar a capacidade, alterando um nível do protocolo da rede principal, sendo a principal solução atualmente a fragmentação.

A escalabilidade em cadeia tem várias soluções, aqui estão duas mencionadas de forma resumida:

• A opção um é expandir o espaço do bloco, aumentando o número de transações empacotadas em cada bloco, mas isso aumentará os requisitos para dispositivos de nós de alto desempenho, reduzindo o grau de "descentralização".

• A solução dois é a fragmentação, que divide o livro-razão da blockchain em várias partes, sendo que diferentes fragmentos são responsáveis por diferentes contabilidades, e o cálculo paralelo pode processar várias transações simultaneamente. Isso pode reduzir a pressão computacional nos nós e a barreira de entrada, aumentando a velocidade de processamento das transações e o grau de descentralização, mas significa que a potência computacional da rede é dispersa, o que pode reduzir a "segurança" de toda a rede.

Alterar um protocolo de rede principal pode ter efeitos negativos imprevisíveis, qualquer pequena vulnerabilidade de segurança na camada subjacente pode ameaçar gravemente a segurança de toda a rede, e a rede pode ser forçada a bifurcar ou interromper a atualização de reparo.

2.2 fora da cadeia expansão

Conceito central: solução de escalabilidade que não altera o protocolo da mainnet de camada 1 existente.

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

Layer2:

• Canais de Estado
• Plasma
• Rollups
  • Rollups otimistas
  • ZK Rollups

Outros:

• Sidechains
• Validium

3. Fora da cadeia, a solução de escalabilidade

Canais de Estado 3.1

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 disputas a serem resolvidas, permitindo que as interações entre os usuários sejam feitas fora da cadeia, a fim de reduzir o tempo e os custos de transação, permitindo um número ilimitado de transações.

Os canais de estado são protocolos P2P simples, adequados para "aplicações baseadas em turnos", como xadrez entre duas pessoas. Cada canal é gerido por um contrato inteligente multifirma na rede principal, controlando os ativos do canal, verificando atualizações de estado e arbitrando disputas ( com base em provas de fraude assinadas e com carimbo de data/hora ). Após os participantes implementarem o contrato, depositam fundos e os bloqueiam; após a confirmação das assinaturas de ambas as partes, o canal é formalmente aberto. O canal permite transações gratuitas fora da cadeia ( sem limite de número, desde que o valor líquido não exceda o total depositado ). Os participantes alternam o envio de atualizações de estado e aguardam a confirmação da assinatura do outro. Normalmente, as atualizações de estado não são enviadas para a rede principal, dependendo da confirmação da rede principal apenas em casos de disputa ou encerramento do canal. Ao fechar o canal, qualquer parte pode fazer um pedido na rede principal; se obtiver a aprovação de todas as assinaturas, será executado imediatamente, caso contrário, deverá aguardar o término do "período de contestação".

Os canais de estado podem reduzir significativamente a carga de cálculo na 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 rede Lightning.

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

• 2016/01: Joseph Poon e Thaddeus Dryja publicaram oficialmente o white paper da Lightning Network do Bitcoin, propondo uma solução de escalabilidade através de Payment Channels.

• 2017/11: O primeiro regulamento de design de State Channel baseado em Payment Channel foi proposto por Sprites.

• 2018/06: A Counterfactual apresentou um design detalhado de Canais de Estado Generalizados, o primeiro design completamente relevante.

• 2018/10: Proposta dos conceitos de Redes de Canais Estaduais e Canais Virtuais.

• 2019/02: O canal de estado foi expandido para canais N-Partido, Nitro é o primeiro protocolo baseado nessa ideia.

• 2019/10: Pisa expandiu o conceito de Watchtowers, resolvendo o problema dos participantes precisarem estar continuamente online.

• 2020/03: A Hydra apresentou Canais Isomórficos Rápidos.

3.1.3 Princípios técnicos

Fluxo de trabalho tradicional em cadeia: os usuários alteram o estado do contrato inteligente enviando transações para a cadeia, mas isso traz problemas de tempo e custo.

Fluxo de trabalho do canal de estado:

1. O usuário deposita fundos de EOA para o contrato em cadeia, bloqueando até o fechamento do canal.
2. O usuário pode realizar transações ilimitadas fora da cadeia, através da comunicação de mensagens com assinatura criptográfica.
3. Ao fechar o canal, submeta o estado final ao contrato; se a outra parte aprovar a assinatura, execute imediatamente, caso contrário, aguarde o período de contestação.

Em caso de pessimismo, se uma parte não responder, a outra pode apresentar um desafio ao estado final válido do contrato, que permite à parte oposta responder dentro de um determinado período. Se não houver resposta, o contrato fecha automaticamente o canal e devolve os fundos.

3.1.4 Vantagens e desvantagens

Vantagens:

• Confirmação imediata, transações rápidas
• Baixos custos
• Privacidade
• Alta taxa de transferência

Desvantagens:

• Necessário monitoramento contínuo online
• É necessário bloquear fundos
• Não é adequado para negociações de baixa frequência
• Capacidade do canal limitada
• Não suporta contratos inteligentes genéricos

3.1.5 Aplicação

Rede Lightning do Bitcoin:

• É um canal de pagamento de baixo valor para a rede Bitcoin
• Através de um canal de pagamento de baixo valor fora da cadeia e intermediários, formar uma rede de transações, resolvendo o problema de escalabilidade.
• Seguir o processo "Depósito → Transação na Rede Lightning → Reembolso/ Liquidação"
• Teoricamente, pode processar milhões de transações por segundo
• No final de 2021, o TVL era de cerca de 40 milhões de dólares, aproximadamente 100 mil usuários
• Em novembro de 2022, houve 76.236 canais de pagamento, 5049 BTC de fundos ($81.8M)

Rede Lightning do Ethereum:

• Canal de pagamento de pequeno montante baseado em Ethereum, semelhante à Lightning Network
• O objetivo é realizar pagamentos de tokens ERC20 quase instantâneos, de baixo custo e escaláveis.
• Fundada em 2017, arrecadou 30 milhões de dólares no ICO em outubro de 2017.
• O primeiro Light Client foi lançado em maio de 2020
• Atualmente não é amplamente adotado, sendo as razões incluídas o alto limiar de utilização e o surgimento de tecnologias de escalabilidade mais avançadas.
• A equipe está adaptando para funcionar na rede Rollup Layer 2 do Ethereum

Celer Network:

• A essência é aumentar a camada de incentivos da rede Lightning
• Construir DApps de alta interação rápidas, fáceis de usar, de baixo custo e seguras através de tecnologia de expansão fora da cadeia e modelos econômicos incentivadores.
• Aplicável a aplicações de alta interação como plataformas de eSports
• Usar o OAT( Tradutor de Endereços fora da cadeia ) para mapear de forma única endereços fora da cadeia para um contrato inteligente na cadeia.
• Composto por três camadas: cChannel, cRoute e cOS
• Fundada em 2018, o token $CELR foi emitido em março de 2019
• Atualmente, foram lançados os protocolos DeFi Layer2.finance, o protocolo de informação fora da cadeia Celer IM e a ponte de ativos cBridge.

3.1.6 Comparação de Aplicações

Rede Lightning do Bitcoin:

• Usado para pagamento em BTC
• Canal de pagamento bidirecional
• Volume de transações elevado
• Desenvolvimento ecológico relativamente bom

Rede Lightning do Ethereum:

• Usado para pagamentos em ETH e ERC20
• Canal de pagamento bidirecional
• Volume de transação pequeno
• Desenvolvimento ecológico lento

Celer Network:

• Suporte a vários ativos
• Canal de estado amplo
• Volume de transações médio
• O ecossistema está a evoluir na direção da interoperabilidade entre cadeias.

3.2 Sidechains

3.2.1 Resumo

O conceito de sidechain foi proposto pela primeira vez em 2012 no chat de desenvolvedores do Bitcoin, e o primeiro artigo relacionado foi publicado em 2014. A sidechain é uma forma de blockchain que surgiu para acelerar as transações do Bitcoin, podendo utilizar contratos mais complexos ou melhorar o mecanismo de consenso. Quando o resultado da transação da sidechain é finalmente enviado de volta para a chain principal, ele é registrado no lado do validador. Este modelo é uma infraestrutura que se anexa à chain principal e ajuda a resolver problemas.

3.2.2 Linha do tempo

• 2012/01: O conceito de sidechain do Bitcoin foi proposto em um chat
• 2014/10: Publicação do artigo sobre sidechains do Bitcoin: Symmetric Pegged e Asymmetric Pegged
• 2017/04: A rede POA foi lançada na rede de teste de sidechain baseada no consenso PoA do Ethereum
• 2017/10: Matic Network lançado
• 2017/12: Lançamento da mainnet da POA Network
• 2018/01: Lançamento da rede de testes Skales
• 2018/10: Lançamento da rede de teste xDai Chain
• 2020/06: Lançamento da mainnet Skale
• 2020/06: A rede principal da cadeia lateral Matic PoS do Ethereum foi lançada
• 2021/02: Matic Network passou a se chamar Polygon Network
• 2021/02: A rede principal da sidechain Ronin do jogo Axie Infinity está em funcionamento
• 2021/12:A cadeia xDai fundiu-se com o Gnosis Dao para formar a Gnosis Chain
• 2022/03: A POA Network foi incorporada à Gnosis Chain

3.2.3 Princípio técnico

As cadeias laterais utilizam duas formas de comunicação com a cadeia principal: Ancoragem Simétrica ( e Ancoragem Assimétrica ).

Pegado Simétrico:

• Os validadores da cadeia lateral principal registram em tempo real o estado atual um do outro ( informações do cabeçalho do bloco )
• Utilizar tecnologia SPV bidirecional para transmitir informações
• Quando o Token da cadeia principal é enviado para a cadeia lateral, gera uma Saída SPV-Locked
• Validadores de sidechain desbloqueiam com prova SPV
• Após o período de confirmação e o período de concurso, os novos ativos cunhados podem ser utilizados na cadeia lateral.

Anexo Assimétrico:

• Validadores de sidechain monitorizam em tempo real a atividade da mainchain
• Quando a cadeia principal transfere para a cadeia lateral, a cadeia lateral registra ativamente (forward transaction)
• Introdução do mecanismo Certifiers ao transferir entre a side chain e a main chain
• Certificadores registram o ID do contrato, o ID do validador, a lista de transferência e outras informações
• Certificadores garantem a segurança através de staking e assinatura

Atualmente, a maioria das sidechains utiliza o mecanismo PoA ou uma camada intermediária de Relayers para confirmar o estado dos blocos da cadeia principal.

Resumo do mecanismo de cadeia lateral:

• Cadeia principal → Cadeia lateral: a cadeia principal bloqueia ativos, a cadeia lateral gera ativo embrulhado
• Sidechain→Mainchain: destruição de ativos wrapped na sidechain, desbloqueio de ativos na mainchain

A segurança dos ativos da cadeia lateral depende da segurança da cadeia lateral, ou seja, do mecanismo de consenso da cadeia lateral.

![Relatório de Pesquisa Profunda: Análise Completa da Expansão fora da cadeia](