Dimensionamento de Blockchain simplificado: um guia para soluções eficientes de camada 1 e camada 2

Como desenvolvedor experiente com anos de experiência, posso dizer com segurança que compreender e implementar soluções de escalabilidade não é apenas uma opção, mas uma necessidade para qualquer projeto de blockchain que pretenda prosperar neste ecossistema em rápido crescimento.

Os avanços notáveis ​​na tecnologia blockchain impactaram significativamente vários setores devido à sua natureza descentralizada. No entanto, um problema contínuo que surge é a escalabilidade. À medida que o blockchain se expande a uma taxa incrível, semelhante a um fogo ardente, o mesmo acontece com o volume de transações. Este rápido crescimento exige o desenvolvimento de sistemas de processamento de transações eficientes e de alta capacidade. Na ausência de soluções de escalonamento adequadas, redes como Bitcoin e Ethereum podem enfrentar taxas de transação lentas e taxas exorbitantes, o que pode dificultar a adoção e o uso prático.

Pronto para dimensionar seus projetos de blockchain? 

O que você aprenderá

• Soluções de escalonamento de camada 1 versus camada 2
• Canais estaduais e sidechains
• Fragmentação
• Rollups otimistas e zk-rollups

1. Soluções de Camada 1 vs. Camada 2

Visão geral:

Escalonamento na Camada 1: As soluções neste nível visam aprimorar a estrutura fundamental do blockchain para gerenciar maiores volumes de transações. Ao modificar os protocolos básicos, estas soluções visam aumentar a escalabilidade. Isso poderia envolver ajustes no tamanho dos blocos ou a implementação de novos mecanismos de consenso, além da adoção de técnicas como a fragmentação para criar soluções escaláveis. No entanto, embora essas soluções da Camada 1 possam melhorar significativamente o tratamento de transações, elas podem ser caras e difíceis de implementar.

• Exemplo: Ethereum 2.0: Ethereum mudou seu consenso de Prova de Trabalho para Prova de Participação, adotando o escalonamento da Camada 1. Ao fazer a transição para PoS, Ethereum reduz seu consumo de energia em 99,95%, ao mesmo tempo que implementa sharding, aumentando significativamente o rendimento das transações.

Soluções de escalonamento na camada 2: Esses métodos de escalonamento visam transferir a carga de transações do blockchain primário para sistemas externos, ao mesmo tempo em que preservam a segurança por meio do blockchain base (camada 1). Ao contrário da modificação do protocolo blockchain subjacente, essas técnicas aumentam a velocidade e diminuem o tempo de resposta. Notavelmente, as soluções da Camada 2 são desenvolvidas com base na infraestrutura blockchain existente.

• Você sabia: A Lightning Network permite que transações de Bitcoin ocorram fora da cadeia entre duas partes, e então o saldo final pode ser liquidado posteriormente na cadeia. Isso garante transações com taxas baixas, tornando-as práticas para as compras do dia a dia.

# Pseudocódigo para abrir um canal da Lightning Networkdef open_channel(partner_address, inicial_balance):    channel = { ‘partner’: Partner_address,        ‘balance_self’: initial_balance,        ‘balance_partner’: 0,        ‘is_open’: True  }    # Bloquear fundos on-chain    on_chain_lock(partner_address, initial_balance)    return channeldef update_balance(channel, amount):if channel[‘is_open’]:channel[‘balance_self’] -= amountchannel[‘balance_partner’] += amount# Sign off-chain transactionsign_transaction( canal)    else:raise Exception(“Canal está fechado”)def close_channel(canal):    if canal[‘is_open’]:canal[‘is_open’] = False# Liquidar saldo final on-chainon_chain_settle(canal[‘parceiro’], canal[‘balance_partner’])on_chain_settle(canal[‘self’], canal[‘balance_self’])    else:raise Exception(“Canal já fechado”)

Comparação entre Camada1 e Camada2:

Detalhamento técnico: 

Otimizações da camada 1: 

Entende-se que o aprimoramento da Camada 1 impacta significativamente a estrutura fundamental do sistema blockchain. As melhorias feitas aqui se concentram na modificação do nível fundamental do design do blockchain para aumentar a velocidade, a segurança e a eficiência geral. Aqui estão algumas melhorias cruciais na Camada 1:

• Atualizações do mecanismo de consenso: Isso inclui a atualização do seu mecanismo de consenso existente. Por exemplo, mudar de PoW para PoS. Para esta transição, aumenta o rendimento e a eficiência e mantém a segurança. Além disso, reduz o poder computacional necessário para mineração em PoW.
• Fragmentação: Fragmentação é uma técnica de dividir o blockchain em pedaços menores conhecidos como fragmentos. Cada fragmento é processado em paralelo. Conseqüentemente, esta técnica melhora muito o rendimento, permitindo que várias transações sejam processadas simultaneamente.

Você sabia: Ethereum 2.0 está implementando sharding para melhorar a escalabilidade, permitindo até 64 cadeias paralelas.

Aumentar o tamanho do bloco significa encaixar mais transações em um bloco, aumentando assim a taxa de processamento de transações por segundo – TPS. No entanto, uma desvantagem potencial é que isso pode levar à centralização devido à necessidade de maior poder computacional.

Arquiteturas de camada 2: 

As soluções de 2 níveis baseiam-se nas soluções de 1 nível, concentrando-se em afastar o processamento de transações da rede primária. Em vez de modificar a estrutura fundamental, estas soluções aumentam a eficiência ao aliviar a carga na Camada 1. As principais arquiteturas para a Camada 2 incluem:

• Canais Estaduais: Realização de transações fora da cadeia e liquidação do estado final na cadeia
• Sidechains:  blockchains independentes vinculados à cadeia principal por meio de uma ligação bidirecional.
• Rollups:  agregar transações fora da cadeia e postar dados compactados na cadeia principal.

Teremos uma visão detalhada da arquitetura da Camada 2 posteriormente neste artigo.

Considerações do desenvolvedor:

2. Canais estaduais e sidechains

Canais estaduais:

Usando canais estatais, as partes interagentes podem executar transações além do blockchain, mantendo ativos essenciais dentro dele. Essa abordagem evita exigir que cada transação individual seja adicionada diretamente ao blockchain. Em vez disso, apenas o estado final fica permanentemente conectado à cadeia, reduzindo assim as taxas de transação e aliviando o tráfego de rede.

A Raiden Network on Ethereum reduz significativamente os custos e atrasos de transação, facilitando as transferências de tokens fora da cadeia, acelerando efetivamente as operações.

Como funciona:

solididade do pragma ^0.8.0;contrato StateChannel {mapping(endereço => uint256) saldos públicos;função openChannel(valor uint256) público a pagar {saldos[msg.sender] += valor;  // Bloqueia ativos na cadeia    }function closeChannel(address participante, uint256 finalBalance) public {balances[participant] = finalBalance;  // Enviar estado final    }}

No trecho acima:

• A configuração do canal permite que os participantes bloqueiem ativos em um contrato inteligente on-chain.
• As transações ocorrem fora da cadeia, com cada atualização de estado assinada por todas as partes.
• O estado final é enviado on-chain e o razão é atualizado

Benefícios:

• Transações econômicas
• Finalidade quase instantânea para transações fora da cadeia.

Compensação: Os canais estatais exigem que ambas as partes estejam on-line durante as interações.

Arquitetura Técnica:

Etapas: Configuração do canal → Transações fora da cadeia → Fechamento do canal

Notas do desenvolvedor:

• Projete um contrato inteligente robusto para bloquear ativos na cadeia.
• Esquemas de assinatura criptográfica para verificar interações fora da cadeia (por exemplo, ECDSA).
• Otimizações: Raiden Network (Ethereum) e Lightning Network (Bitcoin). Eles oferecem infraestrutura testada para realizar pagamentos fora da rede e lidar com a resolução de disputas, permitindo que os desenvolvedores se concentrem na camada de aplicação.

Cadeias laterais:

Uma sidechain funciona como seu próprio blockchain autônomo, funcionando junto com o principal. Está ligado à cadeia principal através de uma ponte ou estaca bidirecional, permitindo a transferência de ativos e informações entre eles. Essa conexão permite processar transações de forma mais adaptável.

Exemplo: Rede Polygon-Matic. Ethereum usa uma cadeia lateral – Polygon. Ele alterna periodicamente entre a rede principal e a rede Matic, proporcionando transações mais rápidas e baratas.

Detalhamento técnico:

Vinculação bidirecional: os ativos são inicialmente protegidos na rede primária, onde são posteriormente espelhados em uma rede secundária. As transações na rede secundária são regularmente reconciliadas e confirmadas na rede primária.

solidez do pragma ^0.8.0;contrato TwoWayPeg {address public sidechainOperator;mapping(address => uint256) public bloqueadoBalances;constructor(address _sidechainOperator) {sidechainOperator = _sidechainOperator;}function lockFunds(uint256 amount) public {        require(amount > 0, “O valor deve ser maior que 0”);        saldosbloqueados[msg.sender] += valor;        // Transferir fundos para sidechain         // Emitir evento para o operador sidechain cunhar tokens equivalentes    }function unlockFunds(address user, uint256 amount) public {require(msg.sender == sidechainOperator, “Somente o operador pode desbloquear fundos”);require(lockedBalances [usuário] >= valor, “Saldo bloqueado insuficiente”);lockedBalances[usuário] -= valor;       a pagar(usuário).transferência(valor); } }

Resumo: Cada sidechain pode estabelecer seu próprio método para chegar a um acordo (mecanismo de consenso), que é separado da cadeia primária, proporcionando maior adaptabilidade e rapidez no processamento das transações.

Segurança: As cadeias laterais possuem garantias de segurança separadas em comparação com a cadeia primária, o que pode torná-las vulneráveis ​​a riscos específicos, dependendo do seu design e construção.

Considerações sobre desenvolvimento:

• Para configuração e manutenção do Sidechain, utilize estruturas como Polygon SDK.
• Design de peg bidirecional e sua interação com a rede principal da Camada 1. Garante trocas atômicas e comunicação segura entre as cadeias.
• Para comunicação segura implemente protocolos para interação segura e confiável evitando gastos duplos e mantendo a integridade dos dados.

3. Fragmentação

Em termos mais simples, sharding é um método usado para aumentar a escalabilidade de um sistema blockchain. Essa técnica envolve a divisão do blockchain principal em unidades menores e mais gerenciáveis, chamadas “fragmentos”. Cada fragmento pode processar transações em paralelo de forma independente, lidando com uma parte das operações gerais da rede. Essa divisão ajuda a aumentar o rendimento geral e reduz a carga em toda a rede, tornando-a mais eficiente e rápida.

Detalhes técnicos:

• Composição do fragmento: Cada fragmento contém seus próprios dados e histórico de transações e é capaz de processar suas próprias transações de forma independente.
• Comunicação entre fragmentos: Mecanismos devem ser implementados para interagir e garantir que o estado geral do blockchain permaneça sincronizado. As transações entre fragmentos adicionam complexidade à passagem de mensagens e à validade do estado.
• Alocação de validadores: Os validadores são atribuídos a diferentes fragmentos para processar transações e manter a segurança. A rotação do fragmento evita conluio.

importar hashlibdef atribua_shard(transaction, num_shards):    tx_hash = hashlib.sha256(transaction.encode).hexdigest    shard_id = int(tx_hash, 16) % num_shards    return shard_id # Exemplo de uso de transação = “Usuário A envia 10 ETH para Usuário B”shard_id = assign_shard(transaction, 64)print(f”Transação atribuída ao Shard {shard_id}”)

No código fornecido, cada transação é alocada a um shard específico utilizando seu valor hash, o que garante uma distribuição aleatória e equilibrada.

4. Rollups: Rollups otimistas e ZK

Em termos mais simples, os Rollups servem como camadas secundárias para melhorar a escalabilidade nos sistemas blockchain. Eles agrupam inúmeras transações fora da rede principal, compactando os dados ou usando evidências criptográficas antes de enviá-los de volta à cadeia primária. Este método diminui significativamente a quantidade de transações em cadeia sem comprometer a segurança fornecida pela Camada 1.

Rollups têm duas variedades principais, vamos dar uma olhada nisso!

Acúmulo otimista:

Em Optimistic Rollups, presume-se que todos os negócios fora da rede são legítimos para começar. Se houver suspeita sobre um negócio, é fornecido um período de contestação onde os participantes podem apresentar evidências (provas de fraude) para contestar negócios inválidos. Com o Optimistic Rollups, várias transações são coletadas off-line e, em seguida, os dados condensados ​​são carregados on-line. Durante este prazo designado, podem ser apresentadas provas de fraude e, após a conclusão do período de contestação, os negócios são considerados finais.

*Janela de desafio:* Um prazo em que qualquer parte envolvida pode apresentar evidências de possível fraude em relação a uma transação, caso considere a transação questionável ou inválida.

Mecanismo: Agregação de transações→Lançamento de dados→Período de disputa→Finalidade

solidez do pragma ^0.8.0;contrato OptimisticRollup {    struct Transaction {        endereço do remetente;        receptor de endereço;        valor uint256;        assinatura de bytes;    } Transação[] transações públicas;    uint256 desafio públicoPeríodo = 7 dias;    function submitBatch(Transaction[] memory txBatch) public {// Verifica e armazena a transação batchfor(uint i = 0; i < txBatch.length; i++) {transactions.push(txBatch[i]);// Emite evento para on- disponibilidade de dados em cadeia }}function challengeTransaction(uint256 txIndex, bytes memory fraudProof) public { // Validar prova de fraude em relação à transação enviada        require(validateFraudProof(txIndex, fraudProof), “Invalid fraudproof”);// Reverter transação ou penalizar ator mal-intencionado }função finalizeTransactions public {// Finalizar transações após o período de desafio }função validFraudProof(uint256 txIndex, bytes memory fraudProof) retornos de visualização interna (bool) {// Implementar lógica de validação à prova de fraudereturn true; // Espaço reservado } }

No segmento de código fornecido, a função ‘submitBatch’ consolida inúmeras transações antes de enviá-las ao blockchain para verificação. Entretanto, a função ‘challengeTransaction’ permite aos participantes apresentarem as suas provas de potenciais atividades fraudulentas durante o período especificado.

A função finalizeTransactions finaliza as transações.

Lei de equilíbrio: Rollups otimistas apresentam custos reduzidos, mas introduzem um atraso na finalização das transações devido ao período de disputa, o que leva a um ligeiro atraso na obtenção da certeza da transação.

zk-Rollups:

Os rollups de conhecimento zero, também conhecidos como zk-Rollups, operam produzindo verificações criptográficas (zk-SNARKs ou zk-STARKs) que confirmam transações fora da cadeia antes de serem postadas na cadeia. Ao contrário dos Optimistic Rollups, os zk-Rollups eliminam a necessidade de um período de disputa porque essas provas garantem a autenticidade da transação.

Finalidade da transação: as transações processadas por meio de zk-Rollups tornam-se irreversíveis assim que sua prova é validada no blockchain principal.

Pilha técnica:

• Geração e verificação de prova de conhecimento zero (zk-SNARK, zk-STARK).
• Projeto de circuitos zk-Rollup para lidar com vários tipos de transações

solididade do pragma ^0.8.0;importar “openzeppelin-solidity/contracts/math/SafeMath.sol”;contratar ZKRollup {    usando SafeMath para uint256;struct Proof {        bytes32 proofData;        entrada uint256;    }event ProofVerified(endereço do usuário indexado, quantidade uint256);função submitProof(Prova de memória de prova) public {require(verifyProof(proof), “Prova inválida”); // Atualizar o saldo ou estado do usuário com base em proofemit ProofVerified(msg.sender, proof.input); }função verifyProof(prova de memória de prova) retornos puros internos (bool) {// Implementar lógica de verificação zk-SNARKreturn true; // Espaço reservado }}

zkSync é uma implementação notável da tecnologia ZK-Rollup, projetada principalmente para Ethereum, com ênfase no aprimoramento da escalabilidade e da segurança por meio do uso de provas de conhecimento zero.

Foco no desenvolvimento:

• Otimize as provas de rollup para eficiência e escalabilidade.
• Entenda as vantagens e desvantagens: zk-Rollups oferecem finalidade mais rápida, enquanto Optimistic Rollups têm implementações mais simples, mas exigem períodos de desafio.
• Casos de uso: dApps de alto rendimento, finanças descentralizadas (DeFi) e aplicativos com foco na privacidade.

Como escolher a solução de dimensionamento certa?

Conclusão

A escalabilidade é um fator inevitável no crescimento contínuo da tecnologia blockchain. Ao compreender e implementar soluções de escalonamento de Camada 1 e Camada 2, os desenvolvedores podem melhorar significativamente o desempenho, a eficiência e a usabilidade das redes blockchain. À medida que o ecossistema blockchain evolui, manter-se informado e adepto a essas estratégias de escalonamento capacitará os desenvolvedores a criar aplicativos descentralizados robustos e de alto desempenho.

Boa programação e continue aprendendo!!

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2024-11-01 09:24