Prefácio

A Ethereum é uma das blockchains mais populares e há muito que luta contra problemas de escalabilidade. Taxas elevadas do gás e lentas velocidades de transação são grandes preocupações que levaram ao congestionamento da rede. Para resolver esses problemas, surgiram várias soluções de escala. Nesta lição, vamos introduzir algumas das soluções de escala da Ethereum e aprofundar em dois rollups comuns: rollups otimistas e ZK-Rollups.

Os rollups otimistas são protocolos de camada 2 para Ethereum concebidos para escalar o rendimento da sua camada base. Ao processar transações off-chain, os rollups otimistas reduzem a computação no Ethereum Mainnet, melhorando significativamente as velocidades de processamento. Ao contrário de outras soluções de escala, como sidechains, os rollups otimistas empacotam os resultados da transação e publicam-nos na Ethereum, herdando a segurança da Mainnet. Verifica transações na Ethereum com provas de fraude mas armazena dados de transações noutros lugares.

Os rollups otimistas podem oferecer mais de 10x melhorias na escalabilidade evitando o processamento direto de cada transação na lenta e cara rede Ethereum. Em vez disso, escreve transações para a Ethereum como calldata, que serve como armazenamento temporário sem consumir espaço significativo na blockchain Ethereum, reduzindo assim os custos de gás para os utilizadores.

Os rollups de conhecimento zero (ZK-Rollups) também são soluções de escala de camada 2 que aumentam o rendimento na Ethereum Mainnet movendo a computação e o armazenamento de estados off-chain. O ZK-Rollups pode processar milhares de transações em lotes e só postar dados de resumo mínimos para a Mainnet. Estes dados resumidos definem as alterações que devem ser feitas no estado Ethereum e alguma prova criptográfica conhecida como provas de conhecimento zero, que verificam a correção do processamento da transação em lote.

Como funcionam os Rollups

Rúmulos Otimistas

Os rollups otimistas são uma solução tecnológica para melhorar a eficiência e a segurança das transações com blockchain. Envolve agrupar várias transações num “rollup” e enviá-las para a cadeia principal (Ethereum). Esta solução ajuda a poupar recursos na cadeia principal, a aumentar a velocidade e o rendimento das transações e a reduzir as taxas de transação.

Os acúmulos otimistas executam transações fora da cadeia mas dados pós-transação como dados de chamada na rede principal da Ethereum. Os operadores de rollup otimistas, também conhecidos como sequenciadores, agrupam várias transações fora da cadeia em grandes lotes antes de enviá-las para a Ethereum. Esta abordagem espalha os custos fixos em várias transações em cada lote, reduzindo os custos para os usuários finais. Além disso, os acúmulos otimistas utilizam técnicas de compressão para reduzir a quantidade de dados postados no Ethereum.

Os rollups otimistas são considerados “otimistas” porque assumem que todas as transações fora da cadeia são válidas e não publicam provas de validade para lotes de transações postados na cadeia. Essa é a principal diferença entre rollups otimistas e ZK-Rollups, onde a ZK-Rollups deve fornecer provas de validade para transações fora da cadeia.

Os acúmulos otimistas usam provas de fraude para detectar transações que não são calculadas corretamente. Cada lote de rollup submetido à Ethereum tem uma janela de tempo chamada um “período de desafio” durante o qual qualquer pessoa pode agir como validador e calcular uma prova de fraude para verificar os resultados de uma transação acumulada. Se a prova de fraude tiver êxito, o protocolo de rollup reexecutará a transação e atualizará o estado do rollup adequadamente, enquanto os nós que incluíram as transações executadas incorretamente num bloco serão penalizados.

Se um lote rollup continuar sem ser desafiado depois de o período de desafio terminar (ou seja, todas as transações foram executadas corretamente), o lote é considerado válido e aceito na Ethereum. Qualquer nó pode continuar a basear-se em blocos de rollup não confirmados mas se eles executarem transações com base num lote executado incorretamente, os resultados da transação serão revogados.

Desta forma, os acúmulos otimistas podem alcançar um processamento de transações eficiente e de baixo custo enquanto mantêm a segurança da blockchain. É uma solução que muda o problema da escalabilidade da camada de consenso para a camada de cálculo e atualmente é uma tecnologia de escala blockchain amplamente reconhecida e aplicada.

Os acumuladores sequenciam transações individuais fora da cadeia e embalam-nas antes de postá-las na Ethereum

Zk-Rollups

As ZK-Rollups, como os rollups otimistas, estão a dimensionar soluções que aproveitam o processamento de transações em lote para melhorar a eficiência das transações com blockchain. No entanto, adotam abordagens diferentes para conseguir isso.

Na ZK-Rollups, os operadores (também conhecidos como sequenciadores) enviam um resumo dos dados agregados das transações à cadeia principal, representando as alterações necessárias para todas as transações no lote, em vez de enviar cada transação individualmente. Os operadores escrevem transações como dados de chamada armazenados no Ethereum temporariamente e quando a informação nos calldata é publicada na blockchain, qualquer pessoa pode reconstruir o estado do rollup independentemente.

Além disso, os operadores devem gerar provas de validade para demonstrar a correção dos seus dados acumulados. Estas provas de validade baseiam-se principalmente nas provas ZK para provar a autenticidade e a validade de todas as transações no lote rollup.

Os nós na Mainnet só precisam verificar a correção da ZK-Proofs, sem examinar os detalhes de cada transação. Em contraste, os acúmulos otimistas usam provas de fraude para detetar erros computacionais nas transações. Isto significa que a ZK-Rollups só precisa fornecer provas de validade para concluir as transações na Ethereum, enquanto os rollups otimistas exigem que todos os dados das transações sejam incluídos na cadeia.

Ao mudar fundos de um ZK-Rollup para Ethereum, não há atraso uma vez que as transações de saída são executadas imediatamente após o contrato ZK-Rollup verificar a prova de validade. Por outro lado, extrair fundos de acúmulos otimistas enfrenta um atraso para permitir que qualquer pessoa desafie as transações de saída com provas de fraude.

A ZK-Rollups também utiliza técnicas de compressão para reduzir os dados da transação. Por exemplo, a ZK-Rollups usa a Merkle trees para manter a segurança e integridade das transações fora da cadeia sem armazenar todos os dados da transação na Mainnet. Além disso, as contas são representadas por índices em vez de endereços, o que salva 28 bytes de dados. A publicação de dados em cadeia é um custo significativo para rollups, então a compressão de dados pode reduzir as taxas para os utilizadores.

Provas Zero-Conhecimento

As provas de conhecimento zero vêm em vários algoritmos. Tomando o protocolo Sigma como exemplo, se Alice quiser provar a Bob que realmente conhece uma chave secreta “senha”, pode fazê-lo utilizando os seguintes passos:

1. Alice escolhe um número r ao acaso e usa a função hash para calcular H (r) e depois envia o resultado para Bob. A função hash H converte dados de comprimento arbitral em um valor de hash de comprimento fixo. Por exemplo, H (“olá”) pode ser “2f95f89f1c2328712ef7bde608ce5404e97d5f04”.

2. Bob gera um número aleatório s e envia-o para Alice.

3. A Alice calcula x = r + H (“senha”) * s, onde a “senha” é a chave secreta conhecida da Alice. Ela envia o resultado para Bob.

4. O Bob calcula y = H (x) e envia y para Alice.

5. A Alice calcula z = r + H (“senha”) s y e envia z para Bob.

6. Bob calcula w = H (z). Se w for igual a y, indicando que z = x, o Bob sabe que Alice possui a chave secreta “senha”.
   No passo 3, Alice combina a chave secreta conhecida “senha” com o número aleatório r e o valor fixo H (“senha”) * s para criar um valor aparentemente aleatório x, que serve como uma representação pseudorandom de “senha” através do cálculo da função hash. Forma um novo valor x composto pelo valor verdadeiramente aleatório r e a senha fixa “senha”.

Durante a interação, ambas as partes só conseguem ver os seus próprios números aleatórios. Por exemplo, a Alice sabe r mas não o s, enquanto o Bob sabe s mas não r. No entanto, Bob pode usar o valor aleatório s para verificar o valor hash da Alice e determinar se contém o componente pseudorandom. A pseudorandomness representa que Alice possui realmente a chave secreta, enquanto a verdadeira aleatoriedade significa que Alice está a mentir.

A chave para esse processo é que a Alice usa a chave secreta para calcular x e z nos passos 3 e 5, provando assim a sua propriedade da chave secreta sem revelar o seu conteúdo real. Os números aleatórios r e s, juntamente com a função hash H, ajudam a proteger a privacidade da Alice.

Vantagens dos Rollups

Rúmulos Otimistas

1. Melhora significativamente a escalabilidade sem sacrificar a segurança ou descentralização.

2. Os dados das transações são armazenados na cadeia de camada 1, o que aumenta a transparência, a segurança, a resistência à censura e a descentralização.

3. Garante a finalidade sem confiança com provas de fraude e permite que minorias honestas protejam a cadeia.

4. A computação das provas de fraude é relativamente fácil e pode ser executada por qualquer nó de camada 2 sem precisar de hardware de alta especificação.

5. Altamente compatível com EVM e Solidez, permitindo que os desenvolvedores portem contratos inteligentes nativos da Ethereum para acumular ou criar novos DAPPs usando as ferramentas existentes.
   Zk-Rollups

6. As provas de validade garantem a correção das transações fora da cadeia, impedindo os operadores de executar transações de estado inválidas.

7. Oferece um final de transações mais rápido à medida que as atualizações do estado são aprovadas assim que as provas de validade são verificadas na camada

8. Depende de mecanismos criptográficos confiáveis para a segurança, em vez de depender da honestidade dos atores incentivados como em acúmulos otimistas.

9. Os utilizadores beneficiam de uma maior eficiência de capital e podem retirar fundos da camada 2 sem atrasos.

10. Menor carga para nós do validador de camada 1 e uma melhor compressão de dados podem ajudar a reduzir os custos da publicação de dados no Ethereum, minimizando as taxas de acúmulo para os usuários.
    As provas comuns de zero conhecimento vêm na forma de um ZK-Snark (Argumento do Conhecimento Zero-Conhecimento Não Interativo) e Zk-Stark (Argumento do Conhecimento Escalável Zero-Knowledge). As diferenças entre os dois estão resumidas da seguinte forma:

Desvantagens dos Rollups

Rúmulos Otimistas

1. Potenciais desafios de fraude podem levar a atrasos no caráter definitivo da transação.

2. Os sequenciadores de rollup centralizados podem influenciar o pedido de transações.

3. Quando não existem nós honestos, os sequenciadores maliciosos podem roubar fundos publicando blocos inválidos e compromissos do Estado.

4. O modelo de segurança depende de pelo menos um nó honesto a executar transações acumuladas e a enviar provas de fraude para desafiar as transições de estado inválidas.

5. Os utilizadores devem esperar até que o período de desafio termine para retirar fundos de volta à Mainnet.

6. Os dados armazenados e publicados na camada 1 são mais do que nos ZK-Rollups, fazendo-os consumir mais recursos e aumentar os custos.
   Zk-Rollups

7. O custo de computação e verificar as provas de validade é alto, o que pode aumentar as taxas para utilizadores acumulados.

8. Devido à complexidade da tecnologia de conhecimento zero, é difícil construir ZK-Rollups compatíveis com EVM.

9. Gerar provas de validade requer equipamento especializado, o que aumenta a barreira para os operadores e pode resultar em alguns participantes controlarem a rede blockchain.

10. Os operadores centralizados podem influenciar o pedido de transações.

Principais projetos Rollup

Otimismo

O otimismo é uma solução de escala de camada 2 baseada em Ethereum que utiliza rollups otimistas para aumentar o rendimento da transação, reduzir as taxas e manter alta compatibilidade com a Ethereum. O objetivo do Otimismo é estabelecer uma Superchain, uma rede unificada que funde todas as cadeias de camada 2 com base na Pilha do Otimismo. Permite a compostabilidade e a interoperabilidade entre cadeias.

O ecossistema do Otimismo fez progressos significativos, começando com um ar de ar para a comunidade em meados de 2022 para recompensar os primeiros apoiantes e contribuintes. Foram distribuídos tokens OP aos utilizadores do Optimismo, aos eleitores do DAO, selecionaram os signatários de vários sig e doadores da Gitcoin.

No início de 2023, a Coinbase lançou a Base, uma rede de blockchain de camada 2 desenvolvida utilizando o código aberto Optimistimismo Stack. A Base tem como objetivo proporcionar aos desenvolvedores uma plataforma de camada 2 rápida, segura e personalizável e planeia integrá-la com o Coinbase Wallet e o Exchange para melhorar a experiência e a segurança do utilizador.

O otimismo continua a melhorar a sua tecnologia e arquitetura de governação. Por exemplo, introduz recursos como o motor à prova de falhas Cannon, cria o protocolo do sequenciador e estabelece o Coletivo de Otimismo. A aplicação da Chain Factory vai facilitar a construção de um ecossistema de Superchain à volta da rede Ethereum.

Atualmente, várias aplicações descentralizadas bem conhecidas, tais como Uniswap, Aave e Synthetix, foram implantadas no Otimismo, representando projetos flagship otimistas de rollup.

Árbitro

O Arbitro também é uma rede de blockchain de camada 2 que usa acúmulos otimistas. Usa um design interativo multiredondo para resolver disputas e reduzir a carga de trabalho na cadeia. O Arbitro oferece uma forte compatibilidade EVM, permitindo que os desenvolvedores implementem facilmente os seus contratos inteligentes na rede Árbitro. No entanto, em comparação com a prova de fraude única do Optimismo, o Arbitro tem blocos maiores.

A arbitragem ganhou popularidade entre os projetos inovadores do DEFI. As mais notáveis incluem a plataforma de negociação de derivados GMX e a Rede de Ganhos, bem como o protocolo de empréstimos Radiante. Projetos estabelecidos como Sushiswap e Curve também trouxeram liquidez significativa ao ecossistema Arbitum. De acordo com o Dune Analytics, em abril de 2023, o número de utilizadores no Arbitro ultrapassou 1 milhão, com um volume de negociação a ultrapassar os 10 mil milhões de dólares e os ativos em cadeia a chegarem a US$ 2 bilhões.

Além de atrair mais projetos e utilizadores, a Árbitro continua a inovar e a otimizar a sua tecnologia e governação. Em fevereiro de 2023, conduziu um airdrop da ficha de governação ARB, permitindo que a comunidade participasse na tomada de decisão relativa aos upgrades da rede Arbitum.

Apesar das controvérsias e disputas decorrentes da proposta AIP-1 e da decisão da fundação de vender tokens ARB, o preço dos tokens ARB continuou a aumentar, indicando otimismo do mercado sobre o seu potencial futuro.

Atualmente, a rede Arbitum permanece como um dos projetos de blockchain de camada 2 mais vibrantes que utiliza o acúmulo otimista, oferecendo mais possibilidades e valor ao ecossistema Ethereum.

ZKSync

O ZKSync é uma solução de escala de Camada 2 baseada em provas de conhecimento zero, destinada a melhorar a velocidade das transações e reduzir os custos na rede Ethereum enquanto mantém a compatibilidade com o EVM. A equipa de desenvolvimento, Matter Labs, lançou a segunda fase da rede ZKSync, chamada Era ZKSync, no início de 2023. Esta fase usa um Succinto, Transparent Argumento of Knowledge (STARK) para melhorar ainda mais a eficiência da prova de conhecimento zero.

O lançamento da rede principal do ZKSync granjeou uma atenção significativa da comunidade de desenvolvimento. Quase alcançou a implementação total do ZKEVM, permitindo que os desenvolvedores criem aplicativos de conhecimento zero usando a linguagem Solidez. Isso significa que os programadores podem portar facilmente as suas aplicações Ethereum ao ZKSync e beneficiar de uma maior escalabilidade e segurança.

O ZKSync também oferece interoperabilidade com outras redes de camada 2 e camada 1 através dos serviços transversais Multichain e Orbiter Finance. Atualmente, vários projetos de blockchain já anunciaram o seu apoio à implementação do ZKSync, incluindo carteiras, pontes cruzadas, gateways de pagamento, exploradores de blocos, trocas, protocolos DEFI, plataformas NFT, jogos, etc.

O ecossistema ZKSync ainda está na fase inicial, mas vimos alguns componentes ativos, incluindo o SyncSwap de intercâmbio descentralizado e o protocolo de empréstimo Nexon Finance. As campanhas de doação de gitcoin também podem ser acedidas através do ZKSync.

O lançamento da rede principal do ZKSync é considerado um marco fundamental na jornada de escalabilidade da Ethereum, mostrando o imenso potencial da tecnologia sem conhecimento zero no espaço da blockchain. À medida que mais projetos e utilizadores migram para o ZKSync, podemos esperar transações e aplicações em blockchain mais rápidas, baratas e mais seguras.

StarkNet

O StarkNet é um projeto de escala de camada 2 para Ethereum desenvolvido pela startup Starkware. A sua tecnologia principal baseia-se no STARK (Scalable Transparent Arguments of Knowledge), uma prova de conhecimento zero, para permitir uma verificação de transações mais rápida, segura e com uso eficiente de recursos na blockchain enquanto protege a privacidade do usuário.

O StarkNet já integrou com várias blockchains populares. O StarkGate, uma ponte transversal, foi integrada para apoiar interações com várias soluções de rollup. Isso permite que os utilizadores transfiram perfeitamente o ETH através da Ethereum, Arbitro, Optimium e Polygon para o StarkNet.

No final de 2022, a equipa anunciou a implementação com sucesso do ZK-EVM usando a linguagem de programação do Cairo. Este feito atraiu projetos renomados, tais como Sorare, Immutablex, DyDX e APEX, para implantar as suas aplicações descentralizadas no StarkNet.

Atualmente, o ecossistema StarkNet está nas suas fases iniciais de desenvolvimento. Os projetos notáveis dentro do ecossistema incluem o intercâmbio descentralizado JedSwap, o protocolo de empréstimos CurveZero e o NFT marketplace Aspect. À medida que os cenários de aplicação do StarkNet e a base de utilizadores se expandem, o desempenho da sua compatibilidade com ZK-EVM vai tornar-se cada vez mais evidente.

Conclusão

Nesta lição, aprofundámos a tecnologia e as tendências de desenvolvimento dos rollups Ethereum. Os acumuladores embalam várias transações e separam a camada de protocolo da camada de computação, assim aliviando o congestionamento na Ethereum Mainnet e obtendo maior rendimento de transações e custos mais baixos.

A tecnologia de rollup pode ser dividida em duas categorias: rollup otimista e ZK-Rollup. O Rúmulo otimista assume que todas as transações empacotadas estão corretas, enquanto o ZK-Rollup exige fornecer provas de conhecimento zero.

Cada tecnologia de rollup tem os seus próprios pontos fortes. À medida que a tecnologia amadurece, foram feitos progressos significativos nas capacidades transversais e na integração do EVM. Projetos como Optimismotic, Arbitro, ZkSync e StarkNet estão ativamente a desenvolver e a otimizar a sua infraestrutura técnica para satisfazer a crescente demanda do mercado de escalabilidade, segurança e descentralização.

Na próxima lição, vamos comparar várias redes de blockchain compatíveis com o EVM e explorar como elas competem no mercado potencial pela escalabilidade Ethereum.

DESTAQUES

• As ZK-Rollups e os rollups otimistas são soluções técnicas destinadas a melhorar a eficiência e a segurança das transações em blockchain. Ao empacotar várias transações num “rollup” e enviá-las para a Mainnet, podem poupar os recursos da Mainnet, aumentar a velocidade e o rendimento da transação e reduzir as taxas de transação para os utilizadores.
• Os acúmulos otimistas executam transações fora da cadeia e usam provas de fraude para detectar transações executadas incorretamente, permitindo que qualquer pessoa verifique os resultados de transações acumuladas.
• Se forem encontradas transações executadas incorretamente durante o período do desafio, o protocolo rollup reexecutará a transação e o sequenciador responsável receberá uma penalidade.
• No ZK-Rollups, os operadores enviam um resumo dos dados agregados de transações à Mainnet e geram provas de validade usando provas de conhecimento zero para demonstrar a exatidão dos seus dados acumulados.
• Os nós na Mainnet só precisam verificar a correção das provas de conhecimento zero, sem examinar os detalhes de cada transação individual. Portanto, não há período de desafio.
• Ambos os acúmulos otimistas e ZK-Rollups usam técnicas de compressão para reduzir os dados da transação. Por exemplo, usam a Merkle Trees para manter a segurança e integridade de transações fora da cadeia ou usam índices em vez de moradas de carteira.
• Os rollups otimistas e os ZK-Rollups têm as suas próprias vantagens e desvantagens. Construir ZK-Rollups compatíveis com o EVM é mais desafiador e a segurança de acúmulos otimistas depende de nós honestos.
• Com o desenvolvimento contínuo da tecnologia de rollup, podemos esperar ver aplicações mais difundidas em várias áreas, como DEFI, NFT e jogos.

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