Panorama das soluções de escalabilidade fora da cadeia: a evolução técnica dos State Channels aos Rollups

2025-07-25 16:10:19

Análise Profunda da Expansão fora da cadeia

Autor: Cobo Ventures

1. A necessidade de escalabilidade

A visão futura da blockchain é a descentralização, segurança e escalabilidade. Mas geralmente a blockchain só pode alcançar duas dessas características, o que é conhecido como o problema do triângulo impossível da blockchain. Ao longo dos anos, as pessoas têm explorado como aumentar a capacidade e a velocidade das transações da blockchain, garantindo a descentralização e a segurança, ou seja, resolvendo o problema da escalabilidade.

Vamos primeiro definir a descentralização, a segurança e a escalabilidade da blockchain:

Descentralização: qualquer pessoa pode se tornar um nó e participar do sistema de blockchain, quanto maior o número de nós, maior o grau de descentralização.
Segurança: quanto maior o custo para obter o controle da blockchain, maior a segurança.
Escalabilidade: a capacidade da blockchain de processar um grande número de transações.

A primeira grande bifurcação do blockchain do Bitcoin surgiu devido a problemas de escalabilidade. Em 1 de agosto de 2017, o Bitcoin ABC desenvolveu de forma independente um sistema cliente de 8MB, resultando na primeira grande bifurcação do Bitcoin na história, que gerou a nova moeda BCH.

A rede Ethereum também escolheu sacrificar uma parte da sua profundidade para garantir a segurança e a descentralização da rede. Desde o CryptoKitties de 2017, até a ascensão de aplicações como DeFi summer, GameFi e NFTs, a demanda do mercado por capacidade de processamento tem aumentado continuamente, mas a Ethereum só consegue processar de 15 a 45 transações por segundo. Isso leva a um aumento nos custos das transações e a um prolongamento dos tempos de liquidação, tornando difícil para a maioria das DApps suportarem os custos operacionais. A solução ideal de escalabilidade é: aumentar a velocidade e a capacidade de processamento da rede blockchain sem sacrificar a descentralização e a segurança.

2. Tipos de soluções de escalabilidade

Nós classificamos as soluções de escalabilidade em duas grandes categorias: escalabilidade on-chain e escalabilidade fora da cadeia, com base no padrão "se altera uma camada da rede principal".

2.1 expansão na cadeia

Conceito central: uma solução para aumentar a capacidade através da alteração de uma camada do protocolo da mainnet, sendo a principal solução atualmente a fragmentação.

A escalabilidade na cadeia tem várias soluções, este artigo não se aprofundará, apenas enumerará duas:

Expandir o espaço do bloco: aumentar o número de transações empacotadas em cada bloco, mas diminuirá o nível de "descentralização".
Fragmentação: dividir o livro-razão da blockchain em várias partes, onde diferentes fragmentos são responsáveis por diferentes registros. Isso pode reduzir a pressão de computação nos nós, aumentar a velocidade de processamento de transações e o grau de descentralização, mas pode reduzir a "segurança" de toda a rede.

Alterar o protocolo da camada principal da rede pode ter efeitos negativos imprevisíveis, e qualquer pequena vulnerabilidade de segurança na camada subjacente pode ameaçar seriamente a segurança de toda a rede.

2.2 fora da cadeia expansão

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

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

Layer2: Canais de Estado, Plasma, Rollups
Outras soluções: Sidechains, Validium

3. Profundidade de solução para expansão fora da cadeia

3.1 Canais de Estado

3.1.1 Resumo

Os canais de estado estipulam que os usuários só precisam interagir com a rede principal quando o canal está aberto, fechado ou em resolução de disputas, colocando a interação entre os usuários fora da cadeia, a fim de reduzir o tempo e o custo das transações, permitindo que o número de transações não seja limitado.

Os canais de estado são protocolos P2P simples, adequados para "aplicações baseadas em turnos", como jogos de xadrez para duas pessoas. Cada canal é gerido por um contrato inteligente multi-assinatura que opera na mainnet, e esse contrato controla os ativos depositados no canal, valida as atualizações de estado e arbitra disputas entre os participantes.

3.1.2 Linha do tempo

2015/02: Joseph Poon e Thaddeus Dryja publicam o rascunho do white paper da Lightning Network.
2015/11: Jeff Coleman fez a primeira síntese sistemática do conceito de State Channel.
2016/01: Joseph Poon e Thaddeus Dryja publicaram oficialmente o white paper da Lightning Network.
2017/11: A primeira especificação de design de State Channel baseada na estrutura Payment Channel, chamada Sprites, foi proposta.
2018/06: Counterfactual apresentou um design detalhado de Canais de Estado Generalizados.
2018/10: Apresentação dos conceitos de State Channel Networks e Virtual Channels.
2019/02: O conceito de canais 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 de os participantes precisarem estar continuamente online.
2020/03: Hydra apresentou Canais Isomórficos Rápidos.

3.1.3 Princípios técnicos

Fluxo de trabalho do canal de estado:

Os participantes implementam um contrato multi-assinatura na mainnet e depositam fundos para bloqueio; após a confirmação das assinaturas de ambas as partes, o canal é aberto.
Os participantes podem realizar transações gratuitas ilimitadas fora da cadeia.
Os participantes enviam atualizações de estado alternadamente um ao outro, aguardando a confirmação da assinatura do outro.
Ao fechar o canal, qualquer participante pode solicitar uma transação na rede principal. Se receber a aprovação de todos os assinantes, será executada imediatamente; caso contrário, aguardará o término do "período de contestação" para ser executada.

3.1.4 Vantagens e desvantagens

Vantagens:

Confirmação de transação instantânea
Baixas taxas
Alta taxa de transferência
Boa privacidade

Desvantagens:

É necessário bloquear fundos
É necessário monitoramento contínuo online
Interações complexas difíceis de implementar
Pode enfrentar desafios ao fechar o canal
Difícil de escalar para transações multipartidárias

3.1.5 Aplicação

Inclui principalmente a Lightning Network do Bitcoin, a Lightning Network do Ethereum e a Celer Network.

Rede Lightning do Bitcoin:

Proposto pela primeira vez em fevereiro de 2015
Lançamento da versão principal em março de 2018
Atualmente (2022 ano 11 de ) existem 76.236 canais de pagamento, com um total de 5049 BTC.
O ecossistema inclui mais de 100 aplicações como pagamentos, carteiras, gestão de nós.

Rede Lightning do Ethereum:

Fundado em 2017
Lançamento do primeiro cliente de mainnet em maio de 2020
Atualmente em desenvolvimento lento, com altas barreiras de entrada, surgem tecnologias de escalabilidade mais avançadas.

Celer Network:

Fundado em 2018
Lançamento da rede principal em julho de 2019
Atualmente, transformou-se numa plataforma de escalonamento L2 cross-chain.

3.1.6 Comparação de Aplicações

A rede Lightning do Bitcoin é a mais madura e possui o ecossistema mais rico. As redes Lightning do Ethereum e do Celer Network passaram por transformação sucessiva. De uma forma geral, a tecnologia de canais de estado é adequada para cenários de pagamento de baixo valor e alta frequência, mas apresenta limitações em cenários de aplicações complexas.

3.2 Sidechains

3.2.1 Resumo

A sidechain é uma forma de blockchain que surgiu para acelerar as transações de Bitcoin, podendo utilizar contratos mais complexos ou melhorar o mecanismo de consenso. Os resultados das transações da sidechain serão, em última instância, registrados do lado dos validadores, sendo uma infraestrutura anexada à cadeia principal que auxilia a cadeia principal a resolver problemas.

3.2.2 Linha do tempo

2012/01: O conceito de sidechain do Bitcoin foi proposto pela primeira vez
2014/10: Publicação do artigo sobre sidechains do Bitcoin
2017/04: Lançamento da rede de testes POA Network
2017/10:Lançamento da Matic Network
2017/12: Lançamento da mainnet da POA Network
2018/01: Lançamento da rede de teste Skale
2018/10: Lançamento da rede de testes do xDai Chain
2020/06: Lançamento da mainnet Skale
2020/06: Lançamento da mainnet da Matic PoS Chain
2021/02: A Matic Network passou a ser chamada de Polygon Network
2021/02:Lançamento da mainnet da sidechain Ronin do Axie Infinity
2021/12: xDai Chain fundiu-se com Gnosis Dao para formar Gnosis Chain
2022/03: A POA Network foi incorporada à Gnosis Chain

3.2.3 Princípios técnicos

As cadeias laterais têm duas principais tecnologias de cross-chain:

Ancoragem Bidirecional ( Ancoragem Simétrica ): os validadores da cadeia principal e da cadeia lateral registram em tempo real o estado um do outro.

Principais fluxos:

O usuário envia ativos para um endereço especial
Após o término do período de confirmação, submeta a prova à cadeia lateral.
Aguardar o fim do período de desafio
Os utilizadores podem usar ativos embalados recém-mintados na cadeia lateral

Ancoragem não coordenada ( Ancoragem Assimétrica ): validadores de cadeia lateral monitoram a atividade da cadeia principal, a cadeia principal valida transações de cadeia lateral através do mecanismo de Certificadores.

Registros de Certificadores:

ID do contrato inteligente, ID do validador e outras informações
Lista de transferência
Lista de relatórios de erro
Agregar todas as assinaturas

Atualmente, mais cadeias laterais utilizam notários de terceiros ( PoA ) ou camadas intermediárias de Relayers para realizar a interoperabilidade entre cadeias.

Resumo do mecanismo de cadeia lateral: Cadeia lateral: A cadeia principal bloqueia ativos, a cadeia lateral gera ativos encapsulados Cadeia principal: ativos encapsulados destruídos na cadeia lateral, ativos desbloqueados na cadeia principal

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

3.2.4 Vantagens e desvantagens

Vantagens:

Confirmação rápida
Baixas taxas
Alta taxa de transferência
Alta flexibilidade

Desvantagens:

Segurança mais fraca
Baixa profundidade de descentralização
Custo de cross-chain alto
Liquidez dispersa

3.2.5 Aplicação

Principalmente inclui xDai( a atual Gnosis Chain), Polygon e Ronin.

xDai(Gnosis Chain):

Lançamento da mainnet em setembro de 2018
Fusão com a Gnosis em novembro de 2021
Adotar o mecanismo de consenso PoSDAO
O TVL atual é de aproximadamente $53M, com 35 projetos em andamento

Polygon:

Fundado em 2017
Lançamento da mainnet em junho de 2020
Atualmente transformando-se em um agregador de escalabilidade L2
Possui mais de 37k DApps, 1.8B de transações totais, mais de 135M de usuários

Ronin:

Lançamento da mainnet em março de 2021
Para o desenvolvimento do jogo Axie Infinity
Utiliza consenso PoA, até 25 nós de validação
Sofreu ataques cibernéticos graves

3.2.6 Comparação de Aplicações

xDai foca em cenários de pagamento, Polygon desenvolve-se como um agregador de escalabilidade, Ronin é projetado especificamente para jogos. De um modo geral, as cadeias laterais apresentam um bom desempenho em termos de profundidade e flexibilidade, mas têm deficiências em segurança e descentralização.

3.3 Plasma

3.3.1 Resumo

Plasma é uma estrutura para construir DApps escaláveis, destinada a minimizar a confiança dos usuários nos operadores de cadeias laterais. O princípio básico do Plasma é que, mesmo que a cadeia Plasma sofra uma falha de segurança, os ativos dos usuários ainda podem ser retirados da rede principal.

3.3.2 Linha do tempo

2017/08: Vitalik e Joseph Poon apresentaram o white paper do Plasma
2018/01: Vitalik apresentou o Plasma MVP
2018/03: Vitalik propôs Plasma Cash
2018/06: Dan Robinson propôs Plasma Debit
2018/11: A BANKEX Foundation apresentou Plasma Prime
Fim de 2018: progresso do desenvolvimento estagnado
A partir de 2019: a comunidade Ethereum começou a explorar Rollups

3.3.3 Princípios técnicos

Três ideias principais:

Execução fora da cadeia: a mainnet não valida todas as transações
Compromisso de Estado: O operador submete regularmente a Raiz Merkle
Mecanismo de saída: os usuários devem provar que têm fundos retiráveis

Uso do fluxo:

O utilizador faz um depósito no contrato da rede principal
O usuário negocia na cadeia Plasma
O operador empacota a transação e submete o compromisso de estado
O utilizador deve submeter provas ao sair e aguardar o período de contestação.

3.3.4 Vantagens e desvantagens

Vantagens:

Alta taxa de transferência
Baixas taxas
Herdar a segurança da mainnet

Desvantagens:

Mecanismo de saída complexo
Problemas de disponibilidade de dados
Função de contrato inteligente limitada
Problema de saídas em massa

3.3.5 Aplicação

Principalmente inclui

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