Soluções de escalabilidade para blockchain: abordagens de Camada 1 e Camada 2

À medida que a tecnologia blockchain amadurece e se aproxima cada vez mais do uso generalizado, um desafio continua a moldar sua evolução: a escalabilidade.

A escalabilidade da blockchain refere-se à capacidade de uma rede de processar volumes crescentes de transações sem comprometer a velocidade, a eficiência de custos ou a segurança, e o setor da Web3 respondeu com duas categorias principais de melhorias:

• As soluções de Camada 1 (L1) são alterações em uma blockchain que melhoram a própria blockchain.

• As soluções de Camada 2 (L2) criam uma infraestrutura escalável sobre blockchains existentes para processar transações fora da cadeia.

É importante compreender esses mecanismos, pois eles afetam diretamente a capacidade das blockchains de suportar uma adoção em grande escala por parte das instituições.

Este artigo explora o desafio da escalabilidade da blockchain, examina as abordagens de Camada 1 e Camada 2, compara as vantagens e desvantagens entre elas e traça um panorama do futuro da infraestrutura escalável da blockchain.

Pontos principais

• O trilema da escalabilidade da blockchain obriga as redes a encontrar um equilíbrio entre descentralização, segurança e taxa de transferência. Melhorar um desses aspectos geralmente implica comprometer outro.

• As soluções de Camada 1 modificam o protocolo base por meio de técnicas como fragmentação, blocos maiores e melhorias no mecanismo de consenso.

• As soluções de Camada 2 descarregam o processamento de transações ao mesmo tempo em que herdam a segurança da blockchain subjacente, sendo os rollups a abordagem dominante na Ethereum.

• A adoção institucional depende de custos previsíveis, prazos de liquidação confiáveis e uma infraestrutura de custódia segura capaz de operar tanto na camada 1 quanto na camada 2.

O que a escalabilidade da blockchain realmente significa

A escalabilidade das blockchains vai além da simples capacidade de processamento de transações. Ela envolve vários fatores que estão todos interligados. Entre eles estão a capacidade de transações por segundo (TPS), o tempo de finalização das transações, a eficiência de custos sob diferentes cargas de rede e os recursos necessários para a participação na rede.

Devido à sua arquitetura descentralizada, as blockchains públicas enfrentam limitações inerentes. Cada nó completo deve validar e armazenar todas as transações, o que cria um limite natural ao desempenho. Essa escolha de design prioriza a segurança e a descentralização, mas limita a capacidade de processamento quando comparada aos sistemas centralizados comuns no setor financeiro tradicional atual.

Por que a escalabilidade é importante para a adoção institucional

Para as instituições, a escalabilidade da blockchain afeta diretamente a viabilidade de casos de uso da blockchain em ambiente de produção em grande escala. Custos de transação previsíveis permitem um planejamento financeiro preciso, janelas de liquidação confiáveis apoiam as operações de tesouraria e uma infraestrutura escalável acomoda o crescimento sem exigir mudanças fundamentais na arquitetura de integração.

As aplicações práticas são significativas: títulos tokenizados que exigem liquidação em tempo real, sistemas de pagamentos internacionais que exigem desempenho consistente e plataformas de negociação que necessitam de execução rápida, como a Talos. As soluções de custódia segura desempenham um papel fundamental, permitindo que as instituições interajam com segurança com redes de alto rendimento, mantendo ao mesmo tempo os controles operacionais.

A escalabilidade também afeta os requisitos de conformidade e auditoria. As redes capazes de lidar com grandes volumes sem perda de desempenho fornecem registros de transações consistentes e verificáveis, essenciais para relatórios regulatórios e controles internos.

Para as instituições que estão avaliando a integração da blockchain, a capacidade da rede influencia não apenas a eficiência operacional, mas também a exposição ao risco: sistemas propensos a congestionamentos durante períodos de volatilidade do mercado geram incertezas na execução que a infraestrutura tradicional não tolera. Isso torna a escalabilidade da blockchain uma prioridade na análise de due diligence, em vez de uma mera consideração técnica.

O Desafio da Escalabilidade da Blockchain

Para compreender por que a escalabilidade da blockchain é difícil, é preciso entender o trilema da blockchain - um modelo introduzido pelo cofundador da Ethereum, Vitalik Buterin, que descreve a dificuldade de equilibrar as relações de compensação entre descentralização, segurança e escalabilidade. A ideia é que os sistemas de blockchain podem ser otimizados para duas dessas propriedades, mas precisam fazer concessões em relação à terceira.

O Bitcoin e o Ethereum priorizam deliberadamente a descentralização e a segurança, o que significa que, em períodos de alta demanda, as taxas aumentam e os tempos de confirmação ficam mais lentos devido ao congestionamento da rede. Tudo isso gera incerteza para instituições que exigem um desempenho confiável e previsível.

Infelizmente, o impacto vai além do simples incômodo. O aumento das taxas torna as transações de menor valor economicamente inviáveis, e os tempos de confirmação mais longos complicam qualquer transação em que o tempo seja um fator crítico.

Essas limitações tornam-se especialmente evidentes durante períodos de tensão no mercado, justamente quando uma execução confiável é mais importante. Eventos históricos de congestionamento, desde o pico do CryptoKitties em 2017 até as emissões de NFTs e o frenesi em torno das memecoins no passado, demonstraram a rapidez com que as redes podem ficar inutilizáveis quando a demanda dispara.

Para instituições acostumadas à infraestrutura financeira tradicional, com largura de banda garantida e latência previsível, essa volatilidade no desempenho da rede pode criar dificuldades. Ao contrário dos sistemas centralizados, que podem provisionar capacidade adicional sob demanda, as redes descentralizadas precisam realizar atualizações por meio do consenso da comunidade - um processo que leva meses ou anos, e não horas. O Ethereum, por exemplo, passou por apenas 23 atualizações desde seu lançamento em 2015.

Para que a tecnologia blockchain alcance a adoção institucional generalizada, essas limitações devem ser superadas sem comprometer a segurança e a descentralização que caracterizam a Web3 atualmente.

Soluções de escalabilidade da Camada 1: aprimorando o protocolo básico

As soluções de Camada 1 abordam a escalabilidade modificando a arquitetura fundamental da blockchain. Essas mudanças exigem consenso em toda a rede e envolvem uma complexidade técnica significativa, mas melhoram o rendimento das transações e a capacidade de execução no nível do protocolo.

Blocos maiores e parâmetros de rendimento mais elevados

A abordagem mais direta consiste em aumentar o tamanho dos blocos ou reduzir o tempo de geração dos blocos, permitindo mais transações por unidade de tempo. No entanto, blocos maiores exigem mais espaço de armazenamento e largura de banda, o que pode excluir participantes com recursos limitados.

Fragmentação e processamento paralelo de transações

O sharding divide a blockchain em segmentos menores chamados shards, cada um capaz de processar transações de forma independente. Essa arquitetura de processamento paralelo pode aumentar drasticamente a capacidade da rede sem exigir que os nós individuais processem todas as transações.

O roteiro do Ethereum incorpora o sharding por meio de sua abordagem de danksharding, que se concentra em aumentar a disponibilidade de dados para os rollups. Após a atualização Dencun, as redes de Camada 2 do Ethereum viram o valor total bloqueado disparar para mais de US$ 51 bilhões, impulsionado por taxas significativamente mais baixas.

Melhorias no mecanismo de consenso

Os mecanismos de consenso de Prova de Trabalho, embora sejam altamente seguros, exigem recursos computacionais substanciais e limitam a capacidade de processamento. A Prova de Participação e suas variantes permitem tempos de bloqueio mais rápidos e maior TPS, mantendo a segurança por meio de incentivos econômicos, em vez de trabalho computacional. Após a transição da Ethereum da Prova de Trabalho para a Prova de Participação em 2022 (um evento conhecido como The Merge), seu consumo de energia diminuiu em 99,95%.

Disponibilidade de dados e otimizações de armazenamento

A escalabilidade também depende da eficiência com que as blockchains armazenam e acessam dados. A amostragem de disponibilidade de dados permite que os nós verifiquem se os dados dos blocos existem sem precisar baixar blocos inteiros. O Proto-Danksharding da Ethereum introduziu os "blobs" - anexos de dados temporários que oferecem armazenamento mais barato para rollups de Camada 2 sem sobrecarregar permanentemente a cadeia base.

Soluções de escalabilidade de Camada 2: Aliviar a carga de trabalho sem comprometer a segurança

As soluções de Camada 2 criam uma infraestrutura escalável sobre blockchains existentes, processando transações fora da cadeia, ao mesmo tempo em que herdam a segurança da rede subjacente. Essa abordagem permite uma implantação mais rápida, sem exigir alterações no protocolo base.

Canais de pagamento e canais de estado

Os canais de estado permitem que as partes realizem várias transações fora da cadeia, registrando apenas o estado final na blockchain principal. A Lightning Network do Bitcoin é um exemplo dessa abordagem, possibilitando pagamentos quase instantâneos entre participantes que tenham estabelecido canais.

Rollups: Otimistas e de Conhecimento Zero

Os rollups surgiram como a principal abordagem de escalabilidade de Camada 2 na Ethereum. Eles executam transações fora da cadeia e enviam dados de transações compactados para a cadeia principal, herdando sua segurança e, ao mesmo tempo, aumentando drasticamente a taxa de processamento.

Os rollups otimistas partem do princípio de que as transações são válidas, a menos que sejam contestadas, utilizando um mecanismo à prova de fraudes durante um período de contestação. Os ZK-rollups utilizam provas criptográficas de validade para verificar matematicamente as transações antes de lançá-las na cadeia principal.

Cada abordagem envolve vantagens e desvantagens. Os rollups otimistas têm obtido maior adoção, com aproximadamente US$ 186,4 bilhões em valor total transferido, em comparação com US$ 20,8 bilhões para os ZK-rollups em 2024. No entanto, os ZK-rollups oferecem finalidade instantânea, sem os atrasos de 7 dias nas retiradas característicos dos sistemas otimistas.

Sidechains e cadeias específicas para aplicações

As sidechains funcionam como blockchains independentes, com seus próprios mecanismos de consenso, conectadas à cadeia principal por meio de pontes. Elas oferecem flexibilidade para casos de uso específicos, mas não herdam as mesmas garantias de segurança da cadeia principal.

Modelos Validium, Plasma e L2 híbridos

Além dos rollups, as arquiteturas alternativas de Camada 2 oferecem diferentes compromissos. O Validium armazena os dados das transações fora da cadeia, ao mesmo tempo em que publica provas de validade na Ethereum, alcançando maior capacidade de processamento com garantias reduzidas de disponibilidade de dados. As cadeias Plasma criam estruturas hierárquicas de cadeias secundárias que são periodicamente confirmadas na cadeia principal, embora mecanismos complexos de saída tenham limitado sua adoção. Os modelos híbridos combinam elementos de várias abordagens, permitindo que as instituições selecionem uma infraestrutura que atenda aos seus requisitos específicos de capacidade de processamento, custo e segurança.

Comparando estratégias de escalabilidade da Camada 1 e da Camada 2

A escolha entre as abordagens de Camada 1 e Camada 2 depende dos requisitos específicos e da tolerância ao risco.

As soluções de Camada 1 oferecem processamento de transações na rede base, de modo que as transações são liquidadas diretamente na cadeia principal e se beneficiam das mais sólidas garantias de segurança oferecidas pelo protocolo de consenso. No entanto, grandes atualizações e alterações nos protocolos da camada base devem ser acordadas por um amplo conjunto de participantes da rede e, muitas vezes, ocorrem lentamente, passando primeiro por etapas de projeto, testes e coordenação com a comunidade, o que pode levar anos.

As soluções de Camada 2 são implementadas mais rapidamente e podem ser adaptadas a aplicações específicas. Implementações de ponta, como a Arbitrum, têm demonstrado ganhos substanciais de desempenho, processando transações até dez vezes mais rápido que a Ethereum e reduzindo os custos de gás em até 90%.

Como dependem da blockchain subjacente para garantir segurança e descentralização, as redes de Camada 2 bem projetadas resolvem o problema da escalabilidade sem comprometer outras propriedades.

No entanto, a adoção da Camada 2 traz considerações adicionais para os participantes institucionais. A segurança das pontes continua sendo uma preocupação - as pontes entre cadeias têm sido, historicamente, alvo de ataques, de modo que a transferência de ativos entre a Camada 1 e a Camada 2 exige uma avaliação cuidadosa da arquitetura da ponte e da reputação do operador.

O prazo para saques também varia, sendo que os rollups otimistas geralmente exigem um período de validação de sete dias antes que os fundos possam ser transferidos de volta para a cadeia principal, o que pode afetar o planejamento de liquidez. As instituições devem levar em conta esses fatores operacionais, além das métricas de desempenho bruto, ao selecionar a infraestrutura de escalabilidade.

À medida que o ecossistema se fragmenta em várias redes de Camada 2, torna-se mais difícil manter uma experiência de usuário integrada e uma alocação eficiente de capital. As instituições devem avaliar não apenas as soluções individuais, mas também a forma como elas interagem com a infraestrutura mais ampla.

O Futuro da Escalabilidade da Blockchain

O caminho mais promissor a seguir pode ser combinar melhorias na Camada 1 com inovações na Camada 2. O roteiro do Ethereum tem demonstrado isso: o aumento da capacidade da camada base por meio do sharding cria uma base para que os rollups alcancem uma taxa de processamento ainda maior.

Os pesquisadores estimam que essa abordagem combinada poderá, no futuro, suportar mais de 100.000 TPS, transformando radicalmente o que é possível para as aplicações descentralizadas. Enquanto isso, os custos de transação em redes otimizadas de Camada 2 caíram para frações de um centavo, tornando a blockchain viável para uma gama muito mais ampla de casos de uso.

As arquiteturas modulares de blockchain são outra tendência emergente, que separam a execução, o consenso e a disponibilidade de dados em camadas especializadas, cada uma das quais pode ser otimizada de forma independente. Projetos como o Celestia são pioneiros nessa abordagem, possibilitando potencialmente uma flexibilidade ainda maior na forma como redes escaláveis são projetadas e implantadas.

A escalabilidade não é um desafio puramente técnico. As estruturas de governança devem evoluir para gerenciar atualizações complexas de rede; a clareza regulatória influenciará quais abordagens obterão aceitação institucional; e a experiência do usuário determinará se uma infraestrutura escalável se traduzirá em adoção.

A construção de ecossistemas escaláveis requer bases sólidas

A escalabilidade só agrega valor quando apoiada por uma infraestrutura segura e confiável. Para as instituições, isso significa soluções de custódia qualificadas, capazes de operar tanto em ambientes de Camada 1 quanto de Camada 2, mantendo a segregação de ativos, os controles de políticas e a conformidade com os requisitos regulatórios.

À medida que a blockchain se torna uma parte cada vez mais importante da infraestrutura financeira mundial, a escalabilidade será um fator determinante para que as redes consigam alcançar uma adoção em escala institucional.

A infraestrutura de custódia regulamentada da BitGo tem como objetivo fornecer as garantias operacionais de que as instituições precisam para interagir com confiança com redes de blockchain escaláveis. Seja ao interagir com protocolos de camada base ou com soluções emergentes de Camada 2, a custódia segura continua sendo fundamental para as instituições que desejam participar dos mercados de ativos digitais.

Perguntas frequentes

Quais fatores limitam a escalabilidade da blockchain?

As principais restrições incluem limites de tamanho de bloco, sobrecarga do mecanismo de consenso e a exigência de que todos os nós processem todas as transações. As redes descentralizadas enfrentam compromissos inerentes entre taxa de transferência, segurança e descentralização.

Como as soluções de Camada 2 melhoram a escalabilidade da blockchain?

As soluções de Camada 2 processam transações fora da cadeia principal, reduzindo o congestionamento e os custos. Elas transferem periodicamente os dados agregados das transações para a camada base, herdando sua segurança e, ao mesmo tempo, alcançando uma taxa de processamento significativamente maior.

O que é sharding e como isso afeta a escalabilidade da blockchain?

O sharding divide uma rede de blockchain em segmentos menores que processam transações em paralelo. Em vez de cada nó validar todas as transações, cada shard lida com seu próprio subconjunto de atividades da rede, aumentando a capacidade e, ao mesmo tempo, mantendo a segurança geral.

Como os mecanismos de consenso afetam a escalabilidade da blockchain?

Os mecanismos de consenso determinam a rapidez com que uma rede consegue chegar a um acordo sobre transações válidas. Os sistemas de Prova de Trabalho priorizam a segurança, mas exigem recursos significativos, limitando a taxa de processamento. As alternativas de Prova de Participação alcançam uma finalidade mais rápida e uma maior taxa de transações por segundo (TPS) por meio de incentivos econômicos, em vez de trabalho computacional.

Quais são as contradições entre escalabilidade, descentralização e segurança?

Aumentar a taxa de processamento geralmente exige centralizar a validação em um número menor de nós ou reduzir as garantias de segurança. Blocos maiores aumentam a capacidade, mas excluem participantes com recursos limitados. Soluções de escalabilidade bem-sucedidas minimizam essas compensações em vez de eliminá-las, razão pela qual abordagens em várias camadas que combinam inovações de L1 e L2 têm se tornado a opção preferida.