Danksharding: Escalabilidade da Ethereum

• O proto-danksharding é a primeira atualização do danksharding.

• As taxas de transação da Camada 2 cairão 10 vezes, já que a L2 poderá utilizar blobs. Os blobs contêm dados de transações executadas e são anexados aos blocos.

• A Ethereum retirou o sharding tradicional do seu roteiro, apontando os rollups como a chave para o sucesso futuro da Ethereum.

• O Ethereum se tornará uma camada de disponibilidade de dados, permitindo que centenas de rollups sejam escalonados com danksharding total.

• Os validadores não poderão mais criar blocos, mas aumentarão sua participação nos lucros do MEV.

O Proto-Danksharding explicado: escalabilidade para o Ethereum

As preocupações em torno da escalabilidade da Ethereum e das flutuações nos custos de transação associadas têm, com razão, atraído cada vez mais atenção. Frustrados com o alto custo das transações na Ethereum, os usuários comuns estão explorando blockchains alternativas com taxas mais baixas. No entanto, soluções inovadoras de escalabilidade, como as blockchains de Camada 2 (L2) e resumos ajudar a reduzir as altas taxas da Ethereum. O Danksharding permitirá que a Ethereum se expanda para milhões de usuários.

A importância dos rollups

Os rollups, conhecidos como Camada 2, são soluções de escalabilidade fora da cadeia que operam sobre a rede Ethereum. Em um rollup, as transações são essencialmente agrupadas - daí o nome - em coleções de transações. Os rollups podem ser comparados ao envio de uma carta pelo correio. Assim como enviar várias cartas individualmente para um único endereço aumenta as taxas postais, enviar transações individuais na Ethereum aumenta a carga na rede. No entanto, com um único pacote ou "rollup proof", as cartas (transações) podem ser agrupadas, reduzindo significativamente as taxas.

Os rollups enviam suas transações agregadas de volta para a Camada 1 correspondente. Os rollups têm a capacidade de se integrar a qualquer blockchain que permita a publicação irrestrita de dados. Neste discurso, os rollups da Ethereum serão o ponto central, já que a Ethereum planeja escalar por meio de rollups. Ao usar a Ethereum como uma camada de disponibilidade de dados, a execução pode sair da Ethereum e passar para o rollup. Qualquer pessoa pode verificar o estado reconstruindo-o e determinando se ele é válido. Ao depender da Camada 1 para consenso e liquidação, os rollups se beneficiam das garantias de segurança inerentes à blockchain da Ethereum. As arquiteturas de rollup predominantes são otimista e conhecimento zero (ZK) rollups.

Esse processo ocorre nos bastidores e é oculto do usuário.

Os rollups já permitiram reduções significativas nos custos. Soluções de escalabilidade como Otimismo e Arbitrum executar todas as transações de forma otimista, partindo do princípio de que os dados são válidos. Os usuários podem enviar provas de fraude para se protegerem contra atividades maliciosas, fornecendo certeza absoluta de que ocorreram adulterações ou transições de estado inválidas dentro do rollup. O envio de provas de fraude recompensa o usuário com uma parte do depósito do validador. À medida que mais rollups entram em operação, eles disputam espaço no bloco com os usuários da L1 ao enviar pacotes de volta para a Ethereum. Para combater isso e permitir que as soluções da L2 sejam escalonadas, a Ethereum lançará em breve sua primeira atualização para danksharding.

Escalabilidade

O trilema da blockchain, cunhado por Vitalik Buterin, é um dilema fundamental no projeto de blockchains. Nesse contexto, as blockchains apresentam três características principais: escalabilidade, segurança e descentralização. Só é possível escolher duas dessas três características. No caso da Ethereum, optou-se pela descentralização e pela segurança, o que limitou a escalabilidade. O compromisso da Ethereum com a descentralização e a segurança fica evidente em sua capacidade de permitir a participação com hardware de uso doméstico e em seu conjunto de validadores, que ultrapassa 900,000. No entanto, isso tem um custo em termos de escalabilidade. Devido aos requisitos de hardware mais baixos e aos projetos arquitetônicos, o fato de muitos nós precisarem se comunicar entre si limita severamente a taxa de transferência.

Escalabilidade é o processo de lidar com solicitações adicionais sem que isso se torne excessivamente caro ou inviável. Interagir com contratos inteligentes exige uma carga computacional muito maior do que a simples transferência de tokens nativos da Ethereum. A Ethereum poderia atingir um máximo teórico de 119,04 transações por segundo (TPS) com transferências nativas básicas. O Ethereum tem uma média de 13 TPS porque as interações de contratos inteligentes podem ser equivalentes a 10 ou mais transferências nativas do Ethereum. No entanto, o valor teórico de 110 é impossível na prática, pois o EIP-1559 visa uma utilização de 50% do bloco. Em sua forma atual, o Ethereum precisa escalar melhor do que concorrentes como o Solana. As L2s podem atingir alta taxa de transferência e ajudar o Ethereum a escalar enquanto se desenvolve o danksharding.

Por outro lado, as blockchains construídas com hardware mais potente e um número limitado de nós geralmente conseguem escalar com mais facilidade. Com o danksharding e mantendo seu compromisso com hardware acessível, a Ethereum acabará por conseguir escalar por meio de rollups. A escalabilidade é um desafio significativo, pois a adoção não poderá ocorrer se as blockchains se tornarem inutilizáveis com o aumento do tráfego.

O que é sharding?

Uma das soluções para criar um ambiente com menor latência e uma cadeia com maior capacidade de processamento é o sharding. O sharding é uma solução de escalabilidade utilizada em blockchain para aumentar o desempenho por meio da distribuição da carga de trabalho da rede. A ideia é ter vários shards (cadeias) executando transações, cada um responsável por uma parte específica da rede. Dentro de cada shard, os validadores são responsáveis por executar sua parte da cadeia.

A rede consegue processar mais transações por segundo ao executá-las em paralelo. Além disso, a recuperação de dados é significativamente mais rápida, já que cada fragmento é responsável apenas pela sua parte. A fragmentação oferece benefícios adicionais à rede por meio de uma maior tolerância a falhas. Se um fragmento ficar offline, a rede como um todo não será interrompida e poderá continuar operando nos demais fragmentos.

No entanto, o particionamento apresenta desafios para manter a segurança ao distribuir a rede. Por exemplo, se 100 validadores forem divididos em dez fragmentos, cada fragmento pode ficar vulnerável a ataques maliciosos devido à dispersão dos validadores. Outras preocupações relacionadas ao particionamento são a transferência de dados entre fragmentos e o reequilíbrio dos fragmentos, o que pode causar tempo de inatividade ou inconsistências.

O que é o DankSharding?

Apesar do entusiasmo inicial em relação ao sharding como uma solução escalável para o Ethereum, as preocupações em torno da segurança, das comunicações entre shards e da complexidade representam obstáculos significativos, uma vez que são necessárias grandes reformulações na arquitetura do Ethereum. À medida que a complexidade aumentava, a Fundação Ethereum retirou o sharding do roteiro e o substituiu pelo danksharding. O danksharding permite que o Ethereum escale por meio de rollups, utilizando blobs.

Os blobs são um novo tipo de transação que contém dados de transações executadas a partir do rollup. Como os blocos que contêm blobs transportam mais dados, isso aumentará os requisitos de armazenamento para os nós. A Fundação Ethereum está avaliando a quantidade ideal de espaço; atualmente, a especificação é de 768 kb para transações com blobs. Como cada blob tem no máximo 128 kb, isso equivale a seis blobs por bloco. Como o mempool para blobs empregará mecanismos semelhantes aos EIP-1559, a média de blobs por bloco será de três. Atualizações de longo prazo com amostragem de disponibilidade de dados permitirão que os nós baixem uma parte do blob, mas ainda assim verifiquem se todos os dados estão corretos. Com o danksharding completo, o Ethereum poderá escalar e lidar com centenas de rollups, além de processar milhões de transações por segundo.

O que é o Proto-DankSharding?

Proto-Danksharding, EIP-4844, recebeu esse nome em homenagem aos pesquisadores do Ethereum Protolambda e Dankrad Fiest. Embora o Danksharding ainda esteja a anos de se tornar realidade, o proto-Danksharding pode ajudar o Ethereum a escalar já. Após várias atualizações adicionais na testnet, o lançamento do proto-Danksharding está previsto para o início do primeiro trimestre de 2024.

O Proto-Danksharding representará uma melhoria significativa na experiência do usuário nas camadas 2. Por exemplo: um transação Uma transação na mainnet que custa entre US$ 20 e US$ 25 para ser executada pode custar 40 centavos em um rollup. Após a atualização da rede, as taxas devem ser reduzidas em mais 10 vezes, já que o CALLDATA não será usado para armazenar dados da L2. Os rollups finalmente serão mais competitivos com as alternativas de Camada 1 com maior throughput. Embora o proto-danksharding reduza as taxas da L2 e promova um maior uso, isso não aumentará o TPS do Ethereum.

Mecânica do Proto-DankSharding

O proto-danksharding introduz os blobs, que contêm dados de transações executadas. Esses blobs são anexados ao bloco juntamente com um compromisso criptográfico registrado. Esse compromisso resulta de um ajuste polinomial aos dados em um determinado ponto, e esses pontos de dados são gerados aleatoriamente a partir da cerimônia KZG.

Fundação Ethereum descreve a cerimônia do KZG como:

1. O participante 1 escolhe um número aleatório (por exemplo, 5) e, em seguida, realiza um cálculo com ele.

2. O resultado desse cálculo é enviado ao Participante 2, que repete a Etapa 1 com sua entrada secreta (por exemplo, 3) e a combina com o resultado do primeiro participante (por exemplo, 5 x 3 = 15).

3. Isso se repete até que haja participantes suficientes; nesse momento, a última saída da sequência passa a ser a saída final.

Qualquer pessoa que deseje verificar os dados pode recalcular o compromisso executando novamente as transações e comparando os resultados. Se o resultado corresponder ao cálculo, os dados são válidos. Os números da cerimônia KZG devem ser aleatórios. Caso contrário, alguém poderia gerar um novo polinômio em um determinado momento e alterar os dados, e o resultado continuaria válido.

Fonte: YouTube

O principal caso de uso dos blobs é reduzir os custos de armazenamento de dados por meio de L2s e diminuir as taxas com um mercado de taxas separadas. No entanto, a maioria dos rollups precisa apenas armazenar dados temporariamente na Ethereum. Os rollups otimistas levam até sete dias para garantir que não tenha ocorrido nenhuma fraude. O armazenamento temporário garante inchaço do Estado isso não se tornará um problema, e os blobs estarão disponíveis por meio de terceiros que armazenam todos os dados históricos. Embora os blobs não fiquem acessíveis após 4.096 épocas - cerca de 18 dias -, o compromisso KZG permanecerá visível, deixando um resquício que ainda poderá ser usado para verificar os blobs.

Fundação Ethereum explica proto-danksharding como

Atualmente, os rollups têm sua capacidade de reduzir o custo das transações dos usuários limitada pelo fato de que registram suas transações em CALLDATA. Usar o CALLDATA é caro porque todos os nós da Ethereum o processam e ele permanece na cadeia para sempre, mesmo que os rollups precisem dos dados apenas por um curto período. O Proto-Danksharding introduz blobs de dados que podem ser enviados e anexados aos blocos. Os dados nesses blobs não são acessíveis ao EVM e são automaticamente excluídos após um período fixo (1 a 3 meses).

Ao não utilizar o CALLDATA, os rollups podem evitar o pagamento de quatro gas por bytes zerados ou 16 gas por byte não zerado. Os blobs custarão um gas por byte, reduzindo significativamente os custos de gas. Essas economias constituem a principal redução e o principal benefício dos rollups.

Quando o proto-danksharding entrar em operação, todos os nós terão que baixar cada blob. Para alcançar a verdadeira escalabilidade do rollup, o danksharding completo permitirá que os nós baixem partes dos dados do blob, mas ainda assim possam verificar o blob inteiro. A amostragem de disponibilidade de dados será introduzida posteriormente no danksharding completo, mas é um mecanismo essencial para que os validadores verifiquem grandes quantidades de blobs de forma eficiente e confiável. Fazer com que um validador amostre aleatoriamente pontos de dados e crie uma prova significa que o validador não precisa verificar o blob inteiro. Se algum dado estiver faltando, o blob terá um compromisso diferente.

Codificação de apagamento é introduzida para cobrir todos os vetores de ataque durante a amostragem de dados. A codificação de apagamento codifica os blobs de forma que, se metade do blob for transmitida, qualquer pessoa na rede possa reconstruí-lo. Ao utilizar compromissos polinomiais, qualquer pessoa pode facilmente provar que os dados são válidos. Isso protegeria a rede caso um sequenciador mal-intencionado retivesse entre 1% e 49% dos dados do blob.

Separação do criador de propostas

Atualmente, as soluções de Camada 2 ocupam 10.5% do espaço do bloco. A separação dos blobs do mempool alivia ainda mais a carga sobre a rede. Os blobs utilizarão um mempool diferente, criando um obstáculo adicional para os criadores de blocos. Atualmente, os criadores de blocos competem entre si, utilizando estratégias de seleção e sequenciamento de transações para otimizar a composição dos blocos e obter o maior valor econômico possível. Após a entrada em operação do proto-dank sharding, os criadores de blocos deverão gerenciar dois pools e administrar os limites de gás em cada um deles.

O Danksharding também incluirá a separação entre proponentes e construtores (PBS). Atualmente, os validadores da Ethereum estão criando e transmitindo blocos para a rede. Os validadores podem consultar o mempool público e selecionar as transações com as taxas mais altas, ou podem optar pelo MEV-boost e aceitar blocos pré-criados com uma gorjeta adicional. Ao aceitar o valor máximo extraível (MEV), os blocos proporcionam aos validadores uma recompensa 2,83 vezes maior do que se utilizassem mempools públicos.

O PBS vai além, permitindo menos censura e maiores retornos para os validadores com uma maior participação no MEV. Após a entrada em operação do PBS, os validadores não poderão mais criar blocos. Eles poderão apenas receber blocos de um criador de blocos. Além disso, os validadores não poderão examinar o conteúdo do bloco, podendo apenas ver qual deles apresenta a taxa mais alta. Por isso, haverá um incentivo para que o MEV ofereça aos validadores uma parcela maior do MEV para que seus blocos sejam escolhidos.

Perspectivas para o futuro

Embora o Danksharding ainda esteja a anos de distância, o Ethereum já pode escalar agora com o proto-Danksharding. Os custos de armazenamento de dados dos rollups cairão drasticamente, uma vez que o CALLDATA deixará de ser utilizado. Ao utilizar armazenamento temporário na forma de blobs, o Ethereum reduzirá as taxas de transação em pelo menos dez vezes. Embora os usuários finais se beneficiem significativamente das taxas reduzidas nas camadas 2, isso pode ter pouco ou nenhum impacto nas transações do Ethereum.

Blobs contendo dados de transações executadas provenientes de rollups podem ser anexados a cada bloco. A EVM não tem acesso a esses blobs, e eles são eliminados a cada 4.096 épocas. De acordo com a documentação da Ethereum, os blobs começarão com um blob por bloco e poderão chegar a 64 com o danksharding completo. No entanto, recentemente testes Mostraram que os desenvolvedores principais estão debatendo entre um máximo de quatro a seis blobs por bloco. Os "compromissos" criptográficos anexados aos blobs permitem uma verificação de dados contínua, sem a necessidade de analisá-los detalhadamente. Esses compromissos também permanecem após o blob ser removido da rede. Os criadores de blocos se tornarão mais especializados, já que os validadores não poderão mais criar os seus próprios. Os validadores escolherão o bloco de maior valor, uma vez que não poderão mais examinar o conteúdo de cada bloco, aumentando indiretamente a participação no MEV.

A tão esperada atualização Proto-DankSharding está prevista para ser lançada na rede principal do Ethereum no primeiro trimestre de 2024. Ela foi implantada com sucesso na rede de testes Goerli em 17 de janeiro de 2024; outras redes de testes seguirão em breve. Embora o sharding tenha sido removido do roteiro, o proto-danksharding é uma atualização extremamente necessária para que as L2s do Ethereum se mantenham competitivas em relação às L1s de menor custo.

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