Quais são as diferenças entre a Layer 1 e a Layer 2?

O que é o trilema da blockchain?

O trilema da escalabilidade da blockchain representa o desafio central de alcançar, simultaneamente, a segurança, a descentralização e a escalabilidade — três atributos fundamentais — nos sistemas baseados em blockchain. Este conceito constitui um quadro teórico de referência para a evolução da tecnologia blockchain.

De acordo com este trilema, uma blockchain só pode otimizar duas destas três propriedades ao mesmo tempo, sendo tecnicamente extremamente difícil maximizar todas. Por isso, as tecnologias blockchain atuais acabam por sacrificar um destes atributos essenciais para garantir a funcionalidade prática. Esta limitação é reconhecida como um dilema de base no design das blockchains.

O Bitcoin é o exemplo clássico do trilema. A sua blockchain está otimizada para a descentralização e a segurança, mas sacrifica a escalabilidade. Por exemplo, o Bitcoin processa cerca de sete transações por segundo — um débito bastante inferior ao dos sistemas tradicionais de pagamentos.

Devido a limitações técnicas, nenhuma criptomoeda consegue alcançar plenamente os três atributos ao mais alto nível. Cada projeto prioriza dois ou três atributos, conforme a finalidade ou o caso de uso, sacrificando o restante para garantir um design ótimo.

Já foram introduzidas tecnologias e ideias inovadoras para responder aos desafios da escalabilidade e ao trilema da blockchain. Conforme a implementação, estas soluções apresentam-se sob a forma de abordagens Layer 1 ou Layer 2, cada uma com estratégias distintas para ultrapassar o trilema.

Algumas criptomoedas proporcionam elevada escalabilidade, processando milhares de transações por segundo, mas frequentemente comprometem a descentralização ou a segurança. Tanto o Bitcoin como o Ethereum são reconhecidos como as moedas digitais mais seguras e descentralizadas, com modelos de design que privilegiam estes dois aspetos. Projetos Layer 1 como Cardano, Avalanche e Solana ganharam notoriedade no mercado por abordarem tecnicamente as limitações de escalabilidade do Bitcoin e do Ethereum.

Soluções de escalabilidade Layer 1

Para compreender as diferenças entre a escalabilidade Layer 1 e Layer 2, é essencial começar pela definição das blockchains Layer 1. Como o nome indica, as redes blockchain Layer 1 são os protocolos fundacionais que suportam os sistemas de blockchain. Incluem as cadeias principais — Bitcoin, Ethereum e Cardano — servindo de camada base onde todas as transações são, em última análise, registadas.

As soluções de escalabilidade Layer 1 visam melhorar o protocolo central da blockchain para aumentar a escalabilidade. Permitem reforçar a capacidade da rede através de várias metodologias, como a alteração direta das regras fundamentais do protocolo para potenciar o débito e a velocidade de processamento das transações. Estas alterações, por influenciarem o núcleo da blockchain, exigem um design e implementação rigorosos.

A escalabilidade Layer 1 pode também garantir maior capacidade para acomodar mais dados e utilizadores, frequentemente através do aumento do tamanho dos blocos ou da redução dos intervalos de geração de blocos.

Ao comparar as blockchains Layer 1 e Layer 2, destacam-se duas soluções principais de escalabilidade Layer 1: alterações ao protocolo de consenso e sharding. Ambas são reconhecidas como estratégias fundamentais e eficazes para escalar redes blockchain ao nível Layer 1.

Mecanismos de consenso como Proof of Stake (PoS) são tidos como mais eficientes ao nível do protocolo do que o Proof of Work (PoW). O PoS permite um débito mais elevado com um consumo energético muito inferior. Já o sharding distribui a carga de trabalho da rede por vários conjuntos de dados — shards — viabilizando o processamento em paralelo para maximizar a eficiência.

Vantagens

• Reforço estrutural da escalabilidade: O principal benefício das soluções Layer 1 reside na capacidade de reforçar a escalabilidade ao nível do protocolo. Através de alterações profundas, as soluções Layer 1 proporcionam um aumento sustentável da escalabilidade.

• Desempenho equilibrado: As soluções Layer 1 conseguem aliar elevada escalabilidade e viabilidade económica à manutenção da descentralização e da segurança, permitindo uma abordagem equilibrada ao trilema da blockchain.

• Crescimento sustentado do ecossistema: As soluções de escalabilidade Layer 1 permitem integrar novas ferramentas, avanços tecnológicos e outras inovações no protocolo base, apoiando o desenvolvimento e crescimento a longo prazo do ecossistema.

Desvantagens

As redes Layer 1 enfrentam limitações conhecidas na sua capacidade de escalabilidade. O Bitcoin e outras blockchains de referência têm dificuldades em processar transações durante períodos de procura elevada. A congestão da rede pode provocar aumentos significativos nas comissões de transação e atrasos nos tempos de processamento.

O mecanismo de consenso Proof of Work (PoW) utilizado pelo Bitcoin exige enormes recursos computacionais e energéticos, levantando desafios ambientais e de custos operacionais e sublinhando a necessidade de maior sustentabilidade.

Como superar os desafios Layer 1

Para escalar redes Layer 1, as blockchains requerem atualizações estruturais profundas. Estas mudanças elevam substancialmente o desempenho, permitindo suportar mais utilizadores e volumes de transação superiores.

Aperfeiçoamento do protocolo de consenso

Os algoritmos de consenso são a base do acordo nas redes blockchain. Têm um papel crítico na validação das transações e na preservação da integridade das redes descentralizadas. Entre os mais utilizados destacam-se o PoW (Proof of Work) e o PoS (Proof of Stake), cada um com características e benefícios próprios.

O PoW continua a ser o algoritmo de consenso mais adoptado nas principais blockchains, como o Bitcoin, mas apresenta um débito reduzido e consumo energético elevado. Os mineradores consomem muitos recursos computacionais para resolver problemas complexos, criando estrangulamentos à escalabilidade.

O PoS, por sua vez, oferece um débito superior. No PoS, os detentores de tokens que colocam ativos em staking tornam-se validadores da rede. Estes sistemas permitem validar e processar blocos de transações sem necessidade de computação intensiva, melhorando drasticamente a eficiência energética e acelerando as transações.

O Ethereum completou a transição de PoW para PoS para ampliar a capacidade da rede, reforçar a descentralização e manter a segurança. Esta mudança reduziu o consumo energético do Ethereum em cerca de 99,95% e melhorou de forma significativa o seu impacto ambiental.

Sharding

O sharding, conceito proveniente das bases de dados distribuídas, é atualmente uma das soluções Layer 1 mais inovadoras e populares para escalabilidade. O sharding divide o estado da rede blockchain em conjuntos de dados separados — shards — permitindo a paralelização e aumentando drasticamente a capacidade de processamento.

Ao invés de exigir que cada nó processe toda a rede, o sharding reparte as tarefas em blocos geríveis, processados em simultâneo, aumentando consideravelmente o débito.

Adicionalmente, cada nó é atribuído a um shard específico, em vez de manter uma cópia integral da blockchain, o que reduz os requisitos de armazenamento e permite a entrada de mais participantes. Os shards enviam provas à cadeia principal e utilizam comunicação cruzada para partilhar endereços, estados e saldos.

O Ethereum 2.0 (agora camada de consenso do Ethereum), Zilliqa, Qtum e Tezos são protocolos de referência que exploram e implementam o sharding para reforçar significativamente a escalabilidade.

Soluções de escalabilidade Layer 2

A escalabilidade Layer 2 visa aliviar a carga da cadeia principal, recorrendo a redes ou tecnologias que operam acima do protocolo da blockchain. Protocolos ou redes off-chain podem aumentar de forma expressiva a escalabilidade e a eficiência.

As soluções Layer 2 transferem a carga de transações do protocolo da blockchain para arquiteturas off-chain, processando transações e atualizando a blockchain principal apenas com os resultados finais. Assim, a cadeia principal dedica-se à liquidação e resolução de disputas, ficando dispensada do processamento rotineiro de transações.

As soluções Layer 2 facilitam a delegação do processamento de dados para arquiteturas de suporte, assegurando uma gestão eficiente e flexível. Como resultado, a blockchain principal evita congestionamentos e alcança elevada escalabilidade — reduzindo comissões e acelerando transações.

A Lightning Network do Bitcoin é uma das soluções Layer 2 mais bem-sucedidas e utilizadas. Construída sobre a blockchain do Bitcoin, permite pagamentos instantâneos e de baixo custo. Existem várias outras soluções Layer 2, cada uma com estratégias distintas para escalar além da Layer 1.

Vantagens

• Preserva a segurança e descentralização da Layer 1: A Layer 2 processa transações fora da Layer 1, melhorando a escalabilidade e mantendo a segurança e descentralização robustas da Layer 1. A liquidação final na cadeia principal garante a integridade da segurança.

• Execução rápida de microtransações: Ao processar transações off-chain, as soluções Layer 2 aceleram de forma significativa as microtransações — ideais para pagamentos de pequeno valor e transações em jogos.

• Comissões de transação reduzidas: O processamento off-chain reduz drasticamente as comissões de transação, sendo uma vantagem relevante para pagamentos diários e transações de baixo valor.

Desvantagens

• Conectividade limitada entre blockchains: Os utilizadores Layer 2 podem ficar condicionados pelos protocolos das soluções escolhidas, dificultando a conectividade entre diferentes redes Layer 2 e blockchains — um desafio para a interoperabilidade.

• Considerações de segurança e privacidade: Como a Layer 2 processa transações fora da Layer 1, os seus modelos de segurança e privacidade podem diferir. Cada solução deve fornecer as suas próprias garantias, exigindo atenção dos utilizadores quanto aos riscos envolvidos.

• Fragmentação de liquidez: A multiplicidade de soluções Layer 2 pode fragmentar a liquidez, afetando a experiência do utilizador.

Como superar os desafios Layer 2

Os desafios Layer 2 podem ser superados através de várias abordagens, cada uma com caraterísticas técnicas e benefícios próprios, adequados a diferentes casos de uso.

Blockchains aninhadas: processamento distribuído hierárquico

As blockchains aninhadas apresentam uma arquitetura hierárquica, com blockchains secundárias integradas na cadeia principal, reforçando a eficiência e flexibilidade. A cadeia principal define as regras e garante a segurança, enquanto as cadeias-filhas tratam do processamento especializado para aplicações e casos de uso concretos. Esta estrutura pai-filho reduz significativamente a carga da cadeia principal e melhora a escalabilidade.

O projeto OMG Plasma é um caso de referência de infraestrutura de blockchain aninhada Layer 2 desenvolvida sobre o Ethereum. O Plasma alcança um débito elevado ao processar grandes volumes de transações em cadeias-filhas, reportando periodicamente o estado à cadeia principal.

State channels: processamento rápido off-chain

Os state channels ligam sistemas blockchain a canais de transação off-chain, permitindo comunicação bidirecional e processamento rápido sem validação por parte de nós da cadeia principal. Os participantes abrem um canal, executam várias transações off-chain e registam apenas o estado final e alterações na cadeia principal — minimizando comissões e tempos de processamento.

Liquid Network, Raiden Network (Ethereum), Celer e Bitcoin Lightning são exemplos de referência de state channels, proporcionando elevada eficiência para pagamentos e microtransações. Contudo, os state channels sacrificam alguma descentralização para garantir escalabilidade.

Sidechains: cadeias paralelas independentes

As sidechains são cadeias de transação independentes, paralelas à blockchain principal, frequentemente com mecanismos de consenso e filosofias de design próprios para maior rapidez e escalabilidade.

A cadeia principal mantém a segurança global, valida registos de transações agrupados e resolve disputas, enquanto as sidechains operam de forma independente e podem trocar ativos ou dados com a cadeia principal, conforme necessário.

Ao contrário dos state channels, as sidechains registam transações publicamente e, caso sejam comprometidas, não afetam diretamente a cadeia principal — garantindo maior transparência e separação ao nível da segurança. Implementar uma sidechain exige nova infraestrutura, o que pode implicar esforço e custos acrescidos.

Principais diferenças entre Layer 1 e Layer 2

Definição

A Layer 1 reforça o débito e a capacidade de transação através de alterações na camada principal do protocolo da blockchain — como o aumento do tamanho do bloco, mudanças nos algoritmos de consenso ou implementação de sharding. Estas alterações afetam toda a rede.

A Layer 2 inclui soluções off-chain que executam processamento acima do protocolo principal da blockchain, aliviando a sua carga. O processamento de transações e dados é delegado a redes ou aplicações Layer 2, sendo apenas os resultados finais reportados à cadeia principal. Isto permite maior débito e reduz o esforço sobre a cadeia base.

Operação

A escalabilidade Layer 1 centra-se em alterações ao protocolo principal que requerem consenso da rede e, por vezes, um hard fork. Depois de implementadas, estas alterações não são facilmente reversíveis — mesmo que o volume de transações diminua.

As soluções de escalabilidade Layer 2 funcionam de forma independente como sistemas off-chain, processando transações fora do protocolo principal e reportando resultados à cadeia principal. Esta flexibilidade permite uma implementação ágil e atualizações contínuas.

Tipos de soluções

As soluções Layer 1 incluem melhorias ao protocolo de consenso e sharding. Escalar pode ainda implicar ajustar o tamanho do bloco, a velocidade de geração de blocos e os mecanismos de consenso para atingir as funções desejadas.

As soluções Layer 2 praticamente não têm limites de implementação. Qualquer protocolo, rede ou aplicação pode funcionar como solução Layer 2 off-chain. Abordagens populares incluem state channels, sidechains, rollups e Plasma, cada uma com vantagens e caraterísticas específicas.

Qualidades e caraterísticas

A Layer 1 é a fonte definitiva de informação e liquida as transações, utilizando tokens nativos e com acesso direto aos recursos da rede. A inovação no design de consenso é central na Layer 1, que proporciona os mais elevados níveis de segurança e descentralização enquanto base da blockchain.

A Layer 2 oferece capacidades semelhantes, com um débito, programabilidade e custos de transação muito superiores. Cada solução Layer 2 adapta as transações à Layer 1 segundo a sua abordagem, otimizando diferentes trade-offs. A Layer 2 procura herdar a segurança da Layer 1, proporcionando maior eficiência.

O futuro da escalabilidade da blockchain

A escalabilidade permanece um dos principais desafios à adoção generalizada da blockchain. À medida que a procura por criptomoedas e blockchain cresce, também as necessidades de escalabilidade das plataformas aumentarão.

As soluções Layer 1 e Layer 2 apresentam custos e benefícios distintos. A Layer 1 proporciona melhorias estruturais profundas, já a Layer 2 oferece agilidade e rápida implementação. O futuro da escalabilidade passará por uma abordagem híbrida, combinando soluções Layer 1 e Layer 2.

Em concreto, os avanços Layer 1 reforçarão o desempenho central, enquanto as soluções Layer 2 criarão ambientes otimizados para casos de uso específicos — uma abordagem multinível que se tornará padrão. Esta estratégia híbrida permitirá otimizar o equilíbrio entre segurança, descentralização e escalabilidade, dando respostas práticas ao trilema da blockchain.

Perguntas Frequentes

Quais são as principais diferenças entre Layer 1 e Layer 2?

A Layer 1 é a própria blockchain, enquanto a Layer 2 recorre a tecnologias off-chain para processar transações fora da cadeia principal. A Layer 2 melhora a escalabilidade, aumenta o volume de transações e reduz as comissões.

Quais são as vantagens da Layer 2? (Comissões, rapidez, etc.)

A Layer 2 acelera de forma significativa as transações e pode reduzir as comissões, como os custos de gas, em mais de 90%. A escalabilidade é reforçada, proporcionando aos utilizadores experiências de transação rápidas e com custos reduzidos.

Como diferem a Layer 1 e Layer 2 em termos de segurança?

A Layer 1 é a blockchain principal e garante o mais elevado nível de segurança. A Layer 2 processa transações fora da cadeia, proporciona rapidez, mas depende da Layer 1 para segurança. A Layer 1 assegura uma proteção superior.

Que tipos de soluções Layer 2 existem (por exemplo, Lightning Network, Polygon)?

As soluções Layer 2 incluem Lightning Network (Bitcoin), Polygon (Ethereum), Arbitrum, Optimism e outras. Estes projetos foram desenvolvidos para acelerar transações e reduzir comissões.

Quando utilizar Layer 1 e quando Layer 2?

A Layer 1 é recomendada para transações de elevado valor e armazenamento seguro de ativos. A Layer 2 é ideal para transações do dia a dia e micropagamentos, onde a rapidez e baixos custos são determinantes.