Soluções Blockchain de Layer 1 e Layer 2: perceber as diferenças

O que é o trilema da blockchain (ou trilema da escalabilidade)

O trilema da blockchain, também conhecido como trilema da escalabilidade, constitui um princípio central que define o principal desafio da escalabilidade em redes distribuídas, incluindo sistemas blockchain. Este conceito, popularizado por Vitalik Buterin, cofundador da Ethereum, traduz uma limitação crucial que os programadores de blockchain têm de gerir ao desenhar e otimizar as suas redes.

Em síntese, o trilema da blockchain resume-se assim:

• As redes distribuídas apresentam três características essenciais: descentralização, segurança e desempenho (escalabilidade).
• Um sistema blockchain só pode maximizar, em simultâneo, duas destas três características fundamentais. Os criadores da rede têm de abdicar de uma delas para garantir a eficiência das restantes duas.

Esta limitação estrutural obriga os arquitetos de blockchain a encontrar um equilíbrio delicado. A descentralização impede que uma única entidade controle a rede, protegendo o carácter democrático e trustless da tecnologia blockchain. A segurança defende a rede contra ataques e assegura a integridade dos dados. O desempenho, ou escalabilidade, determina o número de transações que a rede consegue processar num determinado período. O desafio reside precisamente no facto de que a otimização de um ou dois destes aspetos se faz, habitualmente, em detrimento do terceiro, colocando os programadores de blockchain perante um dilema de otimização constante.

Exemplos do trilema da blockchain

Para ilustrar como o trilema da blockchain se reflete em implementações reais, analisam-se três abordagens distintas adotadas pelas redes blockchain, cada uma com diferentes compromissos entre as três propriedades centrais.

1. Abordagem tradicional. O Bitcoin exemplifica a implementação blockchain tradicional. Estes sistemas dependem de uma vasta rede de full nodes para manter a sua operação. Esta arquitetura proporciona elevados níveis de segurança e descentralização, já que milhares de nodes independentes validam as transações e mantêm cópias integrais do livro-razão da blockchain. No entanto, este modelo sacrifica o desempenho: a necessidade de consenso alargado entre muitos nodes desacelera o processamento das transações, originando menor rendimento e maiores tempos de confirmação. Os cerca de 7 TPS do Bitcoin evidenciam este compromisso, em que a segurança e a descentralização prevalecem sobre a escalabilidade.

2. Abordagem de alta velocidade. Estas redes blockchain operam com um número muito mais reduzido de nodes validadores. A escolha e validação rigorosa dos nodes assegura a segurança do sistema, ao mesmo tempo que permite elevados níveis de rendimento. Ao diminuir o número de validadores necessários para alcançar consenso, estas redes aceleram substancialmente o processamento de transações. Esta otimização, contudo, implica uma menor descentralização. Com menos nodes a controlar a rede, aumenta o risco de centralização e de eventuais colusões entre validadores. É uma abordagem frequente em plataformas blockchain recentes, que privilegiam a rapidez das transações e a experiência do utilizador, aceitando algum grau de centralização como contrapartida.

3. Abordagem multi-chain. As soluções de interoperabilidade e comunicação cross-chain representam uma terceira via para enfrentar o trilema da blockchain. Permitem que várias cadeias funcionem em conjunto, conjugando níveis razoáveis de descentralização e escalabilidade. Cadeias diferentes podem especializar-se em funções específicas, repartindo a carga por múltiplas redes. Contudo, esta arquitetura traz desafios de segurança acrescidos: a gestão da comunicação entre cadeias cria novos vetores de ataque e vulnerabilidades. Protocolos de bridge e sistemas de mensagens cross-chain tornam-se pontos críticos de falha — quando comprometidos, podem ameaçar toda a segurança do ecossistema.

Soluções Layer 1 vs Soluções Layer 2

Compreender a diferença entre soluções Layer 1 e Layer 2 é essencial para perceber como o setor blockchain responde ao desafio da escalabilidade. Estas duas abordagens refletem filosofias radicalmente distintas para otimizar o desempenho da blockchain e responder ao trilema.

O que são soluções Layer 1

As soluções Layer 1 consistem em alterações profundas ao protocolo e arquitetura base de uma rede blockchain. São melhorias estruturais que modificam o funcionamento da própria blockchain. Layer 1 abrange métodos como alteração de mecanismos de consenso, aumento do tamanho dos blocos, aceleração da criação de blocos e implementação de sharding.

A mudança do mecanismo de consenso pode traduzir-se, por exemplo, na passagem de Proof of Work para Proof of Stake, ou na adoção de algoritmos inovadores que otimizam a eficiência do processamento de transações. O aumento do tamanho dos blocos permite incluir mais transações em cada bloco, melhorando o rendimento. A aceleração dos tempos de criação de blocos reduz o intervalo entre blocos, e agiliza as confirmações. O sharding divide a blockchain em várias cadeias paralelas (shards) capazes de processar transações em simultâneo, aumentando substancialmente a capacidade total da rede.

Vantagens do Layer 1

• Impacto fundamental: As alterações estruturais proporcionadas pelas soluções Layer 1 criam as bases para o desenvolvimento de projetos e crescimento futuro. Estas modificações atacam a escalabilidade na sua raiz, proporcionando melhorias duradouras ao desempenho da rede.
• Funcionalidade avançada: As soluções Layer 1 permitem a integração de novas ferramentas e funcionalidades diretamente no protocolo, habilitando a blockchain a suportar aplicações e casos de uso mais complexos sem depender de soluções externas.
• Benefícios globais: As melhorias Layer 1 beneficiam todas as aplicações e utilizadores da rede de forma uniforme, assegurando ganhos consistentes em todo o ecossistema.
• Sustentabilidade a longo prazo: Ao abordar a escalabilidade no protocolo base, as soluções Layer 1 criam melhorias sustentáveis, sem necessidade de manutenção permanente de sistemas paralelos.

Desvantagens do Layer 1

• Prazos de implementação longos: Preparar e implementar soluções Layer 1 exige tempo significativo, envolvendo anos de investigação, desenvolvimento, testes e implementação faseada para garantir a estabilidade e segurança da rede.
• Maior complexidade: As alterações Layer 1 são muito mais complexas do que as soluções Layer 2. Exigem consenso entre participantes, testes rigorosos e coordenação meticulosa para evitar disrupções da rede.
• Risco de hard forks: Mudanças profundas ao protocolo podem gerar discordâncias e, potencialmente, originar divisões na rede, como comprovam vários hard forks ao longo da história.
• Desafios de coordenação: A implementação de alterações Layer 1 exige coordenação entre programadores, mineradores ou validadores e utilizadores, tornando o processo tecnicamente e politicamente exigente.

O que são soluções Layer 2

Layer 2 designa uma infraestrutura adicional, construída sobre a blockchain principal. Estas soluções transferem parte do processamento de transações da cadeia base para sistemas secundários, aliviando a rede principal, acelerando o processamento e reduzindo substancialmente os custos, mantendo as garantias de segurança do Layer 1 subjacente.

As soluções Layer 2 processam transações fora da cadeia principal, registando periodicamente os resultados na blockchain Layer 1. Isto permite transações rápidas e económicas, beneficiando da segurança e descentralização da camada base. Os utilizadores realizam diversas transações em Layer 2, sendo apenas o estado final registado na cadeia principal.

No contexto Layer 2 são utilizados vários métodos e ferramentas:

• Blockchains aninhadas: Blockchains secundárias que operam sobre a cadeia principal, com regras e mecanismos de consenso próprios, comprometendo periodicamente o seu estado na cadeia-mãe.
• Canais de estado: Canais off-chain que permitem múltiplas transações privadas entre participantes, divulgando apenas o estado final na blockchain principal quando o canal é encerrado.
• Sidechains: Blockchains independentes que correm em paralelo à cadeia principal, ligadas por mecanismos de two-way peg, permitindo a circulação de ativos entre as cadeias, mas com regras e consenso próprios.

Vantagens do Layer 2

• Implementação não invasiva: As soluções Layer 2 não exigem alterações ao protocolo da blockchain base. Podem ser implementadas autonomamente, sem necessidade de consenso global ou upgrades de protocolo, tornando a sua adoção mais ágil.
• Mitigação do trilema: As soluções Layer 2 ajudam a mitigar o trilema da blockchain sem grandes alterações à cadeia principal. Permitem ganhos substanciais de escalabilidade e redução de custos, mantendo a segurança e descentralização do layer base.
• Implementação simplificada: O desenvolvimento de soluções Layer 2 é mais simples e rápido do que alterações Layer 1. As equipas podem construir, testar e lançar soluções Layer 2 de forma independente, promovendo inovação e experimentação.
• Flexibilidade e inovação: Podem coexistir múltiplas soluções Layer 2 numa mesma blockchain Layer 1, cada uma otimizada para casos de uso distintos, potenciando a diversidade do ecossistema.
• Benefícios imediatos: Os utilizadores beneficiam de melhor desempenho e custos mais baixos assim que aderem a soluções Layer 2, sem esperar por alterações ao protocolo.

Desvantagens do Layer 2

• Desafios de interoperabilidade: As soluções Layer 2 podem agravar problemas de compatibilidade entre blockchains. Diferentes Layer 2 podem não comunicar entre si, fragmentando o ecossistema e prejudicando a experiência do utilizador.
• Compromissos de segurança: Embora herdem a segurança do layer base, as soluções Layer 2 introduzem pressupostos e vulnerabilidades próprios. A ligação entre Layer 2 e Layer 1 pode ser explorada, e os utilizadores têm de confiar no modelo de segurança do sistema Layer 2.
• Solução sintomática: As soluções Layer 2 não resolvem as limitações estruturais de escalabilidade do Layer 1; mitigam sintomas. Uma adoção excessiva pode transferir a congestão do Layer 1 para o Layer 2.
• Complexidade para o utilizador: Mover ativos entre Layer 1 e Layer 2, ou entre diferentes Layer 2, pode introduzir fricção e confusão, dificultando a adoção generalizada.
• Fragmentação de liquidez: Os ativos e a liquidez podem dispersar-se por várias soluções Layer 2, reduzindo a eficiência de capital e dificultando operações financeiras e de trading.

Perguntas Frequentes

O que são blockchains Layer 1 e Layer 2? Quais são as definições básicas?

Layer 1 é a blockchain base, onde as transações são liquidadas. Layer 2 é uma solução de escalabilidade construída sobre Layer 1, que aumenta a velocidade e o rendimento das transações.

Quais as principais diferenças entre blockchains Layer 1 e Layer 2 quanto a velocidade, custo e segurança?

As blockchains Layer 1 asseguram elevada segurança, mas apresentam velocidades menores e custos mais altos. As soluções Layer 2 aumentam a velocidade das transações e reduzem os custos através de mecanismos de escalabilidade, embora a segurança possa ser relativamente inferior à do Layer 1.

Quais são as soluções Layer 2 mais utilizadas, como Rollups, Sidechains e State Channels, e quais as suas vantagens e desvantagens?

Os Rollups aumentam o rendimento e baixam as comissões, mas enfrentam limites de escalabilidade. As Sidechains oferecem flexibilidade, mas dependem de segurança independente. Os State Channels reduzem os custos de transação, mas exigem confiança entre as partes.

Porque é necessário o Layer 2? Que limitações existem em blockchains Layer 1 que exijam soluções de escalabilidade?

As blockchains Layer 1 têm limites de escalabilidade, com baixo rendimento e comissões elevadas. As soluções Layer 2 processam transações fora da cadeia principal, aumentando drasticamente a velocidade e reduzindo os custos, preservando a segurança e descentralização do Layer 1.

Utilizar Layer 2 afeta a segurança dos fundos? Como compara o risco face ao Layer 1?

As soluções Layer 2 mantêm uma forte segurança ao ancorar a liquidação no Layer 1. Apesar de introduzirem riscos adicionais de smart contract, a maioria dos Layer 2 consolidados dispõe de auditorias e mecanismos de segurança robustos, sendo, para quem procura transações mais rápidas e económicas, comparavelmente seguras.

Quando optar por Layer 1 ou Layer 2 para transações?

Deve utilizar Layer 1 para transações de valor elevado e finais, com necessidade de máxima segurança. Utilize Layer 2 para transações frequentes e de baixo montante, para reduzir custos e aumentar a rapidez. A escolha depende do tipo, valor e criticidade da transação.

Quais as soluções Layer 2 da Ethereum, como Arbitrum, Optimism e Polygon, e quais as diferenças entre elas?

Arbitrum, Optimism e Polygon são soluções de escalabilidade Layer 2 para Ethereum. Arbitrum e Optimism recorrem a tecnologia optimistic rollup, enquanto a Polygon utiliza zk-rollup. Diferem nos mecanismos de consenso, custos de transação e tempos de finalização, oferecendo diferentes equilíbrios entre segurança e rendimento.

Como funcionam as bridges cross-chain Layer 2? Como são transferidos fundos entre Layer 1 e Layer 2?

As bridges Layer 2 transferem fundos entre layers com recurso a smart contracts. O utilizador deposita ativos em Layer 1, que ficam bloqueados, enquanto tokens equivalentes são emitidos em Layer 2. Os operadores facilitam transferências através de pools de liquidez. Os levantamentos invertem o processo, queimando tokens Layer 2 e libertando os fundos em Layer 1.