Quais são as diferenças entre Layer 1 e Layer 2?

O que é o trilema da blockchain?

A tecnologia blockchain está a expandir-se para além do setor financeiro e está a ser adotada em múltiplas indústrias. Isto torna a escalabilidade ainda mais crítica nos ecossistemas blockchain. Ao aumentar o throughput do sistema, as blockchains conseguem suportar novas aplicações e volumes superiores de transações. O debate sobre a escalabilidade da blockchain foca-se frequentemente nas soluções de Layer 1 e Layer 2.

As várias layers da blockchain foram concebidas para reforçar a segurança da rede e a integridade dos dados. Neste artigo, analisamos como estas layers se articulam para potenciar a interoperabilidade entre blockchains distintas.

O trilema da escalabilidade da blockchain refere-se ao desafio de alcançar, em simultâneo, três atributos centrais: segurança, descentralização e escalabilidade. Este conceito representa um dos principais constrangimentos na evolução da tecnologia blockchain.

De acordo com o trilema, uma blockchain só pode otimizar plenamente dois destes três atributos ao mesmo tempo, tornando tecnicamente muito difícil maximizar os três. Historicamente, os projetos de blockchain tiveram de sacrificar um aspeto para manter a funcionalidade global do sistema.

O Bitcoin, por exemplo, privilegia a descentralização e a segurança, mas compromete a escalabilidade. O Ethereum enfrenta desafios semelhantes, procurando aumentar o throughput das transações e manter uma segurança e descentralização sólidas.

Até ao momento, nenhuma criptomoeda atingiu um equilíbrio ótimo dos três atributos. Cada projeto cripto prioriza dois—por vezes três—atributos, sacrificando o restante consoante necessário.

Vários developers implementaram soluções técnicas e conceitos para superar a escalabilidade e o trilema. Dependendo do modelo, estes conceitos materializam-se como soluções de Layer 1 ou Layer 2.

Alguns projetos cripto processam milhares de transações por segundo, mas muitas vezes à custa da descentralização ou da segurança. Já o Bitcoin e o Ethereum são exemplos de referência de moedas digitais altamente seguras e descentralizadas. Cardano, Avalanche e Solana destacam-se entre os projetos de Layer 1 que procuram responder aos desafios de escalabilidade do Bitcoin e do Ethereum.

Soluções de escalabilidade Layer 1

Para perceber as diferenças entre a escalabilidade de Layer 1 e Layer 2, convém clarificar o conceito de Layer 1. Como o nome indica, uma blockchain de Layer 1 refere-se à camada base do protocolo. Esta arquitetura serve de registo definitivo para todas as transações.

As soluções de Layer 1 reforçam a camada fundamental da blockchain, potenciando a escalabilidade. Estas soluções propõem métodos distintos para aumentar o throughput da rede. Por exemplo, podem modificar diretamente as regras do protocolo para elevar a capacidade e velocidade das transações, e expandir a capacidade geral da rede para acomodar mais dados e utilizadores.

Entre as blockchains de Layer 1 e Layer 2, duas soluções Layer 1 destacam-se: alterações ao protocolo de consenso e sharding. Ambas são centrais para a escalabilidade ao nível da Layer 1.

Por exemplo, mecanismos de consenso como Proof of Stake (PoS) são considerados mais eficientes do que Proof of Work (PoW) ao nível da blockchain. O PoS assegura a segurança da rede reduzindo substancialmente o consumo de recursos computacionais. Já o sharding distribui a carga da rede por múltiplos datasets ou "shards", permitindo processamento paralelo.

Vantagens

• Escalabilidade reforçada: O aumento da escalabilidade é a vantagem mais evidente das soluções Layer 1. Ao modificar o protocolo base, estas soluções potenciam a capacidade de processamento da rede.

• Preservação da segurança e descentralização: As soluções Layer 1 possibilitam elevada escalabilidade e viabilidade económica sem comprometer a descentralização nem a segurança, garantindo a fiabilidade da rede.

• Impulso ao desenvolvimento do ecossistema: As soluções Layer 1 permitem integrar novas ferramentas, avanços tecnológicos e inovações diretamente no protocolo base, promovendo o crescimento do ecossistema.

Desvantagens

A escalabilidade limitada é um desafio comum nas redes de Layer 1. O Bitcoin e outras blockchains de referência costumam ter dificuldades em processar transações em períodos de elevada procura. Importa salientar que o mecanismo de consenso PoW do Bitcoin consome muitos recursos computacionais e é extremamente intensivo em energia.

As alterações em Layer 1 afetam diretamente o protocolo subjacente, pelo que a sua implementação exige uma análise rigorosa e consenso alargado da comunidade. Uma vez implementadas, podem ser difíceis de reverter caso surjam problemas.

Como superar os desafios da Layer 1

Escalar redes de Layer 1 implica upgrades fundamentais à blockchain. As estratégias seguintes centram-se em melhorias estruturais da rede.

Aperfeiçoamento dos protocolos de consenso

Os algoritmos de consenso são mecanismos essenciais para obter acordo numa rede blockchain. Há vários tipos, como PoW e PoS, cada um com caraterísticas e vantagens próprias.

O PoW continua a ser o algoritmo de consenso mais comum, mas tem baixo throughput e elevado consumo energético. Os mineradores resolvem problemas matemáticos complexos, o que exige grande poder computacional. Já o PoS oferece throughput superior ao PoW.

Em sistemas PoS, os participantes validam blocos de transações em função das suas detenções de ativos cripto, dispensando cálculos energéticos intensivos. Isto permite processar transações a alta velocidade e baixo consumo energético. O Ethereum concluiu a sua transição para o PoS para aumentar a capacidade e descentralização da rede sem comprometer a segurança.

Sharding

O sharding, adaptado de sistemas de base de dados distribuída, é uma das soluções de Layer 1 mais populares. Divide o estado global da blockchain em datasets separados chamados "shards".

Em vez de cada nó gerir toda a rede, as tarefas são distribuídas em unidades mais pequenas e especializadas. Assim, a rede processa shards em paralelo, gerindo múltiplas transações simultaneamente. Cada nó é alocado a um shard específico, em vez de manter uma cópia completa da blockchain, reduzindo o esforço individual e aumentando a eficiência.

Cada shard submete provas à cadeia principal e comunica com outros shards através de cross-shard communication para partilhar endereços, estados e saldos. Este sistema mantém a coordenação e a consistência em toda a rede. Ethereum 2.0, Zilliqa, Qtum e Tezos destacam-se na investigação e implementação da tecnologia de sharding.

Soluções de escalabilidade Layer 2

A escalabilidade Layer 2 visa utilizar redes ou tecnologias construídas sobre o protocolo da blockchain. Protocolos off-chain ou redes de suporte aumentam a eficiência e a escalabilidade das redes blockchain.

As soluções Layer 2 transferem a carga de transações para arquiteturas off-chain. Estes sistemas reportam os resultados finais das transações à blockchain principal. Ao delegar processamento de dados a estas arquiteturas, as soluções Layer 2 aliviam a congestão do protocolo base, permitindo escalabilidade.

A Lightning Network, usada para escalar o Bitcoin, é uma das soluções Layer 2 mais conhecidas. Processa transações off-chain e regista apenas o resultado final na cadeia principal, proporcionando operações rápidas e de baixo custo. Existem muitas outras soluções Layer 2 em destaque no debate sobre blockchain.

Vantagens

• Preservação da segurança e descentralização de Layer 1: A escalabilidade Layer 2 processa transações fora da cadeia, permitindo manter a segurança e descentralização da Layer 1. A cadeia principal é a última instância de liquidação, assegurando fiabilidade e segurança.

• Aceleração de microtransações: O processamento off-chain permite transações de pequeno valor em tempo real, tornando viáveis casos de uso impossíveis em blockchains tradicionais.

• Redução dos custos de transação: Ao aliviar a cadeia principal, o processamento off-chain baixa drasticamente as taxas.

Desvantagens

• Desafios de interoperabilidade: Os utilizadores Layer 2 estão limitados aos protocolos da solução escolhida, o que pode dificultar a ligação entre blockchains. A interoperabilidade entre soluções Layer 2 continua a ser um desafio.

• Riscos de segurança e privacidade: O processamento externo à Layer 1 acarreta novos riscos de segurança e privacidade. São indispensáveis medidas de segurança robustas para processar transações off-chain.

• Fragmentação de liquidez: Diversas soluções Layer 2 podem fragmentar a liquidez, prejudicando a experiência do utilizador.

Como superar os desafios da Layer 2

Foram desenvolvidas várias abordagens técnicas para ultrapassar as limitações da Layer 2. Segue-se o resumo das principais soluções Layer 2.

Blockchains aninhadas: processamento distribuído em estruturas hierárquicas

As blockchains aninhadas são estruturas hierárquicas em que uma blockchain integra blockchains adicionais. Incluem uma cadeia principal (base) e várias cadeias-filhas. A cadeia principal define regras e parâmetros, enquanto as cadeias-filhas assumem tarefas específicas.

Ao distribuir o processamento por cadeias pai-filho, a sobrecarga da cadeia principal diminui, aumentando a escalabilidade. As cadeias-filhas podem ter mecanismos de consenso próprios e ser otimizadas para casos de uso distintos. O projeto OMG Plasma é um dos principais exemplos de infraestrutura Layer 2 aninhada no Ethereum.

Canais de estado: transações rápidas fora da cadeia

Os canais de estado ligam blockchains a canais de transação off-chain, permitindo comunicação bidirecional. Estes canais não exigem validação dos nós da cadeia principal, acelerando substancialmente o processamento.

Os participantes registam o estado inicial do canal na cadeia principal e depois efetuam transações livremente off-chain. No fim, apenas o estado final é registado na cadeia principal. Assim, só o resultado final é registado on-chain, não todas as transações intermédias, maximizando a eficiência.

Liquid Network, Raiden Network (Ethereum), Celer e Bitcoin Lightning são exemplos de canais de estado. No entanto, este modelo pode sacrificar alguma descentralização para ganhar escalabilidade.

Sidechains: cadeias paralelas independentes

As sidechains são cadeias de transação independentes que operam ao lado de uma blockchain. Podem utilizar mecanismos de consenso distintos e ser desenhadas para maior rapidez e escalabilidade. A cadeia principal garante a segurança, valida as transações agrupadas e gere disputas.

Ao contrário dos canais de estado, as sidechains publicam transações e são desenhadas para que qualquer falha de segurança não afete a cadeia principal. Esta independência minimiza riscos para a cadeia principal.

No entanto, construir uma sidechain obriga ao desenvolvimento de infraestrutura de raiz, o que é exigente em recursos e custos. As sidechains exigem validadores próprios, conferindo-lhes um modelo de segurança distinto.

Diferenças fundamentais entre Layer 1 e Layer 2

Existem diferenças críticas entre as soluções de escalabilidade Layer 1 e Layer 2. As secções seguintes detalham estas distinções.

1: Definição

Layer 1 designa métodos de escalabilidade que melhoram a camada base da blockchain para aumentar a velocidade de processamento e o throughput, incluindo ampliação do tamanho dos blocos e alteração dos algoritmos de consenso. Estas soluções melhoram o desempenho modificando o protocolo fundamental.

Layer 2 refere-se a soluções off-chain que reduzem a carga da cadeia principal ao processar dados externamente. A execução de tarefas é delegada a protocolos, redes ou aplicações Layer 2, que depois reportam os resultados à blockchain principal. Isto alivia a carga principal e proporciona transações mais rápidas.

2: Funcionamento

A escalabilidade Layer 1 implica alterações ao protocolo central da blockchain. A implementação destas soluções exige modificar diretamente o protocolo. Por isso, não é fácil reverter alterações se o volume de transações cair. As mudanças requerem consenso e um upgrade da rede.

Já a escalabilidade Layer 2 funciona de forma independente enquanto solução off-chain. Protocolos, redes e aplicações off-chain reportam apenas resultados finais à blockchain principal, permitindo escalabilidade flexível sem alterar a cadeia principal.

3: Tipos de soluções

Para Layer 1, destacam-se melhorias nos protocolos de consenso e sharding. A escalabilidade pode também passar por ajustes ao tamanho ou à frequência de blocos. Estas abordagens alteram a estrutura fundamental da blockchain.

Em Layer 2, praticamente não há restrições: qualquer protocolo, rede ou aplicação pode funcionar como Layer 2 off-chain, proporcionando escalabilidade flexível para diferentes cenários.

4: Qualidade

A Layer 1 funciona como fonte autoritativa e gere a liquidação final das transações. Usa tokens nativos e disponibiliza acesso aos recursos da rede. A inovação nos mecanismos de consenso é um dos seus traços distintivos. Como as alterações em Layer 1 afetam toda a rede, requerem planeamento e execução rigorosos.

A Layer 2 oferece funções comparáveis, mas aumenta o throughput e a programabilidade, reduzindo custos de transação. Cada solução Layer 2 tem o seu próprio método para remapear transações para Layer 1. A Layer 2 tira partido da segurança da cadeia principal para viabilizar transações rápidas e económicas.

O futuro da escalabilidade blockchain

A escalabilidade é um dos principais entraves à adoção massiva da blockchain. Com o aumento da procura por criptomoedas, as plataformas blockchain terão de garantir maior escalabilidade. Layer 1 e Layer 2 apresentam custos e vantagens distintos.

As soluções Layer 1 proporcionam melhorias estruturais para a sustentabilidade de longo prazo. As soluções Layer 2 oferecem ganhos imediatos de escalabilidade e melhoram a experiência do utilizador. O futuro da escalabilidade blockchain dependerá da integração dos dois modelos.

Nos últimos anos, vários projetos adotaram estratégias integradas de escalabilidade, combinando Layer 1 e Layer 2. O Ethereum, por exemplo, desenvolve o sharding como Layer 1 e os rollups como Layer 2.

Surge também o conceito de Layer 0. As blockchains Layer 0 oferecem a infraestrutura base para criar novas cadeias e potenciar a interoperabilidade cross-chain. As cadeias construídas sobre Layer 0 podem comunicar entre si e com blockchains externas. Layer 0 é a base das Layer 1. Exemplos são Cosmos, Polkadot e Avalanche, sendo o Cosmos uma referência como fundação de grandes plataformas blockchain.

No futuro, o ecossistema blockchain deverá evoluir para uma estrutura multicamada integrando Layer 0, Layer 1 e Layer 2. Esta evolução permitirá superar o trilema da segurança, descentralização e escalabilidade e suportar uma adoção em larga escala.

Perguntas Frequentes

Quais as principais diferenças entre Layer 1 e Layer 2?

A Layer 1 é a camada base da blockchain; a Layer 2 utiliza tecnologias off-chain sobrepostas. A Layer 2 processa transações fora da cadeia principal, amplia a escalabilidade e reduz as taxas de gas.

Quais as vantagens e desvantagens de soluções Layer 2 como Lightning Network ou Polygon?

Principais vantagens: taxas muito mais baixas, maior velocidade de transação, melhor experiência do utilizador. Desvantagens: compromissos em segurança e descentralização, fragmentação entre redes Layer 2 e maior complexidade para os utilizadores.

Quando optar pela Layer 1 ou Layer 2?

A Layer 1 é indicada para grandes transações que exigem máxima segurança. A Layer 2 é ideal para transações frequentes e de menor valor, que beneficiam da rapidez e taxas reduzidas. Escolher a camada adequada a cada caso de uso permite transações eficientes.

A Layer 2 é segura? Envolve riscos adicionais face à Layer 1?

Em geral, Layer 2 é segura, mas acarreta riscos superiores aos da Layer 1. Principais preocupações: qualidade das auditorias de smart contracts e centralização dos sequenciadores. Os principais protocolos estão em evolução contínua e espera-se que a segurança iguale a da Layer 1.

Como diferem as soluções Layer 2 no Bitcoin e no Ethereum?

As Layer 2 do Ethereum suportam smart contracts e transações complexas, enquanto as do Bitcoin estão focadas em pagamentos simples. O Ethereum destaca-se na herança de segurança; o Bitcoin privilegia a eficiência transacional.