Desafios de Escalabilidade do Ethereum

Limitações da Mainnet do Ethereum

De acordo com o trilema do blockchain de Vitalik Buterin, nenhum blockchain pode simultaneamente alcançar descentralização, segurança e escalabilidade. Compromissos devem ser feitos entre esses três fatores. Ethereum escolheu focar em descentralização e segurança. Ele fez uma transição bem-sucedida do consenso de Prova de Trabalho (PoW) para Prova de Participação (PoS), liderando inovação e desenvolvimento na indústria. Como resultado, ele se tornou o maior ecossistema de blockchain público, ficando em segundo lugar apenas para o Bitcoin em termos de descentralização e segurança econômica.

No entanto, apesar de várias atualizações, a escalabilidade do Ethereum continua limitada. O tempo médio de bloco é de 12 segundos, e suas transações por segundo (TPS) são apenas cerca de 13. Quando a atividade da rede aumenta, ocorre congestionamento, acompanhado de altas taxas de transação, o que impacta severamente a experiência do usuário. Os problemas de escalabilidade do Ethereum tornaram-se mais evidentes à medida que o ecossistema cresce com mais aplicativos e usuários. Em resposta, em 2020, Vitalik Buterin anunciou oficialmente que o roadmap futuro do Ethereum se concentraria em Rollups (ou seja, soluções de Camada 2) para resolver os problemas de escalabilidade da mainnet.

As Preocupações Ocultas da Camada 2

Simplificando, a Camada 2 refere-se à camada de computação do Ethereum. O princípio é mover a execução da transação para fora da cadeia para computação e, em seguida, compactar vários resultados de transação em uma única transação que é enviada de volta para a Ethereum mainnet para validação e liquidação final. Através da computação fora da cadeia, o TPS da Camada 2 pode ser várias vezes maior do que o da mainnet. Além disso, porque uma única transação retornada à mainnet consolida vários detalhes de transação, os custos de validação são compartilhados entre muitos usuários, reduzindo os custos de transação e proporcionando uma experiência do usuário mais suave. Isso permitiu que a Camada 2 lidasse com o tráfego substancial e a carga do ecossistema provenientes da mainnet.

De acordo com estatísticas do L2BEAT e Dune, até os dados mais recentes (18 de novembro), o Valor Total Bloqueado (TVL) na Camada 2 atingiu US$ 4,4 bilhões, com um total de TPS de aproximadamente 360. Mais de 90% das transações do ecossistema do Ethereum são agora realizadas na Camada 2.

Figura 1: Layer 2 TVL e TPS, Fonte: L2BEAT

Figura 2: Ethereum Mainnet vs. Compartilhamento de Transações de Camada 2, Fonte: Dune

No entanto, atualmente, existem 52 soluções de Camada 2, incluindo algumas que ainda não foram lançadas oficialmente. O grande número de projetos de Camada 2 levou à fragmentação do usuário e à dispersão da liquidez em diferentes plataformas. Para competir por usuários e fundos, essas plataformas consomem recursos substanciais. Os usuários também são obrigados a transferir frequentemente ativos entre diferentes soluções de Camada 2, incorrendo em custos adicionais de transação, enquanto expõem seus ativos a maiores riscos durante o processo de transferência.

Além disso, das 52 soluções de Camada 2, apenas 6 atendem aos padrões de segurança de primeira fase estabelecidos pela L2BEAT. Isso indica que a maioria das soluções de Camada 2 não herda a segurança da rede principal do Ethereum adequadamente, e os fundos dos usuários podem ser congelados no caso de uma falha da Camada 2.

(Padrões de segurança de três fases da L2BEAT para a Camada 2:
Fase 0: A solução de Camada 2 opera normalmente.
Fase 1: A equipe do projeto renuncia a algum controle, permitindo que uma certa proporção de entidades externas participe, resultando em um nível mais elevado de descentralização. Os usuários podem decidir se retiram seus ativos.
Fase 2: Descentralização completa, onde qualquer pessoa pode participar e sair sem permissão.

Diante desses desafios, o Gear Protocol lançou o Gear.exe, uma solução não-Layer 2 que aumenta significativamente a capacidade computacional do Ethereum - em mais de 1000 vezes - sem sacrificar a segurança do Ethereum mainnet, alcançando assim um nível superior de escalabilidade.

Introdução ao Gear.exe

Gear.exe, desenvolvido pela Gear Protocol, é uma rede de computação descentralizada construída na Vara Network (uma Camada 1 lançada pela Gear Protocol, que será apresentada posteriormente). Totalmente compatível com a Máquina Virtual Ethereum (EVM), Gear.exe pode ser visto como um conjunto de expansão para a rede Ethereum. Ele suporta execução paralela infinitamente escalável, compensando as limitações de escalabilidade próprias do Ethereum e oferecendo uma experiência de transação de baixa latência e baixo custo. Importante ressaltar que o Gear.exe não é uma blockchain e não gera seus próprios blocos. Em vez disso, ele serve como uma infraestrutura que fornece recursos computacionais poderosos, o que significa que não compete com as soluções existentes de Camada 2 para usuários e fundos, evitando assim a fragmentação adicional de ativos.

Os benefícios trazidos pela integração do Gear.exe incluem:

• Até 1000x de melhoria no desempenho computacional
• Redução das taxas de gás em 90-99%
• Latência de sub-segundo e liquidação rápida de transações (limitada apenas pelo tempo de bloco da Ethereum mainnet)
• experiência do usuário semelhante à Web2
• Ambiente de desenvolvimento Rust otimizado

Graças aos recursos computacionais poderosos do Gear.exe, os desenvolvedores podem terceirizar tarefas complexas e computacionalmente intensivas para o Gear.exe, construindo DApps com recursos intricados e altas demandas computacionais. Os casos de uso incluem DeFi, GameFi, IA, aprendizado de máquina, provas de conhecimento zero e oráculos. Isso aumenta a eficiência das transações, reduz os custos e otimiza ainda mais a experiência do usuário.

Em relação à segurança, uma vez que o Gear.exe não é uma blockchain e não possui sua própria proteção de consenso, ele introduz um protocolo de re-staking chamado Symbiotic. Através do ETH re-staked, o Symbiotic fornece segurança econômica suficiente para o Gear.exe, prevenindo ações maliciosas de nós validadores. Isso permite que o Gear.exe forneça uma solução de escalabilidade alternativa, diferente da Camada 2, que aprimora a escalabilidade do Ethereum sem comprometer a descentralização ou segurança, permitindo mais casos de uso intensivos em computação.

Histórico de desenvolvimento

O Gear Protocol foi lançado em setembro de 2021 como uma plataforma de contrato inteligente baseada em Substrate, especialmente projetada para o desenvolvimento de programas paralelizados com várias funcionalidades dedicadas, incluindo o Modelo de Ator, memória permanente e WASM. Ele suporta contratos inteligentes escritos em várias linguagens de programação como Rust, Solidity, C e C++, tornando-o compatível com várias blockchains e permitindo implantação entre redes sem a necessidade de modificar os contratos.

(Substrate: Um framework de desenvolvimento modular que facilita a integração de múltiplas blockchains especializadas, melhorando a escalabilidade.)

Inicialmente, o Protocolo Gear atendeu ao ecossistema Polkadot. Na época, a cadeia de retransmissão do Polkadot não suportava a implantação de contratos inteligentes, então os desenvolvedores que desejavam se conectar à rede tinham que implantar contratos em parachains ou criar um novo blockchain e conectá-lo ao Polkadot. Devido ao alto custo deste último, a maioria dos desenvolvedores optou por implantar DApps em parachains. O Protocolo Gear, sendo compatível com diferentes linguagens de programação e oferecendo várias infraestruturas, tornou-se a plataforma de escolha para os desenvolvedores. Como resultado, tornou-se um centro para DeFi, DAO, NFT e outros tipos de DApp, desempenhando um papel fundamental no ecossistema Polkadot.

Em setembro de 2023, o Gear Protocol lançou oficialmente sua rede independente de Camada 1, Vara Network, desenvolvida com base no framework Substrate. A Vara Network integrou todas as tecnologias e recursos do Gear Protocol, empregando processos paralelizados para aprimorar significativamente o desempenho da rede. Ela também pode ser atualizada sem forks ou tempo de inatividade, e foca em reduzir as barreiras de desenvolvimento para DApps, com o objetivo de criar uma rede blockchain com sustentabilidade de longo prazo por meio de sua infraestrutura robusta.

Em outubro de 2024, o Protocolo Gear lançou o Gear.exe, com o objetivo de aproveitar as vantagens de alto desempenho da Vara Network para lidar com tarefas computacionais complexas para DApps e enfrentar os desafios de escalabilidade do Ethereum.

Antecedentes da equipe

O Protocolo Gear foi lançado em setembro de 2021. A equipe é composta por desenvolvedores principais do Polkadot e do framework de desenvolvimento de blockchain Substrate. Com vasta experiência em Web3, a equipe traz profunda expertise em tecnologia, finanças, desenvolvimento e vendas.

Nikolay Volf, cofundador e CEO, está envolvido com a Polkadot e a Substrate desde 2015. Enquanto trabalhava na empresa de infraestrutura blockchain Parity Technologies, ele introduziu o primeiro contrato inteligente WebAssembly (WASM).

Ilya Veller, co-fundador e diretor financeiro, tem mais de 20 anos de experiência na indústria financeira. Ele ocupou cargos de vendas sênior em instituições como Bank of America, Morgan Stanley, Renaissance Capital, UniCredit e ITI Capital, levantando mais de $1 bilhão para vários projetos.

Aleksandr Bugorkov, Co-fundador e CTO, traz uma vasta experiência técnica de empresas como Lyft, New Relic e Spotify, onde trabalhou em soluções tecnológicas inovadoras.

Status de Financiamento

Em dezembro de 2021, o Protocolo Gear completou uma rodada de financiamento de $12 milhões, liderada pela Blockchange Ventures. Outros investidores incluíram HashKey Capital, Lemniscap e Three Arrows Capital.

Como o Gear.exe funciona

O Gear.exe suporta programas paralelizados e suas tecnologias principais são baseadas em vários componentes-chave:

• Modelo de ator

Na programação de computadores, um "Ator" é uma unidade computacional fundamental que pode enviar e receber mensagens. Os atores podem representar contratos inteligentes ou usuários finais. No Modelo de Ator, o estado entre os atores é mantido privado e só pode ser modificado ou comunicado através da passagem de mensagens. Isso garante privacidade e segurança para cada ator. Todos os processos são assíncronos, o que significa que são executados em paralelo, permitindo que várias tarefas sejam tratadas simultaneamente sem esperar pelo resultado de uma tarefa anterior.

Para ilustrar, imagine que está a preparar um bife e uma salada. Normalmente, aqueceria a frigideira e o óleo primeiro, enquanto aguarda que a frigideira aqueça, poderia começar a lavar os legumes. Uma vez que a frigideira estiver pronta, volta para cozinhar o bife, deixa-o descansar e depois volta a preparar a salada. Este processo é semelhante à execução paralela, onde, enquanto uma tarefa aguarda um resultado, outra pode ser processada, melhorando significativamente a eficiência computacional.

Além disso, para evitar confusão devido à chegada de várias mensagens ao mesmo tempo, um ator é restrito a lidar com uma solicitação de cada vez. Por exemplo, se A quiser depositar $10 em uma conta enquanto B quiser retirar $5 da mesma conta ao mesmo tempo, processar ambas as solicitações simultaneamente poderia levar a um saldo da conta incorreto. No Modelo de Ator, mesmo que as solicitações cheguem simultaneamente, o sistema as executará sequencialmente (por exemplo, lidando primeiro com a solicitação de A e depois com a de B) para garantir que o saldo da conta permaneça consistente.

• Memória Persistente

O estado de cada ator e os dados necessários são armazenados em sua própria memória, em vez de em armazenamento compartilhado externo como discos rígidos ou bancos de dados. Isso reduz significativamente a necessidade de chamadas de API para interagir com a blockchain, permitindo que os dados sejam acessados diretamente da memória local, o que reduz a latência. Além disso, o estado de cada ator é persistido, o que significa que mesmo que um contrato inteligente pause ou o sistema seja reiniciado, o estado do ator pode ser imediatamente restaurado.

O Gear Protocol também utiliza a tecnologia de Virtualização de Memória, que rastreia o comportamento de acesso à memória pelos programas para garantir que apenas os dados necessários sejam lidos e salvos. Isso minimiza o desperdício de recursos computacionais, tornando o sistema mais eficiente.

• WebAssembly (WASM)

WebAssembly (WASM) é um ambiente de execução isolado que permite que smart contracts sejam executados de forma eficiente. Ele suporta uma ampla variedade de linguagens de programação, para que os desenvolvedores possam usar ferramentas de desenvolvimento familiares para implantar smart contracts no Gear.exe. Isso reduz significativamente as barreiras de implantação, tornando mais fácil para os desenvolvedores aproveitarem o poder computacional do Gear.exe sem precisar aprender novas linguagens ou estruturas.

Processo de operação do Gear.exe

Figura 3, Processo de Operação do Gear.exe, Fonte: Protocolo Gear

O Gear.exe fornece aos desenvolvedores dois principais métodos de integração para interagir com sua plataforma:

1. Integração nativa
   Neste método, dApps invocam diretamente os procedimentos operacionais do Gear.exe, sem a necessidade de enviar solicitações para o Ethereum. Isso permite interação em tempo real com o sistema.

2. Integração baseada em eventos
   Neste modelo, os contratos inteligentes do Ethereum emitem eventos que acionam operações do Gear.exe. Quando os validadores do Gear.exe detectam o evento, eles executam o processo correspondente imediatamente. Isso permite uma integração totalmente descentralizada em que o Ethereum e o Gear.exe podem operar de forma transparente.

Independentemente do método de integração escolhido, o processo operacional segue estas etapas:

Processo Passo a Passo

1. Aceitação do Pedido
   Ao receber uma solicitação, os nós validadores do Gear.exe executam o programa implantado do dApp dentro do ambiente Gear. Os nós então assinam o resultado final da computação para garantir sua validade.

2. Segurança Econômica via Re-staking
   Para evitar comportamentos maliciosos dos nós, a segurança econômica do Gear.exe é protegida pelo protocolo de re-aplicação simbiótica. Além disso, os participantes da aposta da token nativa (VARA) da Vara Network contribuem para a segurança. Também existem mecanismos de penalização para dissuadir comportamentos desonestos.

3. Pré-confirmação
   Após o Gear.exe começar a processar o pedido, ele envia uma pré-confirmação ao usuário. Esta pré-confirmação atua como um recibo, contendo detalhes da transação, como remetente, destinatário, valor do hash, taxa de transação, etc. Isso assegura ao usuário que a transação será processada e eventualmente finalizada no Ethereum. A pré-confirmação é essencial porque os dados da transação ainda estão sendo processados e a liquidação final no Ethereum levará algum tempo. Ao fornecer uma pré-confirmação, o Gear.exe permite que os dApps evitem esperar pela finalização da transação, proporcionando uma experiência mais rápida para o usuário.

4. Agregação e Envio de Resultados
   Aproximadamente a cada 8 segundos, o sequenciador coleta todos os resultados computacionais (que podem envolver transações de vários dApps) e a raiz do estado mais recente. Esses resultados são então empacotados e enviados para o contrato inteligente do Gear.exe no Ethereum.

5. Atualizando Contratos Inteligentes de dApps
   Os resultados finais da transação são enviados aos contratos inteligentes respectivos das dApps, atualizando suas raízes de estado com os dados mais recentes.

Principais recursos da arquitetura do Gear.exe

• Flexibilidade para Desenvolvedores Web3:
  A arquitetura e os métodos de integração do Gear.exe oferecem aos desenvolvedores Web3 maior flexibilidade, permitindo-lhes escolher entre integrações nativas e baseadas em eventos com base em seu caso de uso.

• Desempenho e Velocidade:
  Ao fornecer pré-confirmações e processar transações off-chain, o Gear.exe permite que dApps ofereçam uma experiência do usuário muito mais rápida e suave, pois os usuários podem interagir imediatamente com a plataforma sem esperar que a transação completa seja finalizada no Ethereum.

• Segurança e validação:
  A combinação de re-staking, nós validadores e mecanismos de penalização garante que o sistema é seguro e que ações maliciosas são desencorajadas. A dependência na mainnet da Ethereum para liquidação final adiciona uma camada extra de segurança, já que o consenso da Ethereum é o árbitro final da legitimidade da transação.

Esta abordagem, combinando alto desempenho, transações rápidas e recursos de segurança robustos, posiciona o Gear.exe como uma ferramenta valiosa para desenvolvedores Web3 que buscam integrar computação off-chain com Ethereum de forma escalável e eficiente.

Comparação entre Gear.exe e Camada 2

Tanto o Gear.exe quanto as várias soluções Layer 2 têm como objetivo melhorar a escalabilidade do Ethereum, permitindo que ele acomode mais usuários e aplicativos. No entanto, existem diferenças significativas na forma como essas duas abordagens são implementadas. Esta comparação se concentrará em dois aspectos críticos: segurança e desempenho.

Segurança

Tanto o Gear.exe quanto as soluções da Camada 2 movem as tarefas de computação do Ethereum para fora da cadeia e depois empacotam as transações de volta na mainnet. Isso significa que uma parte significativa do processamento das transações ocorre fora da cadeia, e torna-se crucial garantir a segurança e consistência dos dados da transação durante a computação fora da cadeia para evitar alterações maliciosas pelos nós.

• Camada 2 (por exemplo, Arbitrum): Nas soluções de Camada 2 como o Arbitrum, o processo de computação é protegido pelo seu próprio consenso de rede. As transações são ordenadas por um sequenciador centralizado e depois enviadas para a mainnet para liquidação. O Arbitrum utiliza um mecanismo de Prova Otimista com um período de desafio de 7 dias. O sistema assume que todos os dados de transação enviados estão corretos, mas fornece uma janela para que qualquer pessoa desafie a transação. Se ocorrer um desafio, os validadores do Ethereum são responsáveis por confirmar a validade da transação. Esse design garante que, mesmo que os nós de rede do Arbitrum sejam maliciosos, o Ethereum pode servir como uma linha de defesa final.
• Gear.exe: Gear.exe não possui seu próprio consenso de rede e depende do Symbiotic, que utiliza ETH re-apostado para fornecer segurança econômica. As transações são primeiramente ordenadas por um sequenciador centralizado e, em seguida, transmitidas para a mainnet Ethereum. No entanto, a documentação atual do Gear.exe não especifica se ele emprega mecanismos como Provas Otimistas ou Provas de Conhecimento Zero (ZKPs) para verificar se os dados enviados para o Ethereum estão corretos. Portanto, a segurança do Gear.exe depende fortemente do protocolo de re-apostas do Symbiotic. Ainda não está claro se a segurança fornecida por esse modelo de re-apostas pode corresponder totalmente ao consenso nativo do Ethereum, já que o mecanismo de re-apostas aproveita a segurança do Ethereum por meio de contratos inteligentes, introduzindo potenciais riscos sistêmicos.

Além disso, tanto o Gear.exe quanto a Camada 2 usam um sequenciador centralizado para ordenar transações em vez de depender do consenso da rede. Embora isso acelere a rede, também concede ao sequenciador e à equipe do projeto um poder considerável. Em casos extremos, uma equipe do projeto poderia manipular a ordem das transações para favorecer a si mesmos e rejeitar transações que são prejudiciais aos seus interesses. Soluções da Camada 2 como Arbitrum e Optimism fornecem um mecanismo de escape, permitindo que os usuários evitem o sequenciador e enviem transações diretamente para o mainnet. No entanto, o Gear.exe não possui tal design.

Conclusão sobre Segurança:
Comparado às soluções de Camada 2, a segurança do Gear.exe depende fortemente do Symbiotic e carece de algumas contramedidas para casos extremos encontrados nas soluções de Camada 2. Não é tão maduro e bem estruturado em termos de segurança. No entanto, o Gear.exe pode fornecer mais detalhes em futuros white papers para esclarecer seu modelo de segurança.

Desempenho

Em termos de desempenho, Gear.exe e Layer 2 retornam ambas as informações pré-confirmadas para os usuários durante o processamento da transação, indicando que o sistema aceitou a transação e a processará. Isso permite que os usuários recebam rapidamente os resultados iniciais da transação e continuem outras operações sem precisar esperar pelo Ethereum finalizar o bloco, melhorando significativamente a velocidade e eficiência da transação. Além disso, Gear.exe e Layer 2 utilizam sequenciadores centralizados para ordenar as transações, economizando tempo na formação de consenso e comprimindo várias transações em uma única. Isso reduz as taxas de gás e permite que os blocos do Ethereum acomodem mais transações.

• Camada 2:
  Soluções de Camada 2, como Arbitrum, oferecem desempenho aprimorado em comparação com a camada base do Ethereum, descarregando a computação. No entanto, a Camada 2 ainda enfrenta algumas limitações em termos de escalabilidade, já que geralmente oferece melhorias lineares na capacidade de transações, em vez de ganhos exponenciais.

• Gear.exe:
  O Gear.exe integra várias tecnologias avançadas, como o Modelo de Ator, Memória Persistente e WebAssembly (WASM), para suportar a execução paralela de tarefas. Isso otimiza ainda mais a eficiência computacional e o uso de recursos. A paralelização de processos permite que o Gear.exe possa fornecer um desempenho de rede significativamente maior do que as soluções da Camada 2. O Gear.exe afirma que pode alcançar 1000 vezes o poder computacional da camada base do Ethereum, mas se essa afirmação pode ser verificada depende de dados e testes de desempenho futuros.

Conclusão sobre Desempenho:
Embora as soluções de Camada 2 já forneçam melhorias significativas de desempenho sobre o Ethereum, o Gear.exe poderia oferecer um desempenho de rede ainda maior devido ao seu suporte para execução paralela. No entanto, se ele pode proporcionar a melhoria reivindicada de 1000 vezes ainda precisa ser validado por meio de dados e testes do mundo real.

Perspectivas e Desafios

Em termos simples, o Gear.exe melhora o desempenho por meio da execução paralela, baseando-se na infraestrutura existente da Camada 2 e se posicionando como um módulo de expansão para o Ethereum, em vez de uma nova blockchain. Ele se concentra puramente em fornecer serviços computacionais para DApps em outras chains, evitando o problema de fragmentação de ativos que vem com várias soluções da Camada 2. No futuro, o Gear.exe poderia potencialmente substituir algumas soluções da Camada 2, reunindo o ecossistema do Ethereum. Além disso, com suas capacidades de alto desempenho, o Gear.exe torna o Ethereum mais competitivo em relação a outras chains públicas orientadas para o desempenho, como Solana, Sei, Sui e Aptos.

No entanto, se o desempenho operacional e a estabilidade do Gear.exe podem realmente atender às alegações feitas, isso ainda precisa ser visto. Além disso, em termos de segurança, o Gear.exe é protegido apenas pela Symbiotics e carece de muitas das medidas associadas fornecidas pelas soluções da Camada 2 existentes. Existem riscos de design a serem considerados, especialmente quando comparados aos recursos de segurança mais maduros das soluções da Camada 2. A segurança tende a ser uma prioridade maior para desenvolvedores e usuários, especialmente considerando os muitos incidentes em que hackers roubaram ativos, incluindo de grandes exchanges centralizadas. Dado que o Gear.exe é um protocolo totalmente baseado em código on-chain, sua segurança deve ser comprovada como robusta e confiável, especialmente ao lidar com situações como tempo de inatividade. Esta é uma área em que o Gear.exe precisará melhorar e fortalecer para ganhar mais confiança do mercado.

Conclusão

Com o aumento da tecnologia de blockchain e blockchains modulares, a barreira para a criação de uma Camada 2 tornou-se cada vez mais baixa, com muitas plataformas oferecendo recursos de “criação de cadeia com um clique”. Como resultado, o número de soluções de Camada 2 tem se expandido excessivamente, deixando os desenvolvedores e usuários do Ethereum incertos sobre qual escolher. Cada Camada 2 requer a criação de seu próprio ecossistema, mas isso meramente replica o que outras blockchains públicas já passaram, o que de certa forma dificulta a inovação de novas tecnologias.

Gear.exe oferece uma solução de desempenho superior para DApps do que a Camada 2 e elimina a necessidade de migrar usuários e fundos existentes. Ao usar o re-staking para segurança, ele oferece uma alternativa única para os desafios de escalabilidade do Ethereum. Embora essa solução ainda não tenha sido amplamente adotada e deva passar por validação de mercado, ela sem dúvida introduz novas possibilidades para o Ethereum. Gear.exe poderia oferecer uma solução mais adequada para dimensionar o Ethereum, e seu desenvolvimento futuro merece atenção contínua.