O que são Rollups?

Introdução

Rollups representam uma das soluções de dimensionamento Ethereum mais populares e eficazes. Como uma solução de dimensionamento off-chain de Camada 2, o Rollup agrupa milhares de transações off-chain em lotes e os envia para o blockchain principal para armazenamento e verificação. Ele melhora muito o volume e a velocidade das transações enquanto herda a segurança da Ethereum Mainnet.

Introdução

Atualmente, todas as blockchains estão lutando com o problema do “triângulo impossível”: descentralização, escalabilidade e segurança. Qualquer blockchain pode ter no máximo dois deles. Por exemplo, quando o Ethereum alcança descentralização e segurança, ele sacrifica a escalabilidade. À medida que o número de usuários na rede aumenta, o Ethereum fica sobrecarregado e incapaz de suportar um tráfego tão grande. Como resultado, ocorrem problemas como velocidade de transação lenta e taxas altas.

O principal objetivo da escalabilidade é aumentar a velocidade da transação e o throughput (transações por segundo, TPS) sem sacrificar a segurança ou a descentralização.
Rollups, o termo mais mencionado recentemente, são soluções para escalar o Ethereum. É a solução de dimensionamento mais viável para Ethereum antes de concluir a fragmentação e dimensionamento da Mainnet.

Escalabilidade Ethereum

Existem dois tipos de escalonamento de blockchain: escalonamento on-chain e escalonamento off-chain.

Dimensionamento na cadeia

O escalonamento on-chain envolve uma mudança no protocolo Ethereum para melhorar verdadeiramente sua velocidade de transação e taxa de transferência. No momento, o foco principal do escalonamento on-chain é o sharding. O escalonamento on-chain é mais difícil do que o escalonamento off-chain.

Fragmentação

A tecnologia de sharding não é um conceito novo. Há muito tempo é usado em bancos de dados comerciais tradicionais. Sharding é o processo de dividir horizontalmente um banco de dados em vários fragmentos para aliviar a carga. Os dados fragmentados serão atribuídos aleatoriamente a cada nó e processados independentemente e simultaneamente em paralelo.
O sharding melhorará efetivamente a velocidade da transação e o rendimento da transação do blockchain. Pode até ajudar o Ethereum a lidar com o “triângulo impossível”.

Escala fora da cadeia

O dimensionamento off-chain refere-se à melhoria da escalabilidade da Mainnet por meio de inovações fora da Mainnet, que não incorrerão em alterações no protocolo Ethereum. Além da Camada 2, outras soluções populares de escalonamento off-chain atualmente são Sidechain e Plasma, etc.

Dimensionamento da Camada 2

A descentralização e a segurança nunca devem ser comprometidas para alcançar a escalabilidade. A camada 2 é um blockchain independente. Como herda a segurança e a descentralização da Mainnet, a Camada 2 tem o potencial de atingir maior escalabilidade. Atualmente, existem dois tipos de dimensionamento da Camada 2 - Rollups e canais de estado.
Atualmente, os rollups são a solução principal para dimensionar o Ethereum. Eles desempenham papéis cruciais na formação do roteiro da Ethereum. Com base no modelo de segurança, os rollups podem ser divididos em duas categorias: rollups otimistas e rollups de conhecimento zero.
Os canais estaduais permitem que os usuários transacionem de forma segura, rápida e barata fora da cadeia e, em seguida, resolvam a finalização com a Mainnet.

Correntes laterais

Sidechains são blockchains compatíveis com EVM que funcionam independentemente da Ethereum Mainnet. As sidechains são compatíveis com a Ethereum Mainnet por meio de pontes entre cadeias e são executadas sob seus próprios algoritmos de consenso em paralelo com a Mainnet. Ao contrário do Ethereum, as sidechains sacrificam alguma medida de descentralização ou segurança para obter alto rendimento de transação e velocidade de transação mais rápida. As duas sidechains mais populares são Polygon e Fantom.

Plasma

As cadeias de plasma são blockchains separados ancorados na Ethereum Mainnet que usam provas de fraude para arbitrar disputas. Ao contrário das sidechains, as Plasma chains são construídas sobre a blockchain Ethereum e podem estender muitas chains “filhos”. Até certo ponto, as cadeias de Plasma se beneficiam da segurança da Ethereum Mainnet. O Plasma já foi visto como uma solução para dimensionar o Ethereum, mas foi substituído pela Camada 2. Uma blockchain Plasma bem conhecida é a OMG Network.

Por que os Rollups são importantes?

O dimensionamento off-chain da camada 2 é a solução de dimensionamento convencional

O dimensionamento na cadeia é difícil de implementar, pois requer alterações no protocolo Ethereum. Portanto, o dimensionamento off-chain é atualmente o foco principal da atualização de dimensionamento.
A escala off-chain refere-se a melhorar a escalabilidade da Ethereum Mainnet por meio de inovações fora dela. Este método não precisa alterar o protocolo Ethereum original. As soluções comuns de escalonamento off-chain incluem Layer 2, Plasma, Sidechains, etc.
A Camada 2 é atualmente a solução de escalonamento off-chain mais popular, beneficiando-se dos seguintes recursos:

1. Desfruta de alto rendimento de transação, melhora a experiência do usuário e reduz o congestionamento da rede Ethereum.

2. Os rollups da Camada 2 podem comprimir um grande número de transações e reduzir o custo de uso da rede.

3. Alcança descentralização e segurança enquanto busca escalabilidade, o que o torna diferente de outras soluções de dimensionamento off-chain.

A tecnologia mais popular e amplamente utilizada da Camada 2 é o rollup, que apresenta alto rendimento de transação, baixas taxas de transação e acessibilidade aos ativos da Camada 1.

Roteiro Ethereum centrado em rollup

Em 2020, Vitalik propôs um Ethereum Roadmap centrado em Rollup e o conceito de multi-rollups.
Multi-rollups, embora ainda em sua infância, podem criar mais possibilidades para o Ethereum no futuro. Dada a possibilidade de rollups para alcançar alta taxa de transferência de transação, juntamente com dimensionamento on-chain - sharding combinado para armazenamento de disponibilidade de dados (DA), Rollups as a Service (RaaS) podem ser propostos no futuro, permitindo que qualquer pessoa inicie seus próprios rollups rapidamente.
O surgimento de multi-rollups também cria uma demanda por tecnologia de ponte de rollups cruzados. Quando os Rollups se tornam o mainstream, é necessário construir tecnologias que possam obter transferência de ativos conveniente e segura entre rollups, eliminando altas taxas de transação no Ethereum.

O que são Rollups

Os rollups servem como a principal opção atualmente para implementar a Camada 2. Os próprios rollups são blockchains independentes, onde os usuários realizam transações e enviam dados para Ethereum para armazenamento. Dessa forma, os Rollups podem se beneficiar da segurança da rede principal. Além disso, ao agrupar centenas de dados de transações em um único lote, os rollups ajudam a reduzir drasticamente as taxas de transação, pois as taxas são compartilhadas por todos.
Os rollups visam melhorar a escalabilidade do Ethereum, computando transações em um blockchain independente e empacotando os dados da transação e enviando-os no Ethereum para armazenamento.
No momento, existem dois tipos de rollups: rollups otimistas e rollups de conhecimento zero. Eles são distintos entre si em seus diferentes modelos de segurança.

O que são OP Rollups

Rollups otimistas são considerados “otimistas” porque assumem que todas as transações em OP-Rollups são reais e válidas e tratam todas as transações de maneira otimista.

Como os OP-Rollups verificam a exatidão de uma transação?

OP-Rollups adotam incentivos criptoeconômicos para garantir que os validadores ajam honestamente. Qualquer pessoa na blockchain pode se tornar um validador, mas deve pagar alguns depósitos, o que é semelhante ao Proof-of-Stake. Se o validador propor uma transação inválida ou estiver tentando bifurcar maliciosamente, seus depósitos serão cortados.
OP-Rollups usa provas de fraude para detectar a autenticidade das transações. Depois que as transações em OP-Rollups são agrupadas em lotes e enviadas na Ethereum Mainnet, há uma janela de tempo chamada de Período de Desafio, durante a qual qualquer pessoa pode verificar os lotes calculando uma prova de fraude.

Entrando em OP-Rollups

Para inserir OP-Rollups, os usuários precisam depositar tokens ETH, ERC-20 ou outros ativos de criptomoeda aceitos na ponte de cadeia cruzada. O contrato de ponte retransmitirá a transação para a Camada 2 (ou OP-Rollups), onde uma quantidade equivalente de ativos é cunhada e enviada para o endereço escolhido pelo usuário no OP-Rollup.

Saindo de OP-Rollups

Sair de rollups é mais complicado. Se um usuário quiser sair do OP-Rollups, ele só poderá retirar seus fundos depositados na Ethereum Mainnet após o período de desafio, durante o qual qualquer pessoa pode contestar os resultados da transação. Embora o processo seja bastante simples para os usuários, é demorado, pois geralmente leva de 1 a 2 semanas.

Compatibilidade EVM

A vantagem do OP-Rollups é sua compatibilidade com EVM, que permite que as equipes de desenvolvimento migrem contratos inteligentes existentes no Ethereum para OP-Rollups sem alterações nos códigos. Isso não apenas economiza tempo, mas traz conveniência ao aproveitar a infraestrutura da Ethereum, como linguagens de programação, ferramentas de teste, etc.
Para saber mais sobre EVM (Ethereum Virtual Machine), visite O que é EVM no Gate Learn.

Arbitrum

A Arbitrum é a blockchain líder da Camada 2 que adota OP-Rollups, respondendo por quase metade do valor de mercado total da Camada 2.

Além de alguns projetos de sucesso que já estão rodando no Arbitrum, como Uniswap, Yearn e Sushiswap, existem outros projetos nativos únicos, incluindo GMX, um protocolo de derivados, e TreasureDAO que pretende construir um enorme ecossistema NFT, etc.
Embora a Arbitrum ainda não tenha um token nativo, é a maior rede Layer 2 da TVL, o que faz com que seus investidores fiquem de olho no seu desenvolvimento. A Arbitrum lançou o evento Arbitrum Odyssey em abril de 2022, com o objetivo de trazer uma jornada completa do ecossistema Arbitrum aos usuários. O evento foi cooperado com o Projeto Galaxy e projetado para durar 8 semanas. Os usuários podem receber airdrops NFT concluindo tarefas semanais. Depois de coletar 13 NFTs ou mais, os usuários podem ser recompensados com NFTs exclusivos que marcam o fim da jornada do Arbitrum.
Mas apenas uma semana após o início do evento, um grande número de usuários se reuniu, resultando em uma explosão de volume de transações e congestionamento de rede, bem como uma taxa de rede disparada. Diante dessa situação, a Arbitrum decidiu suspender a Odyssey e retomá-la após o lançamento do Nitro.

Volume Diário de Transações Arbitrum
(Fonte da imagem: Arbiscan)

Endereços Únicos Arbitrum
(Fonte da imagem: Arbiscan)

OTIMISMO

OPTIMISM, conhecido como OP, também é uma cadeia de Camada 2 alimentada por OP-Rollups. É a segunda maior cadeia da Camada 2 por capitalização de mercado. Ao contrário do Arbitrum, o OP anunciou seu primeiro airdrop em 1º de junho de 2022, seguido por um programa de incentivo ao ecossistema. Incentivados por altas recompensas, os investidores migraram para o OP, levando a um aumento significativo em seu TVL.

OP também obteve apoio de alguns projetos bem estabelecidos, como Uniswap e Aave. Além disso, a Velodrome, a camada de base de liquidez do ecossistema OP, é uma exchange descentralizada que adota um modelo ve(3,3) e obteve um sucesso considerável. Superou até a Uniswap, a principal exchange descentralizada, pela TVL.

O que são ZK-Rollups

Um pouco diferente do OP-Rollups, o ZK-Rollups agrupa um grande número de transações em lotes que são executados fora da cadeia e atualizam o estado do contrato inteligente enviando provas de validade para a Mainnet. O ZK-Rollups só precisa postar os dados resumidos mínimos na Mainnet para validação.

Como o ZK-Rollups verifica a exatidão das transações

O estado do ZK-Rollups é mantido por contratos inteligentes implantados na Ethereum Mainnet. Mediante comprovação de validade, o estado do ZK-Rollups será atualizado após verificação pela Mainnet. Os dados resumidos enviados à Mainnet contêm alterações de contrato inteligente da Ethereum e prova criptográfica de que essas alterações estão corretas

ZK-Rollups também usa Proof-of-Stake para selecionar operadores. Os operadores devem depositar a criptomoeda no contrato como apostas com antecedência. O tamanho de cada aposta influenciará as chances do apostador ser selecionado. Se o operador agir de forma maliciosa, sua aposta pode ser reduzida.
Se um usuário decidir sair de um ZK-Rollup, ele também deve agrupar transações e verificar e atualizar o estado do contrato inteligente por meio de prova de validade. Ao contrário do OP-Rollups, o ZK-Rollups não tem período de desafio.

Compatibilidade EVM

Não é fácil para ZK-Rollups ser compatível com EVM. Executar contratos inteligentes complexos é muito mais difícil do que realizar cálculos simples, e é por isso que o desenvolvimento de ZK-Rollups é muito mais lento que o de OP-Rollups. Mas com a melhoria da tecnologia de prova de conhecimento zero nos últimos anos, não é mais difícil implementar o zkEVM.

Provas de Validade

ZK-Rollups agrupa transações on-chain em lotes, que são provas de validade. A prova de validade permite que as partes provem a exatidão de uma declaração sem revelar a declaração em si. Por isso, eles também são chamados de provas de conhecimento zero.
Atualmente, existem dois tipos de provas de validade, como segue:

1. ZK-SNARK (argumento de conhecimento sucinto e não interativo de conhecimento zero)
   ZK-SNARKs são populares por seus tamanhos de prova pequenos e velocidade de transação e taxa de transferência drasticamente aumentadas. Se as informações usadas para criar parâmetros públicos caírem na posse de atores mal-intencionados, poderá ser gerada uma falsa prova de validade. Portanto, o ZK-SNARK enfrenta problemas de segurança e confiança.

2. ZK-STARK (Argumento Transparente Escalável de Conhecimento Zero)
   O ZK-STARK é considerado uma melhoria do ZK-SNARK devido à sua transparência. Ele se baseia na aleatoriedade publicamente verificável para configurar parâmetros para gerar e verificar provas. Além disso, o ZK-STARK é escalável e requer menos tempo para validar grandes conjuntos de dados.
   No entanto, como o ZK-STARK produz tamanhos de prova maiores, é mais caro verificar na rede principal.

X imutável

A Immutable X, fundada em 2018, é uma das blockchains mais conhecidas que usa o ZK-Rollup. Caracteriza-se por fornecer um ambiente de transação NFT sólido. Muitos grandes jogos de blockchain estão planejados para serem lançados no Immutable X, incluindo Illuvium, Ember World, etc.
Gods Unchained, um jogo de cartas lançado em um estágio anterior, também é muito popular. Em Gods Unchained, os jogadores irão comprar, construir e coletar cartas que podem ser usadas para construir baralhos e lutar contra outros jogadores.

Polígono zkEVM (Hermez)

Recentemente, a Polygon continuou a expandir seus negócios em ZK-Rollups. Após os esforços para adquirir o Mir Protocol e a Hermez Network, a Polygon lançou a Polygon Hermez em julho de 2022. Este é o primeiro projeto zkEVM equivalente a EVM de código aberto. Beneficiando-se da marca forte da Polygon, a Hermez ganhou grande atenção assim que foi lançada. Depois que o testnet for lançado, os desenvolvedores podem implantar qualquer contrato inteligente Ethereum no Polygon Hermez.

(Fonte da imagem: Polygon zkEVM)

Rollups OP vs Rollups ZK

Modelo de segurança

Os ZK-Rollups dependem do mecanismo criptográfico confiável para garantir a segurança, enquanto os OP-Rollups dependem de incentivos criptográficos para manter a confiança.
O OP-Rollups agrupa várias transações em lotes e as envia para a Mainnet para verificação. Eles não verificam a autenticidade dessas transações com antecedência, mas assumem com otimismo que todas as transações estão corretas. Os OP-Rollups têm um período desafiador de cerca de 1 a 2 semanas, permitindo que qualquer pessoa conteste a autenticidade da transação computando provas de fraude, protegendo assim o estado da blockchain. Se o usuário quiser sair, ele deve aguardar até o período de desafio para determinar a correção da transação.
O ZK-Rollups produzirá provas de validade para transações agrupadas com antecedência e as enviará para contratos inteligentes na Mainnet para provar a correção da mudança de estado. Como as provas de validade podem ser propostas para atualizar o estado do blockchain, os usuários podem sair do ZK-Rollups a qualquer momento.

Bloquear a utilização do espaço

O OP-Rollups agrupa um grande número de transações em lotes e as envia para a Mainnet para verificação. Em contraste, o ZK-Rollups envia dados resumidos de pequeno porte para a Mainnet. Como o custo de envio de dados para a Mainnet é o principal custo incorrido nos Rollups, os ZK-Rollups são superiores, pois precisam apenas enviar provas mínimas de validade.

Compatibilidade EVM e crescimento futuro

Devido à sua maior compatibilidade com EVM, os OP-Rollups ocupam a maior parte do valor de mercado da Camada 2. Mas a finalização da correção das transações está sujeita a atrasos devido a provas de fraude.
ZK-Rollups tem as vantagens de baixo custo, confiabilidade e confirmação de transação mais rápida. A desvantagem é que é difícil ser compatível com o EVM, juntamente com muitos problemas existentes a serem resolvidos, como o código não totalmente aberto e os diferentes métodos de desenvolvimento.
De uma perspectiva abrangente, os OP-Rollups são mais de código aberto do que os ZK-Rollups, facilitando seu processo de desenvolvimento. É por isso que o mercado atual da Camada 2 é dominado por OP-Rollups. No entanto, devido a provas de fraude, OP-Rollups são inerentemente inferiores aos ZK-Rollups em termos de segurança; enquanto ZK-Rollups são limitados por problemas de altas barreiras técnicas e desenvolvimento imaturo, etc.
Quanto ao futuro dos rollups, os OP-Rollups são mais favorecidos pelo público como uma solução ideal no curto prazo, o que pode efetivamente aliviar a carga no Ethereum. E o ZK-Rollups é visto como uma solução muito mais promissora para alcançar maior segurança e escalabilidade a médio e longo prazo.

Desafios de Rollups

Não totalmente descentralizado

Os Rollups atuais podem ser vistos de dois aspectos. Os blocos são gerados por operadores específicos de forma centralizada, mas são verificados pelo Ethereum, que é confiável e altamente descentralizado.

Operadores específicos podem enviar provas de dados para a Camada 1, mas isso pode causar um único ponto de falhas. Na verdade, o Arbiturm já caiu várias vezes por esse motivo.

Dificuldade de segurança e desenvolvimento

Com base em como os dados serão enviados ao Ethereum, os Rollups são divididos em dois tipos: rollups otimistas e rollups de conhecimento zero.

OP-Rollups têm códigos-fonte abertos maduros e estão se desenvolvendo rapidamente porque são mais fáceis de implementar. No entanto, como os OP-Rollups assumem que todas as transações estão corretas, são necessárias provas de fraude e incentivos de token para estimular os validadores fora da Mainnet a verificar a exatidão das transações durante o período de desafio. Se os usuários quiserem desistir, eles devem esperar até que o período de desafio termine. Portanto, os OP-Rollups são inferiores em termos de segurança.

Diante disso, soluções para os problemas de segurança do OP-Rollups devem ser propostas. Caso contrário, eles serão finalmente substituídos por ZK-Rollups, que são mais seguros.

O ZK-Rollups precisa produzir provas de validade para as transações compactadas. Eles precisam enviar os dados da transação para o Ethereum para armazenamento e provar a correção da mudança de estado do blockchain. Os usuários podem se retirar de um ZK-rollup a qualquer momento porque as transações de saída são executadas assim que o contrato ZK-rollup verifica a prova de validade.

Embora o ZK-Rollups tenha maior segurança, ainda existem muitos problemas, incluindo os códigos não totalmente abertos, os diferentes métodos de desenvolvimento de diferentes equipes, a velocidade de transação limitada devido ao cálculo da prova de conhecimento zero (ZKP) e as dificuldades de ser compatível com EVM. Todos esses fatores estão restringindo a implementação do ZK-Rollups no curto prazo.

A ponte de acúmulo cruzado é necessária para realizar vários acúmulos. Como as pontes entre cadeias são menos seguras e suscetíveis ao roubo de ativos, devemos evitar a adoção do projeto de pontes entre cadeias, mas focar em sua segurança e interoperabilidade. Como a tecnologia subjacente é bastante complexa e ainda engatinhando, não vamos nos aprofundar nela neste artigo.
A visão de multi-rollups é realmente atraente, mas atualmente os rollups ainda estão em um estágio inicial. À medida que mais e mais equipes profissionais entram em Rollups, muitos desafios que existem há muito tempo podem ser enfrentados, e a educação generalizada neste campo e o número de aplicativos também crescerão correspondentemente. No futuro, definitivamente inauguraremos um ecossistema multi-rollups completo.

Conclusão

Como a tecnologia Rollup ainda está em sua infância, é necessário mais tempo para realizar pesquisas e desenvolvimentos aprofundados. No momento, os Rollups são amplamente vistos como tendo grandes barreiras técnicas e dificuldades em obter compatibilidade com EVM. Portanto, OP-Rollups são vistos como uma solução ideal no curto prazo, enquanto ZK-Rollups no médio e longo prazo.
Rollups visam reduzir a carga no Ethereum. Atualmente, o volume diário de transações da Arbitrum e da Optimism, duas cadeias líderes da Camada 2, é de cerca de 100.000, que são números relativamente baixos. Por outro lado, o volume diário de transações da Ethereum Mainnet atinge 1 milhão. É óbvio que é necessário mais tempo para a camada 2 atrair mais usuários e projetos da Mainnet.
O conceito Multi-rollups mais escalabilidade on-chain - sharding combinado para armazenamento de disponibilidade de dados pode ser uma solução para o problema do “triângulo impossível” do blockchain, cujo desenvolvimento dará início a um novo capítulo.

(Fonte da imagem: Etherscan)

O objetivo do escalonamento do Ethereum é melhorar sua escalabilidade sem sacrificar a descentralização ou a segurança, com vistas a resolver o “triângulo impossível”. O Rollup é apenas uma das muitas maneiras possíveis de atingir o enorme objetivo de dimensionamento. Os rollups, juntamente com a tecnologia de sharding para alcançar o dimensionamento on-chain, podem realmente melhorar o rendimento do Ethereum. Antes disso, tudo o que podemos fazer é nos atualizar continuamente com as últimas tecnologias e notícias relacionadas, receber diferentes pontos de vista e construir nossa própria estrutura de conhecimento sobre o desenvolvimento futuro deste setor, criando assim oportunidades potenciais próprias.