Introdução

O Trilema da Blockchain

Devido à sua descentralização, imutabilidade e transparência, a tecnologia blockchain tornou-se a base para a inovação em várias indústrias. No entanto, o bem conhecido Trilema da Blockchain tem desafiado consistentemente a sua adoção - a dificuldade de alcançar simultaneamente a descentralização, segurança e escalabilidade. Estes três fatores são inerentemente interdependentes, tornando desafiador para os sistemas blockchain otimizarem todos os três de uma só vez.

• A descentralização garante que a rede blockchain opera de forma independente de qualquer entidade controladora única. No entanto, uma rede altamente descentralizada pode levar a uma eficiência de transação reduzida.
• A segurança é essencial para proteger a rede contra ataques maliciosos, mas melhorar a segurança frequentemente requer recursos computacionais adicionais, o que pode abrandar o processamento de transações.
• A escalabilidade foca na melhoria da velocidade e capacidade de transação, no entanto, alcançar isso frequentemente implica um compromisso entre descentralização e segurança.

À medida que as aplicações de Blockchain se expandem, encontrar um equilíbrio ótimo dentro do trilema tornou-se um desafio chave para os desenvolvedores e pesquisadores.

Diagrama: O Trilema do Blockchain (Fonte:IT Home)

Roteiro da Ethereum

O co-fundador da Ethereum, Vitalik Buterin, definiu um objetivo ambicioso para a próxima fase de escalonamento da rede Ethereum: exceder as 100.000 transações por segundo. Num post de blog de outubro de 2024, refletiu sobre os primeiros dias da tecnologia blockchain, destacando duas estratégias principais de escalonamento delineadas no roteiro da Ethereum: Sharding e protocolos de Camada 2 (L2).

• O sharding reduz o fardo sobre os nós individuais, permitindo-lhes verificar e armazenar apenas um pequeno subconjunto de transações, semelhante à forma como as redes peer-to-peer, como o BitTorrent, operam. Esta abordagem melhora a escalabilidade da rede distribuindo eficientemente a carga de trabalho.
• Os protocolos de camada 2 são construídos em cima da mainnet do Ethereum, mantendo os dados e cálculos fora da cadeia, enquanto herdam as garantias de segurança do Ethereum.

Diagrama: O Surge - Edição do Roadmap de 2023 (Fonte:Blog do Vitalik)

Em 2024, foram feitos progressos significativos na estratégia de dimensionamento da Ethereum. No entanto, vários desafios persistem:

• Rollups requerem largura de banda substancial de dados on-chain, o que significa que ainda dependem fortemente dos recursos da mainnet do Ethereum.
• Sequenciadores centralizados em rollups representam riscos de censura de transações e exploração de Valor Extraível pelo Minerador (MEV).
• O ecossistema fragmentado da Camada 2 obriga os desenvolvedores a enfrentar desafios de interoperabilidade e complexidades na tomada de decisões na Gate.io.

O blog de Vitalik enfatiza que a prioridade atual é refinar o roadmap centrado em rollup, garantindo a resiliência e descentralização da Camada 1 (L1) do Ethereum. Neste contexto, surgiram novas inovações de escalonamento, como Rollups Baseados e Pré-confirmação:

• Sequenciadores compartilhados: Fornecem um serviço unificado de ordenação de transações para várias cadeias de Camada 2. No entanto, como operadores de terceiros, introduzem preocupações de confiança e incentivos.
• Rollups baseados: Confiam na L1 da Ethereum para a sequência de transações, simplificando a arquitetura e fortalecendo a descentralização. No entanto, a velocidade de finalização das transações ainda é limitada pelo tempo de bloco da Ethereum.
• Pré-confirmação: Oferece confirmação preliminar da transação monitorando a atividade da mempool antes da inclusão oficial em um bloco. Isso reduz significativamente os tempos de espera do usuário, desbloqueando novas possibilidades para melhorar a eficiência e a experiência do usuário.

O artigo de hoje abordará os princípios técnicos da Pré-confirmação, seus casos de uso e como ajuda a alcançar um melhor equilíbrio entre eficiência e descentralização nas redes de blockchain.

O que é Pré-confirmação?

O Conceito de Pré-confirmação

Pré-confirmação pode ser entendida como um compromisso confiável com uma transação antes de ser oficialmente confirmada na Blockchain. Este mecanismo fornece um sinal de confirmação antecipado, reduzindo os tempos de espera do usuário e melhorando a eficiência da transação. É particularmente útil em cenários de alto volume ou sensíveis ao tempo, onde o feedback rápido é crucial.

A pré-confirmação é semelhante a situações do mundo real onde um compromisso preliminar é dado antes da confirmação final:

• Reservas de restaurante: Quando reserva uma mesa, o restaurante confirma a sua reserva, mas a confirmação final acontece quando chegar. Isto é semelhante à pré-confirmação - uma pré-visualização fiável de uma execução futura.
• Encomendas de Compras Online: Quando faz uma encomenda, o estado pode mostrar "Em Processamento," o que significa que o comerciante recebeu o seu pedido e reservou o stock. No entanto, a confirmação final requer verificação de pagamento e envio. Isto reflete a pré-confirmação da blockchain, onde uma transação é provisoriamente aprovada mas ainda requer validação final.
• Reserva de Voo: Após a compra de um bilhete, o seu lugar é temporariamente reservado, representando uma pré-confirmação. A confirmação final ocorre durante o check-in. Da mesma forma, a pré-confirmação na Blockchain fornece um compromisso inicial com uma transação sem ser a sua confirmação final.

O Conceito 0conf do Bitcoin

Nos primeiros dias da Blockchain, a comunidade Bitcoin explorou um conceito semelhante chamado '0conf' (transações de zero confirmação). Esta abordagem permitia que as transações fossem temporariamente consideradas válidas antes de serem totalmente confirmadas na Blockchain.

0conf foi particularmente útil para cenários de pagamento rápido que exigem processamento de transações imediato. No entanto, devido aos riscos de gastos duplos, onde atores maliciosos poderiam transmitir transações conflitantes, o 0conf nunca se tornou uma solução mainstream.

Pré-confirmação baseada em cadeia do Ethereum

Em 2023, o pesquisador de blockchain Uri Klarman estendeu o conceito de pré-confirmação para o Ethereum, introduzindo a ideia de 'pré-confirmação baseada em cadeias'. A inovação chave foi que os futuros pré-confirmadores herdam os registros de pré-confirmação anteriores, formando uma cadeia contínua de pré-confirmação que melhora a confiabilidade da transação.

Nesse mesmo ano, a equipe da Primev avançou ainda mais a tecnologia de pré-confirmação ao projetar o mev-commit, uma plataforma destinada a coordenar o Valor Extraível pelo Minerador (MEV). Ao integrar um mecanismo de leilão, o mev-commit tornou a pré-confirmação de transações mais eficiente e confiável.

Que problemas visa resolver a pré-confirmação?

Na tecnologia blockchain - particularmente em sistemas baseados em Rollup - as ineficiências de confirmação de transações há muito tempo são um ponto crítico para a experiência do usuário. Quando os usuários enviam transações na Camada 2 (L2), a confirmação final depende do envio de dados de volta para a Camada 1 (L1). Esse processo introduz vários desafios, especialmente em cenários de negociação de alta frequência ou finanças descentralizadas (DeFi), tais como:

• Atrasos nas Transações e Incerteza na Confirmação
  Nos mecanismos de Rollup, a confirmação final da transação de um usuário requer esperar pela geração do bloco L1. Esse processo pode ser atrasado devido a congestionamento de rede ou problemas de sequenciamento de transações. Por exemplo, nos Rollups Optimistas, a janela de desafios geralmente dura sete dias para prevenir transações fraudulentas, causando atrasos de retirada e reduzindo a liquidez. Enquanto os ZK Rollups proporcionam confirmação mais rápida, gerar provas de conhecimento zero requer recursos computacionais significativos.

• Perdas na Negociação de Alta Frequência
  Os utilizadores DeFi e de arbitragem dependem da imediatez das transações para aproveitar oportunidades de mercado. No entanto, quando a finalização da transação demora demasiado tempo ou quando a ordem da transação muda, os utilizadores podem sofrer perdas financeiras.

• Problemas de confiança com sequenciadores centralizados
  A maioria dos Rollups depende de sequenciadores centralizados para ordenar transações, o que introduz potenciais riscos, como a censura de transações e a execução injusta de transações devido ao Valor Extraível por Mineradores (MEV).

A Solução Pré-confirmação

A pré-confirmação fornece uma confirmação inicial antes que as transações sejam oficialmente registradas na blockchain, abordando as questões mencionadas acima:

• Reduz o tempo de espera do utilizador - Oferece feedback em tempo real sobre o estado da transação, minimizando a incerteza causada por atrasos.
• Aumenta a confiança do utilizador - Permite aos utilizadores acompanhar o progresso da transação de forma mais transparente, aumentando a confiança na rede.
• Melhora a transparência da sequência de transações - Compromete-se com a ordem das transações antecipadamente, mitigando as perdas financeiras causadas por alterações na ordem.

Diferenças entre mecanismos de pré-confirmação e confirmação tradicional

Conceito Básico e Operação

• Mecanismo de Confirmação Tradicional:

  • Uma transação é primeiro submetida ao mempool e depois os mineiros esperam para a incluir no próximo bloco. A transação só é considerada oficialmente confirmada quando o bloco é validado através de um mecanismo de consenso (como Prova de Trabalho (PoW) ou Prova de Participação (PoS)). Esse processo requer esperar pelo menos um tempo de geração de bloco.

• Pré-confirmação:

  • Após uma transação entrar na mempool, a sua probabilidade de ser incluída no próximo bloco é prevista com base em fatores como taxas de gás, prioridade e condições de rede. Os utilizadores podem receber um sinal de confirmação inicial em poucos segundos, sem terem de esperar pelo processo completo de geração de bloco.
  • Para melhorar a fiabilidade, os sequenciadores centralizados da Camada 2 (L2) (por exemplo, Rollups) podem fornecer compromissos, ou podem ser utilizados mecanismos de pré-confirmação on-chain.

Velocidade de Confirmação

• Mecanismo de Confirmação Tradicional:
• A confirmação da transação requer esperar pela geração do bloco e múltiplas confirmações.
• Uma vez que uma transação é incluída num bloco, esse bloco torna-se parte da Blockchain.
• À medida que mais blocos subsequentes são ligados a ele, o número de confirmações aumenta, tornando a transação mais segura.
• Congestão de rede ou atrasos no consenso podem abrandar o processo.

Fiabilidade da Confirmação

• Mecanismo de Confirmação Tradicional:

  • Alta confiabilidade - Uma vez que uma transação é confirmada várias vezes, é praticamente irreversível e imutável, tornando-a ideal para aplicações de alta segurança.
  • Garantia de finalidade – A confirmação é suportada pelo mecanismo de consenso da blockchain e, uma vez que uma transação atinge um certo número de confirmações, é praticamente impossível de reverter.

• Pré-confirmação:

  • Apenas compromisso inicial - Fornece uma previsão de que a transação é 'provável' de ser incluída no próximo bloco, mas não garante a finalidade.
  • Risco de reordenação ou cancelamento - Se as condições da rede mudarem ou o sequenciador se comportar de forma diferente, a transação ainda pode ser descartada ou reordenada. Adequado para cenários de alta velocidade onde a finalidade é menos crítica.

Custos de Tecnologia e Implementação

• Mecanismo de Confirmação Tradicional:
  • Baseia-se inteiramente no mecanismo de consenso da Blockchain.
• Pré-confirmação:
  • Requer extensa análise de dados mempool, algoritmos de ordenação de transações e sequenciadores confiáveis.
  • Necessita de mecanismos de fallback no caso de falha na pré-confirmação.

Tabela: Comparação do Mecanismo Tradicional e Pré-confirmação (Fonte: Auto-compilado)

Estudo de caso: Pré-confirmação no Taiko

Aumentar a Eficiência e a Descentralização com o Mecanismo de Pré-confirmação da Taiko

Taiko é um projeto de Rollup ZK-EVM descentralizado construído na Ethereum. Seu design central foca em alcançar compatibilidade total com Ethereum enquanto alavanca um mecanismo de pré-confirmação e um sistema de proponentes descentralizado para lidar com questões de eficiência e equidade de transações.

(Source: Site Oficial da Taiko)

Visão geral do Taiko

• Experiência do usuário sem emendas - O EVM da Taiko é totalmente compatível com o Ethereum, não exigindo recompilação ou alterações nas ferramentas de desenvolvimento. Os desenvolvedores podem usar contratos inteligentes e ferramentas existentes do Ethereum sem modificações.
• Comunidade impulsionada - Taiko é totalmente open-source, permitindo à comunidade usar e modificar livremente o seu código, promovendo a descentralização e a participação da comunidade.
• Abordagem de Segurança em Primeiro Lugar - Como um Rollup baseado em Ethereum, o Taiko apresenta uma rede permissionless e descentralizada de proponentes e provadores, herdando a segurança e descentralização do Ethereum.
• Sequenciamento Baseado em Ethereum - Taiko utiliza um mecanismo de sequenciamento de transações baseado em Ethereum, onde os validadores do Ethereum lidam com a ordem das transações. Isso garante simplicidade ao mesmo tempo que mantém a vitalidade e neutralidade minimizada de confiança do Ethereum.

Mecanismo de Pré-Confirmação da Taiko

O mecanismo de sequenciamento baseado em Taiko permite que os validadores do Ethereum participem diretamente na ordenação de transações da Camada 2 (L2). Os validadores podem fazer a ponte de ETH para a rede Taiko usando o serviço de ponte da Taiko para fornecer pré-confirmação instantânea, melhorando a imediatidade da transação e a experiência do usuário, mantendo a descentralização e segurança.

Modelo de Rollup Contestável Baseado em Taiko (BCR)

O Taiko adota o modelo Based Contestable Rollup (BCR), projetado para garantir justiça e transparência através de um sistema aberto e sem permissão:

• ✅ Totalmente sem permissão e descentralizado - Qualquer pessoa pode participar no sistema Taiko sem permissões especiais, garantindo um alto grau de descentralização.
• ✅ Modelo de Proponente Competitivo - Os proponentes competem pelo Valor Extraível Máximo (MEV) e outros incentivos econômicos, ao mesmo tempo que assumem a responsabilidade operacional, melhorando a eficiência e estabilidade do sistema.
• ✅ Sequenciamento Integrado ao Ethereum – Taiko elimina a necessidade de um sequenciador centralizado compartilhando o mesmo papel que os proponentes de blocos Ethereum, confiando totalmente na infraestrutura do Ethereum.
• ✅ Mecanismo de Eleição de Líder – Em qualquer momento, apenas um proponente é eleito como líder, concedendo-lhe direitos exclusivos para finalizar um bloco. Isso evita desperdício de recursos e conflitos.

Nota: Atualmente, Taiko utiliza SGX como uma prova do Ambiente de Execução Confiável (TEE), RiscZero e SP1 para Provas de Conhecimento Zero (ZKP), e Guardian (verificação de assinatura múltipla) pela Taiko Labs. Mais detalhes podem ser encontrados emDocumentação do Taiko.

Exemplo: Processo de Rollup Contestável Baseado em Taiko

Visão Geral do Processo:

Proposta de Bloco - Um proponente submete um novo bloco.

Submissão de Prova Primária - Um provador de primeiro nível (por exemplo, usando SGX TEE) envia uma prova de validade para o bloco e fornece um depósito TAIKO como garantia.

Período de Refrigeração e Desafio (~4 horas) - Durante este tempo, qualquer pessoa pode desafiar a prova de validade, apresentando o seu próprio depósito (por exemplo, “Cindy” no diagrama).

Verificação Avançada de Prova - Um provador de nível superior (por exemplo, usando ZKPs de RiscZero ou Succinct) verifica a correção da prova primária.

Resultado & Incentivos:

• Se a prova primária estiver correta → O provador primário recebe o reembolso do seu depósito e ganha uma recompensa, enquanto o desafiante perde o seu depósito.
• Se a prova primária estiver incorreta → O desafiante recebe o seu depósito reembolsado e ganha uma recompensa, enquanto o provador primário perde o seu depósito.

Este mecanismo de prova de várias camadas garante que qualquer pessoa possa desafiar provas em diferentes níveis, aumentando a segurança e descentralização do sistema.

Diagrama: Exemplo do Processo de Rollup Contestável da Taiko (Fonte:Documentação do Rollup Contestável da Taiko)

Conclusão

A tecnologia de pré-confirmação está a emergir como uma solução chave para melhorar a eficiência das transações em Blockchain e a experiência do utilizador. Enquanto os mecanismos tradicionais de confirmação de transações oferecem alta segurança e confiabilidade, sofrem de longos atrasos e baixa eficiência, tornando-os inadequados para negociações de alta frequência e aplicações em tempo real, como pagamentos. A pré-confirmação, com a sua abordagem de feedback rápido e compromisso preliminar, ajuda a mitigar essas limitações, oferecendo aos utilizadores uma experiência de transação mais imediata e transparente.

Por exemplo, o projeto Taiko integra um modelo competitivo Rollup para equilibrar a descentralização e eficiência. Além disso, a estrutura de prova de várias camadas e o mecanismo de eleição de líder do Taiko garantem justiça e segurança por meio de incentivos econômicos e competição transparente, servindo como uma referência valiosa para futuros designs de escalabilidade de blockchain.

No entanto, a pré-confirmação não é uma solução perfeita. A confiabilidade das confirmações iniciais e o risco de revogação da transação ainda requerem mais otimizações técnicas e mecanismos de fallback. A inovação contínua é necessária para melhorar as experiências de transação enquanto se aborda o trilema do blockchain de descentralização, segurança e escalabilidade.

Para além da mera inovação técnica, a pré-confirmação é uma ferramenta de construção de confiança que pode acelerar a adoção da Blockchain. À medida que a tecnologia de pré-confirmação se expande para além da negociação de alta frequência para os pagamentos do dia a dia, a Blockchain será mais integrada na vida quotidiana, ajudando a concretizar a visão da inclusão financeira global.