Introdução

A escalabilidade tem sido há muito tempo um desafio para a maioria das blockchains públicas no campo da blockchain. Por exemplo, o Bitcoin passou por um debate de escalabilidade de três anos e o Ethereum sofreu congestionamento de rede devido a um jogo simples, o CryptoKitties. Para resolver esse problema, várias soluções foram propostas na indústria, incluindo escalabilidade de curto prazo aumentando o tamanho do bloco, sacrificando parcialmente a descentralização por meio do mecanismo de consenso DPoS, usando estruturas alternativas como DAG e métodos de escalonamento off-chain, como subchains e sidechains.

Entre estes, a tecnologia de fragmentação é considerada uma solução eficaz e fundamental. Na Conferência de Desenvolvedores de 2016, o fundador do Ethereum, Vitalik Buterin, publicou o “purple paper” da Ethereum 2.0, introduzindo a ideia de processar transações através da fragmentação. Como uma direção importante para a escalabilidade da blockchain, a tecnologia de fragmentação aloca dinamicamente recursos de computação através de processamento paralelo, melhorando a escalabilidade da rede da blockchain e estabelecendo uma base técnica para suportar transações globais de alta frequência.

Soluções Atuais de Escalabilidade Blockchain

Visão geral da Tecnologia de Fragmentação

Origem da Ideia

A tecnologia de fragmentação originou-se da partição de bancos de dados, que tinha como objetivo dividir grandes bancos de dados em segmentos menores para processamento de dados mais eficiente. A ideia de combinar a tecnologia de fragmentação com blockchain foi proposta pela primeira vez em 2015. Um par de pesquisadores da Universidade Nacional de Singapura, Prateek Saxena e Loi Luu, apresentaram um artigo na Conferência Internacional de Segurança CCS. Eles dividiram de forma inovadora as redes de blockchain em 'fragmentos' capazes de processar transações simultaneamente, fornecendo uma nova solução para o problema de escalabilidade das blockchains públicas.

Posteriormente, este par de investigadores transformou a teoria em prática, desenvolvendo o primeiro projeto baseado em fragmentação, Zilliqa. Zilliqa adotou um mecanismo de consenso híbrido de pBFT e PoW, tornando-se a cadeia pública mais eficiente para o processamento de transações. Posteriormente, a tecnologia de fragmentação também recebeu reconhecimento do fundador do Ethereum, Vitalik Buterin. Em 2016, o Ethereum propôs um design de fragmentação em duas camadas, dividindo a rede Ethereum 2.0 em uma cadeia principal e cadeias fragmentadas. A cadeia principal, através do Contrato de Gerenciamento de Validadores (CGV), gerencia a operação das cadeias fragmentadas, enquanto as cadeias fragmentadas usam o mecanismo de consenso PoS para empacotar os dados de transação e gerar blocos de validação. Ao mesmo tempo, o CGV garante a validade das transações e a transferência de dados entre fragmentos suave através do modelo UTXO e das árvores de recibos.

Diagrama de Fluxo da Atualização de Fragmentação do Ethereum 2.0

Desde então, à medida que a tecnologia de fragmentação continua a evoluir, surgiram uma série de projetos inovadores, impulsionando ainda mais avanços na escalabilidade da blockchain. Esses projetos não apenas exploram o potencial da fragmentação em velocidade de processamento e eficiência de rede, mas também fornecem um forte suporte para potenciais aplicações comerciais em larga escala, prometendo avançar a tecnologia blockchain em direção a uma nova narrativa de alta eficiência e ampla aplicação.

Definição de Fragmentação

A tecnologia de Fragmentação é um método para otimizar a arquitetura Blockchain, dividindo a rede Blockchain em várias “shards” independentes para permitir o processamento paralelo de dados. Cada shard funciona como uma unidade de processamento independente capaz de executar transações e lidar com dados por si própria, distribuindo efetivamente as cargas de computação e armazenamento da rede. Esta abordagem não só melhora significativamente a velocidade de processamento de transações da rede Blockchain, como também otimiza os requisitos de armazenamento do nó. Os nós já não precisam de manter os dados completos de toda a Blockchain. Assim, a Fragmentação melhora a escalabilidade e o desempenho das redes Blockchain sem comprometer a segurança geral da rede, fornecendo suporte técnico para aplicações em grande escala.

Fonte: Novas Arquiteturas e Metodologias para Blockchain de Fragmentação de Alto Desempenho

Tipos de Fragmentação

A tecnologia de fragmentação pode ser categorizada em três tipos principais: fragmentação de rede, fragmentação de transação e fragmentação de estado. O princípio fundamental reside em "dividir um todo em partes e gerenciá-las separadamente", permitindo que vários fragmentos processem diferentes transações simultaneamente e, em seguida, agreguem os resultados na cadeia principal, melhorando assim o desempenho geral da rede blockchain.

1. Fragmentação de Rede
   A fragmentação de rede é a forma fundamental de fragmentação sobre a qual outros mecanismos de fragmentação são construídos. A chave para a fragmentação de rede reside em garantir segurança e prevenir ataques de nós maliciosos. Especificamente, envolve a seleção aleatória de um grupo de nós para formar um fragmento e estabelecer um consenso independente dentro do fragmento para lidar com transações. Este método aumenta significativamente a concorrência da rede, pois múltiplos fragmentos processam simultaneamente transações não relacionadas, melhorando assim o desempenho do sistema. A Zilliqa é um exemplo típico de uma blockchain que utiliza fragmentação de rede, combinando os mecanismos de consenso PoW e pBFT para melhorar a velocidade. PoW evita ataques Sybil, garantindo que apenas nós legítimos participem na fragmentação, enquanto o pBFT facilita um consenso de transação rápido, melhorando significativamente a velocidade de confirmação.

2. Fragmentação de Transações
   A fragmentação de transações envolve a distribuição de diferentes transações para vários fragmentos para processamento, acelerando assim a velocidade de processamento de transações de toda a rede. As transações são geralmente alocadas com base no endereço do remetente, agrupando transações relacionadas para prevenir gastos duplicados. Por exemplo, se um endereço iniciar duas transações conflituosas, elas serão rapidamente identificadas e impedidas no mesmo fragmento. Nos casos em que as transações ocorrem entre fragmentos, é utilizada a comunicação entre fragmentos para detetar e bloquear gastos duplicados. O modelo UTXO pode melhorar ainda mais a eficiência da fragmentação de transações, apesar de potenciais problemas como a divisão de transações grandes. A maturidade da fragmentação de transações avançou significativamente, permitindo que múltiplos mecanismos de consenso funcionem em paralelo.

3. Fragmentação de Estado
   A fragmentação de estado é o tipo mais complexo e desafiador de fragmentação. A chave está em garantir que cada fragmento mantenha apenas seu estado interno em vez do estado global completo do blockchain, distribuindo assim os requisitos de armazenamento de dados. No entanto, quando ocorrem transações entre fragmentos, os fragmentos envolvidos devem compartilhar estados de transação, exigindo comunicação frequente entre fragmentos que pode reduzir o desempenho. Além disso, a fragmentação de estado enfrenta desafios na consistência de dados e tolerância a falhas: se um fragmento for atacado e sair do ar, sua validação de dados pode ser afetada. Resolver esse problema pode exigir backups de estado global em cada nó, mas esses backups entram em conflito com a intenção de armazenamento descentralizado da fragmentação de estado e podem introduzir riscos de centralização.

Estratégias de Implementação de Fragmentação

Arquitetura de Fragmentação

O design da arquitetura de fragmentação é o núcleo da tecnologia de fragmentação, englobando os conceitos de design das cadeias principais e subcadeias, bem como a alocação de nós dentro e entre fragmentos. Nesta arquitetura, a cadeia principal mantém o consenso e a segurança da rede, funcionando como o núcleo da Blockchain, coordenando as operações das subcadeias e garantindo consistência global. As subcadeias são regiões independentes derivadas da cadeia principal, cada uma focada no processamento de tipos específicos de transações e contratos inteligentes, alcançando assim paralelismo independente para melhorar a eficiência e escalabilidade de desempenho.

Além disso, os nós na arquitetura de fragmentação são divididos em dois papéis: nós de subcadeia, responsáveis por manter registros de transações e estados dentro de sua fragmentação enquanto participam do consenso para validar transações, e nós de cruzamento de subcadeias, encarregados de transmitir informações e atualizar estados entre as fragmentações para garantir coordenação e sincronização entre a cadeia principal e as subcadeias. Essa divisão detalhada de papéis aprimora a utilização de recursos e aumenta a capacidade geral de processamento de transações, estabelecendo uma base sólida para a expansão e operação eficiente de redes blockchain.

Origem: newcomputerworld

Amostragem Aleatória

Mecanismos de amostragem e seleção aleatória são essenciais para garantir a segurança e imparcialidade das arquiteturas de fragmentação. A chave está em selecionar aleatoriamente nós para formar fragmentos e evitar que atacantes maliciosos concentrem o controle sobre um fragmento. Durante a seleção de nós, algoritmos de geração de números aleatórios baseados em hash são frequentemente utilizados para garantir imparcialidade e descentralização, eliminando tendências baseadas na localização geográfica ou comportamento histórico. Isso garante que todos os nós tenham uma chance igual de serem selecionados em diferentes fragmentos, melhorando a descentralização e resistência à censura da rede.

Para evitar que os invasores manipulem um fragmento controlando determinados nós, as arquiteturas de fragmentação normalmente introduzem vários mecanismos de seleção e estratégias dinâmicas de alocação de nós. Por exemplo, quando o número de nós em um fragmento atinge um limite definido, o sistema aciona automaticamente a reorganização do fragmento, selecionando aleatoriamente novos nós para se juntar e garantindo que a distribuição de nós dentro do fragmento não se torne excessivamente concentrada. Além disso, os mecanismos de "reequilíbrio de estilhaços" ajustam periodicamente a distribuição de nós entre fragmentos, impedindo que os invasores explorem a concentração do nó para atacar ou manipular um fragmento. Esses mecanismos reduzem efetivamente o risco de falhas de ponto único dentro da arquitetura de fragmentação e fortalecem a defesa da rede contra ataques mal-intencionados.

Origem: Um Algoritmo de Consenso de Fragmentação Eficaz para Sistemas de Blockchain

Desafios e Soluções na Fragmentação

Questões de Segurança

Ataques adversários adaptativos referem-se a ataques em que atores maliciosos exploram seu conhecimento das condições de rede para visar fragmentos específicos em uma rede blockchain. Os atacantes podem manipular transações, adulterar dados ou interferir nos processos de confirmação de transações para alcançar seus objetivos. Como cada fragmento em uma arquitetura fragmentada tem relativamente menos nós, torna-se mais fácil para os atacantes concentrarem seus esforços em um único fragmento, aumentando os riscos de segurança. Para lidar com este problema, medidas devem ser tomadas para garantir a integridade do fragmento.

Uma solução eficaz é introduzir mecanismos de verificação em várias camadas e protocolos de consenso cruzado compartilhados. Especificamente, vários nós de validação devem ser estabelecidos dentro de cada fragmento para confirmar colaborativamente transações, aumentando assim a complexidade e o custo de ataques. Além disso, os protocolos de consenso entre fragmentos facilitam o compartilhamento de informações e a validação de estado entre fragmentos, garantindo coordenação e consistência em toda a rede e evitando que ataques em um único fragmento ameacem toda a rede. Esses mecanismos aumentam significativamente a resiliência de arquiteturas fragmentadas contra ataques e reduzem os riscos apresentados por ameaças adversárias adaptativas.

Desafios de Disponibilidade de Dados

A disponibilidade de dados é outro desafio crítico na tecnologia de fragmentação. À medida que a fragmentação se torna amplamente adotada, a verificação eficiente da acessibilidade e integridade dos dados em cada fragmento torna-se essencial para manter a estabilidade da rede blockchain. Uma abordagem para enfrentar esse desafio é amostrar partes do conjunto de dados para verificar rapidamente a disponibilidade de todo o conjunto de dados. Este método reduz a sobrecarga computacional de inspecionar todos os dados, melhorando a eficiência geral do sistema.

Além disso, devem ser estabelecidos mecanismos eficazes de verificação. Por exemplo, os nós participantes devem fornecer prova correspondente da disponibilidade de dados ao gerar novos blocos. Isto é especialmente importante em transações entre fragmentos para garantir a consistência e precisão dos dados entre os fragmentos.

Estudos de caso

Ethereum 2.0 Tecnologia de Fragmentação

No roteiro de escalabilidade do Ethereum, Danksharding representa um upgrade revolucionário e uma tecnologia central para alcançar escalabilidade em grande escala no Ethereum 2.0. Ao contrário dos métodos tradicionais de fragmentação, Danksharding integra "mercados combinados de taxas" e adota um mecanismo de proponente de bloco único, simplificando os processos de transação entre fragmentos. A implementação técnica irá transicionar gradualmente para fragmentação completa no Ethereum 2.0 através de mecanismos como EIP-4844 e proto-danksharding.

A singularidade do Danksharding reside no seu inovador design estrutural. A fragmentação tradicional divide as redes blockchain em várias subcadeias paralelas, com cada subcadeia a lidar independentemente com transações e a alcançar consenso. O Danksharding, por outro lado, emprega um proponente de bloco único para eliminar a complexidade e gargalos de desempenho causados por múltiplos proponentes na fragmentação tradicional. A Beacon Chain, como a camada de consenso central da Ethereum 2.0, desempenha um papel crucial neste processo. Gerencia e coordena todos os validadores na rede Ethereum, garantindo segurança e consistência. Dentro do framework Danksharding, a Beacon Chain mantém estados de validação e facilita a comunicação intercadeias e a sincronização de dados, melhorando coletivamente o desempenho geral da Ethereum 2.0.

A implementação do Danksharding será realizada em várias fases. Inicialmente, o proto-danksharding é introduzido como uma fase de transição durante a atualização de Cancun do Ethereum. Usando o EIP-4844, ele suporta a tecnologia Rollup para reduzir os custos de armazenamento de dados, preparando o terreno para a implementação completa do Danksharding. Além disso, o Danksharding melhorará a segurança do Ethereum, impedindo ameaças potenciais como ataques de 51%, ao mesmo tempo em que otimiza as demandas computacionais e de armazenamento na rede para suportar aplicativos descentralizados em larga escala.

Origem: Quebrando o ETH 2.0 - Explicação da Fragmentação

Tecnologia de Fragmentação Polkadot

Polkadot alcança a fragmentação através da sua inovadora arquitetura de “parachain”, permitindo que blockchains independentes operem dentro da mesma rede ao mesmo tempo que alcançam interoperabilidade. Cada parachain é uma rede blockchain independente que processa os seus dados e transações. Estes parachains são coordenados e geridos através da Relay Chain, que fornece um mecanismo de consenso unificado e garante a segurança da rede, bem como a sincronização de dados e consistência em todos os parachains.

As parachains também são personalizáveis, permitindo estruturas de governança independentes e funcionalidades adaptadas para atender a requisitos específicos, aumentando consideravelmente a flexibilidade e escalabilidade da rede. A arquitetura de parachain do Polkadot é especialmente adequada para aplicações descentralizadas (DApps) com altas demandas, especialmente nos setores DeFi, NFT e DAO, onde sua escalabilidade e flexibilidade foram comprovadas. Por exemplo, o mecanismo de leilão de slot de parachain do Polkadot permite que cada parachain garanta direitos de conexão com a Relay Chain e use recursos computacionais específicos durante o período de locação. Com a adição de mais parachains, o Polkadot pode alcançar maior quantidade de transações e taxas mais baixas.

No Polkadot 1.0, a alocação de recursos principais foi determinada através de um sistema de leilão de dois anos. Na versão 2.0, a alocação de recursos tornou-se mais flexível. À medida que mais parachains se juntam e os recursos são distribuídos dinamicamente, o Polkadot está pronto para se tornar um ecossistema multi-chain eficiente que suporta uma ampla gama de aplicações descentralizadas.

Origem: Polkadot v1.0

Tecnologia de Fragmentação NEAR

O Protocolo NEAR utiliza a inovadora tecnologia de fragmentação dinâmica Nightshade, permitindo que o sistema ajuste o número de fragmentos de forma flexível com base nas exigências da rede, mantendo operações eficientes e estáveis sob cargas variáveis. A arquitetura Nightshade, implementada com sucesso na mainnet da NEAR, processa grandes volumes de transações e suporta o desenvolvimento de DApps, destacando-se especialmente em condições de alta carga.

A vantagem central do Nightshade reside na sua capacidade dinâmica de fragmentação, que ajusta o número de fragmentos em tempo real para melhorar o desempenho e a escalabilidade da rede. Com a próxima atualização da Fase 2, a NEAR introduz melhorias significativas na sua arquitetura existente, incluindo a tecnologia de “Validação sem Estado”. Esta inovação permite que os nós validadores da NEAR operem sem armazenar localmente estados de fragmentos, obtendo dinamicamente informações de “testemunha de estado” da rede para validação. Esta abordagem melhora a eficiência de processamento de fragmentos, reduz os requisitos de hardware para os validadores e possibilita uma participação mais ampla. À medida que a tecnologia de fragmentação continua a evoluir, a NEAR está bem posicionada para suportar o crescimento de utilizadores em larga escala e proporcionar a base arquitetónica para a adoção generalizada de aplicações descentralizadas.

Fonte:O que é o NEAR Protocolo? O Sistema Operacional Blockchain (BOS)

Tecnologia de Fragmentação TON

A arquitetura TON adota uma estrutura de várias camadas composta por uma cadeia principal e cadeias de trabalho, garantindo a operação eficiente da rede e comunicação contínua entre cadeias. A cadeia principal serve como o livro-razão central da rede, armazenando cabeçalhos de bloco para todas as cadeias de trabalho e gerenciando o estado geral da rede, incluindo atualizações de protocolo e eleições de validadores. As cadeias de trabalho são subcadeias independentes dentro da rede TON, cada uma especializada em cenários de aplicação específicos ou necessidades comerciais, alcançando assim flexibilidade e especialização de rede.

TON enfatiza a compatibilidade entre cadeias, permitindo uma interação perfeita com outras redes blockchain para aprimorar a usabilidade do ecossistema e a funcionalidade inter-blockchain. Uma das inovações mais notáveis do TON é seu paradigma de fragmentação infinita, permitindo que a rede ajuste dinamicamente o número de fragmentos de acordo com a carga de transações. Em cargas altas, o TON divide os fragmentos para lidar com mais transações; em cargas baixas, os fragmentos se fundem para conservar recursos e melhorar a eficiência geral. Esse design de escalonamento horizontal permite que o TON atenda às demandas crescentes de transações sem sacrificar o desempenho, suportando aplicativos de alto volume como DeFi.

Além disso, a TON introduz a tecnologia Hypercube, onde o tempo de transmissão de dados escala de forma logarítmica com o número de blockchains. Isso significa que, mesmo à medida que a rede TON se expande para milhões de cadeias, sua velocidade de processamento e tempos de resposta permanecem inalterados. Teoricamente, a TON pode suportar até 4,3 bilhões de workchains, embora sua implementação atual inclua apenas a masterchain e as cadeias base. Essa arquitetura inovadora demonstra o potencial da TON em ambientes de alta carga e alta concorrência, impulsionando a ampla adoção da tecnologia blockchain.

Origem: Fragmentos | A Rede Aberta

Direções Futuras de Pesquisa

Potenciais Desenvolvimentos na Tecnologia de Fragmentação

• Compatibilidade entre cadeias: Com os avanços na tecnologia de fragmentação, a comunicação entre cadeias se tornará cada vez mais crítica, especialmente à medida que a demanda por troca de informações e ativos entre diferentes redes blockchain cresce. A futura tecnologia de fragmentação pode integrar ainda mais protocolos de comunicação entre cadeias, como a Relay Chain da Polkadot e a IBC da Cosmos, para permitir interações sem interrupções entre fragmentos e cadeias.
• Segurança aprimorada por meio da governança de fragmentação: Ajustes dinâmicos de fragmentação e mecanismos flexíveis de governança se tornarão pontos focais de pesquisas futuras. As cadeias fragmentadas ainda enfrentam desafios ao equilibrar segurança e descentralização. Modelos de segurança emergentes, como mecanismos de incentivo econômico e compartilhamento de validadores de fragmentos, serão explorados para reduzir o risco de ataques às cadeias fragmentadas.
• Integração com Proteção de Privacidade: A combinação de fragmentação e proteção de privacidade será crucial em aplicações sensíveis a dados. Tecnologias como provas de conhecimento zero e Ambientes de Execução Confiável (TEE) podem tornar-se partes integrais da fragmentação, garantindo a segurança dos dados à medida que as cadeias fragmentadas se expandem.

Potenciais Integrações e Inovações em Outras Arquiteturas de Blockchain

• Inovações de Arquitetura Híbrida: As arquiteturas futuras de blockchain podem combinar várias tecnologias, como integrar fragmentação com DAG (Grafo Acíclico Direcionado) ou arquiteturas de blockchain de várias camadas. As cadeias de várias camadas podem aproveitar as cadeias principais e laterais para alcançar uma fragmentação de dados mais eficiente e uma expansão entre cadeias. Por exemplo, a blockchain principal poderia focar na segurança e no consenso, enquanto as cadeias laterais lidam com um processamento de fragmentos mais flexível.
• Adaptando-se à Computação Quântica: À medida que a computação quântica avança, as arquiteturas de blockchain considerarão cada vez mais a compatibilidade quântica. As vantagens computacionais e de criptografia da computação quântica poderiam potencialmente aprimorar a eficiência de fragmentação. Ao mesmo tempo, precauções devem ser tomadas contra ameaças quânticas aos algoritmos de criptografia atuais, especialmente na comunicação e validação entre fragmentos.
• Gestão de Fragmentação Inteligente Orientada por IA: A inteligência artificial e a aprendizagem automática podem ser aplicadas para automatizar e otimizar redes de fragmentação, especialmente na previsão de carga de fragmentos, previsão de tráfego e ajustes dinâmicos de fragmentos. No futuro, a gestão de fragmentação orientada por IA permitirá que as blockchains otimizem adaptativamente a alocação de recursos, melhorando a eficiência geral da rede e a experiência do usuário.

Conclusão

A tecnologia de compartilhamento divide as redes blockchain em vários "fragmentos" independentes e paralelos, reduzindo efetivamente a carga em nós individuais e aprimorando as capacidades de processamento de transações. Ele está se tornando um foco central no empoderamento do campo blockchain. Do Danksharding do Ethereum 2.0 ao paradigma de fragmentação infinita da TON, um número crescente de redes blockchain está explorando e implementando a tecnologia de fragmentação para atender à crescente demanda por taxa de transferência de transações. Enquanto isso, desafios como compatibilidade entre cadeias e disponibilidade de dados promoveram novas inovações tecnológicas, permitindo a colaboração e o fluxo de ativos entre diferentes blockchains.

No entanto, a implementação da tecnologia de fragmentação não é isenta de desafios. Questões como segurança, consistência de dados e eficiência na comunicação entre fragmentos requerem mais avanços. Olhando para o futuro, a tecnologia de fragmentação continuará a impulsionar a blockchain para uma nova era de alto desempenho e aplicação generalizada. À medida que a tecnologia amadurece, as arquiteturas de fragmentação tornar-se-ão mais flexíveis e seguras, suportando mais aplicações descentralizadas (DApps) e inovações financeiras, trazendo, em última análise, uma maior sustentabilidade e inovação ao ecossistema global da blockchain.