Optimistic Rollup vs. Zero-Knowledge Rollup: Quais são as diferenças?

Introdução

Com o aumento da procura por criptomoedas, muitas blockchains atingiram os seus limites operacionais, resultando em congestionamento de rede e taxas de transação elevadas. Para responder a estes desafios, estão a ser desenvolvidas e testadas diversas soluções de escalabilidade que visam aumentar o volume e a velocidade das transações. Estas soluções dividem-se em dois grandes grupos: Layer 1 e Layer 2.

As soluções de escalabilidade Layer 1, como o sharding, consistem em alterações diretas à blockchain principal (também designada de cadeia base ou Layer 1). Por outro lado, as soluções Layer 2 funcionam sobre uma blockchain Layer 1 já existente. Exemplos de soluções Layer 2 incluem state channels, sidechains e rollups.

Os rollups de blockchain são protocolos concebidos para aumentar o volume de transações e reduzir custos. O seu objetivo é superar limitações de blockchains populares, agrupando transações e reduzindo o volume de dados, processando e armazenando transações de modo mais eficiente. O crescimento das criptomoedas e da tecnologia blockchain motivou os developers a procurarem métodos de escalabilidade que aumentem a capacidade do sistema para responder à procura crescente. Sharding, sidechains, state channels e rollups são abordagens em desenvolvimento. Os rollups permitem transferir certos processos de transação para uma cadeia secundária, mantendo os dados das transações na blockchain principal Layer 1. Neste artigo, analisamos dois tipos de rollups no universo das criptomoedas: Optimistic Rollups e Zero-Knowledge Rollups.

O que são Blockchain Rollups?

Os rollups são soluções Layer 2 que agregam dados de transações e transferem-nos para fora da cadeia principal (Layer 1). A execução das transações ocorre off-chain, enquanto os ativos permanecem num smart contract on-chain. Após a conclusão, os dados da transação são devolvidos à blockchain principal.

Qualquer solução Layer 1 pode, em teoria, implementar rollups para aumentar a eficiência do processamento de transações. Os rollups permitem que uma blockchain aumente significativamente o número de transações processadas e registadas num dado período, sem comprometer as garantias de segurança asseguradas pela blockchain Layer 1 subjacente.

Existem dois tipos principais de rollups no ecossistema blockchain: Optimistic Rollups e Zero-Knowledge Rollups. Cada um adota diferentes mecanismos de validação e segurança, sendo adequados a distintos casos de uso e redes blockchain.

O que são Optimistic Rollups?

Os Optimistic Rollups são protocolos que aumentam o volume de transações ao agrupar múltiplas transações em "batches" processados off-chain. Os dados das transações são depois registados na cadeia principal com técnicas de compressão de dados, reduzindo custos e aumentando a velocidade. Estudos sobre redes blockchain, como a plataforma principal, indicam que os Optimistic Rollups podem aumentar a escalabilidade entre 10 e 100 vezes face ao processamento tradicional on-chain.

O termo "optimistic" refere-se ao pressuposto de que todas as transações são válidas, permitindo um processamento mais rápido. Esta abordagem assume que os dados submetidos na cadeia principal estão corretos, só ocorrendo verificação em caso de contestação. Este mecanismo reduz significativamente a carga computacional na cadeia principal, mantendo a segurança através de esquemas de prova de fraude.

Como validam os Optimistic Rollups as transações?

Para aumentar a eficiência, os Optimistic Rollups consideram as transações válidas por defeito. Pode surgir a dúvida sobre se isto compromete a segurança em favor da rapidez. No entanto, os Optimistic Rollups utilizam um esquema de prova de fraude com um período de desafio (challenge period). Durante este tempo, qualquer pessoa que monitorize o rollup pode pedir a verificação das transações processadas.

Se um batch contiver erros, o protocolo do rollup corrige-os reexecutando as transações incorretas e atualizando o bloco. As partes que aprovaram transações incorretas são penalizadas por mecanismos de slashing, preservando a integridade do sistema. O período de desafio dura normalmente vários dias, dando tempo suficiente para os validadores detetarem e denunciarem atividades fraudulentas.

O mecanismo de prova de fraude permite que os validadores apresentem provas de que uma determinada transição de estado é inválida. Se a prova for válida, a transação fraudulenta é revertida e o operador responsável é penalizado. Esta estrutura de incentivos económicos assegura que os operadores têm um forte motivo para processar honestamente as transações.

Limitações dos Optimistic Rollups

Apesar de eliminarem processos de validação complexos, os Optimistic Rollups incluem um período de desafio que os Zero-Knowledge Rollups não exigem. Isto aumenta o tempo de finalização das transações, obrigando os utilizadores a esperar mais para garantir a irreversibilidade das mesmas.

O tempo de finalização dos Optimistic Rollups é inferior ao dos ZK Rollups. Tal mede o tempo que os utilizadores devem aguardar até terem garantia razoável de que as transações não serão revertidas ou alteradas. Os levantamentos nos Optimistic Rollups só são processados após o término do período de desafio. Nos ZK Rollups, os levantamentos são imediatos após a validação da prova pelo smart contract.

Alguns especialistas consideram os Optimistic Rollups menos eficientes que os ZK Rollups na gestão de dados. Nos Optimistic Rollups, todos os dados das transações têm de ser publicados on-chain para finalização, aumentando o armazenamento na blockchain principal. Já os ZK Rollups apenas publicam provas válidas, reduzindo fortemente o volume de dados e os custos associados.

Outra limitação é o risco de maior latência durante picos de atividade. Se muitos utilizadores contestarem transações simultaneamente, o processo de resolução de disputas pode congestionar-se, atrasando ainda mais a finalização. Apesar destas desvantagens, os Optimistic Rollups são populares devido à simplicidade e compatibilidade com infraestruturas de smart contracts existentes.

O que são Zero-Knowledge Rollups?

Os Zero-Knowledge Rollups (ZK Rollups) agrupam transações em batches executados fora da cadeia principal. Para cada batch, o operador do ZK Rollup submete um resumo das alterações necessárias, fornecendo também provas de validade que atestam a correção das alterações. Estas provas são muito mais pequenas do que os dados das transações, tornando a verificação mais rápida e económica.

Em redes blockchain, os ZK Rollups reduzem os dados das transações através da compressão ao gravá-las como calldata, diminuindo as taxas para o utilizador. O caráter matemático das provas de validade permite à cadeia principal confirmar a correção dos cálculos off-chain sem reexecutar todas as transações. Esta abordagem garante segurança robusta com melhorias significativas de escalabilidade.

Os ZK Rollups recorrem a técnicas criptográficas avançadas para gerar provas que confirmam a validade das transições de estado. Estas provas são criadas por algoritmos matemáticos complexos, assegurando a integridade dos dados sem expor detalhes das transações. Esta combinação de privacidade e eficiência torna os ZK Rollups soluções atrativas para várias aplicações blockchain.

Como validam os ZK Rollups as transações?

Os ZK Rollups usam Zero-Knowledge Proofs (ZKP) para validar transações. As ZKP são apresentadas por uma parte (prover) que deseja convencer outra (verifier) de que possui determinada informação, validando uma transação sem revelar o dado em si.

O processo detalha-se assim:

1. Geração da Prova: O prover cria uma prova matemática que apenas ele pode gerar com base nos dados da transação. Esta prova é construída por algoritmos criptográficos que asseguram validade e unicidade.

2. Verificação da Prova: O verifier utiliza essa prova matemática para confirmar a validade da transação sem aceder aos dados originais. A verificação é computacionalmente eficiente e rápida para a blockchain principal.

3. Preservação da Privacidade: É possível comprovar a validade sem revelar o conteúdo ao verifier, mantendo a privacidade e a correção. Esta característica é valiosa em aplicações que exigem confidencialidade, como transações financeiras ou verificação de identidade.

Os fundamentos matemáticos das Zero-Knowledge Proofs garantem que o verifier não extrai nenhuma informação além da validade da transação. Esta garantia criptográfica proporciona segurança e privacidade, tornando os ZK Rollups indicados para casos em que a confidencialidade dos dados é prioritária.

Vantagens dos ZK Rollups

Os ZK Rollups oferecem um elevado grau de segurança quando corretamente implementados. O uso de provas de validade zero-knowledge garante que a rede só opera em estado válido, impedindo que operadores roubem fundos ou comprometam o sistema. A natureza criptográfica destas provas torna matematicamente impossível a manipulação do sistema sem deteção.

Outra vantagem é que os utilizadores não precisam de monitorizar a rede ativamente. Os ZK Rollups registam todos os dados on-chain e exigem provas de validade para cada transição de estado. Assim, operadores não podem cometer fraude, dispensando a vigilância constante dos utilizadores. Este design trustless reduz o esforço exigido ao utilizador.

Além disso, os ZK Rollups permitem levantamentos forçados para a mainnet sem necessidade de cooperação do operador, provando a propriedade dos tokens pela disponibilidade dos dados. Esta funcionalidade assegura que os utilizadores mantêm controlo sobre os seus ativos, mesmo que o operador do rollup se torne indisponível ou malicioso.

Tal como os Optimistic Rollups, os ZK Rollups recorrem a execução off-chain para aumentar a velocidade de processamento de transações. Ao transferirem o processamento para fora da cadeia principal, conseguem volumes de transações muito superiores, mantendo as garantias de segurança da Layer 1. Esta combinação de velocidade, segurança e eficiência faz dos ZK Rollups uma solução promissora para escalar blockchains.

Adicionalmente, os ZK Rollups oferecem finalização imediata nos levantamentos, considerando as transações finais assim que a prova de validade é verificada. Isto elimina o tempo de espera dos Optimistic Rollups e permite acesso rápido aos fundos.

Diferenças entre ZK Rollups e Optimistic Rollups

A tabela abaixo resume as diferenças fundamentais entre Optimistic Rollups e ZK Rollups:

Mecanismo de Validação: Optimistic Rollups assumem transações válidas por defeito e utilizam provas de fraude durante um período de disputa. ZK Rollups utilizam provas criptográficas para garantir a validade matemática das transações antes da finalização na cadeia principal.

Tempo de Finalização: Optimistic Rollups têm tempos de finalização mais longos devido ao período de disputa, que pode durar vários dias. ZK Rollups oferecem finalização imediata após verificação da prova, permitindo acesso mais célere aos fundos.

Eficiência dos Dados: Optimistic Rollups exigem que todos os dados de transação sejam publicados on-chain. ZK Rollups apenas requerem provas de validade compactas, reduzindo drasticamente o volume de dados armazenados e os custos.

Complexidade Computacional: Optimistic Rollups são mais simples de implementar e exigem menos recursos computacionais. ZK Rollups envolvem cálculos criptográficos complexos para gerar provas, o que requer mais recursos, mas oferece maior segurança.

Modelo de Segurança: Optimistic Rollups baseiam-se em incentivos económicos e na existência de pelo menos um validador honesto. ZK Rollups oferecem garantias matemáticas que impedem transições de estado inválidas.

Tempo de Levantamento: Os levantamentos nos Optimistic Rollups são adiados pelo período de disputa, podendo demorar até uma semana. Nos ZK Rollups, os levantamentos são imediatos após verificação da prova.

Compatibilidade: Optimistic Rollups são mais compatíveis com a infraestrutura de smart contracts existente e mais fáceis de integrar. Os ZK Rollups podem exigir modificações nos smart contracts para funcionar com sistemas zero-knowledge, mas esta realidade tem vindo a melhorar.

Estas diferenças evidenciam os compromissos entre as abordagens: Optimistic Rollups oferecem simplicidade e facilidade de implementação, enquanto ZK Rollups garantem maior segurança e finalização mais rápida, com maior complexidade computacional.

Qual é o futuro dos ZK Rollups e dos Optimistic Rollups?

O futuro dos ZK Rollups e Optimistic Rollups é dinâmico e promissor. Com a adoção crescente das criptomoedas e da blockchain, os rollups deverão assumir um papel central na eficiência e escalabilidade das redes blockchain.

As redes blockchain continuarão a experimentar soluções de escalabilidade como sharding, rollups e protocolos Layer 0. Novas soluções poderão surgir e operar em paralelo com os rollups existentes. Abordagens híbridas, combinando as vantagens dos Optimistic e dos ZK Rollups, podem também emergir, adaptando-se a necessidades específicas.

Os recentes avanços em criptografia zero-knowledge tornaram os ZK Rollups mais práticos e eficientes. À medida que a tecnologia amadurece, é expectável uma adoção crescente dos ZK Rollups pela sua segurança superior e finalização mais rápida. No entanto, os Optimistic Rollups continuarão relevantes, especialmente em aplicações que privilegiam simplicidade e compatibilidade.

A concorrência entre diferentes soluções de rollup será positiva para o ecossistema, impulsionando a inovação e o desempenho. Com a investigação contínua, poderão surgir soluções ótimas que equilibrem segurança, eficiência e usabilidade.

A interoperabilidade entre diferentes rollups e blockchains Layer 1 será crucial para a escalabilidade futura. Projetos focados em bridges e protocolos de comunicação entre rollups podem tornar o ecossistema blockchain mais conectado e eficiente.

Conclusão

Com o aumento da procura de criptomoedas e os limites das blockchains existentes, surgiram várias soluções de escalabilidade. Neste artigo, analisámos as diferenças fundamentais entre Optimistic Rollups e ZK Rollups.

Optimistic Rollups adotam uma abordagem mais simples, com mecanismos de prova de fraude e tempos de finalização mais longos, sendo adequados para aplicações em que a facilidade de implementação é prioritária. ZK Rollups proporcionam maior segurança com provas criptográficas e finalização imediata, sendo ideais para aplicações que exigem confirmação rápida e segurança elevada.

Com a continuação dos testes e da evolução das tecnologias de rollup, poderá prevalecer um tipo para determinados casos de uso, embora ambas as abordagens possam coexistir para servir diferentes necessidades no ecossistema blockchain. A adoção generalizada dos rollups poderá aumentar substancialmente a escalabilidade das blockchains, permitindo suportar mais utilizadores e uma maior diversidade de aplicações.

Em última análise, o êxito das tecnologias de rollup dependerá da sua capacidade de equilibrar segurança, eficiência e facilidade de utilização, satisfazendo as necessidades de utilizadores e developers. À medida que a tecnologia evolui, os rollups deverão desempenhar um papel central no futuro da escalabilidade blockchain e na expansão das tecnologias descentralizadas.

FAQ

Quais são os princípios básicos do Optimistic Rollup e do Zero-Knowledge Rollup, respetivamente?

O Optimistic Rollup assume as transações válidas por defeito e só contesta as inválidas quando necessário. O Zero-Knowledge Rollup recorre a provas criptográficas para verificar todas as transações antes da liquidação. Ambos aumentam a escalabilidade da blockchain.

Quais são as diferenças entre Optimistic Rollup e Zero-Knowledge Rollup em velocidade e custo das transações?

O Optimistic Rollup proporciona transações mais rápidas e custos inferiores devido à verificação simplificada, mas exige um período de contestação. O Zero-Knowledge Rollup oferece maior segurança com provas criptográficas, embora tenha velocidades inferiores e custos computacionais mais elevados para gerar as provas.

Qual é mais seguro: Optimistic Rollup ou Zero-Knowledge Rollup?

O Zero-Knowledge Rollup é geralmente mais seguro graças ao uso de provas criptográficas avançadas, enquanto o Optimistic Rollup depende de pressupostos de fraude, com garantias de segurança potencialmente reduzidas.

Como funciona o mecanismo de prova de fraude do Optimistic Rollup?

O Optimistic Rollup utiliza uma janela de contestação em que os compromissos de estado podem ser disputados antes da finalização. Se a contestação for bem-sucedida, o compromisso é invalidado e substituído sem reverter transações. O sequenciador publica raízes de estado na Ethereum para validação.

Quais as vantagens e desvantagens dos Zero-Knowledge Rollups face aos Optimistic Rollups?

Zero-Knowledge Rollups oferecem maior segurança via provas criptográficas e finalização imediata sem períodos de disputa, mas exigem cálculos mais complexos e custos de desenvolvimento superiores. Optimistic Rollups são mais simples e económicos de implementar, mas dependem de períodos de resolução de disputas para garantir a segurança.

Quais são os principais projetos Optimistic Rollup?

Os principais projetos Optimistic Rollup incluem Arbitrum, Optimism, opBNB e COMBO. Estes aumentam a eficiência das transações e reduzem as taxas.

Quais são os principais projetos Zero-Knowledge Rollup?

Entre os projetos ZK Rollup mais relevantes estão StarkNet, zkSync, Polygon zkEVM, Aztec e Scroll. Estas soluções utilizam provas zero-knowledge para melhorar a escalabilidade e o volume de transações do Ethereum.

Devo optar por Optimistic Rollup ou Zero-Knowledge Rollup?

Depende das suas necessidades: Optimistic Rollups são indicados para computação EVM generalista e menor complexidade, enquanto Zero-Knowledge Rollups são preferíveis para aplicações como pagamentos com maior privacidade. Avalie os requisitos do seu caso de uso.