a16z define "qualidade forte da cadeia": manter 3% de staking garante 3% de espaço por bloco, com faixas virtuais que redefinem a justiça na blockchain

A equipa de investigação da a16z propôs o conceito de “Strong Chain Quality” (SCQ), estendendo a qualidade da cadeia tradicional (CQ) de uma média ao longo do tempo para uma atribuição mais fina dentro de cada bloco: ao deter 3% da quantidade de staking, pode obter 3% de garantias de espaço de bloco em cada bloco. Este artigo foi compilado e organizado pela 動區動趨 com base num relatório de investigação da a16z Crypto.
(Antecedentes: o Bitcoin teve raramente duas reorganizações de blocos: a Foundry USA minerou em conjunto 7 blocos e derrotou a AntPool; surgem preocupações de centralização nos pools de mineração)
(Acrescento de contexto: a nova posição do Vitalik de ver o Ethereum como “tecnologia de resguardo”; três mecanismos fazem com que a censura on-chain se torne coisa do passado)

Índice do artigo

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• Do CQ ao SCQ: a mudança fundamental de granularidade
• Faixas virtuais: a camada de abstração económica do SCQ
• Relações teóricas do SCQ com a resistência à censura
• Como obter SCQ na implementação
• Para além do SCQ: um problema em aberto de ordenação de transações

As propriedades de segurança centrais de um protocolo blockchain são, desde sempre, avaliadas pela “Chain Quality” (CQ): uma coligação de nós que detém X% do staking total da rede deve, com probabilidade X%, tornar-se o produtor de blocos de cada bloco. Esta propriedade já era suficiente em cadeias de blocos de baixa capacidade de processamento no início: quando a capacidade de transacções em cada bloco é limitada, quem produz o bloco é praticamente equivalente a quem controla todo o conteúdo daquele bloco.

No entanto, à medida que a capacidade de processamento dos blockchains modernos aumentou drasticamente, há centenas a milhares de transacções que podem caber dentro de um único bloco, pelo que a granularidade do CQ tradicional já não é suficiente para descrever a justiça na alocação do “blockspace”. Por isso, a equipa de investigação da a16z propôs o conceito mais fino de “Strong Chain Quality” (SCQ), que estende o âmbito das garantias de “proporção média de produção ao longo do tempo” para “proporção de alocação de espaço dentro de cada bloco”.

Do CQ ao SCQ: a mudança fundamental de granularidade

A computação distribuída tradicional divide os participantes em partes honestas e partes maliciosas; o comportamento honesto é considerado parte das hipóteses do modelo, não exigindo incentivos adicionais. Mas modelos de criptoeconomia tratam todos os participantes como agentes racionais com uma função de utilidade desconhecida; o objectivo do desenho do protocolo é alinhar os incentivos de maximização de lucros com o sucesso do protocolo.

Neste quadro, a definição formal do CQ tradicional é: uma coligação que detém X% do staking total, após um Global Stable Time (GST), torna-se o produtor de blocos de cada bloco com probabilidade X%. Uma cadeia que se desvie dessa propriedade pode permitir que uma coligação específica acumule recompensas em excesso, destruindo assim a estrutura de incentivos para o comportamento honesto e ameaçando a segurança do protocolo.

O SCQ leva esta garantia mais longe: uma coligação que detém X% do staking total, após o GST, consegue controlar X% do espaço do bloco em cada bloco. A diferença fundamental está nas quatro palavras “em cada bloco” (in each block) — já não se trata de uma média temporal, mas sim de uma atribuição precisa a cada bloco.

Faixas virtuais: a camada de abstração económica do SCQ

O SCQ implica o conceito abstracto de “virtual lanes” (faixas virtuais): em cada bloco, cada nó que faz staking, na prática, tem uma via de comunicação dedicada de uma proporção fixa de espaço de bloco.

Do ponto de vista económico, deter faixas virtuais equivale a deter um activo produtivo — essa via pode gerar receitas de taxas (handy fees) e ganhos de MEV. Para entidades externas obterem e manterem essas faixas, devem acumular continuamente staking, o que cria uma procura contínua pelo token L1 subjacente. Quanto maior o valor económico que uma via consegue gerar, mais fortes são os incentivos para competir em staking, e maior também é a capacidade de captura de valor do token de staking L1.

Este quadro abstracto também traz garantias mais fortes de resistência à censura (censorship resistance), reflectidas na propriedade de validade (validity property) do protocolo SCQ. Vale notar que o SCQ não exige que todas as transacções honestas sejam necessariamente incluídas — em cenários reais em que a procura por espaço de bloco excede a capacidade, não é possível alcançar uma resistência ideal total à censura. A ideia de desenho do SCQ é: sob restrições de capacidade limitadas, atribuir a cada nó de staking um orçamento assegurado para inclusão de transacções.

Relações teóricas do SCQ com a resistência à censura

Estudos recentes sublinham a importância de protocolos de “resistência à censura imediata” — as entradas da parte honesta devem ser incluídas imediatamente (e não apenas no fim). O SCQ pode ser visto como uma versão alargada desta propriedade sob uma restrição fixa de capacidade de blocos.

Com base nos actuais protocolos de consenso estilo PBFT, o protocolo MCP (Multi-proposer Consensus Protocol) foi proposto como um módulo adicional para lhe conferir resistência à censura. O MCP satisfaz simultaneamente a propriedade SCQ, alocando por proporção a capacidade de espaço de bloco dos produtores (ver a Secção 5.3 do artigo do MCP). Os protocolos BFT baseados em DAG existentes fornecem também uma via de implementação para um mempool com múltiplas escritas (mempool), oferecendo igualmente um certo nível de garantias de resistência à censura.

No entanto, as implementações padrão destes protocolos não alcançam estritamente o SCQ, porque o líder (leader) ainda pode atrasar selectivamente o processamento de um subconjunto específico de transacções. Ajustes finos a estes protocolos podem fazê-los voltar a satisfazer os requisitos do SCQ. Mecanismos de “forced transaction inclusion” (inclusão forçada de transacções) também são uma linha de investigação relacionada; o EIP-7805 é uma proposta concreta no ecossistema Ethereum.

O MCP demonstra ainda como obter propriedades de privacidade mais fortes: os detentores de staking podem criar “virtual private lanes” (faixas virtuais privadas) em que o seu conteúdo só será revelado quando o bloco inteiro for publicado. Esta característica será explorada de forma mais aprofundada em pesquisas subsequentes.

Como obter SCQ na implementação

Com base nos actuais protocolos BFT baseados em vistas (view-based), basta apenas duas rondas de comunicação e duas modificações ligeiras para realizar as garantias do SCQ após o GST. O esboço do protocolo é o seguinte:

Primeira ronda: cada participante transmite a todos os outros a sua entrada já autenticada (certified input).

Segunda ronda: após receber a entrada autenticada do participante i, adiciona-se i à própria lista de inclusão (inclusion list). Cada participante envia então a lista de inclusão ao líder, comprometendo-se efectivamente a aceitar apenas blocos que incluam todas as entradas presentes na lista.

Fase de proposta BFT: após receber estas mensagens, o líder inclui na proposta de bloco a união de todas as listas de inclusão.

Fase de votação BFT: os participantes votam apenas em blocos que incluam todas as entradas da sua lista de inclusão.

Este esboço de protocolo pode ser convertido num protocolo completo, que satisfaz o SCQ após o GST, fornece resistência à censura e mantém a activiade (liveness) na presença de líderes honestos. Para atingir o SCQ antes do GST, também é necessário esperar em cada ronda por valores de nós suficientes ou pela formação de um quórum (quorum) para a formação das listas. Pesquisas recentes demonstraram que o SCQ e a resistência à censura exigem, para além das rondas de votação de um protocolo BFT convencional, duas rondas adicionais de comunicação — o que está em linha com o desenho do esboço acima.

Para além do SCQ: um problema em aberto de ordenação de transações

Importa notar que o SCQ define a proporção de espaço de bloco que cada coligação consegue controlar, mas não especifica completamente a ordem de execução das transacções dentro do espaço de bloco. O SCQ pode ser entendido como: reservar espaço para cada nó de staking no conjunto, mas não garantir a forma como as transacções dentro do conjunto são ordenadas.

Isto abre um espaço de investigação rico para o desenho de mecanismos de ordenação de transacções, com o objectivo de melhorar ainda mais a justiça e a eficiência do ecossistema blockchain. Um caminho promissor é ordenar as transacções por taxas de prioridade (priority fees). Para além dos desafios existentes como o Selfish Mining (correspondente na literatura como Ideal CQ), a resistência à ramificação no fim (tail forking resistance) do Monad, e o protocolo Ethereum LMD GHOST (em que o problema de CQ é geralmente referido como “reorganizações”), a introdução do SCQ abre novas dimensões de investigação no desenho de protocolos blockchain. Os detalhes do mecanismo de ordenação serão discutidos mais adiante em artigos subsequentes.