O que significa escalabilidade e de que forma as blockchains a estão a atingir?

O que é a escalabilidade?

A escalabilidade na blockchain define a capacidade da rede para processar um número crescente de transações com eficiência, sem sacrificar desempenho, segurança ou descentralização. Com a evolução da blockchain de conceito inovador para infraestrutura central de ativos digitais e aplicações descentralizadas, a escalabilidade tornou-se um dos maiores desafios técnicos do setor.

A blockchain funciona como um registo público, registando transações sem a intervenção de terceiros centralizados. Os registos de transações são verificados por nós distribuídos por toda a rede. Contudo, este processo descentralizado introduz limitações naturais à escalabilidade, em que algumas blockchains requerem períodos significativos para validar e confirmar transações.

A capacidade de TPS (transações por segundo) de uma blockchain é, por norma, muito inferior à das instituições centralizadas. Por exemplo, redes tradicionais de pagamentos conseguem validar mais de 17 000 TPS, enquanto muitas blockchains apenas processam valores entre um e dois dígitos de TPS. Principais redes blockchain conseguem cerca de 4,6 TPS, o que inviabiliza o processamento eficiente de grandes volumes de transações, originando velocidades lentas e taxas elevadas em períodos de maior procura.

Este problema agrava-se devido a restrições técnicas como o limite máximo do bloco. Tipicamente, um bloco pequeno de aproximadamente 1 MB limita o número de transações processadas em cada ciclo. Além disso, em várias arquiteturas blockchain, cada validação exige que os nós consultem ou descarreguem partes do histórico de transações. Por isso, a escalabilidade torna-se cada vez mais lenta à medida que a blockchain cresce e ocupa mais memória na rede.

Não é possível escalar as redes blockchain simplesmente por aumentar o número de nós, pois tal pode até reduzir o desempenho devido à sobrecarga de comunicação e à complexidade do consenso. Cada blockchain tem limites próprios definidos pela arquitetura e mecanismo de consenso subjacentes. Assim, foram desenvolvidas soluções de escalabilidade adaptadas às necessidades e restrições técnicas de cada projeto para melhorar o desempenho da rede. Estas soluções categorizam-se segundo o aspeto de desempenho que abordam: leitura, escrita e capacidade de armazenamento. Existem também soluções específicas conforme as diferentes camadas da arquitetura blockchain, como Layer 0 (rede), Layer 1 (on-chain) e Layer 2 (off-chain). Dada a complexidade e diversidade das soluções, este artigo centra-se sobretudo nas soluções de escalabilidade da camada de dados, incluindo abordagens on-chain e off-chain.

Quais os fatores que causam problemas de escalabilidade?

Programadores e investigadores têm tentado aumentar a escala das redes blockchain, mas enfrentam o "trilema da blockchain". Este trilema indica que todas as blockchains têm dificuldade em manter segurança, descentralização e escalabilidade em simultâneo — normalmente, apenas dois destes três aspetos podem ser otimizados. Por exemplo, blockchains privadas conseguem escalabilidade e segurança, mas sacrificam a descentralização ao depender de poucos validadores confiáveis. Blockchains baseadas em DAG podem alcançar escalabilidade e descentralização, mas são mais vulneráveis e menos testadas contra ataques sofisticados. Por sua vez, blockchains públicas mantêm elevada segurança e descentralização, mas sacrificam a escalabilidade, reduzindo a capacidade de processamento.

A taxa de processamento (throughput) é o indicador mais relevante para a escalabilidade da blockchain, afetando diretamente a experiência do utilizador e a utilidade da rede. Os fatores que influenciam a escalabilidade são interdependentes, tornando a otimização complexa. Por exemplo, desempenho de consenso e tamanho do bloco impactam throughput e latência, e alterações num parâmetro afetam outros indicadores de desempenho. Os fatores essenciais são:

• Throughput: Refere-se ao número total de transações processadas por segundo, normalmente medido em TPS. É a métrica principal na comparação da escalabilidade entre blockchains. Sistemas centralizados de pagamentos têm TPS muito superior face às redes blockchain descentralizadas, processando grandes volumes sem congestionamento. Porém, esta comparação não é direta, pois sistemas centralizados não enfrentam os mesmos requisitos de consenso e segurança.

• Latência: Também chamada tempo de finalização, é o período desde a submissão até à confirmação definitiva de uma transação. Latência reduzida permite validação eficiente e melhor experiência de utilização, pois não há esperas longas. Contudo, baixar a latência pode exigir compromissos de segurança ou descentralização, já que consensos mais rápidos tendem a ser mais vulneráveis ou centralizados.

• Tamanho de bloco: É o limite máximo de dados por bloco, determinando quantas transações podem ser incluídas. Por exemplo, algumas blockchains têm blocos de cerca de 1 MB para transações. Blocos maiores acomodam mais transações, aumentando o throughput e reduzindo taxas em períodos de alta procura. No entanto, exigem mais recursos computacionais para processamento e validação, além de elevar os requisitos de largura de banda para propagação de blocos. Blocos que excedam o tamanho máximo podem ser rejeitados, gerando filas de transações pendentes.

• Nós: Podem ser completos (com todo o histórico da blockchain) ou parciais/leves (apenas parte dos dados). Mais nós são necessários quando o volume de transações é elevado para garantir segurança e descentralização. O número e tipo de nós influenciam diretamente o throughput e a latência, refletindo a escalabilidade. Contudo, mais nós aumentam a sobrecarga de comunicação e prolongam o tempo de consenso, agravando o desafio da escalabilidade.

• Armazenamento: Refere-se à capacidade total da blockchain e ao tamanho acumulado dos dados históricos. O ritmo de crescimento do armazenamento depende do número de nós, volume de transações e tamanho dos blocos. Nós completos exigem muito mais espaço do que nós parciais, pois guardam todo o histórico. Embora nós parciais reduzam os requisitos individuais, depender excessivamente deles pode aumentar a carga global da blockchain e comprometer a segurança, afetando o throughput e a descentralização.

• Energia computacional: Refere-se à potência de processamento e energia elétrica para validar transações e criar blocos, conhecida como mineração em certos modelos. O consumo energético depende do mecanismo de consenso. Por exemplo, blockchains com Proof of Work (PoW) consomem muito mais energia do que blockchains com Proof of Stake (PoS), pois o PoW exige trabalho computacional intensivo para resolver puzzles criptográficos, enquanto o PoS depende de validadores em staking.

• Custo: Refere-se ao custo económico total da validação de transações, englobando taxas dos utilizadores e custos operacionais dos operadores de nós. Em muitas blockchains, validadores ou mineiros priorizam transações com taxas mais altas, criando um mercado de taxas. Transações com taxas baixas podem ter validação mais demorada ou nem serem incluídas em blocos durante congestionamentos, criando um estrangulamento para quem não paga taxas elevadas.

Quais as soluções disponíveis baseadas na camada de dados?

As soluções de escalabilidade foram desenhadas para resolver problemas críticos como tempo de geração de blocos, custos, congestionamento e limitações de memória. Surgiram duas grandes categorias: escalabilidade on-chain e off-chain. As soluções podem ser desenvolvidas em diferentes camadas da arquitetura — Layer 0 (rede), Layer 1 (blockchain base) e Layer 2 (camadas secundárias). As soluções de Layer 1 e Layer 2 são as mais adotadas no mercado.

As soluções on-chain consistem na modificação de parâmetros e elementos do protocolo. Por exemplo, propostas para aumentar o tamanho de bloco permitem mais transações por ciclo. Contudo, blocos maiores exigem mais largura de banda e armazenamento, podendo excluir operadores de nós de menor dimensão e favorecer centralização da produção de blocos. Os principais subgrupos de soluções on-chain incluem redução de dados por soft forks, aumento de blocos por hard forks, sharding para escalabilidade horizontal e arquiteturas DAG. As duas últimas são particularmente inovadoras e detalhadas a seguir:

• Escalabilidade baseada em DAG: Arquiteturas de grafo acíclico direcionado (DAG) oferecem uma estrutura alternativa à blockchain. Sistemas DAG validam transações referenciando registos anteriores numa estrutura de grafo, em vez de uma cadeia linear. Não usam mineiros tradicionais nem exigem staking elevado, reduzindo drasticamente as taxas e eliminando mineração intensiva. Redes DAG podem atingir TPS superiores a 10 000 e eliminar ataques double-spending graças ao método de validação. Exemplo: IOTA (MIOTA), com a estrutura Tangle. Redes DAG com maior participação validam transações mais rapidamente, pois cada nova transação valida anteriores. Estas arquiteturas podem combinar descentralização e elevada escalabilidade com taxas mínimas. Contudo, têm garantias de segurança mais fracas contra certos tipos de ataques, especialmente se o volume for baixo, e enfrentam desafios de finalização total das transações.

• Sharding: O sharding divide a blockchain em múltiplos shards paralelos, cada um a processar subconjuntos de transações independentemente. Permite que vários nós processem transações distintas em simultâneo, reduzindo o tempo total de processamento e aumentando o throughput. Implementar sharding de forma segura é complexo, pois é necessário proteger shards individuais contra validadores maliciosos. O sharding é mais eficiente para transações dentro do mesmo shard, ao passo que transferências entre shards exigem coordenação extra e podem ser mais lentas. Exemplos: Ethereum (ETH) através do Ethereum 2.0 e projetos como RapidChain. O sharding é uma das soluções on-chain mais promissoras, desde que desenhado para garantir segurança e propriedades atómicas.

Soluções de escalabilidade off-chain

As soluções off-chain validam transações fora da rede principal, aliviando a carga da camada base. Nestes modelos, apenas o estado final ou a liquidação é comunicada à mainnet, criando canais de estado ou canais de pagamento. Por exemplo, a Lightning Network exige taxas on-chain apenas ao abrir ou fechar canais, enquanto as transações intermédias decorrem off-chain a custo reduzido. Assim, as taxas de transação descem consideravelmente e o throughput aumenta. Existem vários subgrupos off-chain, cada um com características e usos próprios. Os mais relevantes são:

• Escalabilidade por side chains: Permite transferências de ativos bidirecionais entre a mainnet e uma ou mais side chains com regras de consenso próprias. Side chains usam verificação simplificada de pagamento (SPV) ou outras provas criptográficas para validar transações independentemente. Transferências de ativos entre mainnet e side chain dependem de mecanismos de bloqueio e resultados criptográficos desbloqueados por provas SPV, evitando double-spending entre cadeias. O mecanismo SPV permite que validadores da side chain comuniquem o estado à mainnet para liquidação. Side chains podem experimentar consensos, tempos de bloco e funcionalidades sem afetar a segurança da cadeia principal. Exemplo: Loom Network, com side chains específicas para aplicações descentralizadas escaláveis.

• Escalabilidade por child chains: Arquitetura hierárquica em que child chains ligam-se diretamente à mainnet e são protegidas pelos seus validadores. Cada child chain processa transações com protocolos de consenso otimizados para requisitos específicos. A mainnet regista a finalização das transações e compromissos de estado das child chains, servindo de âncora de segurança. Proporciona garantias de segurança e resolução de disputas, protegendo child chains contra ataques, já que atividades fraudulentas podem ser contestadas na mainnet. Permite elevada escalabilidade sem perder segurança. Exemplo: Ethereum Plasma, que possibilita estruturas hierárquicas com provas de fraude.

• Escalabilidade interchain: Cria ecossistemas interligados que replicam redes locais para blockchains. Liga múltiplas blockchains independentes via protocolo comum compatível com todas as redes participantes. Arquiteturas interchain envolvem subchains e nós especializados para comunicação e transferências de ativos entre cadeias. Cada cadeia pode usar consenso próprio, enquanto o protocolo interchain garante interoperabilidade. Exemplo: Cosmos (ATOM), que utiliza o protocolo Inter-Blockchain Communication (IBC), Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT) e Proof of Stake (PoS) para criar um ecossistema escalável de blockchains interligadas. Permite escalabilidade ilimitada, já que novas cadeias podem ser adicionadas sem afetar o desempenho das já existentes.

Qual o futuro da escalabilidade?

O desenvolvimento das soluções de escalabilidade visa alcançar equilíbrio entre os três pilares do trilema da blockchain: descentralização, escalabilidade e segurança. O setor reconhece que sacrificar qualquer um deles limita a utilidade e adoção da blockchain.

Em termos de escalabilidade on-chain, as mudanças incidem no núcleo da blockchain, podendo resultar em hard forks (exigem atualizações de todos os nós) ou soft forks (compatíveis com versões anteriores). Conseguir consenso para alterações fundamentais é politicamente e tecnicamente difícil, como mostram várias propostas controversas. Por isso, soluções como Segregated Witness (SegWit) ou soft forks são mais viáveis. SegWit otimiza o armazenamento ao separar dados de assinatura, permitindo mais transações nos limites atuais de bloco. Estas otimizações podem implicar alterações subtis na segurança ou exigir atualizações de carteiras e infraestruturas.

O sharding é outra solução promissora para escalabilidade on-chain, dividindo a blockchain em shards paralelos para aumentar o throughput. Como a rede é repartida em partes semi-independentes, é possível processar grandes volumes de transações em paralelo. A latência reduz-se, já que múltiplos shards processam transações simultaneamente, e o throughput cresce com o número de shards. Contudo, a implementação segura do sharding é tecnicamente exigente, especialmente para assegurar segurança entre shards e gerir transferências inter-shard.

Nas soluções off-chain, projetos já demonstraram TPS superiores a um milhão com tecnologias como Lightning Network e potencialmente TPS ilimitados com child chains Plasma bem desenhadas. Estas soluções Layer 2 melhoram a experiência do utilizador possibilitando transações instantâneas e de baixo custo, mantendo a segurança da blockchain Layer 1. A adoção e maturação destas soluções podem resolver os problemas fundamentais de escalabilidade, acelerando a adoção generalizada, já que os utilizadores deixam de ser prejudicados por confirmações lentas e taxas elevadas em períodos de alta procura.

No futuro, os ecossistemas blockchain de maior sucesso deverão adotar abordagens multi-camada, combinando protocolos Layer 1 otimizados com Layer 2 robustos para alcançar escalabilidade global sem perder segurança e descentralização. A investigação contínua em provas de conhecimento zero, optimistic rollups e protocolos de interoperabilidade indica que os desafios de escalabilidade, embora complexos, estão a ser resolvidos por inovação técnica.

Conclusão

As redes blockchain enfrentam desafios severos de escalabilidade devido às características fundamentais da sua tecnologia, como a distribuição dos nós, os requisitos de consenso e limites como o tamanho dos blocos. Por isso, muitas blockchains apresentam TPS baixos em comparação com sistemas centralizados e têm dificuldade em lidar com grandes volumes de transações, o que resulta em velocidades lentas, congestionamento e taxas elevadas em períodos de maior procura.

Para superar estas limitações, projetos blockchain estão a experimentar diversas soluções de escalabilidade adaptadas a casos de utilização e requisitos técnicos próprios. Contudo, os fatores que influenciam a escalabilidade têm relações interdependentes complexas, tornando difícil melhorar globalmente sem comprometer segurança, descentralização ou desempenho. O trilema da blockchain continua a ser o principal constrangimento no desenho de soluções de escalabilidade.

Exemplos de soluções disponíveis na camada de dados incluem abordagens on-chain como DAG e sharding, e soluções off-chain como side chains, child chains e protocolos interchain. Cada solução apresenta vantagens e desvantagens, posicionando-se em diferentes pontos do trilema da blockchain. Soluções on-chain mantêm garantias de segurança robustas mas podem comprometer descentralização ou enfrentar dificuldades de implementação, enquanto soluções off-chain permitem melhorias substanciais em escalabilidade, introduzindo maior complexidade e pressupostos de confiança.

No geral, o desenvolvimento da escalabilidade blockchain converge para abordagens promissoras, sobretudo o sharding para Layer 1 e tecnologias de canais de pagamento e rollups para Layer 2. A combinação destas soluções, aliada à investigação em novos consensos e técnicas criptográficas, indica que a escalabilidade evoluirá substancialmente nos próximos anos. À medida que estas soluções amadurecem e se disseminam, a blockchain poderá cumprir o seu potencial como base global para aplicações descentralizadas e sistemas financeiros, conciliando descentralização, segurança e desempenho esperado pelas infraestruturas digitais atuais.

Perguntas Frequentes

O que é a escalabilidade da blockchain e porque é relevante para as criptomoedas?

Escalabilidade significa processar mais transações com eficiência. É essencial para criptomoedas, pois uma maior escalabilidade aumenta a velocidade das transações e o throughput, facilitando a adoção e reduzindo o congestionamento.

Que desafios específicos de escalabilidade enfrentam atualmente Bitcoin e Ethereum?

Bitcoin e Ethereum têm velocidades de processamento lentas e taxas elevadas. Com o aumento de utilizadores, o congestionamento agrava-se, exigindo soluções Layer 2 e atualizações de protocolo para melhorar o throughput e reduzir custos.

O que são soluções Layer 2 (L2) e quais os exemplos, como Lightning Network e Rollups?

Layer 2 são protocolos off-chain que aumentam a velocidade e capacidade de transações. Lightning Network permite pagamentos rápidos por canais de pagamento; Rollups processam transações fora da cadeia e agrupam-nas on-chain, melhorando o throughput e reduzindo custos.

Como o Sharding melhora a escalabilidade da blockchain?

O sharding divide a blockchain em cadeias paralelas e menores para processamento simultâneo de transações. Cada shard valida transações de forma independente, aumentando o throughput e a velocidade, reduzindo o congestionamento e melhorando a escalabilidade.

Qual a diferença entre sidechains e mainnets e como contribuem para a escalabilidade?

Sidechains processam transações e cálculos secundários separadamente da mainnet, aliviando a sua carga. Esta divisão aumenta o throughput e a capacidade, permitindo que a rede lide com mais transações em simultâneo, mantendo segurança e descentralização.

Como a escalabilidade afeta a descentralização e segurança da blockchain?

Existem sempre compromissos. Layer 2 e sidechains mantêm segurança e aumentam o throughput sem comprometer a descentralização, mas validação excessivamente centralizada pode enfraquecer ambas. Uma escalabilidade bem desenhada preserva o modelo de segurança por provas criptográficas e consenso distribuído.

Que soluções de escalabilidade adotam projetos como Solana, Polygon e Arbitrum?

Solana utiliza Proof-of-History para alto throughput. Polygon aposta em Proof-of-Stake e sidechains. Arbitrum recorre a Optimistic Rollups como solução Layer 2 para aumentar a capacidade de transações e diminuir custos.