Como funcionam os optimistic rollups (o guia completo)

Considerada uma ideia marginal no passado, a Ethereum—a primeira plataforma de smart contracts do mundo—cresceu consideravelmente ao longo dos anos, e hoje hospeda quase 3.000 aplicações descentralizadas, mais de 4.000 smart contracts e mais de 90.000 transações diárias.

Mas o aumento de atividade na Ethereum trouxe um custo: escalabilidade.

Limites no tamanho dos blocos e no tempo entre blocos, embora necessários para a descentralização e a segurança, reduzem a capacidade da Ethereum de escalar e aceitar mais usuários. O resultado é um conjunto de problemas familiares à maioria dos usuários da Ethereum—altas taxas de gas e transações lentas.

Escalar a Ethereum com segurança exige aumentar sua capacidade de escalar o throughput e a latência da rede sem introduzir pressupostos de confiança. É isso que várias soluções de escalabilidade, como Rollups e sidechains de Layer 2, tentam fazer.

Este artigo explora os Optimistic Rollups (ORUs), uma classe de soluções de Rollup L2 projetadas para tornar o uso da Ethereum mais barato e rápido.

O que são optimistic rollups?

Optimistic rollups são uma construção de layer 2 (L2) que melhora o throughput e a latência na camada base da Ethereum movendo a computação e o armazenamento de dados para fora da chain. Um optimistic rollup processa transações fora da Ethereum Mainnet, reduzindo o congestionamento na camada base e melhorando a escalabilidade.

O rótulo "optimistic" aponta para uma característica distintiva dos optimistic rollups: eles publicam pouca informação sobre as transações on-chain e assumem automaticamente que todas as transações são válidas. São chamados de "rollups" porque agregam ("enrolam") milhares de transações em lotes antes de submetê-las na Mainnet.

A arquitetura de um optimistic rollup

1. Entrando no optimistic rollup

Optimistic rollups usam smart contracts implantados na Ethereum para gerenciar a interação entre a chain L2 e a blockchain L1 (Ethereum). Os usuários do rollup precisam depositar fundos em um desses smart contracts antes de terem uma quantia equivalente desbloqueada no rollup.

Um terceiro, conhecido como sequencer, credita ao usuário os fundos no rollup após receber a prova do depósito deste último no contrato do rollup. O usuário fica então livre para transacionar no rollup até esgotar seu saldo.

2. Usando o optimistic rollup

No rollup, os usuários assinam transações e as submetem ao sequencer, responsável por ordenar e executar as transações. O sequencer verifica as transações, comprime os dados em um bloco e submete o lote à Ethereum como uma única transação.

Esta é outra área em que o contrato do rollup entra em cena. O contrato on-chain armazena um "state root", que é uma raiz Merkle do estado do rollup. Vamos detalhar isso:

State

State é um conceito que se refere às informações disponíveis sobre uma rede em um ponto específico no tempo. O "state do rollup" descreve a condição atual da chain L2 e especifica detalhes, como contas existentes, saldos, smart contracts, e assim por diante.

Toda transação realizada no rollup causa uma mudança em seu state—por exemplo, os saldos de Alice diminuirão depois que ela enviar 5 ETH para Bob. Assim, as transações são chamadas de state transitions, já que o rollup passa de um state antigo para um novo state após executar uma transação.

Merkle root

Um Merkle root permite que os usuários codifiquem grandes quantidades de informação usando hashes criptográficos. Os Merkle roots também facilitam verificar se um dado (por exemplo, uma transação) faz parte de um conjunto de dados maior (por exemplo, um lote de transações).

Portanto, o "state root" armazenado no contrato do rollup é um compromisso criptográfico que verifica o status do rollup em diferentes pontos no tempo. Quando um sequencer submete um lote de transações ao contrato do rollup, deve incluir um state root pré e um state root pós.

1. Pre-state root: O state root antigo, que descreve a condição do rollup antes de as transações submetidas serem executadas.

2. Post-state root: O novo state root, que descreve a condição do rollup depois de as transações submetidas serem executadas.

Assim que o sequencer submete o lote, o contrato verifica se o pre-state root corresponde ao state root existente. Se os dois coincidirem, o contrato descarta o state root antigo e armazena o novo state root proposto pelo sequencer.

Isso significa que as transações referenciadas no post-state root se tornam finais e não podem ser revertidas. Observe que o sequencer não precisa submeter prova da validade das transações em lote.

O único momento em que uma prova é exigida é se um verificador reportar uma transação fraudulenta do rollup usando um fraud proof. Explicaremos a mecânica de um fraud proof em uma seção posterior deste artigo.

3. Saindo do optimistic rollup

Digamos que Alice (a usuária) já teve o suficiente desse negócio de rollup e quer sacar seus fundos do contrato do rollup na Ethereum Mainnet. Para isso, ela precisa de uma prova Merkle que—sim, você adivinhou—comprove que sua transação está incluída no state root do rollup.

Construir a prova Merkle requer acesso aos dados iniciais da transação, que se espera que o sequencer forneça. Se tudo correr bem, Alice obtém os dados, cria a prova Merkle e a submete ao contrato do rollup.

Mas depender do sequencer para fornecer os dados da transação introduz pressupostos de confiança. Um sequencer poderia agir de má-fé, executar uma transação transferindo o token de Alice para sua própria carteira e negar a ela os dados necessários para provar a propriedade dos fundos. Mesmo algo menos malicioso, como um sequencer ficar offline, ainda pode ameaçar a descentralização e a segurança dos optimistic rollups.

Optimistic rollups resolvem esse problema exigindo que os sequencers publiquem os dados completos da transação na camada de execução principal da Ethereum. Essa informação é publicada na Ethereum Mainnet como "calldata", o que é mais barato do que armazená-la na memória ou no storage da Ethereum Virtual Machine (reduzindo ainda mais as taxas do rollup).

Isso alcança dois objetivos:

1. Se um sequencer ficar offline, outro sequencer pode usar os dados da transação para reconstruir o state do rollup e continuar produzindo blocos.

2. Alice (a usuária) pode baixar os dados ela mesma e usá-los para criar uma prova Merkle.

O uso de disponibilidade de dados on-chain é o que torna os optimistic rollups consideravelmente mais seguros do que outras soluções de escalabilidade. Com os dados da transação armazenados na Ethereum, os fundos do usuário estão sempre seguros—desde que a Ethereum permaneça operacional.

Então, de uma forma ou de outra, Alice consegue criar uma prova Merkle para comprovar a propriedade dos fundos. No entanto, ela precisa aguardar o término do período de disputa antes de sacar seus fundos. Em optimistic rollups, o período de disputa é um intervalo de 1 a 2 semanas entre a submissão de um pedido de saque e o recebimento dos fundos solicitados.

Durante esse período, qualquer pessoa pode publicar um fraud proof alegando que uma determinada transação, ou lote de transações, é inválida. Se o fraud proof for bem-sucedido, o bond do sequencer (fornecido como garantia de comportamento honesto) é cortado (slashed), os "fundos" de Alice são revertidos, e o "denunciante" (chamado de verificador) é recompensado por seus esforços.

Se ninguém contestar o pedido de saque de Alice, ela poderá obter seus fundos do contrato do rollup após 1 a 2 semanas.

O que é um fraud proof?

Um fraud proof é uma alegação de que uma state transition (ou seja, uma transação) é inválida e que o lote inteiro deve ser revertido como resultado. Embora complexos, os fraud proofs dependem fortemente dos state roots (mencionados anteriormente) para funcionar.

O processo começa quando uma parte (verificador) detecta uma incompatibilidade entre o state do rollup referenciado no state root na chain L1 e o state real da chain do rollup.

Um exemplo seria o sequencer submeter um post-state root que reduz o saldo de Alice em 5 ETH e aumenta o saldo de Bob na mesma quantia, mesmo que Alice nunca tenha realizado uma transferência.

O verificador pode "desafiar" essa state transition e provar sua invalidade. Isso é possível porque o verificador baixa os dados de cada transação, os aplica à sua própria cópia do state do rollup e calcula o post-state root.

Se o post-state root do sequencer corresponder ao do verificador, nada acontece. Se, no entanto, o post-state root do sequencer for diferente—provavelmente porque inclui uma transação falsa, como a descrita no caso de Alice—então o verificador pode acionar um cálculo de fraud proof.

Como funcionam os fraud proofs?

Aqui está uma descrição de alto nível do processo de fraud proof:

1. O verificador inicia um desafio e fornece as seguintes informações:

   a. A state transition contestada

   b. O pre-state root

   c. Os dados de state do rollup

   d. Sua versão do post-state root.

   2. A transação é reproduzida em um ambiente isolado (sandbox) na chain L1, usando, entre outras coisas, as informações fornecidas pelo desafiante.

Esse "ambiente isolado" é um smart contract rodando na Ethereum, que funciona também como uma máquina virtual (VM).

3. Se o cálculo resultar em um post-state root correspondente ao do desafiante, então sabemos que o sequencer de fato publicou um lote com uma state transition inválida.

O lote inválido (e outros) publicados posteriormente serão revertidos, restaurando o rollup ao seu state anterior.

Vale notar que o mecanismo de fraud proof é mais complexo do que descrito aqui.

Este artigo sobre fraud proofs em rollups pode fornecer algum contexto adicional.

Qual é a diferença entre fraud proofs e validity proofs?

Um fraud proof é diferente de um validity proof principalmente porque é calculado on-chain. Validity proofs (também chamados de zero-knowledge proofs) são calculados off-chain (ou seja, no rollup) e verificados na Ethereum.

Como explicado em nosso artigo comparando diferentes tipos de zero-knowledge proofs, um validity proof, como um SNARK ou STARK, é usado para provar a validade de transações realizadas off-chain. Esta é a base de um zero-knowledge rollup.

Em um ZK-rollup, um validity proof é produzido para cada lote usando os dados da transação como entrada. Esse validity proof é submetido junto com o lote à Ethereum Mainnet e verificado por um contrato on-chain. Isso significa que as transações podem ser declaradas válidas imediatamente, sem esperar por um desafio (como acontece com optimistic rollups).

Outra diferença entre fraud proofs e ZK proofs é que estes últimos são um pouco mais fáceis de verificar on-chain. Tudo o que o smart contract precisa fazer é executar o validity proof para determinar a validade das transações em lote. Com um fraud proof, toda a state transition precisa ser reproduzida antes de concluir o cálculo do fraud proof.

Quais são as diferenças entre optimistic rollups e zk rollups?

A principal diferença entre optimistic rollups e ZK rollups vem do suporte dos primeiros a smart contracts, saques com atraso, dependência de incentivos criptoeconômicos e propriedades de segurança.

Aqui está uma comparação detalhada entre optimistic rollups e ZK rollups:

Quais são as principais blockchains de optimistic rollup?

As principais blockchains de optimistic rollup são Arbitrum, Optimism, Metis Andromeda e Boba Network em termos de Total Value Locked (TVL). Abaixo está uma visão geral dos diferentes optimistic rollups (ORUs):

1. Arbitrum

Arbitrum é um projeto de optimistic rollup criado para melhorar os custos e a velocidade das transações dos usuários na Ethereum, movendo a computação e o armazenamento de dados para fora da chain. A Arbitrum Virtual Machine (AVM) suporta smart contracts compatíveis com EVM, permitindo que os usuários usem seus aplicativos favoritos por uma fração dos custos da Ethereum.

2. Optimism

Optimism é uma chain de optimistic rollup compatível com EVM que aproveita as garantias de segurança da Ethereum. Optimism usa uma construção de optimistic rollup (OR) para agrupar milhares de transações off-chain e economizar em taxas de gas para os usuários.

3. Metis andromeda

Metis Andromeda é um protocolo L2 escalável, de baixo custo e funcional, baseado em optimistic rollups. A stack exclusiva da Metis Andromeda pode ser aplicada a diferentes casos de uso, incluindo aplicativos, DAOs e DeFi.

4. Boba network

Boba Network é uma L2 da Ethereum que escala o throughput com designs de optimistic rollup. A Boba Network oferece um serviço de Liquidity Provider (LP) que permite aos usuários sacar fundos imediatamente, sem precisar esperar o período de desafio de sete dias.

Quais blockchains ou projetos optimistic possuem tokens?

Os seguintes projetos de optimistic rollup têm tokens:

• Optimism (OP)
• Boba Network (BOBA)
• Metis Andromeda (METIS)

Ferramentas de optimistic rollup

Optimistic rollups são soluções úteis para escalar aplicativos e interagir com smart contracts de forma mais econômica e eficiente. Mas, antes, você vai precisar de várias ferramentas para usar optimistic rollups com facilidade e segurança.

Aqui estão várias ferramentas de optimistic rollup para desenvolvedores e usuários finais:

Bridges cross-chain para blockchains optimistic de layer 2

Embora os optimistic rollups sejam construídos sobre a camada base da Ethereum, os ativos nas duas chains não são nativamente compatíveis. No entanto, você pode transferir fundos de uma chain L1, como a Ethereum, para um optimistic rollup usando bridges cross-chain:

Aqui estão exemplos de bridges conectando chains L1 e diferentes rollups L2:

Bridges de e para Arbitrum

• Arbitrum Token Bridge
• cBridge
• Hop Protocol
• Synapse Protocol
• Anyway Bridge
• DeGate Bridge

Bridges de e para Optimism

• Connext
• Celer Bridge
• Li.Fi
• Optimism Bridge
• Poly Network
• Via Protocol
• Synapse Protocol
• Across

Bridges de e para metis andromeda

• Metis Bridge
• cBridge
• AnySwap
• Synapse Protocol

Bridges de e para boba network

• Across
• Boba Standard Token Bridge/Fast Token Bridge
• cBridge
• Synapse Protocol

Testnets de optimistic rollup

Uma testnet é uma rede blockchain pública que simula o comportamento de uma rede principal associada (Mainnet). Testnets não usam fundos reais, ao contrário de uma blockchain real, permitindo que desenvolvedores implantem e testem smart contracts com risco mínimo.

Optimism e Arbitrum fazem testes contra a testnet atual da Ethereum, Sepolia. Testnets de rollup mais antigas, no Kovan e Rinkeby, foram descontinuadas.

Conclusão

Optimistic rollups são uma parte importante dos esforços para escalar a Ethereum usando arquitetura de layer 2. Optimistic rollups se apoiam na segurança e descentralização da Ethereum, oferecendo ao mesmo tempo taxas mais baratas e transações mais rápidas.

A Alchemy oferece suporte a dois projetos líderes baseados em optimistic rollups, Arbitrum e Optimism. Cadastre-se gratuitamente hoje e veja como você pode escalar seu dApp com optimistic rollups baseados em Ethereum.

Perguntas frequentes

O que são optimistic rollups?

Optimistic rollups são soluções de escalabilidade de layer 2 que melhoram o throughput e a latência da Ethereum movendo a computação e o armazenamento de dados para fora da chain, assumindo que todas as transações são válidas, a menos que sejam contestadas.

Como depositar fundos em um optimistic rollup?

Os usuários depositam fundos em smart contracts implantados na Ethereum, e um sequencer credita a eles quantias equivalentes no rollup após receber a prova do depósito.

O que é o período de desafio em optimistic rollups?

O período de desafio é um intervalo de 1 a 2 semanas após a submissão de um pedido de saque, durante o qual qualquer pessoa pode publicar um fraud proof para contestar transações inválidas antes que os fundos possam ser sacados.

Qual é o papel do sequencer?

O sequencer ordena e executa transações, comprime os dados das transações em blocos, submete lotes à Ethereum como transações únicas e credita fundos aos usuários após os depósitos.

Qual é a diferença entre optimistic rollups e ZK rollups?

Optimistic rollups assumem que as transações são válidas e usam fraud proofs apenas quando contestadas, enquanto ZK rollups usam validity proofs para cada lote e permitem saques imediatos sem períodos de espera.

O que é um fraud proof?

Um fraud proof é uma alegação de que uma state transition é inválida, acionada quando um verificador detecta uma incompatibilidade entre o state do rollup e submete evidências para reverter o lote fraudulento.

Por que optimistic rollups têm atrasos no saque?

O atraso de 1 a 2 semanas no saque dá tempo para que os verificadores detectem e contestem quaisquer transações fraudulentas antes que os fundos sejam liberados do contrato do rollup.

Quais são as principais blockchains de optimistic rollup?

As principais blockchains de optimistic rollup por Total Value Locked são Arbitrum, Optimism, Metis Andromeda e Boba Network.