Validium

O Validium é uma solução de escalabilidade que impõe a integridade das transações usando provas de validade como os ZK-rollups, mas não armazena os dados das transações na Mainnet do Ethereum. Embora a disponibilidade de dados fora da cadeia introduza alguns compromissos, ela pode levar a melhorias massivas na escalabilidade (os validiums podem processar ~9.000 transações, ou mais, por segundo (opens in a new tab)).

Pré-requisitos

Você deve ter lido e entendido nossa página sobre escalabilidade do Ethereum e camada 2.

O que é validium?

Validiums são soluções de escala que usam a disponibilidade de dados off-chain e computação projetadas para melhorar a taxa de transferência processando transações fora da rede principal do Ethereum. Assim como os rollups de conhecimento zero (ZK-rollups), os validiums publicam para verificar transações fora da cadeia no Ethereum. Isso impede transições de estado inválidas e melhora as garantias de segurança de uma cadeia validium.

Essas "provas de validade" podem vir na forma de ZK-SNARKs (Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge) ou ZK-STARKs (Zero-Knowledge Scalable Transparent ARgument of Knowledge). Mais sobre provas de conhecimento zero (opens in a new tab).

Fundos pertencentes a usuários validium são controlados por um contrato inteligente no Ethereum. Os validiums oferecem saques quase instantâneos, assim como os ZK-rollups; uma vez que a prova de validade de uma solicitação de saque tenha sido verificada na Mainnet, os usuários podem sacar fundos fornecendo provas Merkle. A prova Merkle valida a inclusão da transação de retirada do usuário em um lote de transações verificadas, permitindo que o contrato onchain processe a retirada.

No entanto, usuários validium podem ter seus fundos congelados e retiradas restritas. Isso pode acontecer se os gerentes de disponibilidade de dados na rede validium retiverem dados de estado off-chain de usuários. Sem acesso a dados de transação, os usuários não podem calcular a prova de Merkle necessária para provar a propriedade de fundos e executar retiradas.

Esta é a maior diferença entre validiums e ZK-rollups: suas posições sobre o espectro de disponibilidade de dados. Ambas as soluções abordam o armazenamento de dados de forma diferente, o que tem implicações para a segurança e a não necessidade de confiança.

Como os validiums interagem com o Ethereum?

Validiums são protocolos de dimensionamento criados sobre a cadeia Ethereum existente. Embora execute transações off-chain, uma rede validium é administrada por uma coleção de contratos inteligentes implementados na rede principal, incluindo:

Contrato verificador: O contrato verificador verifica a validade das provas enviadas pelo operador do validium ao fazer atualizações de estado. Isso inclui provas de validade que atestam a exatidão das transações off-chain e provas de disponibilidade de dados verificando a existência de dados de transações off-chain.
Contrato principal: O contrato principal armazena compromissos de estado (raízes Merkle) enviados por produtores de bloco e atualiza o estado do validium assim que uma prova de validade for verificada na cadeia. Este contrato também processa tanto saques quanto depósitos para a cadeia validium.

Validiums também dependem da principal cadeia de Ethereum para o seguinte:

Liquidação

Transações executadas em um validium não podem ser totalmente confirmadas até que a cadeia pai verifique sua validade. Todos os negócios realizados em um validium devem eventualmente ser estabelecidos na rede principal. A blockchain Ethereum também fornece "garantias de liquidação" para usuários validium, o que significa que as transações off-chain não podem ser revertidas ou alteradas uma vez gravadas onchain.

Segurança

Ethereum, atuando como uma camada de liquidação, também garante a validade das transições de estado no validium. As transações off-chain executadas na cadeia de validium são verificadas através de um contrato inteligente na camada base do Ethereum.

Se o contrato do verificador on-chain considerar a prova inválida, as transações serão rejeitadas. Isto significa que os operadores devem satisfazer as condições de validade impostas pelo protocolo Ethereum antes de atualizar o estado do validium.

Como funciona o validium?

Transações

Os usuários enviam transações para o operador, um nó responsável por executar transações na cadeia de validium. Alguns validiums podem usar um único operador para executar a cadeia ou depender de um mecanismo de prova de participação (PoS) para rotacionar operadores.

O operador agrega as transações em um lote e envia para um circuito de prova para testar. O circuito de prova aceita o lote de transação (e outros dados relevantes) como entradas e produz como saída uma prova de validade verificando que as operações foram executadas corretamente.

Compromissos de estado

O estado do validium é em hash como uma árvore Merkle, com a raiz armazenada no contrato principal no Ethereum. A raiz de Merkle, também conhecida como a raiz do estado, atua como um compromisso criptográfico com o estado atual das contas e saldos no validium.

Para executar uma atualização de estado, o operador deve calcular uma nova raiz de estado (depois de executar transações) e enviá-la ao contrato on-chain. Se a prova de validade confirmar, o estado proposto é aceito e o validium muda para a nova raiz do estado.

Depósitos e saques

Os usuários movem fundos do Ethereum para um validium depositando ETH (ou qualquer token compatível com ERC) no contrato on-chain. O contrato transmite o evento de depósito para o validium off-chain, em que o endereço do usuário é creditado com um valor igual ao seu depósito. O operador também inclui esta transação de depósito em um novo lote.

Para mover os fundos de volta para a Mainnet, um usuário de validium inicia uma transação de retirada e a envia ao operador que valida o pedido de retirada e o inclui em um lote. Os ativos do usuário na cadeia de validium também são destruídos antes que eles possam sair do sistema. Uma vez que a prova de validade associada ao lote é verificada, o usuário pode chamar o contrato principal para retirar o restante do seu depósito inicial.

Como um mecanismo anticensura, o protocolo de validium permite que os usuários retirem diretamente do contrato de validium sem passar pelo operador. Neste caso, os usuários precisam fornecer uma prova Merkle para o contrato verificador mostrando a inclusão de uma conta na raiz do estado. Se a prova for aceita, o usuário poderá chamar a função de retirada principal do contrato para tirar seus fundos do validium.

Envio em lote

Após executar um lote de transações, o operador submete a prova de validade associada ao contrato verificador e propõe uma nova raiz do estado para o contrato principal. Se a prova for válida, o contrato principal atualizará o estado do validium e finalizará os resultados das transações do lote.

Ao contrário de uma ZK-rollup, produtores de blocos em um validium não são obrigados a publicar dados de transações para transação em lotes (apenas cabeçalhos do bloco). Isso torna o validium um protocolo de escalabilidade puramente fora da cadeia, em oposição aos protocolos de escalabilidade "híbridos" (ou seja, camada 2) que publicam dados de estado na cadeia principal do Ethereum usando dados blob, calldata ou uma combinação de ambos.

Disponibilidade de dados

Como mencionado, os validiums utilizam um modelo de disponibilidade de dados off-chain em que os operadores armazenam todos os dados de transação fora da rede principal do Ethereum. A baixa pegada de dados onchain do validium melhora o dimensionamento (a transferência não é limitada pela capacidade de processamento de dados do Ethereum) e reduz as taxas de usuário (o custo de publicação de calldata é menor).

No entanto, a disponibilidade de dados off-chain apresenta um problema: os dados necessários para a criação ou verificação de provas Merkle podem estar indisponíveis. Isto significa que os usuários podem não conseguir retirar fundos do contrato on-chain se os operadores agirem de forma maliciosa.

Várias soluções validium tentam resolver este problema descentralizando o armazenamento de dados do estado. Isso envolve forçar os produtores de blocos a enviar os dados subjacentes a "gerentes de disponibilidade de dados" responsáveis por armazenar dados off-chain e disponibilizá-los aos usuários a pedido.

Gerentes de disponibilidade de dados em validium atestam a disponibilidade de dados para transações off-chain, assinando todos os lotes de validium. Estas assinaturas constituem uma forma de "prova de disponibilidade" que o contrato verificador on-chain checa antes de aprovar atualizações de estado.

Validiums diferem em sua abordagem da gestão da disponibilidade de dados. Alguns dependem de partes confiáveis para armazenar dados de estado, enquanto outros usam validadores atribuídos aleatoriamente para a tarefa.

Comitê de disponibilidade de dados (DAC)

Para garantir a disponibilidade de dados off-chain, algumas soluções validium nomeiam um grupo de entidades confiáveis, coletivamente conhecido como um comitê de disponibilidade de dados (DAC), para armazenar cópias do estado e fornecer uma prova de disponibilidade de dados. Os DACs são mais fáceis de implementar e exigem menos coordenação, uma vez que a adesão é baixa.

No entanto, os usuários devem confiar no DAC para disponibilizar os dados quando necessário (por exemplo, para a geração de provas de Merkle). Existe a possibilidade de membros dos comitês de disponibilidade de dados serem comprometidos por um agente malicioso (opens in a new tab) que pode então reter os dados fora da cadeia.

Mais sobre comitês de disponibilidade de dados em validiums (opens in a new tab).

Disponibilidade de dados por vínculo

Outros validiums exigem que os participantes sejam cobrados com o armazenamento de dados offline para fazer staking (ou seja, bloquear) tokens em um contrato inteligente antes de assumir suas funções. Este stake serve como uma "obrigação" para garantir um comportamento honesto entre os gerentes de disponibilidade de dados e reduzir as suposições de confiança. Se esses participantes não conseguirem provar a disponibilidade de dados, o vínculo será reduzido.

Em um esquema de disponibilidade de dados vinculados, qualquer um pode ser atribuído para armazenar dados off-chain assim que eles fornecerem o stake necessário. Isto expande o pool de gestores de disponibilidade de dados elegíveis, reduzindo a centralização que afeta os comitês de disponibilidade de dados (DAC). Mais importante, essa abordagem depende de incentivos criptoeconômicos para evitar atividade maliciosa, que é consideravelmente mais seguro do que a nomeação de partes de confiança para proteger dados offline no validium.

Mais sobre disponibilidade de dados por vínculo em validiums (opens in a new tab).

Volitions e validium

Validiums oferecem muitos benefícios, mas também algumas desvantagens, principalmente com respeito à disponibilidade de dados. Mas, como em muitas soluções de dimensionamento, os validiums são adequados a casos de uso específicos. E é por isso que as volitions foram criadas.

Volitions combinam um ZK-rollup e uma cadeia validium e permitem que os usuários alternem entre as duas soluções de dimensionamento. Com volitions, os usuários podem aproveitar a disponibilidade de dados off-chain do validium para certas transações, mantendo a liberdade de mudar para uma solução de disponibilidade de dados on-chain (ZK-rollup), se necessário. Isto essencialmente dá aos usuários a liberdade de escolherem do que abrir mão ou não de acordo com as circunstâncias únicas deles.

Uma exchange descentralizada (DEX) pode preferir usar uma infraestrutura validium dimensionável e particular para negociações de alto valor. Também pode usar uma ZK-rollup para usuários que queiram maiores garantias de segurança e sem necessidade de confiança de um ZK-rollup.

Validiums e compatibilidade com a EVM

Como os ZK-rollups, os validiums são geralmente adequados a aplicativos simples, como swaps de tokens e pagamentos. Suportar computação geral e execução de contratos inteligentes entre validiums é difícil de implementar, dada a sobrecarga considerável de provar instruções da EVM em um circuito de prova de conhecimento zero.

Alguns projetos de validium tentam contornar este problema compilando linguagens compatíveis com EVM (por exemplo, Solidity, Vyper) para criar bytecode personalizado otimizado para uma prova eficiente. Uma desvantagem desta abordagem é que novas VMs amigáveis a conhecimento zero podem não suportar importantes opcodes EVM, e os desenvolvedores devem escrever diretamente na linguagem geral para uma experiência ideal. Isso cria ainda mais problemas: força os desenvolvedores a desenvolver dapps com uma pilha de desenvolvimento inteiramente nova e quebra a compatibilidade com a atual infraestrutura do Ethereum.

Algumas equipes, no entanto, estão tentando otimizar opcodes de EVM existentes para os circuitos de prova ZK. Isto resultará no desenvolvimento de uma Máquina Virtual Ethereum de conhecimento zero (zkEVM), uma VM compatível com EVM que produz provas para verificar a exatidão da execução do programa. Com um zkEVM, as redes de validium podem executar contratos inteligentes off-chain e submeter provas de validade para verificar uma computação off-chain (sem ter que executá-lo novamente) no Ethereum.

Mais sobre zkEVMs (opens in a new tab).

Como os validiums dimensionam o Ethereum?

1. Armazenamento de dados fora da cadeia

Projetos de escalabilidade de camada 2, como optimistic rollups e ZK-rollups, trocam a escalabilidade infinita de protocolos de escalabilidade puramente fora da cadeia (por exemplo, Plasma) por segurança, publicando alguns dados de transação na L1. Mas isso significa que as propriedades de escalabilidade dos rollups são limitadas pela largura de banda de dados na Mainnet do Ethereum (a fragmentação de dados propõe melhorar a capacidade de armazenamento de dados do Ethereum por esse motivo).

Os validiums alcançam escalabilidade mantendo todos os dados de transação off-chain e apenas publicando compromissos do estado (e provas de validade) ao transmitir atualizações de estado para a rede principal do Ethereum. A existência de provas de validade, no entanto, dá aos validiums garantias de segurança mais altas do que outras soluções de escalabilidade puramente fora da cadeia, incluindo Plasma e sidechains. Ao reduzir a quantidade de dados que o Ethereum precisa processar antes de validar transações off-chain, os projetos de validium aumentam muito a taxa de transferência na Mainnet.

2. Provas recursivas

Uma prova recursiva é uma prova de validade que verifica a validade de outras provas. Essas "prova de provas" são geradas recursivamente agregando várias provas até que uma última prova que verifica todas as provas anteriores seja criada. As provas recursivas aumentam a velocidade de processamento da blockchain aumentando o número de transações que podem ser verificadas por prova de validade.

Normalmente, cada prova de validade que o operador validium submete para o Ethereum para verificação valida a integridade de um único bloco. Uma única prova recursiva pode ser usada para confirmar a validade de vários blocos validium ao mesmo tempo, e isso é possível porque o circuito de prova pode recursivamente agregar várias provas de bloco em uma prova final. Se o contrato verificador on-chain aceitar a prova recursiva, todos os blocos subjacentes serão finalizados imediatamente.

Prós e contras do validium

Prós	Desvantagens
Provas de validade reforçam a integridade das transações off-chain e impedem que os operadores finalizem atualizações de estado inválidas.	Produzir provas de validade requer hardware especial, o que representa um risco de centralização.
Aumenta a eficiência do capital para os usuários (sem atrasos na retirada dos fundos para o Ethereum)	Suporte limitado para computação geral/contratos inteligentes; linguagens especializadas necessárias para desenvolvimento.
Não vulnerável a certos ataques econômicos enfrentados por sistemas baseados em fraudes em aplicativos de elevado valor.	Alto poder computacional necessário para gerar provas ZK; a relação custo-benefício não é vantajosa para aplicativos de baixa taxa de transmissão.
Reduz as taxas de gás para os usuários ao não publicar calldata para a rede principal do Ethereum.	Tempo de finalidade subjetiva mais lento (de 10 a 30 minutos para gerar uma prova de ZK), porém mais rápido para a finalidade completa porque não há nenhum atraso no tempo de disputas.
Adequado para casos de uso específicos, como trading ou jogos de blockchain que priorizam a privacidade de transações e o dimensionamento.	Usuários podem ser impedidos de sacar fundos já que a geração de provas de propriedade Merkle requer que dados off-chain estejam disponíveis em todos os momentos.
A disponibilidade de dados off-chain fornece níveis mais elevados de transferência e aumenta a escalabilidade.	O modelo de segurança se baseia em suposições de confiança e incentivos criptoeconômicos, ao contrário dos ZK-rollups, que dependem apenas de mecanismos de segurança criptográficos.

Use Validium/Volitions

Vários projetos fornecem implementações de validium e volitions que você pode integrar aos seus dapps:

StarkWare StarkEx - StarkEx é uma solução de escalabilidade de camada 2 (L2) do Ethereum que se baseia em provas de validade. Pode operar em modos de disponibilidade de dados ZK-Rollup ou Validium.

Matter Labs zkPorter- O zkPorter é um protocolo de escalabilidade de camada 2 que lida com a disponibilidade de dados com uma abordagem híbrida que combina as ideias de zkRollup e fragmentação. Pode suportar arbitrariamente muitos shards, cada um com sua própria política de disponibilidade de dados.