Dados mostram que a rede Lightning do Bitcoin resolveu o problema de escalabilidade

Este é um editorial de opinião de Stanislav Kozlovski, engenheiro de software e pesquisador macroeconômico.

Muitos Bitcoiners já ouviram falar da “falta de escalabilidade” do Bitcoin – é uma das críticas mais comuns feitas contra o projeto por concorrentes gulosos de criptomoedas e agentes estabelecidos.

Alguns veteranos podem se lembrar das acaloradas e controversas guerras de blocos de 2015 a 2017 que, auxiliadas por membros da indústria, visavam superficialmente fazer o Bitcoin escalar para mais transações, aumentando o tamanho máximo do bloco e, ao fazer isso, quase estabeleceu um precedente e mudou de bitcoin curso futuro para sempre.

Ambas as questões acabarão sendo deixadas do lado errado da história. Nesta peça, mostraremos como a Lightning Network aborda os problemas de escalabilidade do Bitcoin e, sem dúvida, prova que a decisão do bloco pequeno foi a correta.

Limitações e escolhas da camada de base

Antes de entendermos o que a Lightning Network está resolvendo, devemos primeiro entender qual é o problema inerente. Simplificando: você não pode escalar um blockchain para validar as transações do mundo inteiro de forma descentralizada.

Os blockchains sofrem de uma limitação inerente que os obriga a negociar entre três qualidades - uma qualidade de seu sistema deve substituir as outras duas. Conforme ilustrado acima, um blockchain pode ter apenas duas dessas três qualidades de forma confiável:

• Descentralizado: não controlado por nenhum partido único ou por um pequeno número de elites
• Escalável: escala para um número suficiente de transações
• Seguro: não é fácil atacar e quebrar seus invariantes

Vale a pena notar que todas essas características estão em espectros separados e complexos. Por exemplo, você não se torna “seguro” acima de um determinado limite, é muito dependente no caso de uso e muitas características diferentes.

Bitcoin é lento por um motivo. Ele optou explicitamente por otimizar as seções de “segurança” e “descentralização” do trilema, deixando a “escalabilidade” (transações por segundo) de lado.

A principal percepção é que, assim como a internet e o sistema financeiro de hoje, é mais ideal abranger todo o sistema de camadas separadas, onde cada camada é otimizada e usada para coisas diferentes.

Bitcoin, a camada base, é um livro-razão público replicado globalmente – cada transação é transmitida para todos os participantes da rede. É evidente que não se pode praticamente escalar tal livro-razão para acomodar a crescente taxa de transações do mundo inteiro. Além de ser impraticável e prejudicial à privacidade, suas desvantagens superam amplamente seus benefícios insignificantes.

Antigamente, havia uma grande guerra civil entre a comunidade online sobre o que o Bitcoin deveria fazer para aumentar sua capacidade de processamento de transações. Há grande e irritante controvérsia nesta história e é em grande parte o que moldou o Bitcoin para permanecer o que é hoje - um movimento de base, de baixo para cima, onde as pessoas comuns (plebs), em conjunto uns com os outros, ditam as regras da rede.

"A guerra de tamanho de blocos” de Jonathan Bier ilustra a batalha entre os apoiadores da rede descentralizada que desejam o melhor para a viabilidade de longo prazo da rede e a ganância e a propaganda perpetuadas pelos principais players e corporações para promover suas próprias agendas de ganho de poder e busca de lucro.

Para encurtar a história, o Bitcoin foi bifurcado em um fork com falha chamado “Bitcoin Cash”.

O carinha acabou vencendo - o Bitcoin não apressou nenhuma escolha de design ruim que comprometeria sua descentralização, segurança ou resistência à censura. A decisão foi efetivamente tomada para dimensionar o Bitcoin por meio de camadas, introduzindo segundas camadas que funcionam separadamente do Bitcoin e verificam seu estado para a rede principal, mais lenta, mas mais segura.

Em contraste, o fork evidentemente malsucedido do Bitcoin Cash sacrificou todas as esperanças de descentralização aumentando seu tamanho de bloco para 32 megabytes, 32 vezes mais que o Bitcoin, por um mero máximo de 50 pagamentos por segundo na cadeia básica.

Tamanho do bloco

Cada bloco Bitcoin tem um limite de tamanho e isso denota o limite superior de quantas transações podem existir dentro de um bloco. Se a demanda crescer para ultrapassar a quantidade de transações que um bloco pode ter, o bloco fica cheio e as transações não são confirmadas no mempool. Os usuários começam a superar uns aos outros por meio da taxa de transação ajustável para que sua transação seja incluída pelos mineradores, que são incentivados a escolher as transações de maior pagamento.

Uma solução ingênua para isso seria simplesmente aumentar o limite de tamanho do bloco — ou seja, permitir que mais transações sejam incluídas em um bloco. Os efeitos colaterais negativos disso são sutis o suficiente para que até os intelectuais como Elon Musk cometer o erro de sugeri-lo.

Aumentar o tamanho do bloco tem efeitos de segunda ordem que diminuem a descentralização da rede. À medida que o tamanho do bloco aumenta, o custo para executar um nó na rede aumenta.

No Bitcoin, cada nó precisa armazenar e validar cada transação. Além disso, a referida transação deve ser propagada para os pares do nó, o que multiplica os requisitos de largura de banda da rede para suportar mais transações. Quanto mais transações, mais os requisitos de processamento (CPU) e armazenamento (disco) da rede crescem para cada nó. Como a execução de um nó não gera benefícios financeiros, o incentivo para executar um diminui desproporcionalmente quanto mais caro for.

Para colocar em números, se o Bitcoin for escalar para os supostos níveis de capacidade de pico da Visa (Transações 24,000 por segundo) um nó precisaria de 48 megabytes por segundo apenas para receber as transações pela rede. O mapa a seguir mostra a velocidade média da Internet no mundo:

Como você pode ver, uma grande parte da velocidade média mundial os excluiria da capacidade de executar um nó nessas condições. Observe que a velocidade média implica que muitos são ainda mais baixos do que o referido limite. Além disso, não leva em conta o fato de que um usuário teria outros usos para sua largura de banda - poucas pessoas altruístas dedicariam 50% de sua largura de banda à Internet para um nó Bitcoin.

Mais importante, a quantidade de dados que isso geraria tornaria praticamente impossível para qualquer pessoa armazená-los - resultaria em 518 gigabytes de dados por dia ou 190 terabytes de dados por ano.

Além disso, a criação de um novo nó exigiria o download de todos esses petabytes de dados e a verificação de cada assinatura - ambos os quais fariam com que um novo nó levasse muito tempo (anos) para ser criado.

E para piorar a situação, 24,000 transações por segundo não constituem uma rede global de pagamentos verdadeiramente única por si só. A Visa não é a única rede de pagamentos do mundo, e o mundo está cada dia mais interconectado.

Rede Relâmpago 101

A Rede Lightning é um rede de segunda camada separada que funciona no topo da rede Bitcoin principal. Simplificando, ele agrupa as transações Bitcoin.

Para acessá-lo, você precisa executar seu próprio nó ou usar o de outra pessoa. A rede tem dois conceitos que vale a pena entender para os propósitos aqui:

• A nó relâmpago: software separado que se comunica entre si e constitui uma nova rede peer-to-peer.
• Canais: uma conexão aberta entre dois Nós do Lightning, permitindo que os pagamentos fluam entre eles.

Um canal é literalmente uma transação da camada de base Bitcoin, ancorando o canal à cadeia segura.

Uma vez que dois nós abrem um canal entre si, os pagamentos começam a fluir entre eles. Cada pagamento subseqüente modifica o estado do canal, revogando criptograficamente o antigo e verificando o novo na memória e no disco de ambos os nós, mas criticamente, não para a cadeia de base.

Os canais podem e, na minha opinião, idealmente devem permanecer abertos por muito tempo (por exemplo, um ano ou mais). Se os nós decidirem fechar seu canal, seu saldo mais recente após todos os pagamentos fora da cadeia é restaurado para suas carteiras originais. Isso é protegido criptograficamente por contratos de bloqueio de tempo com hash (HTLC) e assinaturas digitais, que não entraremos em detalhes para os fins deste artigo.

Isso permite agrupar bilhões de pagamentos em duas transações on-chain - uma para abrir o canal e outra para fechá-lo. Depois que um pagamento é concluído, é indiscutível qual é o saldo mais recente entre todas as partes (assumindo que os nós armazenam redundantemente seus pontos de verificação de canal).

Criticamente, não é necessário estar conectado diretamente a outra parte para pagá-los - os canais podem ser usados ​​por outros nós da rede para aumentar sua acessibilidade. Em outras palavras, se Alice está conectada a Bob e Bob está conectado a Caroline, Alice e Caroline podem pagar uma à outra através de Bob.

Escalabilidade do Lightning

Como provaremos agora, a Lightning Network já é dimensionada para suportar 16,264 transações por segundo hoje e, portanto, resolve o problema de escalabilidade, preservando todos os benefícios que o Bitcoin tem a oferecer - permissão, escassez, soberania do usuário, portabilidade, verificabilidade, descentralização e resistência à censura.

Para que um pagamento passe pela rede, ele geralmente precisa passar por vários canais de pagamento. Para responder quantos pagamentos a rede pode fazer em um segundo, precisamos entender quantos um canal médio suporta.

As estatísticas mostram que o pagamento médio gira em torno de três canais.

A números de referência que usaremos para esta análise tem capacidade de throughput por nó, não por canal. Portanto, assumiremos incorretamente que cada nó possui apenas um canal. Diz-se que o nó LND padrão é capaz de fazer 33 pagamentos por segundo com uma máquina decente (8 vCPUs, 32 GB de memória) de acordo com o benchmark.

Com o 16,266 nós na rede (a partir de novembro de 2022), supondo que cada pagamento tenha que passar por três canais (quatro nós), a rede deve ser capaz de atingir cerca de 134,194 pagamentos por segundo.

Ou seja, cada pagamento tem que passar por um grupo de quatro nós, e existem 4,066 desses grupos únicos na rede. Assumindo que cada nó pode fazer 33 pagamentos por segundo, multiplicamos 4,066 por 33 para chegar a 134,194.

Agora, para ser realista: nem todo nó está executando uma máquina como a do benchmark - muitos estão simplesmente correndo em um Raspberry Pi. Felizmente, não é preciso muito para vencer os sistemas de pagamento atuais.

Relâmpago vs. Pagamentos Tradicionais

Encontrar números autênticos sobre a capacidade de pico dos sistemas de pagamento tradicionais é difícil, por isso contaremos com sua taxa média de pagamento ao longo do ano financeiro de 2021. Vamos comparar isso com a capacidade teórica do Lightning, porque, inversamente, obter a taxa média de pagamentos no Lightning é impossível devido à sua natureza privada e também não revela capacidade porque a demanda por pagamentos do Lightning ainda é relativamente baixa. Essa comparação nos dará uma ideia de quantos pagamentos um nó de iluminação precisa ser capaz de rotear para superar o financiamento tradicional.

Visa serra 165 bilhões de pagamentos em 2021, PayPal viu 19.3 bilhões de pagamentos em toda a sua plataforma e o FedWire viu 204 milhões. Respectivamente, isso equivale a 7,372, 612 e 6.5 pagamentos por segundo em média para 2021. Para colocar em perspectiva, o Bitcoin fez 2.44 pagamentos por segundo em 2021 e escala até um máximo de sete por segundo.

Os números são promissores - é preciso que cada nó do Lightning seja capaz de fazer apenas quatro pagamentos por segundo para vencer as atuais redes de pagamento em pelo menos duas vezes. Nessa taxa, 4,066 grupos únicos de quatro nós podem atingir 16,264 pagamentos por segundo — 2.2 vezes mais do que o maior concorrente, a Visa.

Para piorar as coisas para as redes de pagamento tradicionais, a taxa média de transação do Lightning é 13 vezes menos o de Visa - 0.1% comparado com 1.29%.

Vale lembrar que sempre é possível continuar a escalar a Lightning Network criando novos nós. Por ser ponto a ponto, sua escalabilidade é teoricamente ilimitada, desde que os nós da rede cresçam.

Além disso, o benchmark acima mencionado da Bottlepay argumenta que não há bloqueadores técnicos reais para que as implementações de nós do Lightning cheguem a 1,000 pagamentos por segundo. Em tal número, a rede atual o throughput ficaria mais próximo de quatro milhões por segundo, sem contar o que seria com o aumento do número de nós.

E por último, vale lembrar que o Lightning Network ainda é um software muito imaturo e tem uma boa quantidade de otimizações futuras a serem feitas, tanto no protocolo quanto em suas implementações. Os recursos em termos de desenvolvedores são a única restrição de curto prazo para aumentar a escalabilidade, que vem justamente em segundo lugar em questões mais importantes, como confiabilidade.

Para dar uma noção do progresso lá, A River Financial compartilhou recentemente que sua taxa de sucesso de pagamento é de 98.7% em um tamanho médio de $ 46, o que é surpreendentemente melhor do que os primeiros dados publicamente disponíveis que pôde encontrar a partir de 2018, onde as transações de US$ 5 falhavam 48% das vezes.

Conclusão

Nesta peça, expusemos todas as desvantagens negativas de dimensionar o blockchain Bitcoin através do aumento do tamanho do bloco da camada base, comprometendo severamente sua descentralização e, finalmente, falhando em atingir seu objetivo de alcançar a imensa escalabilidade necessária para as demandas de uma rede global de pagamentos. tem e continuará a ter cada vez mais no futuro.

Mostramos que a Lightning Network, como uma solução de segunda camada, resolve de maneira mais elegante o problema de escalabilidade, preservando todos os benefícios do Bitcoin e, ao mesmo tempo, dimensionando-o muito além do que qualquer solução de camada básica promete.

Este é um post de convidado de Stanislav Kozlovski. As opiniões expressas são inteiramente próprias e não refletem necessariamente as da BTC Inc ou da Bitcoin Magazine.