a16z：「Qualidade da cadeia forte」 permite que cada staker tenha um espaço exclusivo no bloco

Autor: @ittaia, @PGarimidi e @jneu_net

Compilação: AididiaoJP, Foresight News

A qualidade da cadeia (Chain Quality, CQ) é uma propriedade central de uma blockchain. Em termos simples, o seu significado é:

Se detiver 3% dos direitos de participação em staking (de participação garantida), então dentro de um intervalo de tempo médio, conseguirá controlar 3% do espaço de blocos.

Para blockchains iniciais com throughput mais baixo, a qualidade da cadeia já é suficiente. Mas as blockchains modernas têm muito mais largura de banda; dentro de um único bloco, é possível incluir um grande número de transações.

Isto leva a um conceito mais forte e mais refinado. Ele não se limita a observar a proporção média do espaço de blocos ao longo do tempo, mas foca-se na divisão do espaço de blocos dentro de cada bloco. Chamamo-lo «Strong Chain Quality» (Qualidade de Cadeia Forte, Strong Chain Quality, SCQ):

Se detiver 3% dos direitos de participação em staking, então em cada bloco poderá controlar 3% do espaço de blocos.

Na essência, esta propriedade permite que as partes interessadas tenham «faixas virtuais» numa blockchain de alto throughput, assegurando que as suas transações possam ser incluídas.

«Qualidade da cadeia» nas blockchains

Uma das principais inovações do Bitcoin — hoje em dia quase todas as blockchains já a possuem — foi introduzir no protocolo um mecanismo de recompensas destinado aos proponentes de blocos: a parte que consegue anexar um bloco ao state machine (máquina de estados) recebe os tokens recém-emitidos e as comissões das transações. Estas recompensas são definidas pela função de transição de estados e, por fim, refletem-se no estado do sistema.

No modelo tradicional de computação distribuída, os participantes são divididos em partes honestas e partes maliciosas. Aqui não há necessidade de recompensar as partes honestas, porque a conduta honesta é assumida como comportamento por defeito no modelo.

No modelo de economia criptográfica, por outro lado, os participantes são vistos como agentes racionais, e a sua função de utilidade pode ser desconhecida. O objetivo é desenhar mecanismos de incentivo para que, ao prosseguirem a maximização do seu próprio lucro, estes participantes se alinhem naturalmente com o funcionamento bem-sucedido do protocolo. Com o mecanismo de recompensas inerente ao protocolo, podemos chegar à seguinte definição idealizada de qualidade da cadeia:

Qualidade da cadeia (CQ): para uma aliança que detém X% dos direitos de staking totais, após o Global Stable Time (GST), existe uma probabilidade de X% de se tornar o proponente de cada bloco que entra na cadeia.

Se uma cadeia se desviar das exigências de qualidade da cadeia, poderá permitir que algumas alianças obtenham uma quota de recompensas acima do nível normal, enfraquecendo a motivação para comportamentos honestos e ameaçando a segurança do protocolo.

Muitas blockchains procuram satisfazer — ou esforçam-se por satisfazer — esta propriedade através de um «mecanismo de rotação aleatória de líderes com base no peso de staking». Os desafios típicos que se colocam atualmente incluem: o problema de «selfish mining» do Bitcoin; o problema de resistência a bifurcações da cauda (tail) no Monad; e o problema no protocolo LMD GHOST do Ethereum.

A origem da «Qualidade de Cadeia Forte»

Quando o espaço de blocos é suficientemente abundante, não é necessário entregar o conteúdo completo de um bloco a um único proponente para que o monopolize. Pelo contrário, o espaço de blocos de um mesmo bloco pode ser dividido em conjunto por múltiplos participantes. A definição de economia criptográfica de qualidade de cadeia forte expressa exatamente esta ideia:

Qualidade de Cadeia Forte (SCQ): uma aliança que detém X% dos direitos de staking totais, após o Global Stable Time (GST), consegue controlar X% do espaço de blocos em cada bloco.

Esta propriedade idealizada, implicitamente, introduz o conceito abstrato de «faixas virtuais». Em outras palavras, as alianças conseguem controlar, de facto, uma certa proporção de espaço de blocos dedicado dentro de cada bloco.

Do ponto de vista económico, possuir uma faixa virtual equivale a deter um ativo produtivo capaz de gerar rendimento; esses rendimentos podem provir de taxas de transação ou de MEV (valor máximo extraível). Entidades externas competem para obter e manter essas faixas, o que cria uma procura contínua pelo token L1 de base. Quanto maior for o valor económico que uma faixa consegue gerar, mais forte se torna a motivação de cada parte para disputar direitos de staking; e quanto maior for o valor que pode ser acumulado pelos direitos de staking L1 que controlam o acesso a esse espaço de blocos, mais elevada será essa capacidade de acumulação. Através desta abstração, podemos transformar uma capacidade mais forte de resistência à censura numa propriedade de eficácia da SCQ no protocolo.

Qualidade de Cadeia Forte e resistência à censura

Estudos recentes mostram que a resistência à censura é muito importante. Este tipo de protocolos não só precisa garantir que a entrada das partes honestas acaba por ser incluída, como também assegurar que pode ser incluída imediatamente. A qualidade de cadeia forte (SCQ) pode ser vista como a extensão desta propriedade no caso em que a capacidade do bloco é limitada.

Em cenários reais, se a quantidade de transações a incluir exceder o espaço de blocos disponível, então nenhum protocolo consegue satisfazer, em sentido ideal, a resistência à censura. A SCQ lida com esta limitação através de uma abordagem mais pragmática: não exige que todas as transações honestas sejam sempre incluídas; em vez disso, atribui a cada nó com staking um «orçamento», garantindo que, dentro do âmbito desse orçamento, as suas transações podem ser incluídas.

O protocolo MCP foi proposto como um componente construído sobre protocolos de consenso do tipo PBFT já existentes e práticos, com o objetivo de tornar esses protocolos capazes de resistir à censura. O protocolo satisfaz simultaneamente os requisitos da SCQ — atribui ao proponente o espaço de blocos correspondente, com base na proporção dos direitos de staking. Os protocolos BFT existentes baseados em grafos acíclicos dirigidos (DAG) fornecem, por sua vez, uma forma de realizar uma mempool para múltiplos escritores e possuem também um certo grau de resistência à censura.

Implementações padrão destes protocolos normalmente não satisfazem estritamente a SCQ, porque permitem que o líder atrase seletivamente alguns subconjuntos de transações. No entanto, com pequenas modificações nesses protocolos, é possível voltar a realizar a SCQ. Uma direção relacionada é o «forçar a inclusão de transações», com o objetivo de reduzir o comportamento censório.

O MCP também mostra como implementar uma propriedade de ocultação mais forte. Com o recurso desta propriedade, as partes interessadas podem criar faixas privadas virtuais; o conteúdo dessas faixas só é revelado quando o bloco inteiro é publicado para o exterior. Nós aprofundaremos isto em artigos futuros.

Como implementar a Qualidade de Cadeia Forte

Para obter qualidade de cadeia forte após o Global Stable Time (GST), o ponto-chave é garantir que o proponente não possa censurar arbitrariamente as entradas das partes interessadas. Isto pode ser feito através de um protocolo de duas rondas. Em praticamente todos os protocolos BFT baseados em visão (view), basta fazer duas pequenas alterações:

Primeira ronda: cada participante envia as suas entradas autenticadas para todos os outros participantes.

Segunda ronda: cada participante, se tiver recebido uma entrada autenticada a partir do participante i, adiciona i à sua lista de inclusão. Em seguida, esse participante envia a sua lista de inclusão ao líder. Esta operação equivale a um compromisso: o participante só aceitará blocos que incluam todas as entradas contidas na lista.

Proposta BFT: depois de o líder receber estas mensagens, inclui no bloco a união de todas as listas de inclusão recebidas.

Votação BFT: o participante só vota a favor quando um bloco contém todas as entradas da sua própria lista de inclusão.

Como é fácil de ver, ao seguir este esboço de protocolo, podemos construir um protocolo completo. Este protocolo consegue satisfazer a qualidade de cadeia forte após o Global Stable Time (GST), oferecer resistência à censura e manter a atividade quando o líder é uma parte honesta. Para alcançar SCQ também antes do GST, é necessário esperar, em cada ronda, por um número suficiente (quórum) de valores ou listas. Explicaremos em detalhe este protocolo e as suas formas de extensão em artigos futuros.

Investigação recente indica que, para implementar qualidade de cadeia forte e resistência à censura, é necessário acrescentar duas rondas (como no esboço de protocolo acima) para além das rondas de votação de um protocolo BFT convencional. Também explicaremos em detalhe este resultado em artigos futuros.

Embora a Qualidade de Cadeia Forte (SCQ) determine a proporção do espaço de blocos que a aliança consegue controlar, não restringe completamente a forma como as transações são ordenadas dentro do bloco. A SCQ pode ser entendida como: espaço reservado para cada nó com staking, mas sem quaisquer garantias sobre a ordem das transações dentro desses espaços.

Isto abre um amplo espaço de investigação para o desenho de mecanismos de ordenação de transações. Um bom mecanismo de ordenação tem potencial para melhorar ainda mais a justiça e a eficiência no ecossistema de blockchain. Uma direção que vale a pena observar é ordenar as transações com base em taxas de prioridade.