O que é a congestão de rede na blockchain?

Compreender a congestão de rede

A congestão de rede na blockchain verifica-se quando o número de transações submetidas excede a capacidade da rede para as processar. Este fenómeno constitui um desafio central dos sistemas de registo distribuído, resultante da tensão entre a crescente procura dos utilizadores e recursos de processamento limitados. A congestão resulta tanto de fatores externos, como volatilidade de mercado e picos de atividade, como de características internas da rede, nomeadamente o tamanho dos blocos e os intervalos de tempo entre blocos.

Quando o volume de transações ultrapassa o que a rede consegue acomodar, as transações acumulam-se em espera, provocando degradação do desempenho e aumento dos custos para os utilizadores. Perceber os mecanismos da congestão é essencial para programadores, utilizadores e intervenientes que pretendem otimizar a eficiência da rede e mitigar este problema.

Como funciona a tecnologia blockchain

Uma blockchain consiste numa cadeia de blocos, cada um integrando dados de transação criados pelos utilizadores. Todo novo bloco adicionado à cadeia é permanente e imutável, garantindo integridade de dados e registo histórico. Estes blocos distribuem-se por uma rede descentralizada de nós, sendo que cada nó mantém uma cópia integral da blockchain. Esta redundância reforça a segurança e resiliência contra falhas únicas.

A tecnologia blockchain assenta na criptografia e na teoria dos jogos, sustentando criptomoedas como Bitcoin e Ethereum. O mecanismo de consenso distribuído garante que todos os participantes concordam sobre o estado atual da blockchain, impedindo transações fraudulentas e preservando a integridade da rede.

O que é um "mempool"?

O mempool é o conjunto de transações não confirmadas que aguardam inclusão no próximo bloco. Quando uma transação é enviada para a rede Bitcoin, por exemplo, não é imediatamente integrada na blockchain. Primeiro, é submetida ao mempool, que funciona como sala de espera para todas as transações pendentes. Esta área temporária é crucial para o funcionamento da rede, permitindo aos nós validar transações antes de serem inscritas no registo permanente.

As transações permanecem no mempool até serem confirmadas e incluídas num bloco. Em períodos de elevada atividade, o mempool pode acumular milhares ou centenas de milhares de transações não confirmadas, criando estrangulamentos no processamento e tempos de confirmação prolongados, ilustrando a congestão de rede.

O que são "blocos candidatos"?

Blocos candidatos, também chamados "blocos propostos", são blocos que mineradores ou validadores propõem para inclusão na blockchain. Estes blocos contêm transações não confirmadas submetidas à rede mas ainda não integradas na cadeia permanente. Funcionam como recipientes temporários de dados de transação, aguardando validação pelo mecanismo de consenso da blockchain.

Para um bloco candidato se tornar confirmado, deve ser minerado ou validado conforme as regras de consenso da blockchain. No Bitcoin, com proof-of-work, mineradores competem para resolver um problema matemático complexo, e o primeiro a conseguir adiciona o seu bloco candidato à blockchain e recebe a recompensa do bloco. No Ethereum, com proof-of-stake, validadores são selecionados aleatoriamente para propor blocos candidatos, e outros validadores atestam a validade do bloco. Após suficientes atestações, o bloco passa de candidato a confirmado.

O que é "finalidade" na blockchain?

Finalidade é o estado em que uma transação ou operação já não pode ser alterada ou revertida. Uma vez atingida a finalidade, a transação fica registada de forma permanente e não pode ser modificada ou apagada. Esta característica é fundamental para a segurança, pois garante que transações concluídas não podem ser anuladas por agentes maliciosos ou reorganizações da rede.

A finalidade aumenta com o número de blocos confirmados após o bloco que contém a transação. No Bitcoin, as transações são consideradas "finais" geralmente após seis blocos adicionais terem sido adicionados ao bloco original, proporcionando uma margem de segurança contra reorganizações causadas por mineração concorrente.

O que é o princípio da "cadeia mais longa"?

O princípio da "cadeia mais longa" determina que a versão válida da blockchain é aquela com mais trabalho computacional investido, normalmente a cadeia com maior número de blocos. Este princípio serve como critério de desempate no consenso, garantindo convergência da rede para uma versão única e oficial do registo.

Quando existem cadeias concorrentes com igual validade, os nós seguem a cadeia mais longa como canónica. Os blocos das cadeias mais curtas são rejeitados como inválidos, e as respetivas transações regressam ao mempool para eventual reinclusão. Este mecanismo preserva o consenso, protegendo contra certos ataques.

Quais são as causas da congestão de rede na blockchain?

A congestão de rede surge por múltiplos mecanismos interligados que excedem a capacidade de processamento de transações da rede. Compreender estas causas é essencial para desenvolver estratégias de mitigação eficazes e melhorar a escalabilidade da blockchain.

Aumento da procura

Quando mais utilizadores submetem transações à blockchain, o número de transações não confirmadas no mempool pode ultrapassar rapidamente a capacidade de um bloco. O aumento do volume de transações pode ser causado por volatilidade súbita de preços, adoção generalizada ou aplicações populares que geram atividade intensa on-chain. Na história da blockchain, durante períodos de interesse do mercado ou quando novas aplicações ganham destaque, as submissões de transações podem multiplicar-se exponencialmente em poucas horas, originando crises de capacidade e congestão.

Tamanho reduzido de bloco

Cada blockchain tem um tamanho de bloco definido, que limita a quantidade máxima de dados por bloco. Esta restrição limita diretamente o número de transações incluídas. Quando se excede este limite, ocorre congestão. O limite inicial de 1 megabyte por bloco no Bitcoin exemplifica como restrições fixas criam estrangulamentos. Com o aumento do volume de transações ao longo do tempo, este limite gerou congestão, conduzindo a debates prolongados sobre os parâmetros ideais e soluções para o problema.

Intervalos de bloco lentos

O tempo de bloco é o intervalo médio de adição de novos blocos. O Bitcoin adiciona um bloco cerca de cada dez minutos, enquanto o Ethereum produz um bloco a cada doze segundos. Quando a criação de transações supera largamente o ritmo de produção de blocos, acumulam-se rapidamente atrasos. Se uma blockchain recebe transações a taxas superiores à sua capacidade de produção de blocos, mesmo com bloco otimizado, surge congestão, com transações a aguardar indefinidamente.

Consequências da congestão de rede

A congestão da rede blockchain provoca vários efeitos negativos que prejudicam o funcionamento da rede e a experiência do utilizador, podendo limitar a adoção e criar riscos sistémicos.

Aumento das taxas de transação

Mineradores e validadores são incentivados a dar prioridade a transações com taxas mais elevadas. Quando a rede está sobrecarregada, os utilizadores têm de pagar taxas superiores para que as suas transações sejam prioritárias. Durante eventos graves de congestão, as taxas podem aumentar substancialmente em poucos dias ou horas. Esta escalada gera uma competição pelo espaço nos blocos, excluindo transações sensíveis ao custo e prejudicando utilizadores com valores menores.

Atrasos nas confirmações de transação

A congestão resulta em tempos de espera muito superiores para confirmação das transações e obtenção de finalidade. Em casos extremos, as transações podem permanecer não confirmadas durante horas, dias ou mais, contrariando o propósito da blockchain como mecanismo de liquidação rápida. Os utilizadores enfrentam incerteza quanto à confirmação, ficando expostos a riscos de double-spending ao aceitarem transações não confirmadas.

Experiência de utilizador degradada

Taxas elevadas e confirmações lentas criam experiências frustrantes, reduzindo a adoção da blockchain e limitando a utilidade prática. Aplicações sobre blockchains congestionadas podem tornar-se praticamente inutilizáveis em períodos de pico, pois os custos ultrapassam o valor das transações e os tempos tornam aplicações em tempo real inviáveis. Esta degradação pode travar a adoção generalizada e incentivar a migração para outras plataformas.

Volatilidade do mercado

A congestão de rede aumenta a incerteza e pode contribuir para maior volatilidade. Confirmações demoradas elevam o risco de ataques de double-spending e outras ameaças, enquanto taxas elevadas promovem a centralização da mineração, dificultando a participação de mineradores de menor dimensão. Estes fatores minam a confiança no mercado e podem desencadear vendas devido a preocupações quanto à fiabilidade e segurança da blockchain.

Exemplos de congestão de rede

Tanto as redes Bitcoin como Ethereum registaram episódios de congestão significativos, demonstrando os impactos práticos das limitações de capacidade.

Congestão na rede Bitcoin

O Bitcoin registou um dos episódios mais marcantes de congestão durante 2017-2018, período de elevada atenção do mercado, com atrasos substanciais e aumento dramático das taxas, merecendo destaque mediático. Os atrasos chegaram às centenas de milhares de transações, com utilizadores a reportarem tempos de confirmação prolongados.

Em 2023, a rede Bitcoin enfrentou sobrecarga devido ao aumento de atividade relacionada com experiências e inovação em tokens. Em determinado momento, quase 400 000 transações não confirmadas acumulavam-se no mempool. As taxas subiram significativamente em poucas semanas, com utilizadores a competir pelo espaço escasso nos blocos. Este evento mostrou como aplicações inovadoras podem sobrecarregar a rede e evidenciou os desafios de escalabilidade e congestão que persistem no Bitcoin.

Congestão na rede Ethereum

A Ethereum registou congestão notória em 2017, quando um projeto de colecionáveis viral atraiu volumes de transações elevados, consumindo grande parte do espaço nos blocos. Mostrou como uma única aplicação pode degradar o desempenho e gerar congestão.

Mais tarde, a Ethereum enfrentou congestão em períodos de intensa atividade de protocolos de finanças descentralizadas, com elevada participação e volumes de transações massivos. Estes períodos originaram aumentos substanciais nos preços do gas, tornando aplicações e transações menores inviáveis. Estes episódios evidenciaram o impacto direto da congestão na usabilidade das aplicações e participação dos utilizadores.

Soluções para mitigar a congestão de rede

Mitigar a congestão de rede nas blockchains é um desafio técnico e de governação complexo. Existem abordagens distintas, cada uma com vantagens e compromissos na resolução do problema.

Aumentar o tamanho do bloco

Aumentar o tamanho do bloco permite processar mais transações por bloco, elevando a capacidade da rede e reduzindo a congestão. Blocos maiores aumentam a capacidade e reduzem a pressão sobre as taxas, mas exigem maior tempo de propagação, aumentando o risco de reorganizações temporárias. Também requerem mais recursos de armazenamento e largura de banda, podendo desencorajar a participação e promover centralização.

Reduzir o tempo de bloco

Diminuir o tempo de bloco acelera o processamento, aumentando a frequência das confirmações e mitigando a congestão. Blocos mais rápidos melhoram a experiência do utilizador ao proporcionar finalidade célere. Contudo, aumentam a probabilidade de blocos órfãos e podem comprometer a segurança ao reduzir a estabilidade do consenso. O maior esforço computacional pode também promover centralização.

Soluções de Layer 2

Estas soluções processam transações fora da cadeia principal, registando apenas os estados finais na blockchain. Aumentam significativamente a escalabilidade, mantendo a segurança da cadeia principal através de liquidação periódica dos estados. Contudo, são complexas de implementar, podem introduzir riscos adicionais e exigem que os utilizadores bloqueiem fundos em sistemas secundários.

Sharding

O sharding divide a blockchain em múltiplos segmentos independentes, cada um capaz de processar autonomamente as suas transações e smart contracts. A técnica permite processamento paralelo, aumentando a capacidade e enfrentando eficazmente a congestão. Porém, implica complexidade arquitetónica, maior superfície de ataque e requer coordenação sofisticada para evitar double-spending entre shards.

Conclusão

A congestão de rede é um desafio fundamental de escalabilidade que as blockchains precisam de superar para garantir adoção generalizada e utilidade prática. Com a evolução da tecnologia e aumento de utilizadores, a congestão de rede assume crescente importância. A capacidade de processar volumes elevados com eficiência é vital para a adoção em larga escala, aplicações em tempo real, satisfação dos utilizadores e resolução dos desafios de congestão.

Apesar dos desafios técnicos e operacionais, a comunidade blockchain desenvolve soluções inovadoras, combinando otimizações on-chain com escalabilidade off-chain. No futuro, sistemas blockchain deverão adotar estratégias híbridas, combinando aumento de capacidade, redução de tempos de confirmação, Layer 2 e sharding para alcançar objetivos de escalabilidade e mitigar a congestão. A resolução destes desafios é essencial para que a blockchain cumpra o seu papel como tecnologia base para aplicações descentralizadas e sistemas financeiros globais.

FAQ

Hur fungerar virtuella stängsel?

O geofencing virtual recorre à tecnologia GPS para definir limites invisíveis para ativos digitais. Quando transações ou transferências se aproximam destes limites, o sistema ativa alertas e restrições automáticas, protegendo os fundos em cripto de movimentos não autorizados ou transferências acidentais.