Proposta de solução para os desafios de privacidade, escalabilidade e programabilidade na adoção de uma Rede de Responsabilidade Regulada (RLN) em blockchain

Procedência dos números

Este é o artigo que traz o número medido de escalabilidade da ChainXS. A tabela abaixo separa o que foi observado em execução do que é apenas projeção teórica de arquitetura — a mesma moldura de procedência usada na página inicial.

• Medido
  1.000 TPS2024

  Recorde de escalabilidade da ChainXS relatado neste artigo. A prova de conceito descrita na Seção 6 alcançou 100 TPS num notebook com i7 de 6ª geração (3,5 GHz) e 8 GB de RAM.

• Teórico
  ≈17 mi TPS

  Teto da estrutura multiplicativa de slices, obtido pela Equação 4 (≈ 1,79 × 10⁷ TPS); com o regime de regiões, a projeção do artigo chega a mais de 100 milhões de TPS. São limites de arquitetura, nunca demonstrados.

1. Introdução

A blockchain permissionada traz benefícios — segurança aprimorada, transparência e programabilidade — mas também impõe desafios em privacidade e escalabilidade. Segundo a Deloitte, 40% das empresas já implementaram blockchains; os principais desafios apontados são a dificuldade de implantação da infraestrutura e a escassez de profissionais capacitados [4].

O whitepaper do Bitcoin foi publicado em 31 de outubro de 2008 [7]. Trata-se de um sistema auditável de pagamentos entre pessoas sem instituição financeira, mas com problemas de privacidade, escalabilidade e programabilidade; foi a primeira criptomoeda a criar um ativo legitimamente descentralizado.

O Ethereum trouxe programabilidade com a EVM (Ethereum Virtual Machine), contratos inteligentes e tokens [1]. Monero e Zcash (ZEC) trouxeram transações anônimas [10]. Em 2015 surge o Projeto Hyperledger, blockchain multi-segmento baseada em EVM [5].

Em 2017 iniciou-se o desenvolvimento da ChainXS, blockchain brasileira de código aberto mantida pela Devel Blockchain. A proposta inicial era uma tecnologia de pagamentos baseada em blockchain com sete pilares — entre eles escalabilidade, segurança, privacidade e usabilidade. Ela se especializou no mercado corporativo e hoje é construída do zero, focada em ser camada de segurança e gestão de dados para empresas. A ChainXS facilita a criação de contratos inteligentes usando JavaScript e integração via REST API, reduzindo barreiras de entrada.

2. Privacidade

2.1 Livro razão distribuído

Qualquer nó pode ver todas as transações, o que garante auditabilidade — mas somada à perda de privacidade. Vincular uma carteira a uma identidade real expõe saldo e transações. Há dois grandes modelos: UTXO e baseado em contas (Account-Based) [13].

2.2 Modelo de contas

Em blockchains permissionadas baseadas em EVM, a privacidade é ainda menor pelo modelo de contas. Três desvantagens: (1) dependência entre o resultado da transação e o estado de entrada, dificultando o paralelismo; (2) incentivo à reutilização de endereços, facilitando a vinculação a um único proprietário; (3) volume de dados necessário para vincular uma carteira a um único usuário.

2.3 Transação de saída não gasta — UTXO

Em blockchains sem grande programabilidade, como a Monero, as transações são baseadas em UTXO. As moedas são armazenadas como uma lista de saídas de transações não gastas; cada UTXO tem uma quantidade e um critério para gastá-lo. O modelo incentiva gerar um novo endereço a cada transação recebida, o que dificulta vincular moedas a um proprietário. É um modelo baseado em endereços furtivos (stealth addresses) [12], mais robusto contra vazamentos e ataques.

2.4 Privacidade na Monero

A Monero segue três princípios: criptografa os valores transacionados, utiliza endereços furtivos e embaralha os emissores usando assinatura em anel a partir de outras transações pendentes. Respeita os princípios de não rastreabilidade e desligabilidade propostos por T. Okamoto e K. Ohta [8].

2.5 Privacidade na ChainXS

A ChainXS une UTXO e programabilidade por meio do conceito de Livro Razão Quimérico (Chimeric Ledgers) [13], que permite endereços furtivos e verificação trivial em paralelo — graças à natureza apátrida das transações UTXO. A ChainXS não criptografa os valores transacionados: ela tenta conciliar auditoria e privacidade, mantendo um registro público e aberto dos dados sem expor os verdadeiros autores.

2.6 Comparativo de funcionalidades de privacidade

A ChainXS é a única a usar a transação Livro Razão Quimérico; tem programabilidade avançada (como Ethereum e Hyperledger) e privacidade similar à Monero, porém com auditabilidade; também trabalha com endereços furtivos.

3. Privacidade em Rede de Responsabilidade Regulada (RLN)

Tendo em mente o sistema do Piloto do Real Digital, foi projetado um sistema com três partes principais, capaz de usar endereços furtivos de maneira eficiente:

• Real Tokenizado: o padrão técnico ERC20 (Ethereum Request for Comment — Standard Token) foi utilizado em compatibilidade com endereços furtivos na rede quimérica ChainXS.
• Contrato STR (Sponsored Transaction Relayers): controla quais endereços furtivos estão liberados para transacionar valores.
• Oráculo Validador de Endereços (EAO — Enable Address Oracle): sistema de oráculo que coleta o KYC (Know Your Customer) juntamente com uma chave pública estendida do usuário. Quando detecta um endereço conhecido com saldo positivo, interage com o contrato STR informando os novos endereços habilitados para transacionar.

3.1 Carteiras determinísticas hierárquicas

Introduzidas pela comunidade Bitcoin [11], têm estrutura em árvore, com cada nó possuindo uma chave pública e uma privada estendidas; qualquer nó pode ter qualquer número de filhos. A partir de uma semente (número aleatório com entropia de 128 bits) deriva-se a carteira principal do usuário (m), que por sua vez deriva as chaves filhas (m/0, m/1, m/2, ..., m/k).

Ao compartilhar a chave pública estendida com o oráculo, uma única vez, o oráculo não consegue assinar transações no nome do usuário, mas terá acesso a todo o histórico. A partir de um endereço furtivo não é possível obter os outros. Assim, apenas duas entidades têm acesso ao histórico, ao saldo e ao autor: o próprio usuário e o oráculo. A arquitetura RLN possibilita um ou mais oráculos com função de EAO — agentes financeiros, outras instituições, o Banco Central e entidades reguladoras podem hospedar oráculos, gerando um ambiente descentralizado.

Os benefícios são: privacidade; baixo tempo de confirmação (poucos segundos, como o PIX, com os fundos ficando retidos ao destinatário por um curto período — cerca de alguns minutos); auditabilidade por agentes autorizados; e escalabilidade, já que cada transação pode ser verificada trivialmente em paralelo.

4. Escalabilidade

Em uma blockchain tradicional, os blocos são auto-contidos: transações, hashes e assinaturas ficam em um único pacote. Um nó validador monta o bloco a partir de um armazenamento compartilhado (mempool).

4.1 As limitações

O Bitcoin gera um bloco a cada ~10 minutos, com até 4000 transações, chegando a um máximo aproximado de 6,67 transações por segundo [9]:

O Bitcoin Cash usa um bloco de 8 MB e transação média de 480 bytes, chegando a uma taxa máxima aproximada de 56 TPS:

Nota de fidelidade ao original: o texto do artigo cita "480 bytes" para a transação média, mas a Equação 2, tal como impressa no PDF, utiliza o denominador 250. Ambos os valores são reproduzidos aqui exatamente como no original, sem harmonização.

A VISA processa 65 mil transações por segundo (referência). Proof of Stake e Proof of Authority geram dúvidas de segurança, pois não têm a validação experimental massiva do Proof of Work. A Solana (variação de PoS) usa bloco de 400 milissegundos e de até 128 MB, com TPS máximo teórico de 65.000; porém já sofreu quedas, ficando indisponível por várias horas por atraso na propagação, o que gera risco de bifurcação (fork).

Sobre forks, Christian Decker e Roger Wattenhofer modelaram a probabilidade de forks na blockchain do Bitcoin [3], relacionada ao tamanho do bloco e ao tempo médio entre blocos. A única solução para grandes forks é a intervenção — árvores paralelas e suas transações desaparecem —, com prejuízos potencialmente grandes.

5. Estrutura de bloco e propagação da ChainXS

Um dos processos revistos é a validação completa do bloco antes da transmissão (anti-spam), que gera atraso e dá margem a forks. A estratégia da ChainXS é usar a mempool da rede para pré-processar as transações; a hash do bloco serve como identificador. Se apenas as hashs das transações forem armazenadas (SHA-256, 32 bytes) e o bloco tiver 10 MB, chega-se a 546,1 TPS:

É um ganho de velocidade de quase 10 vezes em relação ao Bitcoin Cash. A ChainXS usa o algoritmo de Distribuição Uniforme de Dados (Uniform Data Distribution — UDD), formado por transações e slices: o bloco é fragmentado em pequenos pacotes (fatias / slices) que carregam as hashs das transações. Uma nova mempool é adicionada para conter as slices, também pré-validadas.

Com essa estrutura multiplicativa — slices de 1 MB e blocos de no máximo 10 MB — retorna-se um valor absurdamente alto de quase 17 milhões de transações por segundo (a quantidade máxima é quadrática):

Com slices de 32.768 transações (1 MB), poderia ocorrer uma ou duas slices por bloco no começo da rede — uma vulnerabilidade. Para evitar poucas slices, os blocos foram divididos em regiões.

Preenchem-se primeiro as slices menores. A quantidade de transações por bloco pode ultrapassar 60 bilhões — são mais de 100 milhões de transações por segundo.

5.1 Escalabilidade por processamento paralelo

A estrutura de propagação é similar ao protocolo Torrent — fragmentação, validação e distribuição descentralizada e paralelizada. As limitações de rede são praticamente eliminadas, e o processamento passa a ser limitado pelo poder computacional de cada nó. Devido à natureza dos slices e ao sistema UTXO, é possível paralelizar; a capacidade de TPS cresce à medida que mais nós validadores se conectam.

6. Prova de conceito

Uma PoC foi implementada para validar privacidade e escalabilidade, realizada em um notebook de baixo poder computacional: processador i7 de 6ª geração com 3,5 GHz e 8 GB de RAM. Embora a capacidade teórica da ChainXS seja superior a 1 milhão de transações por segundo, a escalabilidade alcançada nesta PoC foi de 100 transações por segundo — valor que pode ser aumentado com otimizações de código e hardware melhor. No quesito privacidade, todos os objetivos foram alcançados.

O recorde de escalabilidade da ChainXS é de 1000 transações por segundo, aumentando ano a ano.

Para comparação: em 2023 o PIX realizou cerca de 150 milhões de transações diárias, ou cerca de 1736 transações por segundo em média [2]; os picos podem ultrapassar essa média. Os resultados indicam que a ChainXS é viável para a criação de um RLN.

7. Conclusão

Transparência e auditabilidade são benefícios inerentes ao livro razão distribuído, mas frequentemente resultam em perda de privacidade. A ChainXS Blockchain propõe uma solução inovadora ao combinar transações UTXO com programabilidade, usando o Livro Razão Quimérico e a distribuição uniforme de dados — o que permite verificação paralela e aumenta a escalabilidade sem sacrificar a privacidade. As carteiras determinísticas hierárquicas em RLN e os agentes validadores oferecem uma estrutura robusta para privacidade e auditabilidade: apenas os próprios usuários e os agentes autorizados acessam o histórico de transações. É uma arquitetura descentralizada que incentiva o uso por vários validadores, garantindo auditabilidade, segurança e equilíbrio entre privacidade e transparência.

Referências

1. Vitalik Buterin. Ethereum white paper: A next generation smart contract and decentralized application platform, 2013.
2. Banco Central. Estatísticas do pix. https://www.bcb.gov.br/estabilidadefinanceira/estatisticaspix. Acessado em maio de 2024.
3. Christian Decker and Roger Wattenhofer. Information propagation in the bitcoin network. IEEE P2P 2013 Proceedings, 2013.
4. Deloitte's. 2020 global blockchain survey. Acessado em maio de 2024.
5. Linux Foundation. Hyperledger whitepaper. https://blockchainlab.com/pdf/Hyperledger%20Whitepaper.pdf, 2015.
6. Bitcoin Github. March 2013 chain fork post-mortem. https://github.com/bitcoin/bips/blob/master/bip-0050.mediawiki. Acessado em outubro de 2020.
7. Satoshi Nakamoto. Bitcoin: A peer-to-peer electronic cash system, 2008.
8. Tatsuaki Okamoto and Kazuo Ohta. Universal electronic cash, 1991.
9. Erlend Solberg Thorsrud. Long-term bitcoin scalability. https://ntnuopen.ntnu.no/ntnu-xmlui/bitstream/handle/11250/2562793/19811_FULLTEXT.pdf, 2018.
10. Nicolas van Saberhagen. Cryptonote v 2.0. https://cryptonote.org/whitepaper.pdf, 2013.
11. Pieter Wuille. Hierarchical deterministic wallets. https://github.com/bitcoin/bips/blob/master/bip-0032.mediawiki. Acessado em maio de 2024.
12. Gary Yu. Blockchain stealth address schemes. Cryptology ePrint Archive, Paper 2020/548, 2020. https://eprint.iacr.org/2020/548.
13. Joachim Zahnentferner. Chimeric ledgers: Translating and unifying utxo-based and account-based cryptocurrencies. Cryptology ePrint Archive, Paper 2018/262, 2018. https://eprint.iacr.org/2018/262.