02 — Fundamentos de Blockchain

Conceitos, vocabulário, princípios de design, modelos teóricos. Pré-requisito para entender os outros arquivos.

1. Definição

Blockchain = ledger distribuído append-only onde blocos de transações são encadeados por hashes criptográficos, com consenso descentralizado para ordem e validade.

Componentes mínimos:

  1. Estrutura de dados em chain: bloco \(n\) contém hash do bloco \(n-1\).
  2. Mecanismo de consenso: regra para aceitar próximo bloco entre nós sem coordenação central.
  3. Sistema de incentivos: tokens nativos para alinhar mineradores/validadores.
  4. Identidade criptográfica: chaves públicas como pseudônimos.

Diferenças com bancos de dados tradicionais

Aspecto RDBMS Blockchain
Trust Operador é root of trust Sem root of trust; consenso
Throughput 1M+ TPS 7 (Bitcoin) a 100k (Solana)
Latency ms s a min
Append-only Opcional Por design
Reversibilidade Yes Custosa (hard fork)
Auditoria Logs internos On-chain pública
Escalabilidade Vertical + sharding Limitada por consensus

2. Vocabulário básico

Termo Definição
Block Conjunto de transações + header (prevhash, timestamp, nonce, merkleroot).
Block height Número sequencial do bloco desde gênesis.
Tx (transaction) Operação atômica: transfer, contract call, data inscription.
UTXO Unspent Transaction Output (modelo Bitcoin).
Account model Modelo Ethereum: estado per-address (balance + storage).
Mempool Pool de txs unconfirmed broadcasted.
Confirmação Número de blocos após bloco que contém tx.
Finality Garantia de que tx não será revertida. Probabilística (PoW) ou determinística (BFT).
Fork Divergência da chain. Soft fork (backward-compat) vs hard fork.
Reorg (reorganization) Substituição de cadeia: nó troca tip por chain mais longa/pesada.
Genesis block Bloco 0; configurado at-launch.
Coinbase tx Tx especial que cria moeda nova como reward ao minerador/validador.
Halving Bitcoin: reward de mining cai 50% a cada 210k blocos (~4 anos).
Difficulty Target de hash que PoW deve atingir. Auto-ajustado.
Hashrate Velocidade total de hashing da rede (H/s).
TPS Transactions Per Second.
Gas Unidade de "trabalho" para tx em Ethereum-like.
Gas price Preço por unit de gas em wei (10⁻¹⁸ ETH).
Slippage Diferença entre preço esperado e executado em DEX.
MEV Maximal Extractable Value — lucro de reordenarinserircensurar txs.
Sandwich attack MEV: front-run + back-run de tx vulnerável.
Liquidation Forced sale de collateral em lending quando ratio cai.
Slashing Pena (perda de stake) para validator misbehaving em PoS.
TVL Total Value Locked — capital depositado em protocolo.
Bridge Sistema para transferir valor entre chains diferentes.
Wrapped token Token IOU representando outro asset (WBTC, wETH).
DAO Decentralized Autonomous Organization — governança via token voting.
Vesting Cronograma de unlock de tokens.
Cliff Período inicial sem unlock antes de vesting começar.
Airdrop Distribuição gratuita de tokens.
Yield farming Estratégia de prover liquidez para earn tokens reward.
Impermanent loss Perda de LP por flutuação relativa de pares vs HODL simples.
Composability "Money legos": protocolos componíveis (output = input do next).
Permissionless Qualquer um pode usarparticiparauditar.
Permissioned Acesso controlado (Hyperledger, R3 Corda).
Oracle Sistema que entrega dados off-chain ao on-chain (Chainlink, Pyth).
Settlement Liquidação final no L1.
DA (Data Availability) Garantia que dados de tx estão acessíveis para verificação.
Validity proof Prova matemática (zk) de execução correta.
Fraud proof Mechanism que permite contestar tx inválida (optimistic rollup).
Sequencer Entidade que ordena txs em rollup (centralized hoje na maioria).
Fork choice rule Regra para escolher chain canônica (LMD-GHOST em Ethereum PoS).

3. Propriedades fundamentais

Imutabilidade

Bloco \(n\) contém \(H(\text{block}_{n-1})\). Mudar bloco antigo = recompute todos os hashes subsequentes + outvalue trabalho da rede inteira.

Não é absoluta: hard forks reescrevem (DAO 2016, BSVBCHBTC). "Imutabilidade" é resistência prática a tampering, não impossibilidade matemática.

Decentralization

3 dimensões (Vitalik 2017, The Meaning of Decentralization):

  1. Architectural: número de máquinas físicas (Bitcoin: ~15k full nodes, milhões de SPV).
  2. Political: número de indivíduos/organizações que controlam.
  3. Logical: estado é único (≠ logically decentralized).

Blockchain: arch + politically decentralized; logicamente centralizado (1 ledger).

Censorship resistance

Atacante pode pagar mais para excluir sua tx temporariamente (front-running pelo fee market), mas eventualmente outro miner/validator inclui. Nakamoto consensus assume 50%+ honesto.

Trustlessness (parcial)

"Don't trust, verify". Verifica matemática + consenso, não pessoa. Mas: trust no design do protocolo, no código, na maioria dos validators ser honesta, no compilador, no hardware...

Final settlement

Tx confirmada após \(k\) blocos é (probabilisticamente em PoW, determinística em BFT) imutável.

4. Trilemma de Vitalik (Scalability Trilemma)

Vitalik Buterin, 2017: blockchain pode otimizar 2 de 3:

  1. Decentralization — qualquer um pode validar.
  2. Security — resistência a ataque com custo razoável de hardware.
  3. Scalability — alta throughput (TPS).

Bitcoin/Ethereum L1: dec + sec, sacrifica scalability. Solana: sec + scalability, sacrifica dec (alto custo HW pra validar). Permissioned chains: scalability + sec, sacrifica decentralization.

Soluções modernas: rollups (L2) ataca trilemma assumindo L1 dec+sec, mas movendo execution off para L2 que pode otimizar scalability sem comprometer L1.

5. CAP / FLP / Byzantine generals

CAP (Brewer 2000)

Sistema distribuído sob partição de rede pode garantir 2 de:

  • Consistency
  • Availability
  • Partition tolerance

Em blockchain (sempre P), escolhe-se entre C (BFT, finality) e A (Nakamoto, eventual consistency).

FLP (Fischer-Lynch-Paterson 1985)

Em rede asíncrona com 1 falha, consenso determinístico é impossível. Workarounds:

  • Síncrono (assume timing bounds): PBFT, Tendermint.
  • Probabilístico: Nakamoto consensus.
  • Randomized: Algorand (VRF-based).

Byzantine Generals Problem (Lamport-Shostak-Pease 1982)

Dado \(n\) generais, \(f\) traidores, atingir consenso:

  • Síncrono autenticado: \(n \geq f + 1\) basta.
  • Síncrono não-autenticado: \(n \geq 3f + 1\) (Lamport's bound).
  • Asíncrono autenticado: \(n \geq 3f + 1\) (Castro-Liskov PBFT).

Blockchain: assume Byzantine adversarial environment (mineradores podem mentir, censurar, mining pools cooperar).

6. Modelos de tx

UTXO (Bitcoin)

Estado = set de UTXOs (Unspent Transaction Outputs). Cada UTXO tem (value, script).

Tx consome UTXOs (inputs) e cria UTXOs (outputs). Total in ≥ total out (diferença = fee).

Vantagens:

  • Paralelismo (txs independentes podem processar simultâneo).
  • Privacy (cada UTXO vai para novo address).
  • Stateless validation per-tx (input scripts auto-suficientes).

Desvantagens:

  • Smart contracts complexos difíceis (sem persistent state).
  • UTXO set cresce; storage challenge.

Account-based (Ethereum)

Estado = map[address] → (balance, nonce, code, storage).

Tx = (from, to, value, data, gas, signature).

Vantagens:

  • Smart contracts naturais.
  • Replay protection via nonce.
  • Storage rent / state expiry possible.

Desvantagens:

  • Sequencial (txs do mesmo from precisam ordem).
  • Replay across chains: needs chain ID (EIP-155).
  • Complex state management.

Híbrido / outras

  • Cardano (eUTXO): UTXO + scripts mais expressive.
  • Sui (object-centric): objects ao invés de accounts.
  • MimbleWimble (Beam, Grin): confidential UTXOs + cut-through.

7. Cryptographic primitives (review)

Para detalhes ver ../cryptography/. Resumo de uso:

Primitive Uso em blockchain
SHA-256 Bitcoin block hash, txid (double-SHA256), Merkle tree
Keccak-256 Ethereum address, contract address, MPT, EVM SHA3 opcode
RIPEMD-160 Bitcoin address (HASH160 = RIPEMD160(SHA256))
secp256k1 Bitcoin/Ethereum signing curve (ECDSA)
Schnorr (BIP340) Bitcoin Taproot
Ed25519 Solana, Cardano, Algorand, Near, Stellar
BLS12-381 Ethereum 2.0 consensus (signatures aggregation)
BN254 Ethereum SNARK precompiles
Pedersen commitments Confidential Transactions (Monero, Mimblewimble)
Bulletproofs Range proofs (Monero)
zk-SNARKs (Groth16) Zcash Sapling, Polygon zkEVM
zk-STARKs StarkNet, Polygon Zero
Halo2 Zcash Orchard, Scroll
Verifiable Random Function (VRF) Algorand, Cardano Praos, Chainlink VRF
Verifiable Delay Function (VDF) Filecoin, Ethereum (planned), Chia

8. Wallets

Self-custody (non-custodial)

Usuário controla as chaves privadas. Not your keys, not your coins.

  • Hot wallets: software, conectada à internet. MetaMask, Phantom, Rabby, Frame.
  • Cold wallets: offline. Hardware (Ledger, Trezor, Coldcard, Keystone), paper wallets, air-gapped computers.
  • Smart wallets / smart contract wallets: ERC-4337 (account abstraction). Argent, Safe (Gnosis), Coinbase Smart Wallet.

Custodial

Operador detém chaves. Coinbase, Binance, exchanges. Convenience vs counterparty risk.

Backup standards

  • BIP-32: hierarchical deterministic.
  • BIP-39: 12/24-word mnemonic seed.
  • BIP-44: multi-coin / account derivation paths.
  • SLIP-39: Shamir secret sharing backup (Trezor).

Smart contract wallets

ERC-4337 (Account Abstraction) features:

  • Multisig.
  • Social recovery.
  • Spend limits.
  • Batched txs.
  • Custom signature schemes (passkey, hardware).
  • Paymasters (alguém paga gas pelo user — sponsorship).

9. Network topology

P2P architecture

  • Full node: armazena chain inteira, valida tudo.
  • Pruned node: chain inteira mas descarta dados antigos.
  • Light client / SPV: só headers + Merkle proofs sob demanda (BIP-37, BIP-157/158 Compact Filters).
  • Archive node: chain inteira + estado histórico de cada bloco.
  • Relay node: encaminha sem validar (mining pools).

Bootstrap

Bitcoin: hardcoded DNS seeds (seed.bitcoinstats.com, etc.) → discover peers. Ethereum: ENR (Ethereum Node Records, EIP-778) + DHT discovery.

Networking

  • Bitcoin: TCP port 8333, plain (Tor opcional).
  • Ethereum: devp2p RLPx (encrypted), execution layer port 30303; consensus layer libp2p port 9000.
  • Solana: gossip protocol custom UDP.

10. Encoding e serialização

Codec Uso
RLP (Recursive Length Prefix) Ethereum encoding
SSZ (Simple Serialize) Ethereum 2.0 consensus encoding
Borsh Solana, Near
Bincode Solana derived
Protobuf Tendermint, Cosmos
Cap'n Proto algumas L2
DER DER signatures Bitcoin pre-Schnorr
JSON-RPC Most blockchain APIs

11. Address formats

Chain Formato Exemplo
Bitcoin (legacy P2PKH) Base58Check 1... 1A1zP1eP5QGefi2DMPTfTL5SLmv7DivfNa
Bitcoin (P2SH) Base58Check 3... 3J98t1WpEZ73CNmQviecrnyiWrnqRhWNLy
Bitcoin (Bech32 SegWit) bc1q... bc1qw508d6qejxtdg4y5r3zarvary0c5xw7kv8f3t4
Bitcoin (Taproot) Bech32m bc1p... bc1p0xlxvlhemja6c4dqv22uapctqupfhlxm9h8z3k2e72q4k9hcz7vqzk5jj0
Ethereum hex 20 bytes 0xd8dA6BF26964aF9D7eEd9e03E53415D37aA96045 (vitalik.eth)
Solana Base58 So11111111111111111111111111111111111111112 (wSOL)
Cosmos Bech32 com prefix cosmos1... cosmos1...
Cardano Bech32 addr1... addr1q9...
Tron Base58Check com prefix T TKkeiboTkxXKJpbmVFbv4a8ov5rAfRDMf9
Polkadot SS58 1FRMM8PEiWXYax7rpS6X4XZX1aAAxSWx1CrKTyrVYhV24fg
TON base64url ou raw EQDrjaLahLkMB-hMCmkzOyBuHJ139ZUYmPHu6RRBKnbdLIYI

ENS (Ethereum Name Service): vitalik.eth resolve para 0xd8dA... — humano-readable em Ethereum.

12. Endereços + privacy

Chain pública = todo mundo vê:

  • Saldo de cada address.
  • Histórico completo de tx.
  • Counter-parties.
  • Padrões de tempo.

Pseudonímia ≠ anonimato. Heuristics de chain analysis (Chainalysis, TRM, Elliptic):

  • Common input ownership: txs com múltiplos inputs probably pertencem ao mesmo dono.
  • Change address detection: identificar troco vs receiver.
  • Address clustering: agrupar addresses do mesmo dono.
  • Off-chain data: KYC de exchanges + on-chain links.

Mitigations:

  • CoinJoin (Wasabi, Samourai, Whirlpool).
  • Privacy coins (Monero, Zcash, Dash PrivateSend).
  • Tornado Cash (sancionada).
  • Wrapping em rollups privacy-focused (Aztec).

13. Stack típico Web3

┌──────────────────────────────────────────────┐
│  Frontend (React, Next.js, Vue)              │
│  + WalletConnect, RainbowKit, ConnectKit     │
├──────────────────────────────────────────────┤
│  Wallet (MetaMask, Phantom, Rabby, Coinbase) │
├──────────────────────────────────────────────┤
│  RPC provider (Alchemy, Infura, QuickNode,   │
│  self-hosted node)                           │
├──────────────────────────────────────────────┤
│  Smart contracts (Solidity, Vyper, Rust)     │
│  + libraries (OpenZeppelin, Solady)          │
├──────────────────────────────────────────────┤
│  L1/L2 chain                                 │
└──────────────────────────────────────────────┘

Indexers/data: The Graph, Goldsky, Subsquid, Dune Analytics. Oracles: Chainlink, Pyth, RedStone, API3. Dev tools: Hardhat, Foundry, Truffle (legacy), Anchor (Solana), Anvil/forge. Testing: Foundry (Solidity-native), Hardhat + Mocha, Brownie (Python).

14. Estado da arte 2026

  • Bitcoin: Layer 1 monetário; L2 evolution (Lightning + Stacks + Arch + Babylon).
  • Ethereum: settlement + DA layer; execução em L2s (Arbitrum, Base, OP, Scroll, zkSync).
  • Solana: high-perf monolithic L1; competitive em UX + speed.
  • Cosmos: app-chain ecosystem; IBC interoperability.
  • Polkadot: parachains, shared security, relay chain.
  • Modular thesis: separação de execution / settlement / DA / consensus (Celestia, EigenDA, Avail).

Estatísticas (~mai/2026):

  • Bitcoin marketcap: ~US$ 2.5T.
  • Ethereum marketcap: ~US$ 600B.
  • Total crypto marketcap: ~US$ 4T.
  • Stablecoin marketcap: ~US$ 250B.
  • DeFi TVL: ~US$ 200B.
  • Daily DEX volume: ~US$ 10B.

15. Bibliografia

  • Antonopoulos, Mastering Bitcoin, O'Reilly 2017 (free github), 3ª ed.
  • Antonopoulos + Wood, Mastering Ethereum, O'Reilly 2018.
  • Narayanan, Bonneau, Felten, Miller, Goldfeder, Bitcoin and Cryptocurrency Technologies, Princeton 2016 (free).
  • Werner, Perez, Gudgeon, Klages-Mundt, Harz, Knottenbelt, SoK: Decentralized Finance (DeFi), AFT 2022.
  • Zamyatin et al., SoK: Communication Across Distributed Ledgers (2021).
  • Vitalik Buterin's blog: vitalik.ca / vitalik.eth.limo.
  • Bitcoin Optech newsletter (bitcoinops.org/en/newsletters/).
  • Ethereum Research forum: ethresear.ch.
  • 0xResearch (Blockworks) podcast.
  • Bankless newsletter/podcast.
  • Messari research reports.

16. Referência cruzada

  • Cripto primitives: ../cryptography/10-criptomoeda.md.
  • Consenso detail: 03-consensus.md.
  • Chains específicas: 04-l1-bitcoin.md, 05-l1-ethereum.md, 06-l1-alt.md.
  • DeFi: 09-defi.md.
  • Regulação: 13-regulacao.md.