Вступ

Введення Ethereum у 2015 році відзначило значний крок у еволюції технології блокчейн, пропонуючи платформу для інновацій та децентралізованих рішень. Однак, зі зростанням популярності Ethereum, масштабованість та високі газові внески виявились формідабельними викликами. Незважаючи на ці перешкоди, Ethereum залишається стійким у своєму прагненні до екстремальної масштабованості без ушкодження децентралізації та безпеки.

Щоб заглибитися в рішення для масштабування Ethereum і складний баланс між масштабованістю, безпекою та децентралізацією, важливо зрозуміти трилему блокчейну — фундаментальну концепцію технології блокчейн. У цій статті досліджується різноманітний ландшафт рішень для масштабування, включаючи ончейн і офчейн підходи, зосереджуючись на зведених рішеннях. Порівнюючи Optimistic і Zero-Knowledge Roll-ups, ця стаття має на меті з'ясувати нюанси компромісів і переваг кожного підходу, проливаючи світло на їх наслідки для майбутнього Ethereum і ширшої екосистеми блокчейну.

Трилема блокчейну

Три основні характеристики блокчейну - масштабованість, безпека та децентралізація.

Безпека

Це означає забезпечення безпеки мережі від атак та забезпечення безпеки всіх транзакцій та їх недоторканності.

Децентралізація

Це означає розподіл контролю мережі таким чином, щоб жоден окремий суб'єкт не мав занадто великої влади. Суть полягає в тому, щоб мережею керували багато вузлів, а не лише одна центральна влада.

Масштабованість

Це можливість мережі обробляти велику кількість транзакцій швидко та ефективно по мірі зростання.

Джерело: Ефіріум

Нездатність блокчейну одночасно досягти всіх цих цілей відома як «трилема блокчейну». Покращення одного часто означає принесення в жертву інших, і вважається, що ця трилема серйозно обмежує впровадження та потенціал технології. Як ілюстрація, більший ступінь децентралізації (більше відповідальних людей) може призвести до менш масштабованих мереж із повільнішими транзакціями, оскільки більше вузлів повинні погоджувати транзакції. Однак зі збільшенням масштабованості (транзакції відбуваються швидше) може виникнути необхідність зменшити «децентралізацію» (менша кількість вузлів контролює), що може вплинути на безпеку. Суворі правила та менша кількість вузлів можуть призвести до того, що транзакції стануть повільнішими та більш централізованими, що може обмежити масштабованість та децентралізацію мережі, якщо безпека надається першочерговим пріоритетом.

Рішення масштабування: на ланцюжку та поза ланцюжком

Процес масштабування on-chain передбачає внесення змін до протоколу головного рівня 1 Ethereum, який спочатку був призначений для масштабованості через шардування – поділ блокчейну на менші, перевірені області. Використовуючи менш вартісні додатки даних до блоків Ethereum, rollups другого рівня виросли як основна техніка масштабування.

Рішення для масштабування поза ланцюжком, з іншого боку, не залежать від рівня 1 Ethereum і не потребують жодних змін у протоколі. Вони отримують масштабованість, обробляючи транзакції поза основною мережею Ethereum, і отримують безпеку або безпосередньо від консенсусу Ethereum, або через незалежні ланцюжки. Бічні ланцюжки, канали стану, Плазма, Валідіум і Ролл-апи - це деякі з цих рішень рівня 2.

Розширені масштабні рішення

Джерело:DappRadar

Roll-ups, які захищені Ethereum, збільшують масштабованість Ethereum, обробляючи та підтверджуючи транзакції поза ланцюжком, а потім надсилаючи узагальнену підсумок транзакцій на головну мережу. У результаті головна мережа Ethereum L1 обробляє менше даних та обчислень, що прискорює мережу та знижує вартість транзакцій.

Вхід та вихід

Вихід та вхід - це процеси переміщення коштів між Ethereum та рішенням масштабування другого рівня (L2).

• Щоб скористатися рішенням L2, користувачам потрібно буде внести свої кошти на розумний контракт на Ethereum, який блокує їх до тих пір, поки вони не будуть зняті.
• Вихід: Щоб отримати свої кошти назад, користувачам потрібно надіслати доказ їх балансу на рішенні L2 до смарт-контракту, який вивільняє їх на їх адресу Ethereum. Різні рішення L2 мають різні методи підтвердження та верифікації транзакцій, такі як докази з нульовою інформацією або докази шахрайства. Ці методи впливають на швидкість, вартість та безпеку виходу та входу.

Розуміння Zero-knowledge (ZK) та Оптимістичних Roll-ups

Zero-знання (ZK) та Оптимістичні Roll-ups - це дві категорії масштабних рішень Ethereum.

Нульові розгортки знань

Zero-знання Roll-ups, відомі як ZK roll-ups, припускають, що всі транзакції є недійсними до тих пір, поки не буде доведено їх дійсність за допомогою доказів нульового знання (ZKPs), гострий контраст до їхніх оптимістичних аналогів. Тут валідатори доводять, що транзакція є автентичною, не розкриваючи жодних деталей транзакції. Це робиться шляхом публікації доказів про дійсність на Ethereum, що усуває необхідність у даних про транзакції on-chain. Приклади Zero-Knowledge roll-ups включають Starknet, zkSync та Loopring.

Джерело: Nervos

Основні особливості нуль-знання Roll-ups

Доказ нульового знання

Це метод, який дозволяє «доведеному» демонструвати правду заяви перед «перевіряючим» без розкриття будь-якої інформації, крім факту, що заява є правдивою. Це забезпечує конфіденційність та безпеку при підтвердженні претензій без розкриття підтверджуючих даних.

ZK-SNARKs (Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge)

Протокол дозволяє підтверджувати цілісність висловлення, нічого про нього не знавши. Він є стислим та неінтерактивним, що означає, що докази є невеликими, а перевірка швидка та вимагає лише одного взаємодії.

ZK-STARKs (Zero-Knowledge Scalable Transparent Argument of Knowledge)

Схожі з ZK-SNARK, але призначені для масштабування та прозорості, що робить їх швидшими для більших наборів даних та вільними від потреби у довіреному налаштуванні, хоча вони виробляють більші докази.

Як працюють нульові розклади знань

1. Підтвердження транзакції користувачем: Користувачі ініціюють транзакції, підписуючи їх своїми приватними ключами. Ці транзакції надсилаються операторам ZK-rollup.

2. Операторська обробка: Оператори, як послідовники або перевіряльники, отримують транзакції користувачів. Послідовники виконують транзакції поза ланцюжком, агрегуюють їх у партії та періодично подають ці партії на блокчейн Ethereum. Перевіряльники обробляють транзакції в установці доказу стейку та пропонують нові партії на основі розміру стейку.

3. Пакетне стискання та надсилання: Перед поданням до Ethereum оператор стискає дані транзакції для зменшеннядані дзвінкаРозмір. Ці стислі дані потім включаються в транзакцію Ethereum та відправляються на розумний контракт ZK-rollup.

4. Зобов'язання на ланцюгу: Смарт-контракт Ethereum отримує пакет даних та перевіряє його цілісність. Він оновлює дерево стану rollup новими транзакціями та зберігає корінь Меркла цього оновленого стану.

5. Генерація доказів знання нуля: Оператор ZK-roll-up генерує докази нульового знання для кожної партії. Ці докази криптографічно підтверджують правильність переходів стану, не розкриваючи чутливу інформацію.

6. Подання доказів: Оператор подає докази з нульовим знанням у верифікуючий контракт Ethereum. Цей контракт перевіряє докази та забезпечує, що запропоновані переходи стану є дійсними.

7. Оновлення кореня стану: Після успішної перевірки доказів нульового знання оновлення розумних контрактів Ethereum на корені стану rollup з новим коренем Меркла, розрахованим з останньої партії транзакцій.

8. Взаємодія користувачів: Користувачі можуть взаємодіяти з ZK-rollup, депонуючи активи на Ethereum, ініціюючи транзакції та зняття коштів. Депозити здійснюються шляхом відправлення активів на контракт роллапу, тоді як зняття включає подання запитів з необхідними доказами до контракту.

9. Підтвердження та виконання: контракт roll-up перевіряє запити на виведення, переконуючись, що вони є дійсними та підтримуються необхідними доказами. Після підтвердження контракт виконує виведення, переказуючи активи на вказані користувачами адреси на основну мережу Ethereum.

Переваги Zero-Knowledge Roll-ups

• Докази правомірності: ZK roll-ups використовують докази правомірності для перевірки правильності позаплатних транзакцій, які запобігають операторам виконання неправильних переходів стану та пропонують швидшу остаточність.
• Стиснення даних: ZK roll-ups використовують техніки стиснення для зменшення обсягу даних, розміщених на ланцюжку, що може знизити комісії для користувачів та збільшити масштабованість roll-up.
• Миттєві виведення: ZK rollups дозволяють користувачам виводити кошти з L2 на L1 без затримок, оскільки транзакції виходу виконуються після перевірки доказу дійсності на L1.

Недоліки Roll-ups з нульовим розголошенням

• Генерація та перевірка доказів: ZK rollups потребують складної криптографії та інженерії для створення та перевірки доказів валідності, що може збільшити витрати та виклики для операторів та користувачів rollup.
• Сумісність з EVM: ZK rollups не є легко сумісними з EVM, що ускладнює підтримку універсальних смарт-контрактів та існуючих dapps та інструментів на rollup.
• Ризики централізації: ZK rollups можуть сприяти централізованому контролю над roll-up кількома сторонами, оскільки вироблення доказів валідності вимагає спеціалізованого обладнання та експертизи.

Використання нульових знань Roll-ups

Roll-ups з нульовим знанням (ZK) ідеально підходять для різних випадків використання, особливо тих, які потребують балансу між конфіденційністю, масштабованістю та безпекою. Ось деякі випадки використання roll-ups з нульовим знанням.

Децентралізована перевірка ідентичності

ZK-roll-ups можуть перевірити особу без розголошення чутливої особистої інформації. Ця функція, що зберігає конфіденційність, є важливою для безпечної аутентифікації та управління користувачами.

Транзакції, які зберігають конфіденційність

Вузли ланцюжка можуть підтверджувати транзакції без прямого доступу до даних транзакцій. ZK-rollups дозволяють здійснювати конфіденційні та ефективні перекази, забезпечуючи при цьому безпеку.

Системи голосування

Системи голосування повинні забезпечувати анонімність та цілісність на виборах, дозволяючи публічну перевірку результатів.

Оптимістичні Roll-ups

Оптимістичні ролл-апи масштабують Ethereum, переміщаючи транзакції офшорно та публікуючи лише дані на ланцюжку. Вони припускають і довіряють, що офшорні транзакції є валідними без їх перевірки. Однак оптимістичні ролл-апи використовують докази шахрайства для виявлення помилок чи шахрайства в офшорних транзакціях. Два найпопулярніших оптимістичних ролл-апи - це Arbitrum та Optimism.

Період виклику - це час, який настає після того, як пакет roll-up подається до мережі Ethereum. Будь-хто може оскаржити правомірність транзакції roll-up протягом цього часу. Після закінчення періоду виклику пакет roll-up вважається правомірним на Ethereum, якщо його не оскаржують. Натомість протокол перевиконує транзакції та накладає покарання на послідовника, якщо доказ шахрайства виявиться успішним.

Джерело:Nervos.org

Як працюють оптимістичні Roll-Ups

1. Подання транзакцій, ініційованих користувачем: у мережі оптимістичного згортання користувачі починають транзакції. Послідовник або оператор отримує цю транзакцію.

2. Агрегація транзакцій та їх відправлення на ланцюжок: Оператор компілює всі ці окремі транзакції в блок та зменшує розмір даних шляхом їх стиснення, створюючи пакет транзакцій, які готові до обробки. Після цього оператор відправляє пакет транзакцій до мережі Ethereum. Дані транзакцій упаковуються в цьому процесі та публікуються на Ethereum як виклик даних.

3. Наявність даних на Ethereum: Ethereum записує дані транзакцій, розміщені/надіслані у межах викликових даних на своєму блокчейні. Це забезпечує доступність даних транзакцій для майбутньої посилання.

4. Перехід стану та зобов'язання: Валідатори на мережі оптимістичного зведення, відомі також як послідовникиУ деяких випадках виконання транзакцій з використанням поточного стану ланцюжка roll-up, збереженого офлайн. Вони перевіряють правильність транзакцій та оновлюють стан roll-up відповідно. Після обробки транзакцій оператор підтверджує новий стан ланцюжка roll-up, генеруючи новий корінь стану. Цей корінь хешується та зберігається on-chain як посилання на останній стан roll-up.

5. Виявлення шахрайства та докази про шахрайство: Валідатори стежать за будь-якими відмінностями між власним виконаним станом та запропонованим оператором станом, спостерігаючи за ланцюгом roll-up. Якщо валідатор виявить розбіжності, він може висунути виклик, щоб оскаржити валідність блоку roll-up. У разі виклику валідатори можуть надати докази шахрайства Ethereum, демонструючи будь-які неузгодженості в блоку roll-up. Ці докази служать свідченням про шахрайську діяльність та спричиняють покарання для недобросовісного оператора.

6. Арбітраж та вирішення спорів: Ethereum є арбітром у процесі вирішення суперечок. Воно оцінює докази шахрайства, надані викликачами, та накладає покарання на оператора, якщо підтверджується шахрайська поведінка.

7. Остаточність та врегулювання: Як тільки блок roll-up приймається на Ethereum, він досягає остаточності, що означає, що транзакції всередині нього вважаються врегульованими та необоротними. Це врегулювання надає користувачам впевненість у цілісність їхніх транзакцій в мережі оптимістичного roll-up.

Переваги оптимістичних Roll-ups

• Сумісність з EVM: Оптимістичні roll-ups можуть підтримувати будь-який розумний контракт або транзакцію, яка може виконуватися на Ethereum, що робить їх легко інтегрованими з існуючими додатками та інструментами.
• Низька латентність: Оптимістичні рол-апи пропонують швидкі часи підтвердження транзакцій, оскільки користувачам не потрібно чекати підтвердження доказів на L1.
• Висока пропускна здатність: Оптимістичні ролапи можуть обробляти тисячі транзакцій за секунду, переміщаючи обчислення поза ланцюжком та публікуючи лише дані транзакцій на ланцюжку

Недоліки оптимістичних Roll-ups

• Докази про шахрайство: Оптимістичні ролапи ґрунтуються на доказах шахрайства для забезпечення правильності поза ланцюжкових транзакцій, які потребують складного періоду та додаткових витрат газу для виконання на рівні L1.
• Доступність даних: Оптимістичні роллапи залежать від доступності даних транзакцій на L1, що може бути ускладнене мережевою заторами або зловмисниками.
• Затримки у виведенні: Оптимістичні розвороти накладають період очікування на користувачів для виведення коштів з L2 на L1, який може становити від кількох годин до днів в залежності від дизайну розвороту.

Використання оптимістичних рол-апів

Оптимістичні roll-ups вирішують проблеми масштабованості в додатках, заснованих на Ethereum, зберігаючи при цьому довіру та безпеку, що робить їх ідеальним рішенням для різних використань у різних галузях промисловості. Ці включають;

Децентралізована фінансова система (DeFi)

Оптимістичні ролапи можуть значно підвищити пропускну здатність транзакцій для платформ DeFi, дозволяючи швидші та дешевші взаємодії з протоколами, такими як кредитування, торгівля та фармінг доходності.

Гра

У гральних додатках, де реальні взаємодії в реальному часі та швидке підтвердження дій в грі є важливими, оптимістичні роллапи пропонують спосіб обробки транзакцій поза ланцюжком, зберігаючи безпеку за допомогою публікації даних на ланцюжку.

Управління ланцюгом постачання

Оптимістичні ролапи можуть оптимізувати процеси ланцюга поставок, обробляючи великі транзакції поза ланцюгом, що дозволяє зменшити затори на головній мережі Ethereum. Це особливо корисно для відстеження товарів, підтвердження автентичності та управління запасами.

Підтвердження особи

Перевірка ідентичності та управління профілями користувачів можуть бути корисними для оптимістичних роллапів. Відвантажуючи обчислення та зберігання стану, ці протоколи можуть підвищити ефективність транзакцій, пов'язаних з ідентичністю.

Порівняння Zero-knowledge (ZK) та Оптимістичних Roll-ups

Висновок

Порівняння між Оптимістичними та Нуль-знання Ролл-апами підкреслює витончені підходи до масштабованості та безпеки в екосистемі Ethereum. У той час як Оптимістичні Ролл-апи надають перевагу швидкості транзакцій та сумісності з існуючою інфраструктурою Ethereum, Нуль-знання Ролл-апи відзначаються збереженням конфіденційності та криптографічною цілісністю. Обидва рішення представляють значні досягнення в галузі технологій блокчейну, пропонуючи унікальні переваги та компроміси, які відповідають різноманітним використанням.

Постійний розвиток Ethereum, впровадження та вдосконалення цих рішень з розгортанням відіграє важливу роль у формуванні майбутньої децентралізованої фінансової сфери, нефонгових токенів та інших блокчейн-застосувань. Прийняття цієї різноманітності масштабувальних рішень підкреслює зобов'язання Ethereum до інновацій та стійкості у подоланні проблем масштабованості, дотримуючись основних принципів безпеки та децентралізації.