Предисловие

Ethereum - одна из самых популярных блокчейн, которая уже давно борется с проблемами масштабируемости. Высокие тарифы на газ и низкая скорость транзакций - основные проблемы, которые привели к перегрузке сети. Для решения этих проблем появились различные решения по масштабированию. В этом уроке мы познакомимся с некоторыми решениями по масштабированию в Ethereum и рассмотрим два распространенных вида сворачивания: оптимистическое сворачивание и ZK-сворачивание.

Оптимистические сворачивания - это протоколы второго уровня для Ethereum, предназначенные для масштабирования пропускной способности его базового уровня. За счет обработки транзакций вне цепи оптимистичные сворачивания сокращают вычисления в Ethereum Mainnet, значительно повышая скорость обработки. В отличие от других решений по масштабированию, таких как сайдчейн, оптимистичные ролловеры упаковывают результаты транзакций и публикуют их в Ethereum, наследуя безопасность Mainnet. Он проверяет транзакции на Ethereum с помощью доказательств мошенничества, но хранит данные о транзакциях в другом месте.

Оптимистичные сворачивания могут предложить более чем 10-кратное улучшение масштабируемости за счет отказа от прямой обработки каждой транзакции в медленной и дорогой сети Ethereum. Вместо этого он записывает транзакции в Ethereum в виде calldata, которые служат временным хранилищем, не занимая значительного места в блокчейне Ethereum, тем самым снижая затраты на газ для пользователей.

Zero-knowledge rollups (ZK-rollups) также являются решениями второго уровня масштабирования, которые увеличивают пропускную способность Ethereum Mainnet за счет перемещения вычислений и хранения состояния за пределы цепи. ZK-роллапы могут обрабатывать тысячи транзакций партиями, а затем публиковать в Mainnet только минимальные сводные данные. Эти сводные данные определяют изменения, которые должны быть внесены в состояние Ethereum, и некоторые криптографические доказательства, известные как доказательства нулевого знания, которые проверяют правильность пакетной обработки транзакций.

Как работают роллапы

Оптимистичные роллы

Оптимистичные ролловеры - это технологическое решение для повышения эффективности и безопасности транзакций в блокчейне. Она предполагает объединение нескольких транзакций в "ролл-ап" и отправку их в главную цепочку (Ethereum). Это решение помогает сэкономить ресурсы на основной цепочке, увеличить скорость и пропускную способность транзакций, а также снизить комиссионные за транзакции.

Оптимистичные ролловеры выполняют транзакции вне цепи, но публикуют данные о транзакциях в виде calldata в сети Ethereum mainnet. Операторы оптимистичного сворачивания, также известные как секвенсоры, объединяют несколько внецепочечных транзакций в большие пакеты, прежде чем отправить их в Ethereum. Такой подход распределяет постоянные затраты между несколькими транзакциями в каждой партии, снижая затраты для конечных пользователей. Кроме того, оптимистичные сворачивания используют технику сжатия для уменьшения объема данных, размещаемых на Ethereum.

Оптимистичные сворачивания считаются "оптимистичными", поскольку они предполагают, что все транзакции вне цепи являются действительными, и не публикуют доказательств действительности для партий транзакций, размещенных в цепи. Это основное различие между оптимистичными роллапами и ZK-роллапами, где ZK-роллапы должны предоставлять доказательства достоверности для транзакций вне цепи.

Оптимистичные сворачивания используют доказательства мошенничества для обнаружения транзакций, которые неправильно рассчитаны. Каждая партия rollup, подаваемая в Ethereum, имеет временное окно, называемое "периодом вызова", в течение которого любой желающий может выступить в роли валидатора и вычислить доказательство мошенничества для проверки результатов транзакции rollup. Если доказательство мошенничества проходит успешно, протокол сворачивания повторно выполняет транзакцию и соответствующим образом обновляет состояние сворачивания, а узлы, включившие в блок некорректно выполненные транзакции, будут наказаны.

Если после окончания периода оспаривания партия роллирования остается неопротестованной (что означает, что все транзакции были выполнены правильно), то такая партия считается действительной и принятой в Ethereum. Любой узел может продолжать строить на основе неподтвержденных рулонных блоков, но если он случайно выполнит транзакции, основанные на неправильно выполненной партии, результаты транзакции будут аннулированы.

Таким образом, оптимистичные ролловеры могут достичь эффективной и недорогой обработки транзакций, сохраняя при этом безопасность блокчейна. Это решение, которое переносит проблему масштабируемости с уровня консенсуса на вычислительный уровень, и в настоящее время это широко признанная и применяемая технология масштабирования блокчейна.

Роллапы упорядочивают отдельные транзакции вне цепочки и упаковывают их вместе перед размещением в Ethereum

ZK-Rollups

ZK-роллапы, как и оптимистичные роллапы, представляют собой решения для масштабирования, которые используют пакетную обработку транзакций для повышения эффективности транзакций в блокчейне. Однако для достижения этой цели они используют разные подходы.

В ЗК-роллах операторы (также известные как секвенсоры) передают в основную цепочку сводку агрегированных данных транзакций, представляющую собой изменения, необходимые для всех транзакций в партии, вместо того, чтобы индивидуально отправлять каждую транзакцию. Операторы записывают транзакции в виде calldata, временно хранящихся на Ethereum, и когда информация в calldata публикуется на блокчейне, любой желающий может самостоятельно восстановить состояние ролловера.

Кроме того, операторы должны генерировать доказательства достоверности, чтобы продемонстрировать корректность своих данных по свертыванию. Эти доказательства достоверности в основном опираются на ZK-доказательства для подтверждения подлинности и достоверности всех транзакций в сворачиваемой партии.

Узлам Mainnet нужно только проверять правильность ZK-доказательств, не изучая детали каждой транзакции. В отличие от этого, оптимистичные свертывания используют доказательства мошенничества для обнаружения вычислительных ошибок в транзакциях. Это означает, что ZK-роликам для завершения транзакций на Ethereum необходимо предоставлять только доказательства достоверности, в то время как оптимистичные роллинги требуют включения всех данных о транзакциях в цепочку.

При переводе средств из ZK-ролл-апа в Ethereum не возникает никакой задержки, так как выходные транзакции выполняются сразу же после того, как контракт ZK-ролл-апа проверит доказательство валидности. С другой стороны, извлечение средств из оптимистичных сворачиваний происходит с задержкой, чтобы дать возможность любому желающему оспорить транзакции выхода с доказательствами мошенничества.

В ZK-роликах также используются методы сжатия для уменьшения объема транзакционных данных. Например, ZK-роллапы используют деревья Меркла для поддержания безопасности и целостности внецепочечных транзакций, не храня все данные о транзакциях в Mainnet. Кроме того, счета представлены индексами вместо адресов, что позволяет сэкономить 28 байт данных. Публикация данных на цепочке является значительной статьей расходов для рулонов, поэтому сжатие данных может снизить плату для пользователей.

Доказательства с нулевым знанием

Доказательства с нулевым знанием существуют в различных алгоритмах. Если Алиса хочет доказать Бобу, что она действительно знает секретный ключ "пароль", то она может сделать это, используя следующие шаги:

1. Алиса случайным образом выбирает число r и использует хэш-функцию для вычисления H(r), а затем отправляет результат Бобу. Хэш-функция H преобразует данные произвольной длины в хэш-значение фиксированной длины. Например, H("hello") может быть "2f95f89f1c2328712ef7bde608ce5404e97d5f04".

2. Боб генерирует случайное число s и отправляет его Алисе.

3. Алиса вычисляет x = r + H("password") * s, где "password" - это секретный ключ, известный Алисе. Затем она отправляет результат Бобу.

4. Боб вычисляет y = H(x) и отправляет y Алисе.

5. Алиса вычисляет z = r + H("password") s y и отправляет z Бобу.

6. Боб вычисляет w = H(z). Если w равно y, что указывает на то, что z = x, Боб знает, что Алиса владеет секретным ключом "password".
   На шаге 3 Алиса комбинирует известный секретный ключ "password" со случайным числом r и фиксированным значением H("password") * s для создания кажущегося случайным значения x, которое служит псевдослучайным представлением "password" посредством вычисления хэш-функции. Он формирует новое значение x, состоящее из истинно случайной величины r и фиксированного пароля "password".

Во время взаимодействия обе стороны могут видеть только свои собственные случайные числа. Например, Алиса знает r, но не знает s, а Боб знает s, но не знает r. Однако Боб может использовать случайную величину s для проверки хэш-значения Алисы и определения того, содержит ли оно псевдослучайный компонент. Псевдослучайность означает, что Алиса действительно обладает секретным ключом, в то время как истинная случайность означает, что Алиса лжет.

Ключ к этому процессу заключается в том, что Алиса использует секретный ключ для вычисления x и z на шагах 3 и 5, тем самым доказывая свое владение секретным ключом, не раскрывая его реального содержания. Случайные числа r и s, а также хэш-функция H помогают защитить конфиденциальность Алисы.

Преимущества ролл-апов

Оптимистичные роллы

1. Значительно повышает масштабируемость без ущерба для безопасности и децентрализации.

2. Данные о транзакциях хранятся в цепочке первого уровня, что повышает прозрачность, безопасность, устойчивость к цензуре и децентрализацию.

3. Обеспечивает бездоверительную окончательность с доказательствами мошенничества и позволяет честным меньшинствам обеспечивать безопасность цепочки.

4. Вычисление доказательств мошенничества относительно просто и может быть выполнено любыми узлами второго уровня, не требуя высокотехнологичного оборудования.

5. Высокая совместимость с EVM и Solidity позволяет разработчикам переносить Ethereum-нативные смарт-контракты в ролловеры или создавать новые dApp, используя существующие инструменты.
   ZK-Rollups

6. Доказательства действительности обеспечивают корректность внецепочечных транзакций, не позволяя операторам выполнять транзакции с недействительным состоянием.

7. Обеспечивает более быстрое завершение транзакции, поскольку обновления состояния утверждаются после проверки доказательств действительности на уровне

8. Полагается на доверенные криптографические механизмы для обеспечения безопасности, а не на честность мотивированных участников, как в оптимистичных свертываниях.

9. Пользователи выигрывают от более высокой эффективности использования капитала и могут выводить средства со второго уровня без задержек.

10. Снижение нагрузки на узлы валидаторов первого уровня и лучшее сжатие данных могут помочь снизить затраты на публикацию данных на Ethereum, минимизируя плату за сворачивание данных для пользователей.
    Обычные доказательства нулевого знания бывают в форме zk-SNARK (Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge) и zk-STARK (Zero-Knowledge Scalable Transparent Argument of Knowledge). Различия между ними сводятся к следующему:

Недостатки ролл-апов

Оптимистичные роллы

1. Потенциальные проблемы, связанные с мошенничеством, могут привести к задержкам в завершении транзакции.

2. Централизованные секвенсоры рулонов могут влиять на упорядочивание транзакций.

3. Когда нет честных узлов, злонамеренные секвенсоры могут украсть средства, размещая недействительные блоки и обязательства по состоянию.

4. Модель безопасности опирается на то, что по крайней мере один честный узел выполняет транзакции rollup и представляет доказательства мошенничества, чтобы оспорить недействительные переходы состояний.

5. Чтобы вывести средства обратно в Mainnet, пользователи должны дождаться окончания периода испытания.

6. Данных, хранящихся и публикуемых на уровне 1, больше, чем на ZK-роликах, что заставляет их потреблять больше ресурсов и увеличивает затраты.
   ZK-Rollups

7. Стоимость вычисления и проверки доказательств достоверности высока, что может увеличить плату для пользователей рулонных систем.

8. Из-за сложности технологии нулевого знания трудно построить EVM-совместимые ZK-ролики.

9. Генерация доказательств достоверности требует специализированного оборудования, что увеличивает барьер для операторов и может привести к тому, что несколько участников будут контролировать сеть блокчейн.

10. Централизованные операторы могут влиять на упорядочивание транзакций.

Ведущие проекты по свертыванию

Оптимизм

Optimism - это решение для масштабирования второго уровня на базе Ethereum, которое использует оптимистичные сворачивания для увеличения пропускной способности транзакций, снижения комиссии и сохранения высокой совместимости с Ethereum. Цель Optimism - создать Суперцепь, единую сеть, объединяющую все цепи второго уровня, основанные на стеке Optimism. Она обеспечивает межцепочечную совместимость и взаимодействие.

Экосистема Optimism достигла значительных успехов, начав с того, что в середине 2022 года сообщество получило воздушный десант, чтобы вознаградить первых сторонников и участников. Токены OP были распределены среди пользователей Optimism, избирателей DAO, избранных подписчиков мультисиг и доноров Gitcoin.

В начале 2023 года Coinbase запустила Base, блокчейн-сеть второго уровня, разработанную с использованием стека Optimism Stack с открытым исходным кодом. Base стремится предоставить разработчикам быструю, безопасную и настраиваемую платформу второго уровня и планирует интегрировать ее с кошельком и биржей Coinbase для улучшения пользовательского опыта и повышения безопасности.

Optimism продолжает совершенствовать свою технологию и архитектуру управления. Например, он вводит такие функции, как механизм доказательства ошибок Cannon, разрабатывает протокол секвенсора и создает Коллектив Оптимизма. Применение Chain Factory будет способствовать построению экосистемы Superchain вокруг сети Ethereum.

В настоящее время несколько известных децентрализованных приложений, таких как Uniswap, Aave и Synthetix, были развернуты на Optimism, представляя собой флагманские проекты оптимистического сворачивания.

Arbitrum

Arbitrum - это также блокчейн-сеть второго уровня, использующая оптимистичные сворачивания. В нем используется многораундовый интерактивный дизайн для разрешения споров и снижения нагрузки на цепочку. Arbitrum предлагает сильную совместимость с EVM, что позволяет разработчикам легко развертывать свои смарт-контракты в сети Arbitrum. Однако, по сравнению с однораундовым доказательством мошенничества Optimism, Arbitrum имеет больший размер блока.

Arbitrum завоевал популярность среди инновационных DeFi проектов. К наиболее заметным из них относятся платформа для торговли деривативами GMX и Gains Network, а также протокол кредитования Radiant. Такие уже существующие проекты, как Sushiswap и Curve, также принесли значительную ликвидность в экосистему Arbitrum. По данным Dune Analytics, по состоянию на апрель 2023 года количество пользователей на Arbitrum превысило 1 млн. человек, объем торгов превысил 10 млрд. долларов, а активы на цепочке достигли 2 млрд. долларов.

Помимо привлечения новых проектов и пользователей, Arbitrum продолжает внедрять инновации и оптимизировать свои технологии и управление. В феврале 2023 г. компания провела воздушный слив токена управления ARB, позволяющего сообществу участвовать в принятии решений по модернизации сети Arbitrum.

Несмотря на противоречия и споры, возникшие в связи с предложением AIP-1 и решением фонда продавать токены ARB, цена на токены ARB продолжала расти, что свидетельствует об оптимизме рынка в отношении будущего потенциала этой технологии.

В настоящее время сеть Arbitrum является одним из наиболее динамичных блокчейн-проектов второго уровня, использующих оптимистичный ролловер, предлагая больше возможностей и ценности для экосистемы Ethereum.

zkSync

zkSync - это решение 2-го уровня масштабирования, основанное на доказательствах с нулевым знанием, направленное на повышение скорости транзакций и снижение затрат в сети Ethereum при сохранении совместимости с EVM. Команда разработчиков, Matter Labs, запустила вторую фазу сети zkSync, названную zkSync Era, в начале 2023 года. На этом этапе для дальнейшего повышения эффективности доказательства с нулевым знанием используется лаконичный, прозрачный аргумент знания (STARK).

Запуск мейннета zkSync привлек значительное внимание сообщества разработчиков. Она почти достигла полной реализации zkEVM, что позволяет разработчикам создавать приложения с нулевыми знаниями, используя язык Solidity. Это означает, что разработчики могут легко перенести свои Ethereum-приложения на zkSync и получить преимущества от повышенной масштабируемости и безопасности.

zkSync также обеспечивает взаимодействие с другими сетями второго и первого уровней с помощью кросс-сетевых сервисов Multichain и Orbiter Finance. В настоящее время несколько блокчейн-проектов уже объявили о своей поддержке развертывания zkSync, включая кошельки, межцепочечные мосты, платежные шлюзы, блокчейн-исследователи, биржи, протоколы DeFi, платформы NFT, игры и т.д.

Экосистема zkSync все еще находится на ранней стадии, но мы уже видели некоторые активные компоненты, включая децентрализованную биржу SyncSwap и протокол кредитования Nexon Finance. Доступ к кампаниям по сбору пожертвований Gitcoin также можно получить через zkSync.

Запуск мейннета zkSync считается ключевой вехой на пути к масштабируемости Ethereum, демонстрирующей огромный потенциал технологии "нулевых знаний" в блокчейн-пространстве. По мере того, как все больше проектов и пользователей переходят на zkSync, мы можем ожидать более быстрых, дешевых и безопасных блокчейн-транзакций и приложений.

StarkNet

StarkNet - это проект масштабирования второго уровня для Ethereum, разработанный стартап-компанией Starkware. Ее основная технология основана на STARK (Scalable Transparent Arguments of Knowledge), доказательстве с нулевым знанием, позволяющем осуществлять более быструю, надежную и ресурсоэффективную проверку транзакций на блокчейне, защищая при этом конфиденциальность пользователей.

Компания StarkNet уже интегрировалась с несколькими популярными блокчейнами. StarkGate, межцепочечный мост, был интегрирован для поддержки взаимодействия с различными решениями для рулонирования. Это позволяет пользователям беспрепятственно переводить ETH через Ethereum, Arbitrum, Optimism и Polygon на StarkNet.

В конце 2022 года команда объявила об успешной реализации ZK-EVM с использованием языка программирования Cairo. Это достижение привлекло такие известные проекты, как Sorare, immutableX, dYdX и ApeX, к развертыванию своих децентрализованных приложений на StarkNet.

В настоящее время экосистема StarkNet находится на ранней стадии развития. Среди заметных проектов экосистемы можно отметить децентрализованную биржу JediSwap, протокол кредитования CurveZero и торговую площадку NFT Aspect. По мере расширения сценариев применения и пользовательской базы StarkNet, эффективность совместимости с ZK-EVM будет становиться все более очевидной.

Заключение

В этом уроке мы глубоко изучили технологию и тенденции развития ролловеров Ethereum. Роллапы упаковывают несколько транзакций и отделяют протокольный уровень от вычислительного, тем самым уменьшая перегрузку в Ethereum Mainnet и достигая более высокой пропускной способности транзакций и более низких затрат.

Технологию сворачивания можно разделить на две категории: оптимистическое сворачивание и ZK-сворачивание. Оптимистическое сворачивание предполагает, что все упакованные транзакции корректны, в то время как ZK-сворачивание требует предоставления доказательств с нулевым знанием.

Каждая рулонная технология имеет свои сильные стороны. По мере развития технологии был достигнут значительный прогресс в развитии межцепочечных возможностей и интеграции EVM. Такие проекты, как Optimism, Arbitrum, zkSync и StarkNet, активно развивают и оптимизируют свою техническую инфраструктуру, чтобы удовлетворить растущие потребности рынка в масштабируемости, безопасности и децентрализации.

В следующем уроке мы сравним различные EVM-совместимые блокчейн-сети и изучим, как они конкурируют на потенциальном рынке масштабируемости Ethereum.

Основные моменты

• ZK-роллапы и оптимистичные роллапы - это технические решения, направленные на повышение эффективности и безопасности транзакций в блокчейне. Упаковывая несколько транзакций в "рулон" и отправляя их в Mainnet, они могут сэкономить ресурсы Mainnet, увеличить скорость и пропускную способность транзакций, а также снизить комиссию за транзакции для пользователей.
• Оптимистичные роллапы выполняют транзакции вне цепи и используют доказательства мошенничества для обнаружения неправильно выполненных транзакций, позволяя любому человеку проверить результаты транзакций роллапа.
• Если в течение периода оспаривания будут обнаружены неправильно выполненные транзакции, протокол сворачивания выполнит транзакцию повторно, а ответственный секвенсор получит штраф.
• В ZK-роллапах операторы передают в Mainnet сводную информацию об агрегированных транзакциях и генерируют доказательства достоверности, используя доказательство нулевого знания, чтобы продемонстрировать правильность своих данных роллапа.
• Узлам Mainnet необходимо только проверить правильность доказательств с нулевым знанием, не изучая детали каждой отдельной транзакции. Таким образом, период оспаривания отсутствует.
• Как оптимистичные сворачивания, так и ZK-сворачивания используют технику сжатия для уменьшения объема транзакционных данных. Например, они используют деревья Меркла для поддержания безопасности и целостности внецепочечных транзакций или применяют индексы вместо адресов кошельков.
• Оптимистичные роллапы и ZK-роллапы имеют свои преимущества и недостатки. Построение EVM-совместимых ZK-роликов является более сложной задачей, а безопасность оптимистических роллеров зависит от честных узлов.
• По мере постоянного развития технологии рулонирования мы можем ожидать более широкого применения в различных областях, таких как DeFi, NFT и игры.