ZK-Rollups – die nächste Stufe der Skalierbarkeit auf Ethereum

Blockchains haben seit ihren Anfängen langsam aber sicher Einzug in die Bereiche Glücksspiel, Finanzen, Logistik, Versicherungen und andere Branchen gehalten. Sie haben jedoch weiterhin mit einem Engpass zu kämpfen: Skalierbarkeit – eine Voraussetzung für die Sicherung der Zukunft des Web3.

Es ist eine schwierige Aufgabe, das maximale Potenzial von Layer-1-Blockchains wie Ethereum (ETH) auszuschöpfen, solange Herausforderungen im Zusammenhang mit dem Transaktionsdurchsatz und den damit verbundenen Kosten im Weg stehen.

Mit der Ausweitung des Web3-Sektors wächst auch der Bedarf an Vertrauensminimierung. Die Protokolle müssen jetzt (mehr denn je) eine hohe Geschwindigkeit und niedrige Daten- und Transaktionskosten aufweisen.

An der Spitze der Web3-Einführung steht die Skalierbarkeit der Blockchain. Durch kontinuierliche Forschung und Entwicklung entstehen kritische Lösungen wie Zero-Knowledge-Rollups (Zk-Rollups), die versprechen, Blockchains zu transformieren und die Leistung von Smart Contracts in verschiedenen Branchen zu verbessern.

Was sind Zk-Rollups und wie funktionieren sie?

Zk-Rollups ist eine relativ neue Layer-2 (L2)-Skalierungslösungstechnologie, die Blockchain-Netzwerke verbessert, indem sie den Transaktionsdurchsatz erhöht und die damit verbundenen Kosten senkt.

Mit Zk-Rollups können Blockchains Transaktionen in Stapeln und außerhalb der Kette bündeln, bevor sie zu einem Datenpaket, einem so genannten Rollup”, verdichtet und die zusammengefassten Daten zur Überprüfung an die primäre Blockchain weitergeleitet werden.

Die primäre Blockchain (Layer-1) ist außerdem mit kryptografischen Beweisen ausgestattet, die für die Richtigkeit aller vorgenommenen Zustandsänderungen bürgen.

Der Zustand der Zk-Rollups wird durch einen auf der Ethereum-Blockchain implementierten Smart Contract aufrechterhalten. Zk-Rollups-Knoten sind verpflichtet, einen Gültigkeitsnachweis zu veröffentlichen, der zur Überprüfung dient. Mit anderen Worten, er fungiert als Zeuge.

Zk-Rollups haben sich im Wettlauf um Skalierbarkeit bei gleichzeitiger Erhöhung der Sicherheit von Layer-1-Blockchains wie Ethereum zu einer beachtlichen Kraft entwickelt. Die Betreiber von Knotenpunkten müssen nicht mehr jede einzelne Transaktion auf der Kette veröffentlichen. Stattdessen wurden Zk-Rollups entwickelt, um Transaktionen in Stapeln zu gruppieren, zu komprimieren und in regelmäßigen Abständen an das Netzwerk der Basisschicht zu senden, mit dem sie verbunden sind.

Die Proofs der abgeschlossenen Transaktionen vervollständigen das Puzzle auf Ethereum, im Gegensatz zur Veröffentlichung aller Transaktionsdaten auf der Kette. Zk-Rollups funktionieren ähnlich wie optimistische Rollups.

Zk-Rollups zeichnen sich dadurch aus, dass sie die Hauptmerkmale des Basisschichtnetzwerks, wie Zensurresistenz und Sicherheit, effektiv nutzen.

5 wichtige Dinge, die Sie über Zk-Rollups wissen müssen

Zk-Rollups eröffnen der Blockchain-Industrie einen neuen Bereich, in dem intelligente Verträge verbessert werden, Transaktionen schneller ablaufen und sie im Vergleich zu Layer-1-Protokollen viel weniger kosten.

In diesem Abschnitt des Artikels werden die wichtigsten Merkmale, Unterschiede, Vorteile und Nachteile von Zk-Rollups diskutiert und untersucht. Also, schnallen Sie sich an, wenn wir beginnen, in das Reich der revolutionären Zk-Rollups aufzusteigen.

1. Skalierbarkeit gibt es nur, wenn die Überlastung gelöst ist

Die Ethereum-Blockchain leidet unter hohen Netzwerküberlastungen und Transaktionskosten, die Projekte, die auf dem Netzwerk aufbauen, belasten und es für den Normalbürger teuer machen, im dezentralen Ökosystem zu interagieren.

Die Einführung von Zk-Rollups als Anbieter von Layer-2-Skalierungslösungen hat das Ethereum-Protokoll erheblich verändert, so dass Layer-2-Protokolle als Brücke zwischen den Nutzern und dem primären Netzwerk dienen können.

Zu den wichtigsten Merkmalen von Zk-Rollups gehören die Nutzung von On-Chain-Ethereum-Smart-Contracts, die Off-Chain-Verarbeitung von Transaktionen, die der Ethereum-Blockchain periodisch in Stapeln hinzugefügt werden, ein erhöhter Transaktionsdurchsatz und niedrigere Transaktionskosten.

Der Transaktionsdatensatz bildet eine Kette ähnlich der Ethereum-Blockchain, die auch als ZK-Rollup-Kette bekannt ist. Es gibt mehrere kritische Komponenten der Zk-Rollups-Architektur, die zu beachten sind:

• On-Chain-Verträge: Intelligente Verträge, die auf der Ethereum-Blockchain ausgeführt werden, bilden den Kern des Zk-Rollups-Protokolls. Sie reichen vom primären Vertrag, der für die Speicherung von Rollup-Blöcken, die Verfolgung von Transaktionen wie Einzahlungen und die Überwachung des Rollup-Status verwendet wird, bis zum Verifizierungsvertrag, der zur Bestätigung der Gültigkeit von Zero-Knowledge-Proofs verwendet wird, die von Blockproduzenten gepostet werden. Ethereum ist die Basisschicht für alle Zk-Rollups im Ökosystem.
• Die Off-Chain Virtual Machine (VM): Eine Off-Chain Virtual Machine (VM) führt Transaktionen aus, während sie die Speicherung des Zustands in Zk-Rollups verfolgt. Diese VM funktioniert separat und unabhängig von der führenden Ethereum Virtual Machine (EVM). Man kann sie als die sekundäre Schicht (Layer-2) des Zk-Rollup-Netzwerks bezeichnen. Die Authentifizierung von Gültigkeitsnachweisen im primären Netzwerk (Ethereum) gewährleistet die Genauigkeit der Zustandsänderungen in der Off-Chain-VM. Einige Leute bezeichnen Zk-Rollups als “hybride Skalierungslösungen”, da sie zwar separat funktionieren, aber die Sicherheit und Zensurresistenz des Ethereum-Mainnets nutzen. Andererseits hat Ethereum die Aufgabe, die Gültigkeit der Rollup-Zustandsänderung zu erzwingen, was die Authentizität und Verfügbarkeit der Daten nach jeder Zustandsänderung garantiert. Diese Eigenschaft hebt Zk-Rollups von anderen Off-Chain-Skalierungslösungen wie Sidechains und Validiums ab, die für die Korrektheit der Daten und die Sicherheit verantwortlich sind, ganz zu schweigen davon, dass sie Transaktionen an anderen Orten speichern.

2. Validierung von Abrechnungen bei gleichzeitigem Fernhalten von schlechten Akteuren

Zk-Rollups können ohne die Ethereum-Blockchain nicht funktionieren, da sie das Mainnet für verschiedene kritische Funktionen wie Datenverfügbarkeit, Transaktionsgültigkeit und Zensurresistenz benötigen.

Was die Transaktionsverfügbarkeit angeht, so funktioniert Zk-Rollups, indem es die Statusdaten jeder einzelnen Off-Chain-Transaktion im Ethereum-Netzwerk veröffentlicht. Diese Funktion wurde gelobt, weil sie es Einzelpersonen und Unternehmen ermöglicht, die Zustandsänderung in Rollups separat und unabhängig zu ändern, die dann auf Ethereum validiert werden kann.

Die Ethereum-Blockchain stellt diese Daten über eine Funktion namens “Calldata” zur Verfügung, die an alle Netzwerkteilnehmer gesendet wird. Es ist erwähnenswert, dass es nicht notwendig ist, Calldata in großen Mengen zu pushen, da dies durch Validitätsbeweise gewährleistet wird, die die Korrektheit von Zustandsübergängen verifizieren.

Nichtsdestotrotz sind Off-Chain-Daten auch für Nutzer, die mit dem Rollup interagieren, von entscheidender Bedeutung, z. B. wenn sie ihren Kontostand abfragen, Transaktionen starten und Abhebungen veranlassen.

ZK-Rollups nutzen die Ethereum-Blockchain für die Finalität von Transaktionen. In diesem Fall ist Ethereum die Abwicklungsschicht. Beachten Sie, dass Transaktionen der Schicht 2 so lange unvollständig bleiben, bis ihre Gültigkeitsnachweise im Protokoll der Schicht 1 akzeptiert werden.

Dies ist vergleichbar mit den zweistufigen Überprüfungen, die von Plattformen verwendet werden, die Benutzerkonten wie Kryptobörsen betreiben. Sie stellen sicher, dass böswillige Akteure in Schach gehalten werden und dass Benutzertransaktionen nicht mehr rückgängig gemacht werden können, sobald sie auf L1 abgeschlossen und akzeptiert wurden.

Schließlich benötigt Zk-Rollups Ethereum für die Zensurresistenz. Als Faustregel gilt, dass Zk-Rollups einen “Supernode” verwenden, den Betreiber, der Transaktionen verarbeitet, Stapel erstellt und die komprimierten Blöcke an die Basisschicht weiterleitet. Dieses Verfahren ist zwar effizient, aber es besteht die Befürchtung, dass es zu einer Zensur durch böswillige Betreiber kommen könnte.

Eine Lösung für dieses Risiko besteht darin, Zk-Rollup-Benutzern die Möglichkeit zu geben, Transaktionen direkt an die Basisschicht zu übermitteln, wenn sie eine Zensur durch einen böswilligen Betreiber vermuten, ohne das ZK-Rollup-Protokoll verlassen zu dürfen.

3. Optimistische Rollups können Transaktionen anfechten

Wie Zk-Rollups sind auch optimistische Rollups Layer-2-Skalierungslösungen. Es gibt jedoch einige deutliche Unterschiede zwischen den beiden Technologien. So verwenden optimistische Rollups einen fälschungssicheren Mechanismus, der es jedem Benutzer im Netzwerk ermöglicht, das Ergebnis einer optimistischen Rollup-Operation innerhalb eines bestimmten Zeitfensters anzufechten, im Gegensatz zu den in Zk-Rollups verwendeten Gültigkeitsnachweisen.

Bei Zk-Rollups wird die Korrektheit der Zustandsänderungen in den Rollups kryptografisch überprüft. Optimistische Rollups hingegen gehen davon aus, dass Transaktionen solange gültig sind, bis ihre Richtigkeit in Frage gestellt wird.

Für die Netznutzer ist ein Zeitfenster vorgesehen, in dem sie die Gültigkeit von Transaktionen anfechten können, nachdem ein optimistischer Rollup-Stapel an die Basisschicht übermittelt wurde. Dieses Zeitfenster wird als Anfechtungszeitraum bezeichnet – es ermöglicht jedem, eine betrugsfreie Berechnung durchzuführen. Wird die Anfechtung akzeptiert, muss das Rollup-Protokoll die Transaktion erneut durchführen und den Rollup-Status aktualisieren. Der Transaktionsstapel wird als gültig angesehen, wenn die Anfechtungsfrist verstrichen ist, ohne dass Anfechtungen eingereicht wurden.

Die Anfechtungsfrist in optimistischen Rollups impliziert eine siebentägige Wartezeit, wenn Gelder über eine native Brücke an die Basisschicht abgehoben werden. Dieses Problem kann jedoch leicht gelöst werden, indem die Dienste von Liquiditätsanbietern in Anspruch genommen werden, die es den Nutzern ermöglichen, gegen Zahlung eines geringen Aufschlags auf die Mittel zuzugreifen – man kann sich das wie eine Abhebungsgebühr vorstellen.

Optimistische Rollups haben sich im Laufe der Jahre als De-facto-Skalierungslösung durchgesetzt, da sie einfach zu handhaben sind und die Wahrscheinlichkeit von Fehlern bei der Implementierung etwas geringer ist. Im Vergleich dazu werden ZK-Rollups durch die Komplexität der Implementierung gebremst. Dennoch werden sie aufgrund ihrer langfristigen Sicht auf Skalierbarkeit und Sicherheit, die durch kryptografisch überprüfbare Gültigkeitsnachweise garantiert wird, gefördert.

4. Vorteile und Nachteile von Zk-Rollups

5. Die Zukunft von Zk-Rollups ist vielversprechend

Trotz der in der Tabelle hervorgehobenen Einschränkungen gehören ZK-Rollups zu den vielversprechendsten Technologien für die Skalierung der Blockchain-Wirtschaft. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie die Sicherheit und Zensurresistenz der Basisschicht, in diesem Fall Ethereum, erhalten.

Entwickler in der Blockchain-Branche sind in der Lage, Layer-2-Protokolle nach den von ihnen festgelegten Anforderungen zu entwerfen. Dies kann zur Schaffung hochspezialisierter Datenverarbeitungsumgebungen führen, ohne Kompromisse bei der Sicherheit einzugehen.

Um das Potenzial von Web3 voll auszuschöpfen, muss die Branche kritisch darüber nachdenken, wie sie die bestehende Infrastruktur umgestalten kann, und Zk-Rollups stehen bei dieser Umgestaltung an vorderster Front.

Fazit

Der Aufstieg von Zk-Rollups mag schwierig erscheinen, aber die Zukunft der Technologie ist es sicher nicht. Mehrere Projekte haben mit der Implementierung von Zk-Rollups begonnen und gestalten die Zukunft der Skalierbarkeit im Ethereum-Ökosystem, indem sie für mehr Sicherheit und eine verbesserte Benutzererfahrung sorgen.

Einige dieser Projekte sind zkSync, eine von Matter Labs entwickelte Zk-Rollup-Lösung, StarkWare, ein Protokoll, das sich der Entwicklung von Produkten und Netzwerken widmet, die die ZK-STARK-Technologie für die Skalierung von Blockchains nutzen, und Hermez, eine Idee der Telos Foundation, die ein effizientes und sicheres Zk-Rollup-Protokoll für die Skalierung von Ethereum bereitstellen soll.

Die Zukunft von Zk-Rollups hängt von mehreren Faktoren ab, wie z. B. der weit verbreiteten Akzeptanz, der Kompatibilität von EVMs, der kontinuierlichen Innovation durch Forschung und Entwicklung, der Interoperabilität, der Benutzererfahrung und der Zunahme der verschiedenen Anwendungsfälle.