Введение

Введение Ethereum в 2015 году стало значительным вехой в развитии технологии блокчейн, предлагая платформу для инноваций и децентрализованных решений. Однако с ростом популярности Ethereum возникли проблемы масштабируемости и высокие газовые сборы. Несмотря на эти препятствия, Ethereum остается стойким в своем стремлении к экстремальной масштабируемости без ущерба децентрализации или безопасности.

Чтобы погрузиться в масштабные решения Ethereum и сложный баланс между масштабируемостью, безопасностью и децентрализацией, важно понять Трилемму блокчейна - фундаментальное понятие в технологии блокчейна. В этой статье исследуется разнообразный ландшафт масштабных решений, включая ончейн и офчейн подходы, с основным упором на решения Roll-up. Путем сравнения Оптимистичных и Нулевых Знаний Roll-ups, цель этой статьи - прояснить тонкие компромиссы и преимущества каждого подхода, пролив свет на их последствия для будущего Ethereum и более широкой экосистемы блокчейна.

Трехлемматика блокчейна

Три основные характеристики блокчейна - масштабируемость, безопасность и децентрализация.

Безопасность

Это означает обеспечение безопасности сети от атак и гарантирование безопасности и невозможности подделки всех транзакций.

Децентрализация

Это означает распределение контроля над сетью таким образом, чтобы ни одно отдельное лицо не имело слишком большой власти. Речь идет о том, чтобы сетью управляли множество узлов, а не только один центральный орган.

Масштабируемость

Это способность сети обрабатывать большое количество транзакций быстро и эффективно по мере ее роста.

Источник: Ethereum

Неспособность блокчейна одновременно достичь всех этих целей известна как "Трилемма блокчейна". Улучшение одной часто означает жертву других, и считается, что эта трилемма серьезно ограничивает принятие технологии и ее потенциал. В качестве иллюстрации, более высокая степень децентрализации (больше людей в ответе) может привести к менее масштабируемым сетям с более медленными транзакциями, так как большему количеству узлов нужно согласиться по поводу транзакций. Однако по мере увеличения масштабируемости (транзакции происходят быстрее) может потребоваться снижение "децентрализации" (меньше узлов на контроле), что может повлиять на безопасность. Строгие регулирования и меньшее количество узлов могут привести к замедлению и более централизованным транзакциям, что может ограничить масштабируемость и децентрализацию сети, если безопасность ставится на первый план.

Решения масштабирования: на цепи и вне цепи

Процесс масштабирования on-chain предполагает внесение изменений в протокол основной сети уровня 1 Ethereum, который изначально предполагался масштабируемым через шардинг - разделение блокчейна на более мелкие, верифицируемые области. Используя менее дорогие вложения данных в блоки Ethereum, роллапы уровня 2 стали основной техникой масштабирования.

Решения масштабирования вне цепи, с другой стороны, не зависят от уровня 1 Ethereum и не требуют никаких изменений в протоколе. Они обеспечивают масштабируемость путем обработки транзакций вне основной сети Ethereum, и получают безопасность либо напрямую от консенсуса Ethereum, либо через независимые цепи. Sidechains, State Channels, Plasma, Validium и Roll-ups - некоторые из этих решений уровня 2.

Масштабные решения по сжатию

Источник: DappRadar

Роллапы, которые обеспечены Ethereum, увеличивают масштабируемость Ethereum путем обработки и проверки транзакций вне цепи, а затем отправки сжатого обзора транзакций на основную сеть. В результате основная сеть Ethereum L1 обрабатывает меньше данных и вычислений, что ускоряет сеть и снижает стоимость транзакций.

Вход и выход

Вывод и ввод - это процессы перемещения средств между Ethereum и масштабируемым решением второго уровня (L2).

• Для использования решения L2 пользователи должны внести свои средства в смарт-контракт на Ethereum, который блокирует их до их вывода.
• Выход: Чтобы вернуть свои средства, пользователи должны предоставить доказательство своего баланса на решении L2 смарт-контракту, который освобождает их на их адрес Ethereum. Различные решения L2 имеют различные методы доказательства и верификации транзакций, такие как доказательства с нулевым разглашением или доказательства мошенничества. Эти методы влияют на скорость, стоимость и безопасность выхода и входа.

Понимание нулевого знания (ZK) и оптимистичных Roll-ups

Zero-знание (ZK) и Оптимистичные Roll-ups - две категории Решений масштабирования Ethereum.

Ролл-апы с нулевым разглашением

Zero-knowledge Roll-ups, популярно известные как ZK roll-ups, предполагают, что все транзакции ложны, пока не будет доказано их действительность с помощью доказательств нулевого знания (ZKPs), что является резким контрастом по сравнению с их оптимистическими аналогами. Здесь валидаторы доказывают подлинность транзакции, не раскрывая при этом никаких деталей транзакции. Это достигается путем публикации доказательств подлинности на Ethereum, что устраняет необходимость в данных о транзакции on-chain. Примеры Zero-Knowledge roll-ups включают Starknet, zkSync и Loopring.

Источник: Нервос

Основные особенности Zero-Knowledge Roll-ups

Доказательство нулевого знания

Это метод, позволяющий «доказателю» продемонстрировать правду утверждения перед «проверяющим», не раскрывая никакой информации, кроме факта, что утверждение верно. Он обеспечивает конфиденциальность и безопасность при подтверждении требований без раскрытия базовых данных.

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

Протокол позволяет проверить целостность заявления, ничего о нем не зная. Он краток и неинтерактивен, что означает, что доказательства небольшие, а проверка быстрая, требуется только одно взаимодействие.

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

Подобно ZK-SNARKs, но разработанные для масштабирования и прозрачности, что делает их быстрее для больших наборов данных и не требующих доверенной установки, хотя они производят более крупные доказательства.

Как работают нулевые доказательства вкладки

1. Подача транзакции пользователем: Пользователи инициируют транзакции, подписывая их своими частными ключами. Эти транзакции передаются операторам ZK-rollup.

2. Обработка оператора: Операторы, будь то последователи или валидаторы, получают пользовательские транзакции. Последователи выполняют транзакции вне цепи, агрегируют их в пакеты и периодически отправляют эти пакеты на блокчейн Ethereum. Валидаторы обрабатывают транзакции в настройке доказательства доли и предлагают новые пакеты на основе размера доли.

3. Пакетное сжатие и отправка: Перед отправкой на Ethereum оператор сжимает данные транзакции для уменьшения данные вызоваЭти сжатые данные затем включаются в транзакцию Ethereum и отправляются на смарт-контракт ZK-rollup.

4. On-chain Commitment: умный контракт Ethereum получает пакет данных и проверяет их целостность. Он обновляет дерево состояний роллапа новыми транзакциями и сохраняет корень Меркля этого обновленного состояния.

5. Генерация доказательств с нулевым разглашением: оператор ZK-roll-up генерирует доказательства с нулевым разглашением для каждой партии. Эти доказательства криптографически удостоверяют правильность переходов состояний без раскрытия чувствительной информации.

6. Подача доказательств: оператор представляет нулевые доказательства в контракт верификатора Ethereum. Этот контракт проверяет доказательства и обеспечивает действительность предложенных переходов состояний.

7. Обновление корневого состояния: После успешной проверки доказательств нулевого знания обновляются смарт-контракты Ethereum на корневом состоянии rollup с новым корнем Меркла, рассчитанным из последней партии транзакций.

8. Взаимодействие пользователей: Пользователи могут взаимодействовать с ZK-rollup, внося активы на Ethereum, инициируя транзакции и выводя средства. Депозиты осуществляются путем отправки активов на контракт rollup, а вывод средств включает в себя подачу запросов с необходимыми доказательствами в контракт.

9. Проверка и выполнение: контракт Roll-Up проверяет запросы на вывод, обеспечивая их действительность и подтверждая необходимые доказательства. После проверки контракт выполняет вывод средств, переводя активы на указанные пользователем адреса в основной сети Ethereum.

Преимущества Zero-Knowledge Roll-ups

• Доказательства действительности: ZK roll-ups используют доказательства действительности для проверки правильности оффчейн-транзакций, которые предотвращают операторов от выполнения недопустимых переходов состояний и предлагают более быстрое завершение.
• Сжатие данных: ZK roll-ups используют техники сжатия для уменьшения объема данных, размещаемых on-chain, что может снизить комиссии для пользователей и увеличить масштабируемость roll-up.
• Мгновенные выводы: ZK rollups позволяют пользователям выводить средства с уровня L2 на уровень L1 без задержек, поскольку транзакции вывода выполняются после проверки доказательства допустимости на уровне L1.

Недостатки нулевых доказательств

• Генерация и проверка доказательств: ZK rollups требуют сложной криптографии и инженерных решений для создания и проверки доказательств правильности, что может увеличить затраты и сложности для операторов и пользователей rollup.
• Совместимость EVM: ZK rollups не являются легко совместимыми с EVM, что затрудняет поддержку универсальных смарт-контрактов и существующих dapps и инструментов на rollup.
• Риски централизации: ZK rollups могут поощрять централизованный контроль над roll-up несколькими сторонами, поскольку для создания доказательств правильности требуется специализированное оборудование и опыт.

Применение нулевых знаний ролл-апов

Нулевые доказательства (ZK) отлично подходят для различных случаев использования, особенно тех, которые требуют баланса между конфиденциальностью, масштабируемостью и безопасностью. Вот некоторые случаи использования нулевых доказательств.

Децентрализованная верификация личности

ZK-roll-ups могут проверить личность человека, не раскрывая чувствительную личную информацию. Эта функция, обеспечивающая конфиденциальность, ценна для безопасной аутентификации и управления пользователями.

Транзакции, обеспечивающие конфиденциальность

Узлы блокчейна могут подтверждать транзакции, не имея прямого доступа к данным транзакции. ZK-rollups обеспечивают конфиденциальные и эффективные передачи, сохраняя при этом безопасность.

Системы голосования

Системы голосования должны обеспечивать анонимность и целостность на выборах, позволяя при этом публичную верификацию результатов.

Оптимистичные Roll-ups

Оптимистичные роллапы увеличивают масштаб Ethereum, перемещая транзакции вне цепи и публикуя только данные на цепи. Они предполагают и доверяют, что транзакции вне цепи действительны, не проверяя их. Однако оптимистичные роллапы используют доказательства мошенничества для выявления ошибок или мошенничества в транзакциях вне цепи. Двумя наиболее популярными оптимистичными роллапами являются Arbitrum и Optimism.

Период оспаривания - это время, которое наступает после того, как пакет Roll-Up отправлен в сеть Ethereum. Любой может оспаривать действительность транзакции Roll-Up в этот период. После окончания периода оспаривания пакет Roll-Up считается действительным на Ethereum, если не было оспорено. В противном случае протокол повторно выполняет транзакции и налагает штраф на последователя, если доказательство мошенничества успешно.

Источник:Nervos.org

Как работают оптимистические Roll-Ups

1. Подача транзакции пользователем: На сети оптимистичного накручивания пользователи начинают транзакции. Последователь или оператор получает эту транзакцию.

2. Агрегация транзакций и отправка на цепь: оператор компилирует все эти отдельные транзакции в блок и уменьшает размер данных, сжимая их, создавая пакет транзакций, подготовленных к обработке. После этого оператор отправляет пакет транзакций в сеть Ethereum. Данные транзакции упаковываются в этом процессе и размещаются на Ethereum в виде вызова данных.

3. Доступность данных в Ethereum: Ethereum записывает данные транзакций, размещенные/отправленные внутри вызова данных на своем блокчейне. Это обеспечивает доступность данных транзакций для будущего использования.

4. Переход состояния и обязательства: Валидаторы на сети оптимистичного ролл-ап, также известной каксеквенсорыВ некоторых случаях выполните транзакции, используя текущее состояние цепи roll-up, хранящееся вне цепи. Они проверяют правильность транзакций и соответственно обновляют состояние roll-up. После обработки транзакций оператор фиксирует новое состояние цепи roll-up, генерируя новый корень состояния. Этот корень хешируется и хранится в цепи в качестве ссылки на последнее состояние цепи roll-up.

5. Обнаружение мошенничества и доказательства мошенничества: Валидаторы следят за любыми различиями между своим собственным выполненным состоянием и предлагаемым оператором состоянием, отслеживая цепочку Roll-up. Валидатор может предъявить вызов, чтобы оспорить допустимость блока Roll-up, если он обнаружит расхождение. В случае вызова валидаторы могут предоставить доказательство мошенничества Ethereum, демонстрируя любые несоответствия в блоке Roll-up. Эти доказательства служат в качестве доказательства мошенничества и инициируют наложение штрафов на нечестного оператора.

6. Арбитраж и Решение: Ethereum является арбитром в процессе урегулирования споров. Он оценивает доказательства мошенничества, предоставленные вызывающими сторонами, и налагает штрафы на оператора, если подтверждается мошенническое поведение.

7. Окончательность и расчет: Как только блок roll-up принят на Ethereum, он достигает окончательности, что означает, что транзакции внутри него считаются завершенными и необратимыми. Этот расчет обеспечивает пользователям уверенность в целостности их транзакций в сети оптимистичного roll-up.

Преимущества Оптимистичных Роллапов

• Совместимость с EVM: Оптимистические свертки могут поддерживать любой смарт-контракт или транзакцию, которые могут запускаться на Ethereum, что делает их легко интегрируемыми с существующими dApps и инструментами.
• Низкая задержка: Оптимистичные роллапы обеспечивают быстрое подтверждение транзакций, поскольку пользователям не нужно ждать подтверждения доказательств на уровне L1.
• Высокая пропускная способность: Оптимистичные роллапы могут обрабатывать тысячи транзакций в секунду, перемещая вычисления вне цепи и публикуя только данные транзакции на цепи

Недостатки оптимистичных роллапов

• Доказательства мошенничества: Оптимистичные роллапы полагаются на доказательства мошенничества, чтобы гарантировать правильность офчейн-транзакций, что требует сложного периода и дополнительных газовых затрат для выполнения на L1.
• Доступность данных: Оптимистичные ролл-апы зависят от доступности данных транзакций на L1, что может быть затруднено сетевой перегрузкой или злонамеренными участниками.
• Задержки при выводе: Оптимистические ролл-апы устанавливают время ожидания для пользователей при выводе средств с L2 на L1, которое может варьироваться от нескольких часов до дней в зависимости от дизайна ролл-апа.

Применение оптимистических роллапов

Оптимистичные ролл-апы решают проблемы масштабируемости в приложениях, основанных на Ethereum, сохраняя при этом доверие и безопасность, что делает их идеальным решением для различных случаев использования в различных отраслях. К ним относятся;

Децентрализованные финансы (DeFi)

Оптимистичные роллапы могут значительно увеличить пропускную способность транзакций для платформ DeFi, обеспечивая более быстрые и дешевые взаимодействия с протоколами, такими как кредитование, торговля и фарминг доходности.

Игры

В игровых приложениях, где важны реальном времени взаимодействия и быстрое подтверждение действий в игре, оптимистичные роллапы предлагают способ обработки транзакций вне цепи, сохраняя при этом безопасность через публикацию данных на цепи.

Управление цепочкой поставок

Оптимистические роллапы могут оптимизировать процессы в цепи поставок, обрабатывая крупные транзакции вне цепи, уменьшая перегрузку на основной сети Ethereum. Это особенно полезно для отслеживания товаров, подтверждения подлинности и управления запасами.

Проверка личности

Проверка личности и управление профилями пользователей могут получить выгоду от оптимистичных роллапов. Перенеся вычисления и хранение состояния, эти протоколы могут улучшить эффективность транзакций, связанных с личностью.

Сравнение нулевого знания (ZK) и оптимистичных Roll-ups

Заключение

Сравнение между Оптимистичными и Нулевыми Роллапами подчеркивает тонкие подходы к масштабируемости и безопасности в экосистеме Ethereum. В то время как Оптимистичные Роллапы придают приоритет скорости транзакций и совместимости с существующей инфраструктурой Ethereum, Нулевые Роллапы отличаются в сохранении конфиденциальности и криптографической целостности. Оба решения представляют собой значительные достижения в технологии блокчейн, предлагая уникальные преимущества и компромиссы, которые соответствуют разнообразным случаям использования.

Поскольку Ethereum продолжает развиваться, принятие и совершенствование этих решений roll-up будет играть решающую роль в формировании будущего децентрализованной финансовой системы, неуничтожимых токенов и других блокчейн-приложений. Принятие этого разнообразия масштабирующих решений подчеркивает приверженность Ethereum инновациям и устойчивости в преодолении проблем масштабируемости, соблюдая основные принципы безопасности и децентрализации.