Что такое ZK-Rollups для Ethereum? – разбираемся как работает технология масштабирования «второго уровня»

В современном мире криптовалют и блокчейн-технологий поиск решений для масштабирования является критически важным. Особенно это касается Ethereum, второй по популярности блокчейн-системы после Bitcoin. В статье мы подробно рассмотрим одно из самых обещающих направлений в масштабировании Ethereum – ZK-Rollups, объясним, как они работают, и какую роль они могут сыграть в будущем блокчейна.

Что такое ZK-Rollups?

ZK-Rollups – это технология масштабирования, которая позволяет обрабатывать транзакции вне основной цепочки Ethereum, а затем агрегировать их в одну транзакцию с использованием технологии нулевого разглашения (zero-knowledge proofs). Это не только увеличивает пропускную способность сети, но и обеспечивает сохранение конфиденциальности данных пользователя.

История появления ZK-Rollups

Концепция ZK-Rollups была впервые предложена в 2018 году, когда разработчики искали способы улучшить масштабируемость Ethereum без компромиссов в безопасности и децентрализации. С тех пор технология претерпела множество улучшений и нашла применение во многих проектах.

Как работает ZK-Rollups?

ZK-Rollups увеличивают пропускную способность Ethereum, обрабатывая транзакции вне основной цепи и последующей их агрегацией. Процесс включает несколько ключевых технических этапов:

1. Агрегация транзакций: Все операции собираются в пакеты. Каждый пакет может содержать сотни или тысячи транзакций. Эти транзакции обрабатываются во второстепенном слое, что существенно уменьшает нагрузку на основную цепь Ethereum.
2. Создание zero-knowledge proof: После обработки транзакций создаётся zero-knowledge proof (ZKP), который является криптографическим доказательством, подтверждающим, что все транзакции в пакете верны. Этот процесс использует сложные алгоритмы, такие как zk-SNARKs (zero-knowledge succinct non-interactive arguments of knowledge) или zk-STARKs (zero-knowledge scalable transparent arguments of knowledge). Основное отличие между ними заключается в требованиях к памяти и устойчивости к квантовым вычислениям: zk-SNARKs требуют создания «доверенной установки» для начала работы, в то время как zk-STARKs обходятся без неё и более устойчивы к квантовым атакам.
3. Валидация и запись на блокчейн: После создания ZKP его необходимо проверить. Эта проверка происходит в основной цепи Ethereum и требует значительно меньше данных, чем проверка каждой транзакции индивидуально, что снижает затраты на газ и улучшает пропускную способность сети. После успешной верификации суммарный результат транзакций (например, обновленные балансы) записывается в блокчейн.
4. Обработка исключений и безопасность: В случае обнаружения ошибок или мошенничества в транзакциях внутри пакета, механизм ZK-Rollups предусматривает методы для их идентификации и исправления без необходимости откатывать все транзакции пакета. Это обеспечивает безопасность и целостность данных в блокчейне.

Использование ZK-Rollups значительно уменьшает количество информации, которую нужно обрабатывать и хранить в основной сети Ethereum, при этом поддерживая её децентрализованную и безопасную природу. Это делает ZK-Rollups мощным инструментом для масштабирования блокчейн-платформ.

Чем ZK-Rollups отличаются от Optimistic Rollups

ZK-Rollups и Optimistic Rollups являются двумя популярными технологиями масштабирования в экосистеме Ethereum, каждая из которых имеет свои уникальные характеристики и подходы к обработке транзакций. Несмотря на общую цель увеличения пропускной способности сети, между этими двумя технологиями существуют значительные различия:

Метод верификации

ZK-Rollups:

• Используют zero-knowledge proofs (ZKP) для подтверждения правильности транзакций в пакете. ZKP позволяют доказать, что все транзакции были обработаны правильно, без необходимости раскрывать сами транзакции или их данные.
• Верификация доказательств происходит почти мгновенно, что ускоряет подтверждение транзакций.

Optimistic Rollups:

• Работают на предположении, что все транзакции верны до тех пор, пока не будет доказано обратное (отсюда и название «optimistic»). Они позволяют транзакциям считаться подтверждёнными после короткого периода ожидания, в течение которого участники сети могут оспорить транзакцию, если обнаружат ошибки.
• Период ожидания создаёт задержку в окончательном подтверждении транзакций, что может занять до нескольких дней.

Производительность и масштабируемость

ZK-Rollups:

• Теоретически обеспечивают более высокую пропускную способность, так как подтверждение транзакций происходит быстрее за счёт мгновенной верификации ZKP.
• Подходят для высокопроизводительных приложений, где важна быстрая итерация и масштабирование.

Optimistic Rollups:

• Хотя они могут обрабатывать значительное количество транзакций, финализация транзакций занимает больше времени из-за необходимости ожидания возможных оспариваний.
• Более просты в реализации и поддержке, так как не требуют сложной криптографии, используемой в ZK-Rollups.

Сложность и затраты на разработку

ZK-Rollups:

• Разработка и реализация ZK-Rollups требуют значительных усилий и глубоких знаний в области криптографии.
• Затраты на генерацию и верификацию zero-knowledge proofs могут быть высокими, особенно при обработке большого количества транзакций.

Optimistic Rollups:

• Относительно проще в реализации, так как они не зависят от сложной криптографии и могут использовать стандартные смарт-контракты Ethereum для обработки оспариваний.
• Экономически выгоднее для проектов с ограниченными ресурсами или для тех, кто только начинает работу с технологиями масштабирования.

В зависимости от конкретных требований проекта и приоритетов в области безопасности, скорости и стоимости, разработчики могут выбирать между ZK-Rollups и Optimistic Rollups для оптимизации производительности своих приложений на Ethereum.

Типы ZK-Rollups

В мире ZK-Rollups существует несколько разновидностей, каждая из которых отличается своим подходом к созданию и верификации zero-knowledge proofs, в зависимости от использованных технологий и приоритетов в отношении безопасности, пропускной способности и масштабируемости. Вот три ключевых типа ZK-Rollups, которые активно используются в различных проектах:

1. zkSync: Основывается на использовании zk-SNARK (Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge). zkSync оптимизирует процессы по созданию и верификации zero-knowledge proofs для достижения высокой пропускной способности и низких затрат на транзакции. Одно из главных преимуществ zkSync — способность проводить мгновенные платежи и высокая степень совместимости с текущими Ethereum-контрактами без необходимости их изменения.
2. StarkWare’s StarkEx: Использует технологию zk-STARK (Zero-Knowledge Scalable Transparent ARguments of Knowledge), которая обеспечивает повышенную безопасность и масштабируемость без необходимости доверенной установки, как в случае с zk-SNARK. StarkEx специализируется на оптимизации торговых операций и обработке больших объемов данных, что делает эту технологию идеальной для использования в децентрализованных биржах и других финансовых приложениях.
3. Loopring: Также использует zk-SNARK и фокусируется на сокращении затрат на газ и увеличении пропускной способности сети. Loopring оптимизирован для создания децентрализованных криптовалютных бирж и платежных систем, обеспечивая при этом безопасность на уровне основной цепи Ethereum. Применение этой технологии позволяет значительно сократить время и стоимость транзакций.

Каждый из этих типов ZK-Rollups предлагает уникальные характеристики, делая их подходящими для различных применений в экосистеме Ethereum. От выбора типа ZK-Rollup зависят такие ключевые показатели, как скорость транзакций, стоимость их выполнения, а также степень безопасности и приватности данных.

Блокчейны, поддерживающие технологию ZK-Rollups

ZK-Rollups, как технология масштабирования, изначально была разработана для сети Ethereum, однако её потенциал быстро был признан и другими блокчейн-платформами. Вот некоторые блокчейны, которые адаптировали или разработали совместимые решения на основе ZK-Rollups:

Ethereum

Ethereum является первопроходцем в использовании ZK-Rollups для увеличения масштабируемости и уменьшения затрат на газ. Благодаря своей активной разработческой и пользовательской базе, Ethereum стал основным полем для развития и тестирования различных реализаций ZK-Rollups, таких как zkSync, StarkWare и Loopring.

Polygon

Polygon (ранее Matic Network) включает поддержку для ZK-Rollups через свой SDK. Это позволяет разработчикам интегрировать ZK-Rollups в даппы на Polygon, что обеспечивает более высокую пропускную способность и низкие транзакционные издержки, сохраняя при этом совместимость с экосистемой Ethereum.

BNB Smart Chain (BSC)

BNB Smart Chain, известная своей высокой производительностью и низкими комиссиями, исследует использование ZK-Rollups для дальнейшего улучшения масштабируемости. Внедрение ZK-Rollups может значительно увеличить эффективность транзакций, особенно в децентрализованных финансах (DeFi).

Avalanche

Avalanche активно развивает свои возможности масштабирования с помощью различных технологий слоя 2, включая ZK-Rollups. Использование ZK-Rollups в Avalanche нацелено на улучшение пропускной способности без компромиссов в безопасности и децентрализации.

zkTube

zkTube – это проект, основанный исключительно на технологии ZK-Rollups, предназначенный для улучшения масштабируемости Ethereum. Он предлагает решения для быстрых и безопасных платежей, трейдинга и майнинга, оптимизируя использование блокчейна за счёт улучшенного процесса верификации транзакций.

Эти блокчейны демонстрируют глобальный интерес к ZK-Rollups как к одному из самых многообещающих решений для масштабирования. Принимая во внимание их универсальность и эффективность, ZK-Rollups могут оказать значительное влияние на будущее многих блокчейн-платформ.

Проекты использующие ZK-Rollups

ZK-Rollups стали основой для многих инновационных проектов в экосистеме Ethereum, каждый из которых стремится решить уникальные проблемы масштабируемости, безопасности и стоимости транзакций. Ниже представлены ключевые проекты, использующие различные формы ZK-Rollups:

1. zkSync: Это один из ведущих проектов, который использует технологию zk-Rollups для обеспечения масштабируемости и уменьшения затрат на газ. zkSync разработан для обеспечения безопасной и быстрой обработки транзакций, и он поддерживает все стандарты токенов Ethereum, включая ERC-20 и NFT. Проект акцентирует внимание на совместимости со стандартными Ethereum-контрактами, что облегчает его интеграцию существующими приложениями.
2. StarkWare: Использующий технологию zk-STARK, StarkWare предлагает решения, которые обеспечивают высокую пропускную способность и конфиденциальность без необходимости доверенной установки. StarkWare реализует свои решения через StarkEx и другие кастомизированные приложения, целевые для таких сфер как торговля, игры и DeFi. Примеры включают dYdX, одну из крупнейших децентрализованных платформ для маржинальной торговли, которая использует технологию для увеличения скорости и уменьшения затрат транзакций.
3. Loopring: Проект, ориентированный на создание высокопроизводительных децентрализованных бирж и платежных протоколов. Loopring использует zk-SNARKs для снижения затрат на транзакции и ускорения обработки операций без ущерба для безопасности данных. Платформа Loopring позволяет пользователям проводить транзакции с такой же степенью безопасности, как и на основной сети Ethereum, но с гораздо меньшими задержками и затратами.
4. Hermez Network: Это сеть второго уровня, также использующая ZK-Rollups, фокусируется на уменьшении затрат на газ и увеличении пропускной способности сети Ethereum. Проект особенно важен для приложений, требующих высокую пропускную способность и масштабируемость, таких как микроплатежи и DeFi операции.
5. Aztec Protocol: Проект, ориентированный на конфиденциальность, использует zk-SNARKs для создания зашифрованных транзакций на блокчейне Ethereum. Aztec позволяет пользователям проводить частные транзакции, сохраняя при этом совместимость с общедоступными и верифицируемыми доказательствами, что делает его ценным инструментом для финансовой приватности в цифровом мире.

Эти проекты иллюстрируют многообразие применений ZK-Rollups и их способность адаптироваться к различным потребностям в блокчейн-экосистеме, обеспечивая при этом высокую производительность и безопасность.

Плюсы и минусы ZK-Rollups

Плюсы

1. Увеличение пропускной способности: ZK-Rollups могут обрабатывать тысячи транзакций за секунду, существенно снижая нагрузку на основную сеть Ethereum. Это достигается за счет обработки транзакций во втором слое и последующей передачи агрегированных доказательств в основную сеть.
2. Экономия на газе: Поскольку транзакции агрегируются и верифицируются вне основной сети, затраты на транзакции значительно снижаются. Это делает использование Ethereum более доступным, особенно в периоды высокой загруженности сети.
3. Безопасность данных: ZK-Rollups не требуют раскрытия всех деталей транзакций для их верификации, что обеспечивает дополнительный уровень конфиденциальности и безопасности данных пользователей.
4. Совместимость с Ethereum: Технология ZK-Rollups разработана с учетом полной совместимости со стандартными смарт-контрактами и токенами Ethereum, что облегчает интеграцию и принятие существующими проектами.

Минусы

1. Сложность разработки: Создание и верификация zero-knowledge proofs технически сложны и требуют специализированных знаний в области криптографии, что может стать барьером для разработчиков.
2. Ограниченная поддержка смарт-контрактов: Несмотря на совместимость с Ethereum, некоторые типы ZK-Rollups могут ограничивать возможности смарт-контрактов, особенно в тех случаях, когда требуется сложная логика или интерактивность.
3. Затраты на генерацию доказательств: Хотя общие затраты на транзакции снижаются, создание zero-knowledge proofs может быть вычислительно дорогостоящим процессом, особенно при обработке больших объемов данных.
4. Начальные затраты и поддержка: Внедрение ZK-Rollups требует начальных инвестиций в интеграцию и обучение, а также поддержки по мере развития технологии, что может увеличивать общие расходы проекта в краткосрочной перспективе.

Таким образом, хотя ZK-Rollups предлагают значительные преимущества в увеличении пропускной способности и снижении затрат на транзакции, они также предъявляют определенные требования к технической экспертизе и ресурсам для их эффективной реализации и поддержки.

Перспективы развития ZK-Rollups

ZK-Rollups продолжают играть ключевую роль в эволюции масштабируемости Ethereum, и их дальнейшее развитие ориентировано на улучшение нескольких критически важных аспектов:

1. Улучшение производительности и эффективности: Разработчики постоянно работают над оптимизацией алгоритмов создания и верификации zero-knowledge proofs. Это включает снижение времени генерации доказательств и их проверки, что напрямую влияет на уменьшение затрат на газ и увеличение скорости транзакций. Новые подходы и алгоритмы, такие как PLONK и Halo, предлагают универсальные схемы создания доказательств, которые могут дальше ускорить процессы валидации.
2. Расширение функциональности: Современные ZK-Rollups в основном поддерживают стандартные типы транзакций, но исследования направлены на интеграцию более сложных операций, таких как сложные смарт-контракты и частные транзакции. Развитие технологий конфиденциальности, интегрированных с ZK-Rollups, позволит пользователям проводить частные транзакции без компромиссов в скорости или безопасности.
3. Межсетевое взаимодействие: Чтобы максимально увеличить потенциал ZK-Rollups, идут разработки по улучшению совместимости с другими блокчейнами. Это включает в себя создание мостов и API, которые позволяют ZK-Rollups взаимодействовать с различными блокчейнами и слоями, увеличивая их универсальность и доступность для широкого круга приложений.
4. Снижение барьеров для внедрения: Несмотря на технические преимущества, сложность интеграции и использования ZK-Rollups остаётся препятствием. Усилия по упрощению внедрения, такие как улучшенные инструменты разработки, более интуитивные пользовательские интерфейсы и образовательные ресурсы, помогут привлечь больше разработчиков и пользователей в экосистему.
5. Регуляторное признание и поддержка: По мере того как ZK-Rollups становятся более популярными, возникает потребность в чётком регулировании и юридическом признании этих технологий. Прогресс в этом направлении поможет устранить правовую неопределённость и стимулировать более широкое принятие ZK-Rollups в финансовой сфере и других областях.

Эти усилия по улучшению технологии ZK-Rollups могут значительно повысить эффективность и доступность блокчейн-технологий, делая их приемлемыми для более широкого спектра применений и пользователей в различных отраслях.

Заключение

ZK-Rollups представляют собой одно из наиболее многообещающих направлений масштабирования блокчейна Ethereum. Они предлагают решение, которое увеличивает пропускную способность сети при сохранении высокого уровня безопасности и конфиденциальности. Продолжающиеся исследования и разработки в этой области могут в значительной степени повлиять на будущее блокчейн-технологий.