Czym jest technologia rollupów (rollups) i jak pomaga w skalowaniu Ethereum?

Rollupy to podstawowa technologia protokołów warstwy 2 dla Ethereum. Wiele rozwiązań rollupowych wykorzystuje metodę proof-of-concept z zerową wiedzą. Takie technologie są zgrupowane pod nazwą ZK-Rollups.

Zastosowanie rollupów pozwala na uzyskanie wysokiej prywatności transakcji i skalowanie głównej sieci Ethereum: wiele transakcji jest łączonych w jeden pakiet, który jest zatwierdzany w blockchainie pierwszej warstwy.

W ekosystemie Ethereum istnieje kilka popularnych protokołów warstwy 2 opartych na ZK: StarkNet, zkSync, Loopring, Polygon Miden i inne. Istnieje również osobna technologia Optimistic Rollups, która jest wykorzystywana w platformach warstwy 2 Arbitrum One i Optimism.

Jak działa dowód zerowej wiedzy?

Metoda dowodu zerowej wiedzy (ZKP) została sformułowana przez naukowców Shafi Goldwassera i Silvio Micali w artykule „The complexity of knowledge in interactive proof systems” z 1985 roku. Zaproponowali oni sposób udowodnienia ważności wiadomości bez ujawniania jej szczegółów.

Polega to na wygenerowaniu specjalnego „dowodu”, który weryfikator może wykorzystać do sprawdzenia poprawności danych źródłowych. Nadawca musi wykonać serię obliczeń, które będą poprawne, jeśli posiada odpowiednią wiedzę. Sprawdzający zna wartość poprawnej odpowiedzi, co pozwala mu sprawdzić, czy informacja jest prawidłowa. W ten sposób obie strony mają tylko ograniczoną wiedzę o treści wiadomości.

Aby zademonstrować tę metodę, rozważmy sytuację, w której daltoniście pokazano dwie piłki. Jedna jest czerwona, a druga zielona, ale człowiek nie widzi różnicy.

Musisz udowodnić, że jest inaczej, bez podawania nazw kolorów piłek. W tym celu przekazuje się przedmioty swojemu rozmówcy, który chowa je za plecami. Następnie wyciąga piłkę i pokazuje ją tobie. Następnie osoba ta chowa ją i powtarza czynność. Musisz odpowiedzieć na pytanie, czy wymienił piłkę za plecami. Ponieważ znasz prawidłową odpowiedź, po serii eksperymentów okaże się, że masz rację. Nie będziesz jednak musiał ujawniać żadnych dodatkowych informacji.

W jaki sposób dowód zerowy jest wykorzystywany w ZK-Rollupach?

Metoda ZKP stworzyła grupę technologii zbiorczo nazywanych ZK-Rollups, na których opiera się dziś wiele kluczowych protokołów warstwy 2 w ekosystemie Ethereum. Vitalik Buterin nazwał ZKP kluczową technologią dla skalowania głównej platformy blockchain.

„Rollup” tworzy pakiety wielu transakcji, w których dane każdego transferu są skompresowane. Takie „rollupy” dostarczają dowód do bazowej sieci warstwy pierwszej (w tym przypadku Ethereum), co pozwala na zatwierdzenie wszystkich transakcji w pakiecie bez konieczności przeglądania każdej z nich. Po zatwierdzeniu pakiet zostaje włączony do jednego z bloków. Pojedynczy pakiet rollup może zawierać tysiące transakcji, ale w blockchainie warstwy pierwszej umieszczana jest minimalna ilość danych.

Są trzy elementy, które sprawiają, że ZK-Rollupy działają:

• Maszyna wirtualna z protokołem warstwy 2, która grupuje transakcje;
• Weryfikator smart kontraktów, który weryfikuje pakiety;
• Moduł, który wysyła pakiety do warstwy pierwszej blockchaina i aktualizuje jego stan.

Węzeł sieciowy warstwy 2 dokonuje podstawowej weryfikacji transakcji przychodzących. Po otrzymaniu określonej liczby przelewów łączy je w pakiet i generuje dowód ZK. Pakiet weryfikuje inteligentny kontrakt wdrożony w sieci pierwszej warstwy. Zapewnia również wejście i wyjście do warstwy 2 blockchaina.

„Rollupy” zawierają również salda użytkowników w sieci warstwy 2, reprezentowane w postaci drzewa Merkle. Jego korzeń jest przechowywany w kontrakcie, co pozwala na śledzenie zmian w stanie sieci. Wartości walidujące każdą transakcję są również wysyłane do blockchaina pierwszej warstwy. Dane zawierają korzeń Merkle, który jest obliczany w kilku krokach. Wartości pośrednie są zapisywane na blockchainie i zatwierdzają każdy przelew w pakiecie.

Jakie są korzyści z zastosowania technologii ZK-Rollups?

Zero-disclosure proof-of-concept był pierwotnie stosowany w anonimowych projektach kryptowalutowych, ale w ostatnich latach znalazł szerokie zastosowanie jako rozwiązanie skalujące dla Ethereum.

ZK-Rollupy umożliwiają przetwarzanie danych bez ujawniania prywatnych informacji o użytkownikach. Algorytm może przede wszystkim sprawdzić dostępność środków bez ujawniania salda. Funkcje te są ważne dla firm, które muszą chronić osobiste dane klientów.

Ponadto korzystanie z rozwiązań opartych na ZK-Rollups znacznie obniża opłaty transakcyjne. Wiele transferów jest łączonych w jeden pakiet, w którym wszystkie dane są skompresowane – na przykład zamiast adresu używany jest indeks. Dzięki temu mniej informacji może być przechowywanych w blockchainie pierwszej warstwy. Koszty są dzielone między wszystkich nadawców, więc każdy użytkownik płaci mniej.

ZK-Rollupy zapewniają niskie opóźnienia przy wypłatach do sieci głównej, ponieważ inteligentny kontrakt weryfikuje ważność danych przed włączeniem pakietu do blockchaina.

Jakie są różne rodzaje ZK-rollupów?

Istnieje wiele implementacji rollupów ZK, z których najpopularniejsze to ZK-SNARKs (i jego wariant Plonky2), ZK-STARKs, zkSync i inne. Każda z technologii różni się wielkością „dowodu” i kosztem obliczeniowym wymaganym do weryfikacji.

ZK-SNARK

ZK-SNARK tworzy dowód, który ma mały rozmiar i jest łatwy do zweryfikowania. Sporządzenie dowodu z wykorzystaniem krzywych eliptycznych. Obliczanie ich wartości jest mniej kosztowne niż hashowanie, więc algorytm jest mniej kosztowny. Metoda ta wymaga zniszczenia dowodu natychmiast po jego wysłaniu. Aby algorytm zadziałał, węzeł generuje klucz publiczny i prywatny, po czym ten drugi jest niszczony. Klucz publiczny jest używany do generowania kolejnej pary kluczy. Klucz prywatny jest następnie używany do generowania potwierdzenia, a klucz publiczny do jego weryfikacji.

ZK-STARK

ZK-STARK generują dowód, który nie wymaga interakcji między weryfikatorem a kontrolerem. Walidacja danych zajmuje mniej czasu, dzięki czemu technologia jest łatwiejsza do skalowania. Algorytm wykorzystuje haszowanie, dzięki czemu jest odporny na atak komputera kwantowego.

zkSync

zkSync to protokół warstwy 2 oparty na algorytmie rollup o tej samej nazwie. Platforma umożliwia transfer aktywów i wspiera inteligentne kontrakty. Algorytm charakteryzuje się niskim limitem gazu na transakcję, który nie przekracza 500 Gwei. Główną zaletą zkSync 2.0 jest kompatybilność z Ethereum Virtual Machine.

Jakie projekty wykorzystują ZK-Rollupy i Optimistic Rollupy?

W ekosystemie Ethereum istnieje dziś kilka popularnych rozwiązań, które wykorzystują ZKP:

• Platforma StarkNet. Główne protokoły DeFi działające na jego prywatnej wersji o nazwie StarkEx to Rhino, Immutable X, dYdX i Sorare.
• Mina Protocol to lekki blockchain, który wykorzystuje technologię ZK-SNARK do tworzenia bloków o wielkości 22Kb. Platforma umożliwia realizację smart kontraktów i uruchamianie zdecentralizowanych aplikacji.
• LoopRing – protokół DeFi, który wykorzystuje księgę zleceń. Zaimplementowany w sieci Ethereum. Do działania wykorzystuje dowody ZK.
• Polygon Miden – „rollup” oparty na zk-STARKach, działający przy użyciu specjalnej maszyny wirtualnej Miden.

Oprócz rollupów opartych na ZKP istnieje również grupa rozwiązań zwanych rollupami Optimistic. Różnica między nimi polega na sposobie walidacji transakcji: w Optimistic pakiety transakcji są uznawane za ważne, natomiast transakcje są walidowane tylko wtedy, gdy ktoś je podważył.

Dowody zerowej wiedzy zachowują dane w sieci bazowej po zatwierdzeniu każdego transferu. W ten sposób technologia zapewnia, że stan sieci pozostaje aktualny. Jednocześnie, w przeciwieństwie do ZK-Rollups, wypłaty z protokołu opartego na Optimistic Rollups wymagają sprawdzenia pod kątem oszustwa, co może potrwać nawet dwa tygodnie. Określony czas określa termin wypłaty środków na blockchain warstwy pierwszej. Jednak konieczność weryfikacji danych w ZK-Rollupach zwiększa zużycie zasobów i koszty.

Optimistic Rollups wykorzystują dwa popularne protokoły warstwy 2 Ethereum – Arbitrum i Optimism.

Projekt	Zastosowana technologia	Zablokowana wartość (TVL)
Polygon	Polygon Miden (ZK-STARK), Polygon Nightfall (Optimistic Rollups), Polygon Zero (Plonky2), Polygon Hermez (ZK-SNARK)	1,3 mld USD
Arbitrum One	Optimistic Rollups	1,06 mld USD
Optimism	Optimistic Rollups	993 mln USD
LoopRing	ZK-SNARK	128 mln USD
zkSync	zkSync	63,76 mln USD
dYdX	ZK-STARK (StarkEx)	372 mln USD
Aztec	PLONK (ZK-SNARK)	11,9 mln USD
StarkNet	zk-STARK	2,86 mln USD (bez uwzględnienia projektów na StarkEx)

Co to jest validium?

Istnieją rozwiązania kompleksowe – validium. Jest to technologia kompromisowa, która łączy dowody przechowywane na różnych poziomach. Dowody są wysyłane do bazowego blockchaina, a dane są przechowywane poza nim. Rozwiązanie to zmniejsza opłaty, ale wiąże się z uzależnieniem od zewnętrznej pamięci masowej. Jeśli to drugie zostanie zakłócone, użytkownicy nie stracą pieniędzy, ale nie będą mogli dokonywać transakcji.