Что такое Rollup (роллаппы): ZK-роллапы и оптимистические (Optimistic)

Блокчейн-технологии постоянно развиваются. Но с увеличением популярности блокчейна все чаще возникает необходимость решать проблему его масштабируемости. Масштабируемость — это способность блокчейна обрабатывать увеличивающееся число транзакций, без ухудшения ключевых характеристик (скорости, безопасности и децентрализации). Для увеличения пропускной способности и выполняют масштабирование. Т. е. используют технологии для адаптации сети к большему числу пользователей и операций с сохранением эффективности.

Основной проблемой масштабирования является ограниченная пропускная способность — блокчейны биткоина и Эфириума обрабатывают значительно меньше транзакций в секунду (TPS), чем традиционные платежные системы. На блокчейне пользователи сталкиваются с высокими комиссиями, т.к. при перегрузке сети они вынуждены доплачивать за ускорение транзакций. В сетях с механизмом консенсуса Proof-of-Work (PoW) транзакции могут обрабатываться от нескольких минут до часов. С увеличением количества данных все сложнее поддерживать децентрализованную структуру блокчейна.

Читайте также

Читайте также

P2P в Казахстане: как торговать криптовалютой

FUTUREBY Education

База знаний

Для решения этих проблем применяются различные технологии. Например, шардинг (sharding) — разделение блокчейна на более мелкие части (шарды), улучшенные алгоритмы консенсуса (например, переход Ethereum на Proof-of-Stake). Популярны также решения второго уровня (Layer 2) — технологии, которые работают поверх основного блокчейна. Например, Lightning Network для биткоина, Rollups (роллапы) для Эфириума.

В статье остановимся на роллаппах. Подробно рассмотрим протокол Zero Knowledge Proofs (ZKP). Сравним технологии Zero-Knowledge Rollups (ZK-rollup) и Optimistic Rollups. Обсудим перспективы использования роллапов.

Что такое роллапы?

Роллапы (Rollups) — это решения второго уровня (Layer 2), которые как раз и помогают масштабировать блокчейн. Они выполняют транзакции за пределами основной сети (Layer 1) и затем записывают их обратно в блокчейн в сжатом виде. Роллапы собирают сотни или тысячи транзакций в один «пакет» (“свёрток” — rollup), обрабатывают их вне основного блокчейна, а затем отправляют одно доказательство о корректности всех операций.

Роллапы могут быть:

• Optimistic Rollups (оптимистичные роллапы) – работают по принципу «доверяй, но проверяй». Транзакции считаются корректными по умолчанию, если никто не докажет обратного.
• ZK-Rollups (роллапы с нулевым разглашением) – используют криптографические доказательства, чтобы доказать, что транзакции были выполнены правильно, не раскрывая детали.

Подробнее о них — ниже.

Как роллапы помогают масштабировать блокчейн?

Роллапы разгружают основную сеть, снижают нагрузку на нее и уменьшают комиссии. Это достигается за счет нескольких ключевых механизмов.

• Группировка транзакций. В традиционном блокчейне каждая транзакция записывается отдельно. Это увеличивает нагрузку на сеть и повышает комиссии. В роллапах транзакции объединяются в rollup. И в основную сеть записывается только итоговая информация (например, новые балансы кошельков). Это значительно уменьшает объем данных и ускоряет их обработку.
• Оптимизация вычислений. В стандартном блокчейне все вычисления происходят внутри основной сети. Это занимает много времени. В роллапах вычисления (например, проверки смарт-контрактов) выполняются за пределами Layer 1 на более быстрых и дешевых серверах. В основной блокчейн отправляется только доказательство правильности вычислений.
• Снижение комиссии. Основная причина высоких комиссий в блокчейне — загруженность сети и большое количество данных в блоках. Поскольку роллапы записывают меньше данных в Layer 1, пользователи платят меньше за газ (комиссию).

Преимущества роллапов

Роллапы — одно из наиболее эффективных решений для масштабирования блокчейна.

Их преимуществами являются:

• Более низкие комиссии (см. выше).
• Разгрузка основной сети (Layer 1).
• Увеличение пропускной способности. Например, Ethereum обрабатывает около 30 транзакций в секунду (TPS). Роллапы могут повышать этот показатель до нескольких тысяч TPS.
• Сохранение безопасности блокчейна. В отличие от отдельных сайдчейнов (sidechains), которые работают как отдельные сети, роллапы «наследуют» безопасность основной сети.
• Совместимость со смарт-контрактами Ethereum. Роллапы поддерживают виртуальную машину Ethereum (Ethereum Virtual Machine, EVM), поэтому децентрализованные приложения (DApps) могут работать в этих сетях. Разработчики могут без изменений переносить проекты из Ethereum в роллапы.
• Быстрые транзакции и вывод средств.

Подробнее о преимуществах и особенностях — при характеристике роллапов и их сравнении.

Что такое доказательство с нулевым разглашением?

Доказательство с нулевым разглашением (Zero-Knowledge Proof, ZKP) — это криптографический протокол, который позволяет одной стороне (доказателю) убедить другую сторону (проверяющего) в истинности утверждения, но не раскрыть саму информацию.

Пример: У вас есть пароль от банковского счета, и вы хотите доказать банку, что знаете его, не раскрывая сам пароль. Обычный способ: Вводите пароль → Банк проверяет его → Если верно, вам дают доступ. С помощью ZKP: Проходите проверку, доказываете, что знаете пароль, но не сообщаете сам пароль.

Существует два типа ZKP:

• zk-SNARKs (Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge – «краткий неинтерактивный аргумент знания»),
• zk-STARKs (Scalable Transparent Argument of Knowledge – «масштабируемый прозрачный аргумент знания).

Их отличительные особенности приведены в таблице.

* Доверенная установка – это начальный этап в криптографическом протоколе, на котором создаются секретные параметры для работы алгоритма доказательства.

Что такое ZK-Rollups? Как они работают?

ZK-Rollups (Zero-Knowledge Rollups) — это решение второго уровня (Layer 2) для масштабирования блокчейнов. Оно использует доказательства с нулевым разглашением (ZKP) для объединения множества транзакций в один пакет и их безопасной записи в основную сеть (Layer 1).

Работа ZK-Rollup включает следующие этапы:

• Сбор транзакций. ZK-Rollup собирает множество транзакций от пользователей, например, переводы токенов или взаимодействие со смарт-контрактами.
• Обработка за пределами Layer 1. Вместо того чтобы проверять и записывать каждую транзакцию в основную сеть, роллап проводит вычисления на Layer 2.
• Генерация криптографического доказательства. После обработки всех транзакций создается доказательство с нулевым разглашением (zero knowledge proof). Оно подтверждает, что все операции были выполнены правильно без раскрытия данных.
• Запись агрегированного результата в Layer 1. Вместо всех транзакций в основной блокчейн записывается только это доказательство.

Основные блокчейн-проекты, использующие технологию ZK-Rollups:

• zkSync – масштабируемый Layer 2 с низкими комиссиями и поддержкой смарт-контрактов.
• StarkNet – безопасный роллап на основе zk-STARKs, подходит для сложных вычислений.
• Polygon zkEVM – полностью совместим с Ethereum, снижает комиссии и ускоряет транзакции.
• Loopring – оптимизирован для децентрализованных бирж (DEX), обеспечивает быстрые и дешевые сделки.
• Aztec Network – ориентирован на конфиденциальность, позволяет проводить анонимные транзакции.

Что такое Optimistic Rollups? Как они работают?

Optimistic Rollups (оптимистичные роллапы) — это Layer 2 решение для масштабирования блокчейнов, которое обрабатывает транзакции за пределами основной сети (Layer 1), а затем публикует их в агрегированном виде в блокчейн. Они предполагают, что все транзакции верны, если никто не докажет обратное (отсюда и название Optimistic — «оптимистичные»). Это снижает нагрузку на сеть, так как нет необходимости проверять каждую операцию в момент ее записи.

Работа Optimistic Rollups включает следующие этапы:

• Сбор транзакций.
• Выполнение вычислений вне основной сети (Layer 1).
• Публикация данных в Layer 1. Роллап отправляет агрегированные результаты транзакций в основную сеть без немедленной проверки каждой операции.
• Период оспаривания (Challenge Period). В течение 7 дней (обычно) пользователи могут оспорить некорректные транзакции Если кто-то обнаружит мошеннические данные, он может предоставить fraud-proof (доказательство мошенничества), которое аннулирует неправильную транзакцию.
• Финальное подтверждение. Если в течение периода оспаривания ошибки не найдены, все транзакции считаются окончательно подтвержденными.

Проекты, построенные на Optimistic Rollups:

• Optimism (OP) – масштабируемая сеть для Ethereum.
• Arbitrum (ARB) – один из самых популярных роллапов с низкими комиссиями.
• Boba Network – Layer 2 платформа с улучшенной скоростью вывода.

Разница между оптимистическими и ZK-роллапами

Разница между между оптимистическими и ZK-роллапами приведена в таблице.

Перспективы роллапов

Роллаппы — ключевое направление масштабирования блокчейнов, особенно Ethereum. Они уже активно используются. В будущем ожидаются значительные улучшения и распространение технологии. По-мнению экспертов, роллапы ждет:

• Массовое внедрение Layer 2 решений. Роллапы, возможно, станут одним из основных способов взаимодействия с блокчейном. Ethereum уже движется в этом направлении с концепцией «Rollup-Centric Roadmap», где роллапы будут обрабатывать до 90% транзакций.
• Снижение комиссий и рост пропускной способности. ZK-Rollups уже обеспечивают транзакции в 10-100 раз дешевле, но технологии развиваются. Ожидается, что Ethereum 2.0 + роллапы повысят пропускную способность сети.
• Полная поддержка смарт-контрактов в ZK-Rollups. Сейчас Optimistic Rollups (Optimism, Arbitrum) поддерживают все функции Ethereum, а ZK-Rollups (zkSync, StarkNet) еще адаптируются к EVM. В ближайшие 1-2 года ZK-Rollups получат полную совместимость с Ethereum, что позволит разработчикам без проблем переносить dApps.
• Развитие взаимодействия между сетями. Сейчас роллапы работают изолированно и требуют мостов для связи с другими блокчейнами. В будущем, вероятно, появятся «агрегированные роллапы» и кросс-совместимые технологии.
• Анонимные и конфиденциальные транзакции. Развитие конфиденциальных ZK-Rollups (например, Aztec Network) сделает возможными анонимные платежи в Ethereum.

Роллаппы – это одно из самых перспективных решений для масштабирования блокчейнов. Они разгружают основную сеть, уменьшают комиссии и ускоряют транзакции, сохраняя при этом высокий уровень безопасности. Optimistic Rollups предлагают простоту и полную совместимость с Ethereum, но не позволяют быстро вывести средства, не обеспечивают конфиденциальность. ZK-Rollups, напротив, обеспечивают мгновенное подтверждение транзакций и конфиденциальность, но требуют сложных вычислений. В будущем ожидается массовое внедрение роллапов, снижение комиссий, повышение пропускной способности и развитие взаимодействия между сетями.