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.
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.
| Характеристика | zk-SNARKs | zk-STARKs |
|---|---|---|
| Размер доказательства | Очень маленький (менее 1 КБ) | Крупнее (порядка 50-100 КБ) |
| Скорость верификации | Быстрая (миллисекунды) | Медленнее (в разы больше вычислений) |
| Требует ли доверенной установки? (trusted setup)* | Да | Нет |
| Прозрачность | Закрытая настройка | Открытая настройка |
| Где используется? | Zcash, zkSync, Polygon zkEVM | StarkNet, StarkEx |
| Прозрачность и безопасность | Менее прозрачны из-за необходимости доверенной установки | Более безопасны и прозрачны, так как не требуют секретных параметров. |
* 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.
| Характеристика | Optimistic Rollups | ZK-Rollups |
|---|---|---|
| Как подтверждаются транзакции? | Считаются корректными по умолчанию, проверяются только при оспаривании | Каждая транзакция подтверждается криптографическим доказательством (ZK-Proof) |
| Безопасность | Возможны мошеннические транзакции, но есть механизм оспаривания | Безопасны, благодаря криптографическим доказательствам |
| Время вывода средств | До 7 дней из-за периода оспаривания | Мгновенно |
| Скорость обработки | Быстрее, чем Layer 1, но медленнее, чем ZK-Rollups | Очень высокая, так как доказательства компактны |
| Комиссии (gas fees) | Низкие, но выше, чем у ZK-Rollups | Очень низкие |
| Пропускная способность | До нескольких сотен TPS (ограничено Layer 1) | До нескольких тысяч TPS (более эффективное использование Layer 1) |
| Совместимость с Ethereum (EVM) | Полная (работает с любыми смарт-контрактами Ethereum) | Частичная (Polygon zkEVM и Scroll уже поддерживают, StarkNet требует адаптации) |
| Лучшие направления применения | DeFi, смарт-контракты, dApps | Платежи, микротранзакции, анонимные переводы |
| Конфиденциальность | Нет (все транзакции видны) | Возможна анонимность (например, в Aztec Network) |
| Основная проблема | Долгое время вывода средств | Требует сложных криптографических вычислений |
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.
