Что такое zk-rollups?

Низкая масштабируемость блокчейнов вызывает медленные скорости транзакций, высокие комиссии и плохой пользовательский опыт. Эти проблемы можно решить через решения уровня 1, такие как шардинг, направленные на улучшение самого блокчейна, и решения уровня 2, такие как rollups, которые создают слой поверх существующей сети. Rollups — популярное решение уровня 2, объединяющее транзакции вне цепочки для ускорения вычислений. Zk-rollups, особый тип реализации rollup, используют доказательства с нулевым разглашением (zero-knowledge proofs) — криптографическую технику, позволяющую верифицировать данные без их раскрытия, обеспечивая приватность и безопасность транзакций.

Basics

По мере роста интереса к криптовалютам вопрос масштабируемости блокчейнов становится критичным. Перегрузка сетей приводит к замедлению транзакций и росту комиссий. Существуют два основных подхода к решению этой проблемы: решения уровня 1 и уровня 2.

• Стратегии уровня 1 направлены на улучшение базовой структуры блокчейна и увеличение его пропускной способности. Например, шардинг делит блокчейн на более мелкие сегменты, позволяя выполнять транзакции параллельно и повышая throughput.
• Подходы уровня 2 работают вместе с базовым блокчейном, обрабатывая транзакции вне цепочки и затем объединяя их в пакет для включения в основную сеть. К таким техникам относятся state channels, сайдчейны и rollups. Среди них zero-knowledge rollups, или zk-rollups, используют продвинутые криптографические доказательства для обеспечения безопасности и эффективности.

Understanding Zk-Rollups and Zero-Knowledge Proofs

Чтобы понять zk-rollups, важно знать, что такое rollups, и уяснить концепцию доказательств с нулевым разглашением.

What are rollups?

Rollups повышают масштабируемость блокчейнов за счёт обработки данных транзакций вне цепочки в пакетах, а затем отправки результатов в основную сеть. Такой подход снижает нагрузку на блокчейн и уменьшает затраты на транзакции, так как обработка становится более эффективной. Существуют два типа rollups: optimistic rollups и zk-rollups.

• Optimistic rollups предполагают, что все объединённые транзакции корректны. Перед добавлением в блокчейн вводится период ожидания, в течение которого сеть может оспорить сомнительные транзакции. В случае спора применяется процесс разрешения. К примерам этого подхода относятся Optimism, Arbitrum и opBNB.
• Zk-rollups, напротив, проверяют каждую транзакцию с помощью доказательств с нулевым разглашением, устраняя необходимость в процедуре разрешения споров. Это ускоряет обработку транзакций по сравнению с optimistic rollups, но требует более сложной реализации.

What are zero-knowledge proofs?

Доказательства с нулевым разглашением (ZKP) — это криптографические техники, позволяющие одной стороне (доказателю) убедить другую сторону (верификатора) в истинности утверждения, не раскрывая при этом саму информацию. Корректное ZKP должно удовлетворять трём критериям:

• Полнота: если утверждение истинно, подлинное доказательство подтвердит это.
• Звуковость: ложный доказатель не должен обмануть верификатора, заставив его поверить в неверное утверждение.
• Нулевое разглашение: верификатор узнаёт только истинность утверждения, не получая доступа к деталям.

ZKP функционирует в три этапа:

1. Свидетель: доказатель предоставляет скрытую информацию (свидетеля), демонстрируя, что обладает определёнными данными, не раскрывая их напрямую.
2. Вызов: верификатор задаёт доказателю случайные вопросы из заранее определённого набора.
3. Ответ: доказатель должен корректно ответить на вопросы верификатора, чтобы подтвердить доказательство.

Объединяя rollups и ZKP, zk-rollups достигают более быстрой и безопасной обработки транзакций, подтверждая корректность каждой операции без раскрытия подробностей и тем самым упрощая масштабирование блокчейна.

The Structure of Zk-Rollups

Zk-rollups опираются на два основных компонента для работы:

• On-chain Contracts определяют правила протокола zk-rollup. Эта структура включает основной контракт, который хранит блоки rollup, отслеживает депозиты и облегчает обновления ключей, а также контракт верификатора, проверяющий корректность доказательств с нулевым разглашением.
• Off-chain Virtual Machinesвыполняют обработку транзакций вне базового блока Ethereum, работая в рамках второго слоя. Эти виртуальные машины функционируют независимо от цепочки Ethereum, обрабатывая транзакции вне сети, чтобы избежать перегрузки основной сети.

Zk-rollups глубоко интегрированы с блокчейном Ethereum, но при этом управляют данными транзакций так, чтобы не загружать базовый уровень. Вместо отправки подробной информации в Ethereum они сводят транзакции к сжатым доказательствам, сохраняя основную цепочку эффективной и незагромождённой.

Evaluating the Advantages and Disadvantages of Zk-Rollups

Zk-rollups предлагают ряд значительных преимуществ, но также имеют и заметные недостатки. Ниже приведены основные «за» и «против» их использования.

Advantages of Zk-Rollups

• Повышенная пропускная способность: zk-rollups обрабатывают транзакции вне цепочки, что позволяет лучше масштабировать систему, поскольку отдельные транзакции не проверяются на базовом уровне, что увеличивает throughput.
• Снижение перегрузки: уменьшая объём данных, обрабатываемых на основной блокчейн, zk-rollups помогают снизить перегрузку и риск разрастания цепочки. Полным узлам требуется хранить только доказательства с нулевым разглашением, а не все данные транзакций.
• Низкие комиссии: при меньшей нагрузке на базовый уровень комиссии за транзакции, как правило, снижаются, что делает решение более экономичным.
• Повышенная безопасность: zk-rollups проектируются с мощными функциями безопасности, которые позволяют пользователям вернуть средства даже в случае проблем в сети rollup. Это преимущество по сравнению с сайдчейнами, где при сбоях сети средства могут быть под угрозой.
• Короткий период оспаривания: zk-rollups подтверждают только доказательства корректности, а не каждую транзакцию, что приводит к более короткому периоду оспаривания.

Disadvantages of Zk-Rollups

• Сложность: zk-rollups по своей природе сложны в реализации и управлении, требуя более продвинутых криптографических решений по сравнению с optimistic rollups.
• Ограничения базового уровня: несмотря на эффективность, zk-rollups всё ещё зависят от базового уровня, который может накладывать определённые ограничения.
• Фрагментация ликвидности: решения уровня 2, такие как zk-rollups, могут приводить к распределению ликвидности по разным слоям, что создаёт проблемы, когда ликвидность на базовом уровне становится скудной.

Взвешивая эти плюсы и минусы, разработчики и пользователи могут лучше понять, подходят ли zk-rollups для их конкретных задач в блокчейн-экосистеме.

Comparing Optimistic Rollups and Zk-Rollups

Ниже приведено сравнение optimistic rollups и zk-rollups с акцентом на их ключевые различия и характеристики.

Optimistic Rollups

• Предположение: транзакции считаются корректными, если не доказано обратное.
• Система оспаривания: имеется период оспаривания, в течение которого сеть может оспорить подозрительные транзакции. Для разрешения споров используются fraud proofs.
• Сложность: реализация относительно проста.
• Принятие: более широко применяется из‑за меньшей сложности.
• Примеры: заметные примеры включают Optimism, Arbitrum и opBNB.

Zk-Rollups

• Предположение: каждая транзакция валидируется с помощью доказательств с нулевым разглашением.
• Система оспаривания: период оспаривания не требуется, так как все транзакции предвариельно подтверждаются.
• Сложность: реализация включает сложные криптографические методы из‑за использования ZKP.
• Принятие: применяется реже по сравнению с optimistic rollups.
• Примеры: zkSync и Starknet.

Каждый подход имеет свои преимущества и компромиссы: optimistic rollups предпочитают простоту и широкое распространение, тогда как zk-rollups предлагают повышенную безопасность и меньшую вероятность мошенничества.

Conclusion

Масштабируемость стала критическим вопросом в технологии блокчейн и часто рассматривается как ключ к раскрытию её полного потенциала. Система, которая не умеет масштабироваться, ограничена в применении. Rollups — как optimistic, так и zk — показали себя как эффективные решения этой задачи. Zk-rollups со своим уникальным подходом обеспечивают большую скорость, снижение перегрузки и повышенную безопасность. Хотя они сопряжены с большей сложностью, их преимущества значительны. Всем, кто интересуется будущим цифровых валют, стоит понимать принципы работы zk-rollups. По мере стремления к улучшению производительности блокчейнов эта технология будет играть важную роль в формировании будущего.