Масштабирование с помощью Optimistic и Zero-Knowledge ролапов

Последнее крупное обновление Ethereum под названием Proto- Danksharding приблизило Ethereum к архитектуре, ориентированной на объединение, за счет включения BLOB-объектов (больших двоичных объектов).

В отличие от Solana, которые масштабируются за счет создания высокой мощности на уровне 1 (L1), Ethereum планирует добиться масштабирования за счет перемещения вычислений на уровень 2 (L2). Идея проста. Вместо того, чтобы выполнять и хранить все в основном блокчейне Ethereum , выполнять и хранить множество вещей на L2, а также использовать механизм консенсуса и безопасность Ethereum , чтобы гарантировать, что действия, предпринимаемые на L2, являются действительными.

Стратегия Solana обеспечивает большую скорость и эффективность. Обратной стороной является то, что платформу сложно назвать децентрализованной. Поскольку несколько узлов создают все блоки, безопасность подвергается большему риску быть перехваченной этими несколькими крупными валидаторами.

Использование L2 усложняет архитектуру Ethereum , но оно того стоит, если необходимо сохранить децентрализацию и безопасность.

L2 блокчейны могут   быть представлены в форме ролапов, сайдчейнов Validiums и Plasmas. Сегодня мы сосредоточимся на Rollups.

Rollups работают на базе блокчейн Ethereum, но управляются смарт-контрактами в цепочке. Они состоят из  двух частей:

Оффчейновая виртуальная машина, на которой выполняются транзакции

Ончейновые смарт-контракты, в которых хранятся сводные блоки, данные транзакций и обновления состояния.

Объединения выигрывают от скорости автономной среды выполнения и безопасности консенсуса Ethereum.

В роллапах используется несколько рычагов для увеличения масштаба и снижения комиссий.

Оффчейн Выполнение— мощность блокчейна используется для (а) выполнения транзакций и (б) хранения данных. Между ними выполнение транзакций является настоящим пожирателем газа. Ролапы позволяют сэкономить на газе за счет переноса выполнения транзакций на виртуальную машину вне сети.

Объединение — ролапы объединяют несколько транзакций в один пакет перед отправкой в L1. Фиксированная стоимость публикации в Ethereum амортизируется по всем транзакциям в этом пакете, что снижает комиссию.

Данные вызова — при отправке на L1 данные сводного пакета прикрепляются в виде данных вызова или больших двоичных объектов, которые дешевле хранить.

Сжатие данных. Перед публикацией на L1 ролапы сжимают данные, чтобы свести к минимуму необходимое пространство для хранения.

Комиссия за объединение — валидаторы в Rollup взимают комиссию (аналогично комиссии за газ в Ethereum ). Однако комиссии намного ниже, чем на Ethereum , поскольку ролапы имеют более высокие вычислительные мощности и не сталкиваются с перегрузкой сети, а это означает, что они не взимают дополнительных комиссий за приоритет.

Когда токены помещаются в  ролапы, мостовой контракт блокирует токены в Ethereum, создает новые токены в ролапах и отправляет их на правильный адрес ролапа.

Ролапы Optimistic и ZK

В целом  ролапы  бывают двух типов — Optimistic и ZK.

Оба типа  ролапров разгружают сеть за счет выполнения транзакций вне сети. Оба контролируются смарт-контрактами в цепочке, которые отслеживают депозиты пользователей, блоки объединения и обновления состояния. Однако у  них  разные механизмы  безопасности

Optimistic  ролапы— предполагается, что блок действителен, если он не оспорен. Они предлагают денежное вознаграждение любому оператору, который правильно определит ошибочный блок и накажет создателя этого ошибочного блока.

ZK Rollups — требует, чтобы операторы использовали доказательства с нулевым разглашением, чтобы доказать, что блоки верны, прежде чем они будут приняты основной сетью.

Optimistic  ролапы легче развертывать, и поэтому самые крупные ролапы формата  Optimism, Arbitrum и Base считаются Optimistic  ролапами. Большие шишки отрасли, такие как Виталик Бутерин, однако, считает, что в долгосрочной перспективе большинство ролапов перейдут на ZK формат.

А. Optimistic  ролапы

Optimistic  ролапы, поскольку они оптимистично предполагают, что блок действителен, если он не оспорен.

Вычислительные мощности Ethereum — дорогой ресурс. Такой подход гарантирует, что никакие мощности не будут расходоваться без необходимости при доказательстве действительности транзакций в обычном пакете.

1. Структура стимулирования кнута и пряника

Пакеты публикуются в сети операторами. Любой может стать Оператором при условии внесения залога. После отправки пакета в Ethereum существует период, в течение которого его можно оспорить. Если запрос окажется успешным (т. е. окажется, что исходная партия неисправна), валидатор, разместивший исходную партию (также известный как «Утверждающий»), будет оштрафован путем сокращения его залога. Часть урезанного  залога будет передана успешному претенденту.

Претенденты — это посты наблюдения других Операторов. Они выполняют одни и те же отправленные транзакции и, если обнаруживают несоответствие между их исполнением и опубликованными блоками, вычисляют криптографическое доказательство мошенничества. Для предотвращения  неправомерного использования, претенденты также должны внести залог, который можно будет сократить, если испытание провалится.

Обратите внимание, что действительные блоки будут продвигаться вперед до тех пор, пока в системе есть хотя бы один честный узел для создания объединяемых блоков и проверки недействительных. Худшее, что может сделать злонамеренный узел, — это вызвать задержки.

2. Операторов заставили публиковать данные о транзакциях

Оператор — это централизованное лицо, отвечающее за обработку транзакций и отправку блоков объединения в основную сеть.

Что произойдет, если валидатор отключится и перестанет обрабатывать транзакции?

Что, если после того, как ваши средства будут объединены, валидатор решит запретить вам снимать средства, отказываясь обрабатывать вашу выходную транзакцию и отказываясь предоставить вам доказательства владения Merkle?

Вышеуказанные ситуации предотвращаются, поскольку Optimistic Rollups вынуждает валидаторов публиковать данные транзакций в основной сети. Хотя  подобное занимает ценное пространство, это важный шаг, обеспечивающий безопасность.

Если валидатор отключается от сети, другой валидатор может вмешаться и занять его место. Они могут воспроизвести последнюю сверку на основе опубликованных данных и продолжить производство блоков.

Пользователи могут использовать опубликованные данные для самостоятельного создания доказательств владения Merkle и вывода средств из  ролапов.

Многораундовый интерактивный механизм проверки

Когда ролап подвергается сомнению, смарт-контракт Verifier повторно выполняет спорный пакет в основной сети . Выполнение каждой транзакции в пакете в основной сети не только дорого, но и в блоке Ethereum может не хватить места для выполнения всех транзакций в ролапе.

Решение состоит в том, чтобы использовать механизм многораундного итеративного доказательства. Когда ролап  подвергается сомнению, утверждающий делит Утверждение на две половины. Затем претендент выбирает половину, которую  он подвергает  сомнению. Утверждающий снова разделяет выбранную половину на две половины, и процесс продолжается до тех пор, пока не останется только один шаг. Смарт-контракт Verifier в конечном итоге должен выполнить только один шаг в основной сети, чтобы проверить, действителен ли вызов.

Вывод средств из Optimistic Rollups

Внести средства в Optimistic Rollups легко, но вывод средств требует много времени. Это связано с тем, что, хотя выполнение транзакции происходит быстро, транзакции не считаются окончательными и рассчитываются до тех пор, пока не истечет период проверки (скажем, 7 дней).

Это необходимо для безопасности. Невозможно будет отменить обновление состояния объединения после успешного вызова, если активы покинули объединение.

Пользователи могут проверить, была ли их выходная транзакция включена в блок, вычислив доказательство Меркл . Таким образом, они могут быть уверены, что транзакция выхода была обработана, даже если они не смогут получить доступ к средствам до конца периода проверки. Следовательно, безопасность средств не является проблемой, а ликвидность и эффективность капитала.

Некоторые поставщики ликвидности предлагают услугу, при которой они немедленно переводят вам средства и выводят их из накопительного пакета через неделю.

Б. ZK  ролапы

Операторы ZK Rollups выполняют транзакции вне сети и предоставляют доказательства достоверности с нулевым разглашением в сети, доказывая, что транзакции вне сети действительны. Контракт L1 не предполагает, что пакет действителен, у него есть доказательство того, что пакет действителен.

Доказательства с нулевым разглашением — это технология, с помощью которой можно доказать, что что-то верно, не раскрывая, что это такое. В случае с ZK ролапами это доказывает, что транзакции в объединенном пакете были правильно выполнены, без раскрытия того, что это за транзакции или требования L1 для их выполнения.

После того как новая партия и подтверждение действительности проверены контрактом Verifier, состояние свертки обновляется. Контракты с проверяющими проверяют доказательства действительности для каждой партии. Это отличается от контракта верификатора в случае оптимистических накопительных пакетов, которые проверяют доказательства действительности только при возникновении проблем.

Публикация пакетов транзакций в смарт-контракте L1 только после подтверждения их правильности имеет два основных положительных последствия.

Окончательность расчетов. Транзакции считаются окончательными сразу после их публикации в L1. Не существует периода проверки, по истечении которого транзакции могут быть отменены. Это позволяет вывести средства из ZK-Rollup сразу после обработки транзакции выхода.

Поскольку L1 имеет доказательство достоверности с нулевым разглашением того, что транзакции в пакете действительны, необходимо отправлять очень мало данных о транзакциях (по сравнению с оптимистическими сводными пакетами). Этот экономит на дорогой хранилище космос в Л1.

Если данные транзакции уже проверены, почему ZK-Rollups публикует какие-либо данные о транзакциях?

Публикуя небольшие данные о транзакциях, ZK-Rollups обеспечивает устойчивость к цензуре.

Оператор мошенник  может принять решение о цензуре транзакций или запретить пользователю выводить средства из накопительного пакета. Данные о транзакциях, передаваемые в L1, позволяют любому самостоятельно проверить цепочку и отправлять пакеты, если Оператор пытается подвергнуть цензуре транзакции или заморозить счета. Они также позволяют пользователям запрашивать балансы, доказывать, что транзакция вывода средств была включена в пакет, и инициировать вывод средств непосредственно из накопительного пакета, не полагаясь на Оператора.

Доказательства с нулевым разглашением бывают двух типов.

ZK-SNARKS ( сокращенный неинтерактивный аргумент знания с нулевым разглашением) — ZK-SNARKS в настоящее время является более популярным методом, поскольку создание и проверка доказательств проще. Однако он менее безопасен, поскольку для создания общей ссылочной строки (CRS) требуется церемония доверия. Если информация, использованная для создания CRS, попадет в чужие руки, она может быть использована для создания ложных доказательств действительности. Чтобы обойти эту проблему, необходимо привлечь несколько сторон к созданию CRS. Если хотя бы одна сторона уничтожит свои данные, доказательство ZK-SNARK будет надежным.

ZK-STARK (масштабируемый прозрачный аргумент знания с нулевым разглашением) — считается лучшим, но в настоящее время не используется широко из-за сложности  дороговизны и объемности  проверки. Однако протокол более масштабируемый , прозрачный и квантово-устойчивый

Прозрачность — для создания какой-либо CSR не требуется церемония доверия.

Масштабируемость — требуется меньше времени для создания и проверки больших наборов данных, что делает его идеальным для приложений, требующих тяжелых вычислений.

Квантовая устойчивость. Если квантовые вычисления станут реальностью, большая часть криптографии окажется под угрозой. Известно, что криптография с эллиптической кривой, используемая в ZK-SNARK, восприимчива к квантовым вычислениям. ZK-STARK это квантовый устойчивый протокол.

1. Совместимость с EVM. Оптимистичные накопительные пакеты совместимы с EVM. ZK-ролапы нет.

Активы могут легко перемещаться между Ethereum и Optimistic Rollup. DApps (децентрализованные приложения), созданные на Ethereum, можно легко импортировать на Optimistic Rollup, а новые dApps можно создавать непосредственно на Optimistic Rollup с помощью инструментов Ethereum . Это экономит время разработчиков, которые могут использовать инструменты Ethereum , включая языки программирования, библиотеки кода, инструменты тестирования и т. д. Разработчики также могут чувствовать себя в большей безопасности, поскольку инструменты Ethereum прошли испытания и тщательный аудит.

ZK Rollups в настоящее время может обрабатывать только базовые транзакции. Создать доказательства действительности для сложных транзакций EVM пока невозможно. Это ограничивает количество dApps , которые могут быть развернуты в этих ролапах, что, в свою очередь, ограничивает средства, переносимые в н ролапы

zkEVM был достигнут некоторый прогресс в обеспечении совместимости с EVM.

2. Сложность и потенциальная централизация

Создание доказательств достоверности — это технически и вычислительно сложная задача, требующая специального оборудования. Таким образом, немногие организации могут предлагать ZK-Rollups операторские услуги. Это увеличивает возможность централизации. Затраты на создание и проверку доказательств действительности в ZK-Rollups значительны и ложатся на плечи пользователей. Optimistic Rollup позволяют избежать этих затрат.

1. Меньше данных, публикуемых в основной сети. Поскольку доказательства достоверности доказывают, что транзакции выполняются правильно, ZK-Rollups необходимо публиковать меньше данных о транзакциях в основной сети и экономить на дорогостоящем пространстве для хранения. Optimistic Rollup должны публиковать больше данных о транзакциях, чтобы сделать возможными сложные блоки.

2. Окончательность расчетов. Транзакции в ZK-Rollups считаются окончательными после публикации в основной цепочке, поскольку доказательства действительности подтверждают их действительность. С другой стороны, транзакции в рамках Optimistic Rollup не считаются окончательными до тех пор, пока не закончится период проверки. Особенно это проблема при выводе средств из ролапа.

3. Рекурсивные доказательства . Рекурсивные доказательства — это когда одно доказательство может подтвердить предыдущее доказательство. С помощью ZK-Proofs возможны рекурсивные доказательства. В настоящее время ZK-Rollups предоставляет отдельное подтверждение для каждой партии. В будущем они смогут использовать рекурсивные доказательства, что означает , что можно будет проверять несколько партий с помощью одного доказательства, что увеличит пропускную способность.

4. В большинстве Optimistic Rollup отсутствуют доказательства мошенничества. Безопасность транзакций в Optimistic Rollup зависит от механизма защиты от мошенничества. Без этого ничто не мешает злоумышленнику публиковать недействительные блоки. Среди крупнейших Optimistic Rollup «Доказательства мошенничества» доступны только в Arbitrum.

Совместимость. Перенос токенов из одного накопительного пакета в другой непростая задача. Нельзя просто перейти с Optimism на Arbitrum, введя адрес кошелька Arbitrum. Сначала средствам необходимо будет выйти из Optimism, переждать период испытания, а затем внести их в Arbitrum.

Фрагментация ликвидности. Ликвидность распределяется между различными роллапами, что приводит к более высокому проскальзыванию и неоптимальному исполнению.

Большинство ролапов используют единый секвенсор — порядок управления секвенсорами и является единственным объектом, которому разрешено отправлять блоки в основную сеть . Единый секвенсор не может изменять балансы счетов или публиковать недействительные транзакции, но он определяет порядок транзакций, может задерживать транзакции и может извлекать MEV.

Заключение

Нет причин для внедрения технологии блокчейна , если не сохраняется децентрализация. Традиционная финансовая инфраструктура гораздо более эффективна. Отсюда мое предпочтение модели L2. Каждый L2 в конечном итоге будет иметь разные уровни безопасности и децентрализации. Такие варианты использования в социальных сетях, требуют меньше безопасности, чем в трансграничных платежах и кредитовании.