Оптимистичные Rollup и Zero-Knowledge Rollup: в чем разница?

Введение

С ростом спроса на криптовалюты многие блокчейны работают на пределе своих возможностей. Это приводит к перегруженности сети и высоким комиссиям за транзакции. Для решения этих задач разрабатываются и тестируются масштабируемые решения, направленные на увеличение пропускной способности и скорости выполнения транзакций. Все такие решения делятся на две основные группы: Layer 1 и Layer 2.

Масштабируемые решения Layer 1, например шардинг, предусматривают прямые изменения в основной блокчейн-сети (также называемой базовой цепью или Layer 1). В свою очередь, решения Layer 2 работают поверх уже существующего блокчейна Layer 1. К таким решениям Layer 2 относятся state channels, сайдчейны и blockchain rollups.

Blockchain rollups — это протоколы, которые позволяют повысить пропускную способность и снизить издержки. Их основная задача — преодолеть ограничения популярных блокчейнов за счет пакетирования транзакций и уменьшения объема данных, чтобы обеспечить более эффективную обработку и хранение операций. Рост популярности криптовалют и блокчейн-технологий стимулирует разработчиков искать методы масштабирования, чтобы увеличить производительность системы и удовлетворить растущий спрос. К таким подходам относятся шардинг, сайдчейны, state channels и rollups. Blockchain rollups позволяют вынести часть обработки транзакций на вспомогательную цепь при сохранении данных о транзакциях в основной блокчейн-сети Layer 1. В этой статье рассматриваются два типа rollups, применяемых в криптовалютной отрасли: Optimistic Rollups и Zero-Knowledge Rollups.

Что такое blockchain rollups?

Rollups — это решения Layer 2, которые агрегируют данные транзакций и выносят их за пределы основной цепи (или блокчейна Layer 1). Исполнение транзакций происходит вне основной цепи, а активы сохраняются в смарт-контракте на блокчейне. После завершения данные транзакции возвращаются обратно в основной блокчейн.

В теории любой Layer 1 может внедрять rollups для повышения эффективности обработки транзакций. Благодаря rollups блокчейн может значительно увеличить количество обрабатываемых и записываемых транзакций за определенный период времени. Этот рост масштабируемости достигается без ущерба для безопасности, которую обеспечивает основная цепь Layer 1.

В блокчейн-экосистеме существуют два основных типа rollups: Optimistic Rollups и Zero-Knowledge Rollups. Каждый тип использует различные механизмы для проверки транзакций и обеспечения безопасности, что делает их подходящими для разных сценариев и блокчейн-сетей.

Что такое Optimistic Rollups?

Optimistic Rollups — это протоколы, которые увеличивают пропускную способность за счет объединения нескольких транзакций в батчи и их обработки вне цепи. Затем данные транзакций записываются в основную цепь с использованием методов сжатия, что позволяет снизить издержки и ускорить обработку. Согласно исследованиям блокчейн-сетей, таких как основная платформа, Optimistic Rollups могут увеличить масштабируемость в 10–100 раз по сравнению с традиционной обработкой в цепи.

Термин «optimistic» означает, что все транзакции по умолчанию считаются валидными, что ускоряет обработку. Такой подход предполагает, что данные транзакций, отправляемые в основную цепь, корректны, а их проверка выполняется только при возникновении споров. Этот механизм снижает нагрузку на основную цепь и поддерживает безопасность за счет fraud-proof схем.

Как Optimistic Rollups проверяют транзакции?

В Optimistic Rollups транзакции по умолчанию считаются валидными для повышения эффективности. Возникает вопрос: не страдает ли безопасность ради скорости? Однако в Optimistic Rollups применяется fraud-proof схема с периодом разрешения споров — challenge period. В течение этого периода любой пользователь, отслеживающий rollup, может подать запрос на проверку правильности обработки транзакций.

Если батч содержит ошибки, протокол rollup исправляет их путем повторного исполнения ошибочных транзакций и обновления блока. Стороны, одобрившие неправильные транзакции, наказываются через механизмы slashing, что сохраняет целостность системы. Challenge period обычно длится несколько дней, предоставляя достаточное время для выявления и фиксации мошеннических действий валидаторами.

Fraud-proof механизм позволяет валидаторам предоставить доказательство некорректного перехода состояния. Если доказательство признается валидным, система отменяет мошенническую транзакцию и штрафует оператора, отправившего ее. Такая экономическая модель мотивирует операторов проводить транзакции честно.

Ограничения Optimistic Rollups

Несмотря на то, что Optimistic Rollups упрощают процесс проверки транзакций, они требуют challenge period, которого нет у Zero-Knowledge Rollups. Это увеличивает время финализации транзакций, то есть пользователям приходится ждать дольше, чтобы быть уверенными в необратимости операций.

Время финализации цепей, использующих Optimistic Rollups, также уступает ZK Rollups. Этот показатель показывает, сколько времени пользователь должен ждать для получения гарантии, что транзакция не будет отменена или изменена. Вывод средств в Optimistic Rollups задерживается, так как необходимо дождаться окончания challenge period; в ZK Rollups вывод возможен сразу после проверки доказательства смарт-контрактом.

Ряд экспертов считает, что по эффективности работы с данными Optimistic Rollups уступают ZK Rollups. В случае Optimistic Rollups все данные транзакций должны быть опубликованы в цепи для финализации, что увеличивает объем хранения данных на основном блокчейне. В то время как ZK Rollups требуют публикации только валидных доказательств, что существенно снижает объем данных и издержки.

Еще одно ограничение — возможное увеличение задержек во время высокой активности сети. Когда множество пользователей одновременно оспаривают транзакции, процесс разрешения споров может перегружаться и дополнительно задерживать финализацию. Несмотря на эти недостатки, Optimistic Rollups остаются популярными для многих блокчейн-приложений благодаря простоте и совместимости с существующей инфраструктурой смарт-контрактов.

Что такое Zero-Knowledge Rollups?

Zero-Knowledge Rollups (ZK Rollups) — это протоколы, пакетирующие транзакции для обработки вне основной цепи. Для каждого батча оператор ZK Rollup отправляет сводку необходимых изменений после выполнения всех транзакций. Оператор также предоставляет доказательства валидности, подтверждающие корректность изменений. Эти доказательства значительно компактнее исходных данных, что делает проверку быстрой и недорогой.

В блокчейн-сетях ZK Rollups снижают объем данных транзакций с помощью компрессии при записи операций как calldata, что уменьшает комиссии пользователей. Математическая природа доказательств валидности позволяет основной цепи проверять корректность внецепочечных вычислений без повторного исполнения всех транзакций. Такой подход сочетает высокие гарантии безопасности с существенным ростом масштабируемости.

ZK Rollups используют современные криптографические методы для создания доказательства валидности переходов состояния. Доказательства формируются с помощью сложных математических алгоритмов, которые обеспечивают целостность данных без раскрытия деталей транзакций. Такое сочетание приватности и эффективности делает ZK Rollups оптимальным решением для различных блокчейн-приложений.

Как ZK Rollups проверяют транзакции?

ZK Rollups используют Zero-Knowledge Proofs (ZKPs) для проверки транзакций. ZKP применяется стороной prover, чтобы убедить verifier в наличии определенных знаний, подтверждая транзакцию без раскрытия самой информации.

Процесс включает следующие этапы:

1. Генерация доказательства: Prover создает математическое доказательство, доступное только ему на основе знания данных транзакции. Доказательство формируется с помощью криптографических алгоритмов, обеспечивающих его валидность и уникальность.

2. Проверка доказательства: Verifier использует полученное доказательство для подтверждения валидности транзакции без доступа к исходным данным. Проверка проходит быстро и эффективно на основном блокчейне.

3. Сохранение приватности: Валидность информации может быть подтверждена без раскрытия ее содержания verifier, что сохраняет конфиденциальность при обеспечении корректности. Это особенно важно для финансовых операций или проверки личности.

Математические основы Zero-Knowledge Proofs гарантируют, что verifier не может получить информацию о транзакции, кроме ее валидности. Такое криптографическое свойство обеспечивает безопасность и приватность, делая ZK Rollups применимыми для широкого спектра задач, где важна конфиденциальность данных.

Преимущества ZK Rollups

ZK Rollups обеспечивают высокий уровень безопасности для пользователей при правильной реализации. Ключевым фактором является использование zero-knowledge доказательств валидности. Они гарантируют, что сеть функционирует только в корректном состоянии, а операторы не могут похитить средства пользователей или нарушить работу системы. Криптографическая природа таких доказательств делает невозможной манипуляцию без обнаружения.

Еще одно важное преимущество ZK Rollups — пользователям не требуется активно отслеживать сеть. Все данные хранятся в цепи, и для каждого перехода состояния требуется доказательство валидности. Поэтому операторы не могут совершить мошеннические действия, а пользователи не беспокоятся о корректности работы сети. Trustless-дизайн снижает нагрузку на пользователей и исключает необходимость постоянного контроля.

Кроме того, ZK Rollups позволяют пользователям выводить средства в основной блокчейн без необходимости сотрудничества с операторами, подтверждая владение токенами посредством доступности данных. Это гарантирует пользователям постоянный контроль над активами даже при недоступности или недобросовестности оператора rollup. Возможность принудительного вывода средств обеспечивает дополнительную защиту активов.

Как и Optimistic Rollups, ZK Rollups реализуют off-chain обработку для ускорения транзакций. Перенос вычислений вне основной цепи позволяет значительно увеличить пропускную способность при сохранении гарантий безопасности Layer 1. Такое сочетание скорости, безопасности и эффективности делает ZK Rollups перспективным инструментом масштабирования блокчейн-сетей.

Кроме того, ZK Rollups обеспечивают мгновенную финализацию вывода средств, поскольку транзакции считаются завершенными сразу после проверки доказательства основной цепью. Это полностью устраняет период ожидания, необходимый в Optimistic Rollups, и предоставляет пользователям быстрый доступ к активам.

Различия между ZK Rollups и Optimistic Rollups

Следующая таблица содержит ключевые отличия Optimistic Rollups и ZK Rollups:

Механизм проверки: Optimistic Rollups предполагают валидность транзакций по умолчанию и используют fraud-proof для оспаривания некорректных транзакций в период разрешения споров. ZK Rollups используют криптографические доказательства валидности для математической проверки правильности операций до их финализации в основной цепи.

Время финализации: В Optimistic Rollups финализация занимает больше времени из-за challenge period, который обычно длится несколько дней. ZK Rollups обеспечивают мгновенную финализацию после проверки доказательства, позволяя пользователям быстро получить доступ к средствам.

Эффективность работы с данными: Optimistic Rollups требуют публикации всех данных транзакций в цепи для проверки. ZK Rollups размещают только компактные доказательства валидности, что существенно снижает объем данных и издержки хранения.

Вычислительная сложность: Optimistic Rollups проще реализовать и требуют меньше вычислительных ресурсов для обработки транзакций. ZK Rollups требуют сложных криптографических вычислений для создания доказательств валидности, что увеличивает нагрузку, но обеспечивает более высокую безопасность.

Модель безопасности: Optimistic Rollups опираются на экономические стимулы и предположение, что хотя бы один честный валидатор оспорит мошенническую транзакцию. ZK Rollups обеспечивают криптографические гарантии, математически исключающие возможность передачи некорректных переходов состояния.

Время вывода средств: Вывод из Optimistic Rollups задерживается challenge period, который может длиться неделю или больше. В ZK Rollups вывод осуществляется сразу после проверки доказательства, что обеспечивает быстрый доступ к средствам.

Совместимость: Optimistic Rollups проще интегрировать с существующей инфраструктурой смарт-контрактов и блокчейн-экосистемами. Для работы с ZK Rollups могут потребоваться изменения в смарт-контрактах, однако с развитием технологий совместимость улучшается.

Эти различия отражают компромиссы: Optimistic Rollups предлагают простоту и легкость внедрения, а ZK Rollups — более строгие гарантии безопасности и быструю финализацию при высокой вычислительной сложности.

Будущее ZK Rollups и Optimistic Rollups

Будущее ZK Rollups и Optimistic Rollups — это динамично развивающаяся область с высоким потенциалом роста и инноваций. По мере увеличения числа пользователей криптовалют и блокчейн-технологий rollups будут играть все более заметную роль в повышении масштабируемости и эффективности блокчейнов.

Блокчейн-сети продолжат экспериментировать с разными решениями масштабирования, включая шардинг, rollups и Layer 0-протоколы. Появятся новые решения, которые будут внедряться наряду с существующими технологиями rollup. Развитие гибридных подходов, сочетающих преимущества Optimistic и ZK Rollups, может привести к созданию оптимальных решений для конкретных задач.

Последние достижения в zero-knowledge криптографии сделали ZK Rollups более практичными и эффективными. По мере развития технологий можно ожидать более широкого внедрения ZK Rollups благодаря их высоким показателям безопасности и быстрой финализации. Однако Optimistic Rollups также сохраняют свою актуальность, особенно там, где важны простота и совместимость с инфраструктурой.

Конкуренция между различными rollup-решениями в итоге принесет пользу всему блокчейн-сообществу, стимулируя инновации и рост производительности. С развитием исследований и новых методов возможно сближение подходов к оптимальным вариантам, сочетающим безопасность, эффективность и удобство.

Для будущей масштабируемости блокчейнов важна также совместимость между различными rollup-решениями и Layer 1-блокчейнами. Проекты, создающие мосты и коммуникационные протоколы между rollup-имплементациями, могут обеспечить более связанную и эффективную экосистему.

Заключение

С ростом спроса на криптовалюты и пределами существующих блокчейнов разработчики предложили различные решения масштабирования для преодоления этих ограничений. В статье рассмотрены основные различия двух типов rollups: Optimistic Rollups и ZK Rollups.

Optimistic Rollups предлагают более простой подход с fraud-proof механизмами и длительным временем финализации, что подходит для задач, где важна легкость внедрения. ZK Rollups обеспечивают строгие гарантии безопасности за счет криптографических доказательств валидности и мгновенную финализацию, что оптимально для приложений, требующих быстрой обработки и высокой безопасности транзакций.

По мере тестирования и развития rollup-технологий возможно, что один из подходов окажется предпочтительным для некоторых задач, но оба типа могут сосуществовать и решать разные задачи в блокчейн-экосистеме. Массовое внедрение rollups способно существенно повысить масштабируемость блокчейнов, расширяя возможности для пользователей и новых приложений.

В конечном итоге успех rollup-технологий зависит от их способности сочетать безопасность, эффективность и удобство, отвечая разнообразным требованиям пользователей и разработчиков. По мере развития технологий rollups займут центральное место в будущем масштабируемости блокчейнов и массового распространения децентрализованных решений.

FAQ

Каковы базовые принципы работы Optimistic Rollup и Zero-Knowledge Rollup?

Optimistic Rollup предполагает валидность транзакций по умолчанию, оспаривая некорректные при необходимости. Zero-Knowledge Rollup использует криптографические доказательства для проверки валидности всех транзакций до их завершения. Оба подхода увеличивают масштабируемость блокчейна.

В чем различия между Optimistic Rollup и Zero-Knowledge Rollup по скорости и стоимости транзакций?

Optimistic Rollup обеспечивает более высокую скорость и низкие комиссии благодаря простоте проверки, но требует challenge period. Zero-Knowledge Rollup предоставляет более высокий уровень безопасности с помощью криптографических доказательств, но скорость ниже, а вычислительные затраты на создание доказательств выше.

Какой подход обеспечивает более высокий уровень безопасности: Optimistic Rollup или Zero-Knowledge Rollup?

Zero-Knowledge Rollup обычно обеспечивает более высокий уровень безопасности благодаря современным криптографическим доказательствам, в то время как Optimistic Rollup опирается на предположения о мошенничестве и может иметь менее строгие гарантии.

Как работает fraud-proof механизм в Optimistic Rollup?

Optimistic Rollup использует окно оспаривания, когда можно опротестовать состояния до финализации. При успешном оспаривании коммитмент аннулируется и заменяется без отката транзакций. Секвенсер публикует state roots в Ethereum для проверки.

Какие преимущества и недостатки Zero-Knowledge Rollups по сравнению с Optimistic Rollups?

Zero-Knowledge Rollups обеспечивают более высокую безопасность с помощью криптографических доказательств и мгновенную финализацию без challenge period. Но их реализация требует сложных вычислений и больших затрат на разработку. Optimistic Rollups проще и дешевле в реализации, но безопасность зависит от разрешения споров.

Какие проекты являются основными среди Optimistic Rollup?

К основным проектам Optimistic Rollup относятся Arbitrum, Optimism, opBNB и COMBO. Они повышают эффективность транзакций и снижают комиссии.

Какие проекты наиболее известны среди Zero-Knowledge Rollup?

К ведущим проектам ZK Rollup относятся StarkNet, zkSync, Polygon zkEVM, Aztec и Scroll. Эти решения используют zero-knowledge proofs для масштабирования Ethereum и повышения пропускной способности.

Что выбрать: Optimistic Rollup или Zero-Knowledge Rollup?

Выбор зависит от задач: Optimistic Rollups лучше подходят для общего EVM-исполнения с меньшей сложностью, а Zero-Knowledge Rollups оптимальны для специализированных приложений, например платежей с повышенной приватностью. Ориентируйтесь на требования вашей задачи.