Содержание

1. Что такое ZK-Rollups?
2. Zero Knowledge Rollups
3. Plasma
4. Optimism
5. Arbitrum
6. Hermez
7. ZKSync
8. Loopring
9. StarkEx
10. Обзор технологии
11. Вывод

Что такое ZK-Rollups?

Накопительный пакет с нулевым разглашением (Zero Knowledge Rollups) — это блокчейн-решение второго уровня (L2), которое выполняет вычисления и хранение вне блокчейна, в то время как средства хранятся в смарт-контракте.

По мере того, как спрос в сети Ethereum начал расти в связи с увлечением NFT и доходным фермерством (yield farming), которое началось ближе к концу 2020 года, возросла потребность в более высокой скорости обработки и более дешевых транзакциях. Решение пришло в виде блокчейна второго уровня и дополнительных разработок, таких как Zero Knowledge Rollups.

Zero Knowledge Rollups

Проще говоря, накопительные пакеты с нулевым разглашением или ZK-Rollups-это решение для масштабируемости сети Ethereum уровня 2, которое позволяет блокчейнам быстрее проверять транзакции, а также гарантирует, что плата за газ остается минимальной. ZK-Rollups работают лучше, чем традиционные блокчейны первого уровня, такие как Ethereum, потому что они объединяют процессы включения и выключения. В то время как основная сеть Ethereum явно использует действия внутри блокчейна для обработки транзакций и проверки блоков, решения ZK-Rollups уровня 2 также предоставляют функции вне блокчейна. Одним из основных компонентов, позволяющих ZK-Rollups успешно проверять транзакции быстрее, чем блокчейны уровня 1, являются деревья Меркла. Деревья Меркла-важная математическая структура, которая позволяет блокчейнам гарантировать, что никто не сможет подделать данные в блокчейн-записях ZK-Rollup. Обычно ZK-Rollup состоит из двух деревьев Меркла, которые оба хранятся в смарт-контракте, или, другими словами, в цепочке. Одно дерево предназначено для хранения учетных записей, в то время как в другом хранятся все балансы. Любой другой тип данных, генерируемых и используемых ZK-Rollups, хранится вне цепочки.

Одной из причин, по которой ZK-Rollups удается работать значительно лучше, чем аналогам уровня 1, является автономное хранение данных. Деревья Меркла состоят только из наиболее важных данных, относящихся к смарт-контракту, и к ним обращаются и запрашивают информацию для вывода гораздо реже, чем в решениях уровня 1. Это экономит огромное количество вычислительной мощности и времени для блокчейна. Следовательно, по мере того, как меньшая емкость блокчейна используется для проверки транзакций, плата за газ снижается, что делает решения уровня 2, особенно ZK-Rollups, предпочтительным решением для мелких трейдеров. ZK-Rollups становятся все более популярными как среди разработчиков, стремящихся повысить удобство использования, так и среди инвесторов и трейдеров, стремящихся к более быстрой и дешевой обработке транзакций. По мере развития технологии блокчейн производительность и цены становятся все лучше. Решения уровня 2 и ZK-Rollups-это только начало следующей эры технологии блокчейн и передовых криптовалютных систем.

Plasma

Plasma-это название, данное методу масштабируемости конструкции, который размещает блоки второго уровня поверх блокчейна Ethereum в виде боковой цепочки. Реализация Plasma дает возможность обрабатывать сотни транзакций боковой цепочки в автономном режиме, при этом в блокчейн Ethereum добавляется только один хэш блока боковой цепочки. Существуют фундаментальные недостатки, препятствующие дальнейшей масштабируемости. Необходимо сыграть в игру выхода, чтобы пользователь вышел из боковой цепочки, которая требует, чтобы пользователи боковой цепочки сохраняли большое количество данных, чтобы их было достаточно для проверки. Кроме того, длительный период испытаний требует, чтобы пользователи оставались в Сети или теряли вознаграждение. Для улучшения масштабируемости уровня 2 разрабатываются решения, более удобные для пользователя и менее ресурсоемкие. ZK-Rollups являются одним из решений, разрабатываемых для достижения этой цели.

Optimism

Optimism — первый rollup протокол, набравший обороты в блокчейн-пространстве. Однако задержка с первоначально запланированным запуском в марте 2021 года позволила Arbitrum опередить его на рынке. Тем не менее, проект продолжает вызывать большой интерес и даже получил финансирование в размере 25 миллионов долларов от инвестиционной фирмы Andreessen Horowitz.

В типичном режиме Optimism Rollup использует смарт-контракт для передачи данных транзакций из основной цепочки Ethereum в сеть уровня 2, где секвенсор может объединить несколько транзакций в пакет, а затем отправить этот пакет обратно в основную цепочку с помощью одной транзакции. Секвенсоры выполняют эти обязанности, исходя из предположения, что все транзакции действительны. В системе предусмотрен недельный период, в течение которого это предположение может быть оспорено. Если будут обнаружены какие-либо несоответствия, сводный пакет создаст доказательство мошенничества. Для того, чтобы такое доказательство было сгенерировано, вся транзакция уровня 2 выполняется на уровне 1. Преимущество этого подхода заключается в том, что он позволяет очень быстро генерировать доказательства.

Optimism пытается держаться как можно ближе к экосистеме Ethereum. Он использует модифицированный GETH для своего узла уровня 2 и имеет компилятор Solidity. Однако он не поддерживает никаких языков EMV, кроме Solidity. В настоящее время протокол не имеет собственного токена и использует ETH для платежей.

Arbitrum

Проект Arbitrum должен был стать главным претендентом на Optimism, но после задержки запуска последнего он занял первое место в гонке Optimism Rollup. Arbitrum запущен в основной сети Ethereum 28 мая 2021 года.

Как упоминалось выше, Arbitrum очень похож на Optimism, причем основное различие между этими двумя проектами заключается в том, как они генерируют доказательства мошенничества. В отличие от Optimism, который выполняет всю транзакцию уровня 2, Arbitrum использует многораундовый подход, когда он выполняет небольшие фрагменты транзакции L2, пока не обнаружит несоответствие. Преимущество такого подхода заключается в том, что он обеспечивает более высокую пропускную способность транзакций. С другой стороны, создание доказательств мошенничества таким способом обычно занимает неделю – а в некоторых случаях может занять до двух недель – намного дольше, чем при использовании метода, используемого Optimism.

Что касается совместимости, Arbitrum поддерживает все языки EMV, включая, в частности, YUL, Vyper и Solidity. Однако он использует пользовательский узел L2. Как и Optimism, Arbitrum использует ETH для платежей.

Hermez

Согласно объявлению от 13 августа, Hermez объединяется с Polygon в знаковой сделке стоимостью 250 миллионов долларов. Слияние означает, что Polygon, который, возможно, является самым популярным проектом масштабирования Ethereum (хотя технически это не уровень 2, поскольку он является боковой цепью), прямо сейчас получает возможности ZK-Rollup.

Так что же такое Hermez? Ну, это накопительный пакет ZK, который генерирует криптографические доказательства, называемые SNARKs (краткий неинтерактивный аргумент доказательств). Он разработан Iden3, командой, стоящей за популярными библиотеками Circom и SnarkJS. Согласно Iden3, Hermez может масштабировать Ethereum до 2000 транзакций в секунду.

Сеть Hermez полагается на координаторов для обработки пакетов в накопительный пакет Hermez и создания доказательств достоверности для этих пакетов. Координаторы выбираются в процессе аукциона, в ходе которого зарегистрированные сетевые узлы размещают заявки, чтобы стать следующим координатором. Победитель торгов получает возможность обработать как можно больше партий в течение одного «слота», который длится 40 блоков Ethereum или примерно 10 минут.

В настоящее время ставки оплачиваются в токене Hermez, HEZ. Однако это скоро изменится, так как после сделки с Polygon HEZ прекратит свое существование и будет заменен токеном Polygon Matic. Точная дата изменения пока не определена, но Hermez объявила о планах опубликовать смарт-контракт, который позволит держателям HEZ обменять свои HEZ на токены Matic по ставке 3,5 Matic за HEZ.

Недавно Hermez также запустил функцию атомарных транзакций, которая позволяет осуществлять дешевые обмены токенами в сети. Также недавно команда Hermez объявила, что они работают над виртуальной машиной Ethereum с нулевым уровнем доказательств (ZKEMV), направленной на достижение полной совместимости кодов операций. Это означает, что Hermez, или, точнее, Polygon Hermez, сможет поддерживать смарт-контракты.

ZKSync

Далее, у нас есть еще один накопительный пакет на основе SNARK. Команда, стоящая за ZKSync, Matter Labs, описывает свой проект как механизм масштабирования и конфиденциальности, позволяющий передавать токены ERC-20 с низким содержанием газа в сети Ethereum. Девиз ZKSync – “полагайтесь на математику, а не на валидаторы” – безусловно, кажется удачно выбранным, поскольку в настоящее время существует только один валидатор, обрабатывающий пакеты и генерирующий доказательства достоверности.

ZKSync также поддерживает обмен токенами и чеканку NFT (невзаимозаменяемых токенов). Ранее в этом году платформа запустила в alfa-версию своей ZKEVM, которая позволяет ей выполнять смарт-контракты. ZkSync поддерживает большинство кодов операций в Ethereum.

Большая часть концепции ZKSync 2.0-это автономное решение для обеспечения доступности данных, получившее название ZK Porter. Решение предназначено для дополнения компонента Rollup ZKSync 2.0, что означает, что контракты и учетные записи Rollup смогут взаимодействовать с учетными записями ZKPorter и наоборот. Доступность данных вне цепочки в ZKPorter будет обеспечена так называемыми опекунами, которые размещают токены ZKSync и подписывают блоки для подтверждения доступности данных в учетных записях ZKPorter. Поставив свои ставки на кон, опекуны мотивированы на то, чтобы убедиться в отсутствии сбоев в доступности данных. Более того, Matter Labs утверждают, что доказательство доли ZKSync значительно более безопасно, чем PoS в альтернативных решениях для масштабирования, таких как сайдчейны, потому что хранители не могут украсть средства.

Loopring

В то время как Hermez работает над поддержкой – и ZKSync уже поддерживает – смарт-контрактов, следующее накопительное решение ZK, Loopring, фокусируется исключительно на децентрализованных биржах (DEXs) и платежных приложениях. С помощью Loopring любой может стать оператором собственной книги заказов DEX или автоматизированного маркет – мейкера (AMM) и воспользоваться преимуществами технологии ZK-Rollups для достижения высокой пропускной способности при низких затратах на газ. Loopring утверждает, что его ZK-Rollups решение может достигать 2025 транзакций в секунду, в то время как стоимость транзакции в сто раз ниже, чем тот же показатель в Ethereum. Операторы обмена обязаны разместить крупную долю в собственном токене LRC протокола.

Название Loopring связано с одной из самых интересных функций протокола – кольцами заказов. Кольцо ордеров — это круговая торговая система, которая содержит до 16 отдельных ордеров. Таким образом, в то время как ордер на покупку обычно должен совпадать с противоположным ордером на продажу, и наоборот, ордерам в кольце ордеров не требуется прямое совпадение для выполнения. Эта система может привести к повышению ликвидности, выявлению цен и другим преимуществам.

StarkEx

Возможно, самым интересным аспектом StarkEx – протокола масштабирования и оплаты уровня 2, разработанного StarkWare, является то, что он использует STARKs (краткие прозрачные аргументы доказательств). В отличие от SNARKs, для которых требуется надежная настройка для создания предварительно сгенерированных ключей, которые затем используются для создания и проверки доказательств, STARKs использует метод, который устраняет необходимость в такой настройке. Этот метод был впервые предложен компанией StarkWare, которая по-прежнему является движущей силой технологии, основанной на STARK. Ключевым нововведением, позволяющим это сделать, является язык программирования с полным набором Тьюринга Cairo. Разработанный командой StarkWare, Cairo позволяет генерировать доказательства SNARK для общих вычислений. Протокол StarkEx написан на языке Cairo.

Еще одно различие между этими двумя типами ZKP заключается в том, что, хотя SNARKs основаны на криптографии с эллиптическими кривыми, STARK полагаются на хэш-функции, что дает определенные преимущества, в том числе квантовое сопротивление. С другой стороны, они имеют значительно больший размер доказательства, и из-за этого проверка обходится намного дороже.

Тем не менее, протокол StarkEX уже использовался для реализации некоторых интересных проектов, включая DeversiFi DEX и недавно запущенную платформу для чеканки и торговли NFT Immutable X.

Обзор

ZK-Rollups — это один из вариантов, разрабатываемых для построения уровня 2, который повышает масштабируемость за счет обработки массовой передачи, объединенной в одну транзакцию. Там, где Plasma создает одну транзакцию за перевод, ZK-Rollups объединяет сотни переводов в одну транзакцию. Смарт — контракт будет деконструировать и проверять все переводы, проводимые в рамках одной транзакции.

Подход «нулевого доказательства знаний» используется для представления и публичной записи действительности блока в блокчейне Ethereum. Zero Knowledge Rollups сокращает вычислительные ресурсы и ресурсы хранения для проверки блока за счет уменьшения объема данных, содержащихся в транзакции; требуется нулевое знание всех данных.

Схема ZK-Rollup состоит из двух типов пользователей: транзакторы и ретрансляторы. Транзакторы создают свою передачу и передают данные в сеть. Данные о передаче состоят из индексированного адреса «кому» и «откуда», значения для транзакции, сетевой платы и номера. Сокращенная 3-байтовая индексированная версия адресов снижает потребности в ресурсах для обработки. Сумма транзакции, превышающая или меньшая нуля, создает депозит или вывод средств соответственно. Смарт — контракт записывает данные в двух деревьях Меркла; адреса в одном дереве Меркла и суммы перевода в другом.

Ретрансляторы собирают большое количество переводов для создания сводки. Задача ретрансляторов-создать доказательство SNARK. Доказательство SNARK-это хэш, представляющий дельту состояния блокчейна. Состояние относится к «состоянию бытия». SNARK proof сравнивает снимок блокчейна до передачи со снимком блокчейна после передачи (т. е. значения кошелька) и сообщает в сеть только об изменениях в проверяемом хэше.

Стоит отметить, что ретранслятором может стать любой желающий, если он поставил требуемую сумму в смарт-контракте. Это побуждает ретранслятора не вмешиваться в накопление или не удерживать его.

Пользовательский опыт

Пользователи dapp, использующие схему ZK-Rollup, будут платить меньше комиссионных за транзакции. Создание доказательств с нулевым уровнем знаний требует большого объема вычислительной мощности. Предполагается, что реализация будет осуществляться по принципу «фиксация-проверка». Задержка для подтверждения блокировки увеличится, потому что доказательство SNARK будет задержано на несколько блоков. Как это повлияет на пользователей, будет неизвестно до внедрения.

Плюсы/Минусы

Плюсы:

• Сниженная плата за перевод пользователя
• Быстрее, чем Optimistic Rollups и Plasma
• Блоки будут вычисляться в модели параллельных вычислений, которая поощряет децентрализацию
• Меньшее количество данных, содержащихся в каждой транзакции, увеличивает пропускную способность и масштабируемость уровня 2
• Не требует проверки мошеннической игры, такой как накопительный пакет, который может задержать вывод средств на срок до двух недель

Минусы:

• Сложность вычисления доказательства нулевого знания потребует оптимизации данных для получения максимальной пропускной способности
• Первоначальная настройка ZK-Rollups способствует централизованной схеме (см. соображения безопасности).
• Схема безопасности предполагает уровень непроверяемого доверия
• Квантовые вычисления представляют угрозу для взлома блокчейна

Пример

• zkSync-это накопительный пакет ZK в реальном времени в сети Ethereum

Соображения безопасности

Предполагается, что начальная настройка ZK-Rollups является состоянием доверия, когда это доверие не может быть доказано. Небольшая группа разработчиков будет экспертами по предмету в исходном доверенном состоянии. Это подрывает децентрализацию и создает риск хакерских атак в области социальной инженерии, убеждая разработчика манипулировать кодом или предоставлять информацию об уязвимостях.

Квантовые вычисления представляют угрозу взлома ZK-Rollups из-за того, что существует более высокая вероятность «угадать» правильный хэш, подтверждающий SNARK, чем текущий протокол шифрования.

Вывод

Роллапы содержат большой потенциал для Ethereum, но все еще есть проблемы, которые нужно преодолеть. Проблема заключается в совместимости служб DeFi. Если в разных цепочках ZK-Rollups есть разные Dapps, общение между ними станет сложнее, чем в основной цепочке Ethereum. Чтобы сохранить композиционность, службы DeFi должны будут координировать и создавать критическую массу в определенной цепочке свертки.

Хотя есть многообещающие признаки внедрения накопительных пакетов среди приложений Ethereum, несанкционированный характер блокчейн-сети означает, что не каждый пользователь/сервис перейдет на эти решения L2.

Некоторые проблемы для ZK-Rollups, в частности, включают:

• Чем больше объема имеет один накопительный пакет, тем меньше проверяющих могут запускать полный узел, что означает, что менее безопасно полагаться на предположение 1 из N.
• Кроме того, пока точно не известно, каковы идеальные параметры для требования к облигациям и промежуток времени до завершения блоков. Для существующих реализаций требования к облигациям варьируются от 1 ETH до 32 ETH. Некоторые проекты будут использовать задержку в 1-2 недели, в то время как есть также аргумент в пользу времени, равного трем часам. Для повышения эффективности использования капитала потребуется более короткое время, что приведет к компромиссу между эффективностью использования капитала и безопасностью.
• Чтобы обойти это, есть возможность ввести маркет-мейкеров, чтобы обеспечить ликвидность для быстрого выхода, когда пользователь заплатит комиссию за завершение транзакции и выход из ZK-Rollups. Но затем это создает двухуровневую систему: более быстрое урегулирование для тех, кто готов заплатить за выход, и более медленное урегулирование для тех, кто остается на Rollups, пока блок не будет завершен.

Основной проблемой для ZK-Rollups является интеграция функций смарт-контрактов:

• Реализация ZK-Rollups Matter Labs, zkSync, работает над тем, чтобы сделать это возможным, чтобы разработчики могли взять любой существующий контракт, написанный на Solidity/Vyper, и развернуть его в zkSync с минимальными изменениями.
• Еще одна проблема связана с вычислениями. В настоящее время доказательства с нулевым знанием являются довольно интенсивными с точки зрения вычислений, но цель на будущее-увеличить время подтверждения блоков примерно с 20 минут до менее чем минуты.

Несмотря на эти проблемы, Rollups стали основной стратегией масштабирования Ethereum до тех пор, пока ETH 2.0 не станет активным. Мы уже видели эксперимент Curve Finance с ZK-Rollups, в частности тестовую сеть zk-Sync, в то время как другие проекты DeFi планируют параллельную работу на L2.

Существуют также переходы между двумя решениями для масштабирования, которые обещают улучшить конфиденциальность, поскольку не все данные хранятся вне цепочки. В будущем мы могли бы даже увидеть ZK-Rollup между биржами (что требует координации между биржами), но позволит более эффективно осуществлять арбитраж на рынках криптовалют.