Передмова

Ethereum є одним із найпопулярніших блокчейнів і вже давно бореться з проблемами масштабованості. Високі збори за газ і низька швидкість транзакцій є основними проблемами, які призвели до перевантаження мережі. Щоб вирішити ці проблеми, з’явилися різні рішення для масштабування. У цьому уроці ми познайомимося з деякими рішеннями для масштабування Ethereum і заглибимося в два поширені зведення: оптимістичні зведення та ZK-зведення.

Optimistic rollups — це протоколи рівня 2 для Ethereum, призначені для масштабування пропускної здатності базового рівня. Завдяки обробці транзакцій поза ланцюгом оптимістичні зведення зменшують обчислення в мережі Ethereum Mainnet, значно покращуючи швидкість обробки. На відміну від інших рішень для масштабування, таких як сайдчейни, оптимістичні зведення пакетують результати транзакцій і публікують їх на Ethereum, успадковуючи безпеку основної мережі. Він перевіряє транзакції в Ethereum із доказами шахрайства, але зберігає дані транзакцій в іншому місці.

Оптимістичні зведені пакети можуть запропонувати більш ніж 10-кратне покращення масштабованості, уникаючи прямої обробки кожної транзакції в повільній і дорогій мережі Ethereum. Натомість він записує транзакції в Ethereum як дані виклику, які служать тимчасовим сховищем, не займаючи значного місця в блокчейні Ethereum, тим самим зменшуючи витрати на газ для користувачів.

Zero-knowledge rollups (ZK-rollups) також є рішеннями для масштабування рівня 2, які збільшують пропускну здатність основної мережі Ethereum шляхом переміщення обчислень і зберігання стану за межі мережі. ZK-зведення може обробляти тисячі транзакцій пакетами, а потім публікувати лише мінімальні підсумкові дані в Mainnet. Ці зведені дані визначають зміни, які слід внести в стан Ethereum, і деякі криптографічні докази, відомі як докази з нульовим знанням, які перевіряють правильність пакетної обробки транзакцій.

Як працюють зведені пакети

Оптимістичні зведені пакети

Optimistic rollups — це технологічне рішення для підвищення ефективності та безпеки транзакцій у блокчейні. Він передбачає об’єднання кількох транзакцій у «зведений пакет» і їх передачу в основний ланцюг (Ethereum). Це рішення допомагає заощадити ресурси в основному ланцюзі, збільшити швидкість і пропускну здатність транзакцій, а також знизити комісію за транзакції.

Оптимістичні зведені транзакції виконують транзакції поза мережею, але публікують дані транзакцій як дані виклику в основній мережі Ethereum. Оптимістичні зведені оператори, також відомі як секвенсори, об’єднують кілька позаланцюжкових транзакцій у великі пакети перед тим, як надсилати їх в Ethereum. Цей підхід розподіляє постійні витрати на кілька транзакцій у кожній партії, зменшуючи витрати для кінцевих користувачів. Крім того, у оптимістичних зведених програмах використовуються методи стиснення, щоб зменшити кількість даних, опублікованих на Ethereum.

Оптимістичні зведення вважаються «оптимістичними», оскільки вони припускають, що всі транзакції поза мережею є дійсними, і не публікують докази дійсності для пакетів транзакцій, розміщених у мережі. Це головна відмінність між оптимістичними зведеннями та ZK-зведеннями, де ZK-зведення мають надавати докази дійсності для транзакцій поза мережею.

Оптимістичні зведення використовують докази шахрайства для виявлення транзакцій, які обчислено неправильно. Кожна партія зведених даних, надіслана в Ethereum, має часове вікно, яке називається «період перевірки», протягом якого будь-хто може виступати в ролі валідатора та обчислити докази шахрайства, щоб перевірити результати зведеної транзакції. Якщо доказ шахрайства вдасться, протокол зведення повторно виконає транзакцію та відповідно оновить стан зведення, тоді як вузли, які включили неправильно виконані транзакції в блок, будуть оштрафовані.

Якщо зведена партія залишається неоскарженою після закінчення періоду перевірки (це означає, що всі транзакції виконано правильно), партія вважається дійсною та прийнятою в Ethereum. Будь-який вузол може продовжувати будувати на основі непідтверджених блоків зведення, але якщо вони виконують транзакції на основі неправильно виконаного пакету, результати транзакцій буде скасовано.

Таким чином оптимістичні зведені пакети можуть досягти ефективної та недорогої обробки транзакцій, зберігаючи безпеку блокчейну. Це рішення, яке переміщує проблему масштабованості з консенсусного рівня на обчислювальний рівень, і наразі це широко визнана та застосовувана технологія масштабування блокчейна.

Зведені послідовності окремих транзакцій поза ланцюгом і упаковують їх разом перед публікацією в Ethereum

ЗК-зведення

ZK-зведення, як і оптимістичні зведення, є рішеннями для масштабування, які використовують пакетну обробку транзакцій для підвищення ефективності транзакцій блокчейну. Однак вони використовують різні підходи для досягнення цього.

У ZK-зведеннях оператори (також відомі як секвенсори) подають підсумок агрегованих даних транзакцій до основного ланцюга, що представляє зміни, необхідні для всіх транзакцій у пакеті, замість того, щоб надсилати кожну транзакцію окремо. Оператори записують транзакції як calldata, які тимчасово зберігаються в Ethereum, і коли інформація в calldata публікується в блокчейні, будь-хто може самостійно реконструювати стан зведення.

Крім того, оператори повинні створити докази дійсності, щоб продемонструвати правильність своїх зведених даних. Ці докази дійсності в основному покладаються на ZK-докази для підтвердження автентичності та дійсності всіх транзакцій у зведеному пакеті.

Вузли в Mainnet лише перевіряють правильність ZK-доказів, не вивчаючи деталей кожної транзакції. Навпаки, оптимістичні зведені програми використовують докази шахрайства для виявлення обчислювальних помилок у транзакціях. Це означає, що для завершення транзакцій на Ethereum ZK-зведеним потрібно лише надати докази дійсності, тоді як оптимістичні зведені вимагають, щоб усі дані транзакцій були включені в мережу.

Під час переміщення коштів із ZK-rollup до Ethereum затримки немає, оскільки транзакції виходу виконуються одразу після того, як контракт ZK-rollup підтвердить підтвердження дійсності. З іншого боку, вилучення коштів із оптимістичних агрегацій стикається із затримкою, щоб дозволити будь-кому оскаржити транзакції виходу з доказами шахрайства.

ZK-rollups також використовують методи стиснення для зменшення обсягу даних транзакцій. Наприклад, ZK-rollups використовують дерева Merkle для підтримки безпеки та цілісності транзакцій поза ланцюгом, не зберігаючи всі дані транзакцій у Mainnet. Крім того, облікові записи представлені індексами замість адрес, що економить 28 байт даних. Публікація даних у ланцюжку є значною витратою для зведень, тому стиснення даних може зменшити комісію для користувачів.

Докази з нульовим знанням

Докази з нульовим знанням складаються з різних алгоритмів. Взявши як приклад протокол Sigma, якщо Аліса хоче довести Бобу, що вона справді знає секретний ключ «пароль», вона може зробити це за допомогою таких кроків:

1. Аліса навмання обирає число r і використовує хеш-функцію для обчислення H(r), а потім надсилає результат Бобу. Хеш-функція H перетворює дані довільної довжини в хеш-значення фіксованої довжини. Наприклад, H("привіт") може бути "2f95f89f1c2328712ef7bde608ce5404e97d5f04".

2. Боб генерує випадкове число s і надсилає його Алісі.

3. Аліса обчислює x = r + H(«пароль») * s, де «пароль» — секретний ключ, відомий Алісі. Потім вона надсилає результат Бобу.

4. Боб обчислює y = H(x) і надсилає y Алісі.

5. Аліса обчислює z = r + H(«пароль») s y і надсилає z Бобу.

6. Боб обчислює w = H(z). Якщо w дорівнює y, вказуючи, що z = x, Боб знає, що Аліса володіє секретним ключем «пароль».
   На кроці 3 Аліса поєднує відомий секретний ключ «пароль» із випадковим числом r і фіксованим значенням H(«пароль») * s, щоб створити нібито випадкове значення x, яке служить псевдовипадковим представленням «пароля» через обчислення хеш-функції. Він формує нове значення x, що складається з справді випадкового значення r і фіксованого пароля «пароль».

Під час взаємодії обидві сторони можуть бачити лише власні випадкові числа. Наприклад, Аліса знає r, але не знає s, а Боб знає s, але не знає r. Однак Боб може використати випадкове значення s, щоб перевірити хеш-значення Аліси та визначити, чи містить воно псевдовипадковий компонент. Псевдовипадковість означає, що Аліса справді володіє секретним ключем, тоді як справжня випадковість означає, що Аліса бреше.

Ключ до цього процесу полягає в тому, що Аліса використовує секретний ключ для обчислення x і z на кроках 3 і 5, тим самим доводячи своє право власності на секретний ключ, не розкриваючи його фактичний вміст. Випадкові числа r і s разом із хеш-функцією H допомагають захистити конфіденційність Аліси.

Переваги Rollups

Оптимістичні зведені пакети

1. Значно покращує масштабованість без шкоди для безпеки чи децентралізації.

2. Дані транзакцій зберігаються на ланцюжку рівня 1, що підвищує прозорість, безпеку, стійкість до цензури та децентралізацію.

3. Забезпечує надійну остаточність із доказами шахрайства та дозволяє чесним міноритаріям убезпечити ланцюг.

4. Розрахунок доказів шахрайства відносно простий і може бути виконаний будь-якими вузлами рівня 2, не вимагаючи високотехнічного обладнання.

5. Висока сумісність з EVM і Solidity, дозволяючи розробникам переносити рідні смарт-контракти Ethereum на зведення або створювати нові dApps за допомогою наявних інструментів.
   ЗК-зведення

6. Докази дійсності забезпечують правильність транзакцій поза мережею, запобігаючи виконанню операторами недійсних транзакцій стану.

7. Пропонує швидшу завершеність транзакції, оскільки оновлення стану затверджуються після перевірки доказів дійсності на рівні

8. Покладається на надійні криптографічні механізми безпеки, а не на чесність заохочених учасників, як у оптимістичних зведеннях.

9. Користувачі отримують вигоду від більшої ефективності капіталу та можуть знімати кошти з рівня 2 без затримок.

10. Менше навантаження на вузли перевірки рівня 1 і краще стиснення даних можуть допомогти зменшити витрати на публікацію даних в Ethereum, мінімізуючи плату за зведення для користувачів.
    Загальні докази з нульовим знанням бувають у формі zk-SNARK (короткий неінтерактивний аргумент з нульовим знанням) і zk-STARK (масштабований прозорий аргумент з нульовим знанням). Відмінності між ними підсумовані таким чином:

Недоліки Rollups

Оптимістичні зведені пакети

1. Потенційні проблеми шахрайства можуть призвести до затримок у завершенні транзакції.

2. Централізовані секвенсори зведення можуть впливати на порядок транзакцій.

3. Якщо чесних вузлів немає, зловмисники можуть викрадати кошти, публікуючи недійсні блоки та державні зобов’язання.

4. Модель безпеки покладається на принаймні один чесний вузол, який виконує зведені транзакції та надсилає докази шахрайства, щоб оскаржити недійсні зміни стану.

5. Користувачі повинні дочекатися закінчення періоду виклику, щоб вивести кошти назад у Mainnet.

6. Даних, які зберігаються та публікуються на рівні 1, більше, ніж у ZK-зведеннях, тому вони споживають більше ресурсів і збільшують витрати.
   ЗК-зведення

7. Витрати на обчислення та перевірку доказів дійсності є високими, що може збільшити комісію для користувачів зведення.

8. Через складність технології з нульовим знанням важко створювати EVM-сумісні ZK-зведення.

9. Для створення доказів дійсності потрібне спеціальне обладнання, яке збільшує бар’єр для операторів і може призвести до того, що кілька учасників контролюватимуть мережу блокчейн.

10. Централізовані оператори можуть впливати на порядок транзакцій.

Провідні зведені проекти

Оптимізм

Optimism — це рішення для масштабування рівня 2 на основі Ethereum, яке використовує оптимістичні зведення для збільшення пропускної здатності транзакцій, зниження комісії та підтримки високої сумісності з Ethereum. Метою Optimism є створення Superchain, уніфікованої мережі, яка об’єднує всі ланцюжки рівня 2 на основі стеку Optimism. Це забезпечує комбінування між ланцюжками та взаємодію.

Екосистема Optimism досягла значного прогресу, починаючи з роздачі до спільноти в середині 2022 року, щоб винагородити перших прихильників і співавторів. Токени OP були роздані користувачам Optimism, виборцям DAO, вибраним підписантам із кількома підписами та донорам Gitcoin.

На початку 2023 року Coinbase запустила Base, блокчейн-мережу рівня 2, розроблену з використанням відкритого вихідного коду Optimism Stack. Base прагне надати розробникам швидку, безпечну та настроювану платформу рівня 2 і планує інтегрувати її з Coinbase Wallet і Exchange для покращення взаємодії з користувачем і безпеки.

Optimism продовжує вдосконалювати свої технології та архітектуру управління. Наприклад, він представляє такі функції, як захист від збоїв Cannon, розробляє протокол секвенсора та засновує Optimism Collective. Застосування Chain Factory полегшить створення екосистеми Superchain навколо мережі Ethereum.

Наразі кілька відомих децентралізованих програм, таких як Uniswap, Aave та Synthetix, розгорнуто на Optimism, представляючи флагманські оптимістичні зведені проекти.

Арбітр

Arbitrum також є мережею блокчейнів рівня 2, яка використовує оптимістичні зведення. Він використовує багатораундовий інтерактивний дизайн для вирішення суперечок і зменшення робочого навантаження на мережу. Arbitrum пропонує надійну сумісність з EVM, що дозволяє розробникам легко розгортати свої смарт-контракти в мережі Arbitrum. Однак, порівняно з однораундовим захистом від шахрайства Optimism, Arbitrum має більші розміри блоків.

Arbitrum набув популярності серед інноваційних проектів DeFi. Найвідоміші з них включають платформу для торгівлі деривативами GMX і Gains Network, а також протокол кредитування Radiant. Відомі проекти, такі як Sushiswap і Curve, також принесли значну ліквідність екосистемі Arbitrum. За даними Dune Analytics, станом на квітень 2023 року кількість користувачів Arbitrum перевищила 1 мільйон, обсяг торгів перевищив 10 мільярдів доларів, а активи в ланцюжку досягли 2 мільярдів доларів.

Окрім залучення нових проектів і користувачів, Arbitrum продовжує впроваджувати інновації та оптимізувати свої технології та управління. У лютому 2023 року він здійснив передачу токена управління ARB, що дозволило спільноті брати участь у прийнятті рішень щодо оновлень мережі Arbitrum.

Незважаючи на суперечки та суперечки, що виникають через пропозицію AIP-1 і рішення фонду продати токени ARB, ціна на токени ARB продовжує зростати, що вказує на оптимізм ринку щодо їх майбутнього потенціалу.

Наразі мережа Arbitrum є одним із найефективніших блокчейн-проектів рівня 2, що використовує оптимістичне зведення, пропонуючи більше можливостей і цінності для екосистеми Ethereum.

zkSync

zkSync — це рішення для масштабування рівня 2, засноване на доказах нульового знання, спрямоване на підвищення швидкості транзакцій і зниження витрат у мережі Ethereum, зберігаючи при цьому сумісність з EVM. На початку 2023 року команда розробників Matter Labs запустила другу фазу мережі zkSync під назвою zkSync Era. На цьому етапі використовується стислий, прозорий аргумент знань (STARK) для подальшого підвищення ефективності доказу з нульовим знанням.

Запуск основної мережі zkSync привернув значну увагу спільноти розробників. Він майже досяг повної реалізації zkEVM, дозволяючи розробникам створювати програми з нульовим знанням за допомогою мови Solidity. Це означає, що розробники можуть легко перенести свої програми Ethereum на zkSync і отримати переваги від підвищеної масштабованості та безпеки.

zkSync також пропонує взаємодію з іншими мережами рівня 2 і рівня 1 через міжланцюгові служби Multichain і Orbiter Finance. Наразі кілька блокчейн-проектів уже оголосили про підтримку розгортання zkSync, включаючи гаманці, міжланцюгові мости, платіжні шлюзи, дослідники блоків, біржі, протоколи DeFi, платформи NFT, ігри тощо.

Екосистема zkSync все ще перебуває на ранніх стадіях, але ми бачили деякі активні компоненти, включаючи децентралізовану біржу SyncSwap і протокол кредитування Nexon Finance. Кампанії пожертвування Gitcoin також можна отримати через zkSync.

Запуск основної мережі zkSync вважається ключовою віхою в розвитку масштабованості Ethereum, демонструючи величезний потенціал технології без знань у просторі блокчейну. Оскільки все більше проектів і користувачів переходять на zkSync, ми можемо очікувати швидших, дешевших і безпечніших транзакцій і програм у блокчейні.

StarkNet

StarkNet — це проект масштабування рівня 2 для Ethereum, розроблений стартапом Starkware. Його основна технологія базується на STARK (Scalable Transparent Arguments of Knowledge), доказі нульового знання, щоб забезпечити швидшу, безпечнішу та ресурсоефективну перевірку транзакцій у блокчейні, одночасно захищаючи конфіденційність користувачів.

StarkNet вже інтегрувався з кількома популярними блокчейнами. StarkGate, крос-ланцюговий міст, був інтегрований для підтримки взаємодії з різними зведеними рішеннями. Це дозволяє користувачам без проблем передавати ETH через Ethereum, Arbitrum, Optimism і Polygon на StarkNet.

Наприкінці 2022 року команда оголосила про успішне впровадження ZK-EVM за допомогою мови програмування Cairo. Це досягнення привернуло відомі проекти, такі як Sorare, immutableX, dYdX і ApeX, до розгортання своїх децентралізованих програм на StarkNet.

Зараз екосистема StarkNet перебуває на ранніх стадіях розвитку. Відомі проекти в екосистемі включають децентралізовану біржу JediSwap, протокол кредитування CurveZero та ринок NFT Aspect. У міру розширення сценаріїв застосування StarkNet і розширення бази користувачів продуктивність сумісності ZK-EVM ставатиме все більш очевидною.

Висновок

У цьому уроці ми глибоко заглибилися в технологію та тенденції розвитку зведених пакетів Ethereum. Зведені пакети пакетують кілька транзакцій і відокремлюють рівень протоколу від рівня обчислень, тим самим зменшуючи перевантаження в мережі Ethereum і досягаючи більшої пропускної здатності транзакцій і нижчих витрат.

Технологію Rollup можна розділити на дві категорії: optimistic rollup і ZK-rollup. Оптимістичне зведення передбачає, що всі упаковані транзакції є правильними, тоді як ZK-зведення вимагає надання доказів нульового знання.

Кожна технологія згортання має свої сильні сторони. У міру розвитку технології було досягнуто значного прогресу в можливостях крос-ланцюга та інтеграції EVM. Такі проекти, як Optimism, Arbitrum, zkSync і StarkNet, активно розвивають та оптимізують свою технічну інфраструктуру, щоб задовольнити зростаючий ринковий попит на масштабованість, безпеку та децентралізацію.

У наступному уроці ми порівняємо різні блокчейн-мережі, сумісні з EVM, і дослідимо, як вони конкурують на потенційному ринку масштабованості Ethereum.

Основні моменти

• ZK-rollups і optimistic rollups - це технічні рішення, спрямовані на підвищення ефективності і безпеки блокчейн-транзакцій. Упаковуючи кілька транзакцій у «зведений пакет» і надсилаючи їх до Mainnet, вони можуть заощадити ресурси Mainnet, збільшити швидкість і пропускну здатність транзакцій і зменшити комісію за транзакції для користувачів.
• Optimistic rollups виконує транзакції поза мережею та використовує докази шахрайства для виявлення неправильно виконаних транзакцій, дозволяючи будь-кому перевірити результати зведених транзакцій.
• Якщо під час виклику будуть виявлені неправильно виконані транзакції, протокол зведення повторно виконає транзакцію, а відповідальний секвенсор отримає штраф.
• У ZK-зведеннях оператори надсилають підсумок агрегованих даних транзакцій до Mainnet і генерують докази дійсності, використовуючи підтвердження з нульовим знанням, щоб продемонструвати правильність своїх даних зведення.
• Вузли в Mainnet лише перевіряють правильність доказів із нульовим знанням, не вивчаючи подробиць кожної окремої транзакції. Тому періоду виклику немає.
• І оптимістичні зведення, і ZK-зведення використовують методи стиснення для зменшення даних транзакцій. Наприклад, вони використовують дерева Merkle для підтримки безпеки та цілісності транзакцій поза мережею або використовують індекси замість адрес гаманців.
• Оптимістичні згортання та ZK-збирання мають свої переваги та недоліки. Створення EVM-сумісних ZK-зведень складніше, а безпека оптимістичних зведень залежить від чесних вузлів.
• З безперервним розвитком технології згортання ми можемо очікувати більшого поширення додатків у різних сферах, таких як DeFi, NFT та ігри.