Zwei interessante Lösungen sind an der Spitze der Layer 2-Scaling-Technologien aufgetaucht, da das Ethereum-Netzwerk mit Skalierbarkeit kämpft: Optimistische Rollups und Zero-Knowledge (ZK) Rollups. Durch die Verarbeitung von Transaktionen außerhalb der Kette streben diese Entwicklungen danach, Gebühren zu senken und den Durchsatz zu erhöhen, um so die Staus im Ethereum-Mainnet zu verringern. Ihr Einfluss im Layer 2-Bereich ist bemerkenswert, da sie mehrere Lösungen für dasselbe Problem bieten und Diskussionen unter Investoren und Entwicklern gleichermaßen anstoßen.

Die Netzkapazität von Ethereum war unter einem bisher nicht dagewesenen Druck, da verteilte Finanzen (DeFi) und nicht-fungible Token (NFTs) aufkamen. Daten von Etherscan zeigen, dass die durchschnittlichen Gaspreise in Zeiten großer Nachfrage in Höhen schossen, die reguläre Nutzer als inakzeptabel empfinden könnten. Dies unterstreicht, wie dringend sinnvolle Skalierungslösungen benötigt werden.

"Rollups sind derzeit als die einzige vertrauenslose Skalierungslösung für Ethereum auf kurzer bis mittlerer Sicht positioniert und vielleicht sogar auf lange Sicht", betonte Ethereum-Mitbegründer Vitalik Buterin in einem Blogbeitrag zu Layer 2-Lösungen.

Diese Unterstützung hat Rollups in den Vordergrund gerückt und sie sind nun fundamental auf der Roadmap von Ethereum.

Sowohl Optimistische Rollups als auch ZK-Rollups senden mehrere Transaktionen zusammen in einem Batch an das Ethereum-Mainnet. Sie erreichen jedoch Sicherheit und Validierung auf recht unterschiedliche Weise. Interessensgruppen, die im Ethereum-Ökosystem aufbauen oder investieren, müssen diese Unterschiede zuerst verstehen.

Dieses Papier untersucht die Mechanismen von Rollups, betrachtet die besonderen Eigenschaften von Optimistischen Rollups und ZK-Rollups, vergleicht ihre Vor- und Nachteile und untersucht ihre gegenwärtigen und zukünftigen Anwendungen. Leser sollten somit ein umfassendes Verständnis dieser Technologien und ihrer endgültigen Auswirkungen auf die Zukunft von Ethereum haben.

Was sind Rollups?

Grundsätzlich sind Rollups Layer 2-Scaling-Lösungen, die Transaktionen außerhalb der Kette verarbeiten sollen und dann eine komprimierte Version der Daten zurück an das Mainnet liefern, um somit die Durchsatzrate von Blockchain-Systemen wie Ethereum zu erhöhen. Das Hauptziel ist es, die Rechen- und Speicherlast auf der Haupt-Blockchain zu reduzieren; daher wird die Skalierbarkeit erhöht, ohne die Sicherheit zu beeinträchtigen.

Rollups kombinieren mehrere Transaktionen zu einem Batch, so aggregierend - oder "aufrollend" - viele Werte. Danach wird dieser Batch außerhalb der Kette ausgeführt und der resultierende Zustand wird zurück an das Mainnet hochgeladen. Rollups können somit theoretisch eine Transaktionsdurchsatzrate erreichen, die um Größenordnungen höher ist als das, was allein auf dem Ethereum-Mainnet möglich ist.

Nach Ethereum Improvement Proposal (EIP) 4844, manchmal auch als Proto-Danksharding bekannt, erregte die Idee viel Interesse, da sie darauf abzielt, die Datenkosten zu senken und somit die Roll-over effizienter zu gestalten. Dieses Vorschlag, unter anderem, hat Rollups als Schlüsselkomponente der Ethereum-Skalierungsstrategie gefestigt.

Roll-ups nutzen die Sicherheitsgrundlage des Ethereum-Netzwerks. Das Zurückposten von Transaktionsdaten oder -beweisen an das Mainnet garantiert, dass Benutzer sich auf Ethereums inhärente Sicherheitsgarantien verlassen können, selbst wenn die Layer 2-Lösung gehackt wird. Dies ist eine entscheidende Eigenschaft, die Rollups von Sidechains oder anderen Layer 2-Lösungen mit möglicherweise weniger Sicherheitsmechanismen abhebt.

Eine Analyse von ConsenSys zeigt, dass Roll-ups den Transaktionsdurchsatz von Ethereum von etwa 15 Transaktionen pro Sekunde (TPS) auf viele tausend TPS erhöhen könnten. Für Anwendungen, die hohe Skalierbarkeit erfordern - einschließlich verteilter Börsen (DEXs), Gaming-Plattformen und High-Frequency-Trading-Systemen - machen sie eine interessante Lösung aus.

Außerdem sind Roll-ups nahtlos mit Ethereums Smart-Contract-Funktionen kompatibel. Verträge, die mit Layer 2-Lösungen interagieren, lassen Entwickler komplexe Funktionen erstellen, ohne das Mainnet übermäßig zu belasten. Die Akzeptanz von Roll-ups in verschiedenen Anwendungen hängt von dieser Kompatibilität ab.

Rollovers stellen jedoch auch Herausforderungen dar. Sie könnten Komplikationen mit Datenverfügbarkeit und Interoperabilität mit aktuellen Ethereum-Tools beinhalten und erfordern von Benutzern und Entwicklern, neue Technologien anzunehmen. Ein weiteres fortlaufendes Problem ist die Gewährleistung der Dezentralisierung und das Vermeiden zentraler Schwachstellenpunkte in Rollup-Systemen.

Was sind Optimistische Rollups?

Optimistische Rollups sind eine Art von Rollup, die standardmäßig davon ausgehen, dass Transaktionen gültig sind, daher der Begriff "optimistisch". Sie führen nur Berechnungen - genauer, Verifiktionen - durch, wenn innerhalb einer festgelegten Herausforderungsfrist ein Betrugsnachweis eingereicht wird. Da Transaktionen nur dann individuell verifiziert werden müssen, wenn Betrug vermutet wird, ermöglicht diese optimistische Annahme eine höhere Skalierbarkeit.

Der grundlegende Prozess hängt von einer Herausforderungsfrist ab, in der jeder die Gültigkeit einer Transaktion durch Vorlage von Betrugsnachweisen anfechten kann. Sollte eine betrügerische Transaktion entdeckt werden, nimmt das System diese zurück und der böswillige Akteur könnte mit Strafen belegt werden. Dieses System sichert die Sicherheit, indem es sich auf spieltheoretische Ideen stützt und Integrität fördert.

Optimistische Roll-ups, die mit der Ethereum Virtual Machine (EVM) kompatibel sind, können Ethereum-Smart-Contracts mit minimalen Änderungen ausführen. Für Entwickler, die vorhandene Anwendungen auf Layer 2-Lösungen einführen möchten, ohne großartige Umschreibungen, vereinfacht diese Kompatibilität den Übergang.

Eine der führenden Implementierungen von Optimistischen Rollups ist Optimism. Das Optimism-Team gibt an, dass ihre Lösung die Gasgebühren im Vergleich zum Ethereum-Mainnet um das 10-100-fache senken kann.

Entwickelt von Offchain Labs ist Arbitrum eine weitere bekannte Initiative mit starkem Interesse und Akzeptanz aufgrund ihrer starken Eigenschaften und entwicklerfreundlichen Umgebung.

Optimistische Rollups haben jedoch einige Nachteile. Die Herausforderungsfrist - die mehrere Stunden bis eine Woche dauern kann - führt zu einer Verzögerung beim Zurückziehen von Mitteln auf das Ethereum-Mainnet. Für diejenigen, die sofortige Liquidität benötigen, kann diese Verzögerung problematisch sein. Um dieses Problem zu lösen, werden Lösungen wie schnelle Exit-Systeme oder Liquiditätsanbieter entwickelt, die jedoch zusätzliche Komplexität hinzufügen.

Darüber hinaus hängt die Sicherheit von Optimistischen Rollups von der Annahme ab, dass bei Bedarf mindestens ein ehrlicher Teilnehmer Betrugsnachweise vorlegt. Obwohl dieses Modell stark ist, ist es nicht in allen Situationen perfekt. Unter Bedingungen von Kollusion oder im Abwesenheit ehrlicher Teilnehmer könnte das System anfällig sein.

Optimistische Rollups haben trotz dieser Herausforderungen eine recht verbreitete Akzeptanz gefunden. Eine der größten verteilten Börsen, Uniswap, hat sich beispielsweise auf Optimism eingerichtet und nennt niedrigere Gebühren und höheren Durchsatz als Hauptvorteile. Diese Aktion hat den Benutzern von Uniswap ein reibungsloses Handeln ermöglicht, was die Zugänglichkeit der Plattform verbessert.

Was sind Zero-Knowledge Rollups?

Zero-Knowledge Rollups, oder ZK-Rollups, verfolgen einen anderen Ansatz, indem sie kryptografische Beweise zur Verifizierung von Transaktionen verwenden. Sie erstellen spezifisch kurze, nicht-interaktive Zero-Knowledge-Beweise (SNARKs oder STARKs), die die Richtigkeit von Transaktionen bestätigen, ohne weitere Informationen preiszugeben. Dieses System stellt sicher, dass jede Transaktion legitim ist und macht die Notwendigkeit einer Herausforderungsfrist überflüssig.

Transaktionen in einem ZK-Roll-through werden außerhalb der Kette bearbeitet und zusammen mit einem Gültigkeitsnachweis an das Ethereum-Mainnet gesendet. Der Mainnet-Smart-Contract garantiert gültige Zustandstransitionen durch Verifizierung dieses Nachweises. Diese Methode ermöglicht fast sofortige Finalität beim Zurückziehen von Geldern - ein großer Vorteil gegenüber Optimistischen Rollups.

Ein Hauptvorteil von ZK-Rollups sind ihre hohen Sicherheitsgarantien. Jeder Transaktionsbatch wird mit einem Gültigkeitsnachweis geliefert, sodass keine spieltheoretischen Anreize oder ehrlichen Teilnehmer zur Erfassung von Betrug notwendig sind. ZK-Rollers sind dank dieser kryptografischen Gewissheit äußerst sicher.

Führende Implementierungen von ZK-Rollups sind Projekte wie ZKSync, entwickelt von Matter Labs, und StarkWare's StarkEx. Diese Projekte haben beachtliche Fortschritte bei Skalierbarkeit und Effizienz gemacht. Beispielsweise verspricht zkSync, hohe Sicherheitsstandards beizubehalten, während es die Gasgebühren um das 100-fache senkt.

ZK-Rollups müssen jedoch mit der rechnerischen Komplexität kämpfen. Zero-Knowledge-Proofs erfordern Ressourcen, daher kann es eine Herausforderung sein, beliebige Smart-Contract-Logik zu unterstützen. Obwohl sie für einfache Transaktionen wie Handels- und Übertragungsvorgänge momentan effizienter sind, werden ZK-Rollups immer leistungsfähiger, um komplexere Operationen zu unterstützen.

Eine weitere Einschränkung ist der Mangel an vollständiger EVM-Kompatibilität. Ethereums Smart Contracts sind nicht von Natur aus dazu gedacht, mit Zero-Knowledge-Proofs zu interagieren, sodass Entwickler möglicherweise verpflichtet sind, Verträge neu zu schreiben oder spezielle Programmiersprachen zu verwenden. Projekte wie zkEVM arbeiten daran, dies zu lösen, mit dem Ziel, ein EVM-kompatibler ZK-Rollup zu werden.

Trotz dieser Schwierigkeiten machen die sofortige Finalität und die kryptografische Stärke von ZK-Rollups sie für Anwendungen attraktiv, bei denen Geschwindigkeit und Sicherheit entscheidend sind. Mit zunehmender Reife der Technologie sollte eine breitere Palette von Funktionen ermöglicht werden.

Vergleich von Optimistischen Rollups und ZK-Rollups

Während sowohl Optimistische Rollups als auch ZK-Rollups darauf abzielen, Ethereum durch die Verarbeitung von Transaktionen außerhalb der Kette zu skalieren, führen ihre zugrunde liegenden Mechanismen zu unterschiedlichen Kompromissen.

Validierung und Sicherheit

Optimistische Rollups verlassen sich auf Betrugsnachweise und eine Herausforderungsfrist, um die Gültigkeit von Transaktionen sicherzustellen. Das bedeutet, dass ungültige Transaktionen zurückgenommen werden können, aber nur, wenn jemand sie entdeckt und meldet. Im Gegensatz dazu verwenden ZK-Rollups Gültigkeitsnachweise, die kryptografisch die Richtigkeit jedes an das Mainnet übermittelten Transaktionsbatchs garantieren.

Laut einem Bericht von Electric Capital bieten "ZK-Rollups stärkere Sicherheitsgarantien, da sie nicht auf spieltheoretische Annahmen angewiesen sind."

Abzugsverzögerung

Optimistische Rollups haben wegen der Herausforderungsfrist eine erhebliche Auszahlungsverzögerung, die bis zu einer Woche dauern kann. Dies kann durch Liquiditätsanbieter gemildert werden, fügt jedoch Komplexität hinzu. ZK-Rollups erlauben einen sofortigen... Inhalt: Auszahlungen, weil die Gültigkeitsbeweise sicherstellen, dass der Zustand korrekt ist.

EVM-Kompatibilität

Optimistische Rollups sind allgemein EVM-kompatibler, sodass Entwickler bestehende Ethereum-Smart Contracts mit minimalen Änderungen bereitstellen können. ZK-Rollups hatten historisch Probleme mit der EVM-Kompatibilität aufgrund der Rechenintensität der Beweisgenerierung für komplexe Operationen. Durch Fortschritte wie zkEVM wird jedoch versucht, diese Lücke zu schließen.

Leistung und Skalierbarkeit

ZK-Rollups können höhere Durchsätze und niedrigere Gebühren bieten, insbesondere für einfache Transaktionen, da die Gültigkeitsbeweise die Transaktionsdaten effizienter komprimieren. Optimistische Rollups könnten aufgrund des Bedarfs an Betrugsbeweisen einen höheren Overhead haben.

Komplexität und Entwicklungsaufwand

Die Implementierung von ZK-Rollups ist aufgrund der fortschrittlichen Kryptographie komplexer. Dies kann die Entwicklung verlangsamen und das Potenzial für Fehler erhöhen. Optimistische Rollups sind relativ einfacher zu implementieren, was zu einer schnelleren Bereitstellung von Anwendungen geführt hat.

Ökosystem-Annahme

Beide Arten von Rollups haben erhebliche Annahmen erlangt. Optimistische Rollups haben derzeit mehr DeFi-Anwendungen aufgrund ihrer EVM-Kompatibilität. ZK-Rollups holen auf, da Lösungen für die EVM-Kompatibilität reifen. Laut Dune Analytics nimmt der Gesamtwert, der in beiden Lösungen gesperrt ist (TVL), zu, was ein wachsendes Vertrauen und eine zunehmende Annahme widerspiegelt.

Regulatorische Überlegungen

Die kryptografische Natur von ZK-Rollups könnte bessere Datenschutzfunktionen bieten, was in Bezug auf regulatorische Compliance ein zweischneidiges Schwert sein könnte. Optimistische Rollups sind transparenter, was möglicherweise besser mit regulatorischen Erwartungen übereinstimmt.

Anwendungsfälle für Optimistic Rollups und ZK-Rollups

Die EVM-Kompatibilität von Optimistic Rollups macht sie ideal für den Einsatz in komplizierten Smart-Contract-Anwendungen. Dies macht sie ideal für DeFi-Plattformen, NFT-Marktplätze und andere Anwendungen, die komplexe Logik erfordern. Zum Beispiel hat Synthetix, ein Derivatliquiditätssystem, mit Optimism zusammengearbeitet, um Gebühren zu senken und die Skalierbarkeit zu erhöhen. Benutzer dieser Integration konnten synthetische Vermögenswerte schneller und mit weniger Reibung handeln.

Wenn Transaktionsgeschwindigkeit und Sicherheit absolut entscheidend sind, glänzen ZK-Rollups. Sofortige Endgültigkeit und hoher Durchsatz von ZK-Rollups werden Zahlungs-Apps, verteilten Börsen für den Spothandel und Gaming-Plattformen helfen. Mit ZK-Rollups hat Loopring, ein Layer-2-Protokoll, eine dezentrale Börse geschaffen, die schnelles und günstiges Handeln ermöglicht. Daten von Loopring zeigen, dass Benutzer mit Gebühren von nur 0,1 % der Hauptnetzkosten handeln können, was es ziemlich zugänglich macht.

Darüber hinaus werden ZK-Rollups in datenschutzbewussten Anwendungen und Identitätsvalidierungen immer beliebter. Für Compliance und Benutzerdatenschutz ermöglichen Zero-Knowledge-Beweise, dass Benutzer Eigenschaften beweisen können, ohne private Informationen preiszugeben – eine Fähigkeit, die hochgeschätzt wird.

Projekte wie zkSync zielen darauf ab, Smart Contracts auf ZK-Rollups zu ermöglichen und so bisher auf Optimistic Rollups beschränkte Anwendungsfälle zu eröffnen. Mit der Entwicklung dieser Technologien könnten sich die Linien ihrer Fähigkeiten verwischen und Entwicklern mehr Freiheit bieten.

Abschlussgedanken

Der Wettbewerb zwischen Optimistic Rollups und ZK-Rollups stellt einen gesunden Fortschritt in Ethereums Streben nach Skalierbarkeit dar. Beide Technologien haben besondere Vorteile und sind entscheidend, damit das Netzwerk wachsende Nachfrage bewältigen kann.

Optimistische Rollups haben sich aufgrund ihrer EVM-Kompatibilität und einfacheren Implementierung in der DeFi-Szene einen Namen gemacht. Stärkere Sicherheitsgarantien und sofortige Endgültigkeit von ZK-Rollups erweitern die Grenzen kryptografischer Erfindung.

Die beiden Optionen werden wahrscheinlich koexistieren, wenn sich das Ethereum-Ökosystem entwickelt und unterschiedliche Bedürfnisse und Zwecke bedient. Da ihre Entwicklung die Zukunft verteilter Anwendungen erheblich beeinflussen wird, sollten Entwickler, Investoren und Verbraucher über diese Technologien informiert bleiben.

"Langfristig sind Rollups die einzige vertrauenslose Skalierungslösung, und langfristig sind sie ein wichtiger Bestandteil des Ethereum-Ökosystems", sagte Vitalik Buterin und fasste die Umstände treffend zusammen.

Die Entwicklungen in Optimistic und ZK-Rollups unterstreichen diese Vision: Ein skalierbareres und effizienteres Ethereum-Netzwerk wird versprochen.