Zwei interessante Lösungen haben sich bei den Layer-2-Skalierungstechnologien in den Vordergrund geschoben, da das Ethereum-Netzwerk mit der Skalierbarkeit kämpft: Optimistische Rollups und Zero-Knowledge (ZK) Rollups. Durch die Verarbeitung von Transaktionen außerhalb der Blockchain zielen diese Entwicklungen darauf ab, Gebühren zu senken und den Durchsatz zu erhöhen, um die Überlastung des Ethereum-Mainnets zu verringern. Ihre Auswirkungen im Layer-2-Bereich sind bemerkenswert, da sie mehrere Lösungen für dasselbe Problem bieten und sowohl unter Investoren als auch Entwicklern Diskussionen anregen.
Die Kapazität des Ethereum-Netzwerks steht unter bisher unbekanntem Druck, da dezentralisierte Finanzen (DeFi) und nicht-fungible Tokens (NFTs) entstanden sind. Daten von Etherscan zeigen, dass die durchschnittlichen Gaspreise in Zeiten großer Nachfrage gestiegen sind und gelegentlich Höhen erreichen, die normale Nutzer als unzumutbar empfinden würden. Dies unterstreicht die Dringlichkeit von praktikablen Skalierungslösungen.
„Rollups sind derzeit die einzige vertrauenswürdige Skalierungslösung für Ethereum auf kurze bis mittlere Sicht, und vielleicht sogar langfristig“, betonte Ethereum-Mitbegründer Vitalik Buterin in einem Blogbeitrag über Layer-2-Lösungen.
Rollups wurden durch diese Befürwortung in den Vordergrund gerückt und sind nun ein wesentlicher Bestandteil von Ethereums Roadmap.
Sowohl Optimistische Rollups als auch ZK-Rollups senden mehrere Transaktionen zusammen in einem Batch an das Ethereum-Mainnet. Sie erzielen jedoch Sicherheit und Validierung auf recht unterschiedliche Weise. Interessensgruppen, die im Ethereum-Ökosystem aufbauen oder investieren, müssen zunächst diese Unterschiede verstehen.
Dieses Papier untersucht die Mechanismen von Rollups, untersucht die besonderen Eigenschaften von Optimistischen Rollups und ZK-Rollups, vergleicht ihre Vorteile und Nachteile und untersucht ihre gegenwärtigen und zukünftigen Anwendungen. Die Leser sollten daher ein gründliches Verständnis dieser Technologien haben und letztendlich wissen, wie sie die Zukunft von Ethereum beeinflussen werden.
Was sind Rollups?
Grundsätzlich sind Rollups Layer-2-Skalierungslösungen, die Transaktionen außerhalb der Blockchain verarbeiten sollen, um dann eine komprimierte Version der Daten zurück an das Mainnet zu liefern, wodurch der Durchsatz von Blockchain-Systemen wie Ethereum erhöht wird. Die Reduzierung der Rechen- und Speicherauslastung der Hauptblockchain ist das Hauptziel; daher wird die Skalierbarkeit erhöht, ohne die Sicherheit zu gefährden.
Rollups kombinieren mehrere Transaktionen zu einem Batch und aggregieren so viele Werte in einem „Roll-up“. Danach läuft dieser Batch außerhalb der Blockchain und der resultierende Zustand wird zurück an das Mainnet hochgeladen. Rollups können somit theoretisch Transaktionsdurchsatz in Größenordnungen erreichen, die allein auf dem Ethereum-Mainnet nicht möglich sind.
Nach dem Ethereum Improvement Proposal (EIP) 4844, manchmal auch als Proto-Danksharding bekannt, hat das Konzept viel Interesse geweckt, da es darauf abzielt, die Datenkosten zu senken und dadurch Roll-overs effizienter zu machen. Dieser Vorschlag und andere haben Rollups als zentralen Bestandteil von Ethereums Skalierungsstrategie gefestigt.
Roll-ups nutzen die Sicherheitsvorkehrungen des Ethereum-Netzwerks. Durch das Posten von Transaktionsdaten oder -beweisen zurück an das Mainnet wird sichergestellt, dass Benutzer den inhärenten Sicherheitsgarantieren von Ethereum vertrauen können, selbst wenn die Layer-2-Lösung gehackt wird. Dies ist ein entscheidendes Merkmal, das Rollups von Sidechains oder anderen Layer-2-Lösungen mit möglicherweise weniger Sicherheitsmechanismen unterscheidet.
Eine Analyse von ConsenSys deutet darauf hin, dass Roll-ups Ethereums Transaktionsdurchsatz von etwa 15 Transaktionen pro Sekunde (TPS) auf viele Tausende TPS erhöhen könnten. Für Anwendungen wie dezentrale Börsen (DEXs), Gaming-Plattformen und Hochfrequenzhandelssysteme — also für Anwendungen, die große Skalierbarkeit erfordern — macht dies sie zu einer interessanten Lösung.
Ebenso nahtlos integrieren sich Roll-ups in die Smart-Contract-Funktionen von Ethereum. Verträge, die mit Layer-2-Lösungen interagieren, ermöglichen es Entwicklern, anspruchsvolle Funktionen zu erstellen, ohne das Mainnet zu belasten. Die Adoption von Roll-ups über mehrere Anwendungen hinweg hängt von dieser Kompatibilität ab.
Rollovers sind jedoch nicht ohne Herausforderungen. Sie könnten Komplikationen mit der Datenverfügbarkeit und Interoperabilität mit aktuellen Ethereum-Tools mit sich bringen und verlangen, dass Benutzer und Entwickler neue Technologien akzeptieren. Ein weiteres laufendes Problem ist die Gewährleistung der Dezentralisierung und die Vermeidung zentraler Schwachstellen in Roll-up-Systemen.
Was sind Optimistische Rollups?
Optimistische Rollups sind eine Art von Roll-up, das standardmäßig annimmt, dass Transaktionen gültig sind—daher der Begriff „optimistisch“. Sie führen nur Berechnungen—nämlich Verifikation—durch, wenn innerhalb einer vorgegebenen Herausforderungszeitspanne ein Betrugsnachweis vorgelegt wird. Da Transaktionen nicht einzeln verifiziert werden müssen, es sei denn, es besteht der Verdacht auf Betrug, ermöglicht diese optimistische Annahme eine höhere Skalierbarkeit.
Der grundlegende Prozess hängt von einer Herausforderungszeitspanne ab, während derer jeder die Gültigkeit einer Transaktion durch Erbringung eines Betrugsnachweises anfechten kann. Wird eine betrügerische Transaktion entdeckt, wird sie vom System rückgängig gemacht und der böswillige Akteur könnte Strafen zahlen. Dieses System gewährleistet Sicherheit, indem es auf spieltheoretische Konzepte vertraut und Integrität fördert.
Konzipiert, um mit der Ethereum Virtual Machine (EVM) kompatibel zu sein, können Optimistische Roll-ups Ethereum-Smart-Contracts mit minimalen Änderungen betreiben. Diese Kompatibilität vereinfacht den Übergang für Entwickler, die bestehende Anwendungen auf Layer-2-Lösungen einführen möchten, ohne große Rewritings vornehmen zu müssen.
Eine der führenden Implementierungen von Optimistischen Rollups ist Optimism. Das Optimism-Team behauptet, dass ihre Lösung die Gaskosten um das 10- bis 100-fache im Vergleich zum Ethereum-Mainnet senken kann.
Arbitrum, entwickelt von Offchain Labs, ist ein weiteres bekanntes Projekt mit großem Interesse und Akzeptanz aufgrund seiner starken Merkmale und entwicklerfreundlichen Umgebung.
Optimistische Rollups haben jedoch einige Nachteile. Beim Zurückziehen von Mitteln auf das Ethereum-Mainnet führt die Herausforderungszeitspanne—die mehrere Stunden bis zu einer Woche dauern kann—zu Verzögerungen. Für diejenigen, die sofortige Liquidität benötigen, kann diese Verzögerung problematisch sein. Um dieses Problem zu lösen, befinden sich Lösungen wie Fast-Exit-Systeme oder Liquiditätsanbieter in der Entwicklung, aber sie erhöhen die Komplexität.
Darüber hinaus beruht die Sicherheit von Optimistischen Rollups auf der Annahme, dass im Bedarfsfall mindestens ein ehrlicher Teilnehmer einen Betrugsnachweis erbringen wird. Auch wenn dieses Modell robust ist, ist es nicht in allen Fällen perfekt. Unter Bedingungen von Kollusion oder fehlenden ehrlichen Teilnehmern könnte das System anfällig sein.
Optimistische Rollups haben trotz dieser Hürden eine relativ weite Verbreitung erfahren. Eine der größten dezentralen Börsen, Uniswap, hat sich beispielsweise auf Optimism eingerichtet und als Hauptvorteile niedrigere Gebühren und mehr Durchsatz genannt. Diese Maßnahme hat es Nutzern von Uniswap ermöglicht, mit weniger Reibung zu handeln, 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 verwenden, um Transaktionen zu validieren. Sie erstellen insbesondere kurze, nicht-interaktive Zero-Knowledge-Beweise (SNARKs oder STARKs), die die Korrektheit von Transaktionen bestätigen, ohne weitere Informationen offenzulegen. Dieses System stellt sicher, dass jede Transaktion legitim ist und macht die Notwendigkeit einer Herausforderungszeitspanne überflüssig.
Transaktionen in einem ZK-Rollout werden außerhalb der Blockchain verarbeitet und zusammen mit einem Gültigkeitsnachweis an das Ethereum-Mainnet gesendet. Der Smart Contract des Mainnets garantiert gültige Zustandstransitionen, indem er diesen Beweis überprüft. Bei der Abhebung von Geldern ermöglicht dieser Ansatz nahezu sofortige Endgültigkeit—ein großer Vorteil gegenüber optimistischen Roll-ups.
Einer der Hauptvorteile von ZK-Rollups sind ihre hohen Sicherheitszusicherungen. Jeder Transaktionsbatch wird mit einem Gültigkeitsnachweis versehen, daher sind spieltheoretische Anreize oder ehrliche Teilnehmer nicht erforderlich, um Betrug zu erkennen. Dank dieser kryptografischen Zusicherung sind ZK-Roller sehr sicher.
Führende Implementierungen von ZK-Rollups sind Projekte wie ZKSync entwickelt von Matter Labs und StarkWare's StarkEx. Die Skalierbarkeit und Effizienz dieser Projekte haben bemerkenswerte Fortschritte gezeigt. Beispielsweise verspricht zkSync, hohe Sicherheitsstandards aufrechtzuerhalten, während die Gaskosten um bis zu 100 Mal gesenkt werden.
ZK-Rollups müssen jedoch mit rechnerischer Komplexität kämpfen. Zero-Knowledge-Beweise erfordern Ressourcen, daher kann die Unterstützung freier Smart-Contract-Logik herausfordernd sein. ZK-Rollups werden immer effizienter, um komplexere Operationen zu unterstützen, obwohl sie derzeit effizienter für einfache Transaktionen wie Trades und Transfers sind.
Eine weitere Einschränkung ist der Mangel an vollständiger EVM-Kompatibilität. Die Smart-Contracts von Ethereum sind nicht von Natur aus darauf ausgelegt, mit Zero-Knowledge-Beweisen zu interagieren, weshalb Entwickler möglicherweise Verträge umschreiben oder Spezialprogrammiersprachen verwenden müssen. Projekte wie zkEVM arbeiten daran, dieses Problem zu lösen, indem sie anstreben, ein EVM-kompatibles ZK-Rollup zu produzieren.
Trotz dieser Schwierigkeiten machen die sofortige Endgültigkeit und die kryptografische Stärke von ZK-Rollups sie für Anwendungen attraktiv, bei denen Geschwindigkeit und Sicherheit entscheidend sind. Die Reife der Technologie sollte ein breiteres Spektrum an Funktionen ermöglichen.
Vergleich von Optimistischen Rollups und ZK-Rollups
Während sowohl Optimistische Rollups als auch ZK-Rollups darauf abzielen, Ethereum zu skalieren, indem sie Transaktionen außerhalb der Blockchain verarbeiten, führen ihre zugrunde liegenden Mechanismen zu unterschiedlichen Kompromissen.
Validierung und Sicherheit
Optimistische Rollups verlassen sich auf Betrugsnachweise und eine Herausforderungszeitspanne, um die Gültigkeit von Transaktionen sicherzustellen. Dies bedeutet, dass ungültige Transaktionen rückgängig gemacht werden können, jedoch nur, wenn jemand sie erkennt und meldet. Im Gegensatz dazu verwenden ZK-Rollups Gültigkeitsnachweise, die kryptografisch die Richtigkeit jedes Transaktionsbatches garantieren, der an das Mainnet übermittelt wird.
Laut einem Bericht von Electric Capital bieten „ZK-Rollups stärkere Sicherheitsgarantien, da sie nicht auf spieltheoretische Annahmen angewiesen sind.“
Abhebeverzögerung
Optimistische Rollups haben aufgrund der Herausforderungszeitspanne eine beträchtliche Abhebeverzögerung, die bis zu einer Woche dauern kann. Dies kann durch Liquiditätsanbieter gemildert werden, erhöht jedoch die Komplexität. ZK-Rollups bieten sofortige Abhebeunternehmen, was einen erheblichen Vorteil darstellt... Content: Auszahlungen, weil die Gültigkeitsnachweise sicherstellen, dass der Zustand korrekt ist.
EVM-Kompatibilität
Optimistic Rollups sind im Allgemeinen stärker EVM-kompatibel, was es Entwicklern ermöglicht, vorhandene Ethereum-Smart-Contracts mit minimalen Änderungen bereitzustellen. ZK-Rollups haben in der Vergangenheit Schwierigkeiten mit der EVM-Kompatibilität gehabt, da das Erzeugen von Nachweisen für komplexe Operationen rechenintensiv ist. Fortschritte wie zkEVM zielen jedoch darauf ab, diese Lücke zu schließen.
Leistung und Skalierbarkeit
ZK-Rollups können höheren Durchsatz und niedrigere Gebühren bieten, insbesondere für einfache Transaktionen, da die Gültigkeitsnachweise die Transaktionsdaten effizienter komprimieren. Optimistic Rollups können aufgrund des Bedarfs an Betrugsnachweisen 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. Optimistic Rollups sind relativ einfacher zu implementieren, was zu einer schnelleren Bereitstellung von Anwendungen geführt hat.
Akzeptanz im Ökosystem
Beide Rollup-Typen haben eine bedeutende Akzeptanz erfahren. Optimistic Rollups haben derzeit aufgrund ihrer EVM-Kompatibilität mehr DeFi-Anwendungen. ZK-Rollups holen auf, da Lösungen für die EVM-Kompatibilität reifen. Laut Dune Analytics nimmt der gesamte gesperrte Wert (TVL) in beiden Lösungen zu, was ein wachsendes Vertrauen und eine zunehmende Akzeptanz widerspiegelt.
Regulatorische Überlegungen
Die kryptografische Natur von ZK-Rollups kann bessere Datenschutzfunktionen bieten, was im Hinblick auf die Einhaltung von Vorschriften ein zweischneidiges Schwert sein könnte. Optimistic 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 Derivate-Liquiditätssystem, sich mit Optimism zusammengetan, um Gebühren zu senken und die Skalierbarkeit zu erhöhen. Nutzer dieser Integration konnten synthetische Vermögenswerte schneller und reibungsloser handeln.
Wenn Transaktionsgeschwindigkeit und Sicherheit absolut entscheidend sind, brillieren ZK-Rollups. Die sofortige Finalität und der hohe Durchsatz von ZK-Rollups werden Zahlungsanwendungen, verteilten Börsen für den Spot-Handel und Gaming-Plattformen zugutekommen. Mithilfe von ZK-Rollups hat Loopring, ein Layer-2-Protokoll, eine verteilte Börse entwickelt, die schnelles und günstiges Handeln ermöglicht. Die Daten von Loopring zeigen, dass Nutzer mit Gebühren von nur 0,1 % der Mainnet-Kosten handeln können, was es sehr zugänglich macht.
ZK-Rollups werden zudem in datenschutzbewussten Anwendungen und der Identitätsvalidierung immer beliebter. Für die Einhaltung von Vorschriften und den Datenschutz der Nutzer ermöglichen die Zero-Knowledge-Nachweise, dass Nutzer Eigenschaften nachweisen können, ohne private Informationen preiszugeben – eine Fähigkeit, die sehr geschätzt wird.
Projekte wie zkSync zielen darauf ab, Smart Contracts auf ZK-Rollups zu ermöglichen und damit bisher eingeschränkte Anwendungsfälle zu eröffnen, die auf Optimistic Rollups basieren. Während sich diese Technologien entwickeln, könnten ihre Fähigkeiten verschwimmen und Entwicklern mehr Freiheit bieten.
Abschließende Gedanken
Der Wettbewerb zwischen Optimistic Rollups und ZK-Rollups stellt einen gesunden Fortschritt in Ethereums Streben nach Skalierbarkeit dar. Beide Technologien haben spezielle Vorteile und sind entscheidend dafür, dass das Netzwerk der wachsenden Nachfrage gerecht werden kann.
Mit ihrer EVM-Kompatibilität und einfacherem Implementierungsprozess sind Optimistic Rollups in der DeFi-Szene recht beliebt geworden. Stärkere Sicherheitsgarantien und sofortige Finalität, die ZK-Rollups bieten, dehnen die Grenzen kryptografischer Innovation aus.
Die beiden Optionen werden wahrscheinlich koexistieren, während sich das Ethereum-Ökosystem entwickelt und unterschiedliche Bedürfnisse und Zwecke bedient. Da ihre Entwicklung die Ausrichtung verteilter Anwendungen erheblich beeinflussen wird, sollten Entwickler, Investoren und Verbraucher über diese Technologien informiert bleiben.
"Auf kurze Sicht sind Rollups die einzige vertrauenslose Skalierungslösung, und auf lange Sicht sind sie ein wichtiger Teil des Ethereum-Ökosystems", sagte Vitalik Buterin und fasst die Umstände treffend zusammen.
Die Entwicklungen in Optimistic und ZK-Rollups unterstreichen diese Vision: Ein skalierbareres und effizienteres Ethereum-Netzwerk wird versprochen.