Zwei interessante Lösungen sind an der Spitze der Layer-2-Skalierungstechnologien aufgetaucht, während das Ethereum-Netzwerk mit Skalierbarkeitsproblemen kämpft: Optimistische Rollups und Zero-Knowledge (ZK) Rollups. Diese Entwicklungen zielen darauf ab, Transaktionen off-chain zu verarbeiten, um Gebühren zu senken und den Durchsatz zu erhöhen, und so die Überlastung des Ethereum-Mainnets zu entlasten. Ihre Auswirkungen im Layer-2-Bereich sind bemerkenswert, da sie mehrere Lösungen für dasselbe Problem bieten und Diskussionen unter Investoren und Entwicklern gleichermaßen anregen.

Das Netzwerk von Ethereum stand unter bisher ungekanntem Druck, als Decentralized Finance (DeFi) und Non-Fungible Tokens (NFTs) aufkamen. Daten von Etherscan zeigen, dass die durchschnittlichen Gaspreise in Zeiten hoher Nachfrage sprunghaft angestiegen sind und gelegentlich Niveaus erreicht haben, die reguläre Benutzer als unzumutbar empfinden könnten. Dies unterstreicht, wie dringend sinnvolle Skalierungslösungen benötigt werden.

„Rollups sind derzeit als die einzige vertrauenslose Skalierungslösung für Ethereum in naher bis mittlerer Zukunft positioniert, und vielleicht sogar langfristig,“ betonte Ethereum-Mitbegründer Vitalik Buterin in einem Blogbeitrag über Layer-2-Lösungen.

Diese Befürwortung hat Rollups in den Vordergrund gerückt, und sie sind nun ein grundlegender Bestandteil 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 ziemlich unterschiedliche Weisen. Stakeholder, die im Ethereum-Ökosystem aufbauen oder investieren möchten, müssen zuerst diese Unterschiede verstehen.

Dieses Dokument untersucht die Mechanik von Rollups, beleuchtet die besonderen Eigenschaften von Optimistischen Rollups und ZK-Rollups, vergleicht deren Vor- und Nachteile und untersucht deren gegenwärtige und zukünftige Anwendungen. Leser sollten daher ein gründliches Verständnis dieser Technologien und ihrer Auswirkungen auf die Zukunft von Ethereum erlangen.

Was sind Rollups?

Grundsätzlich sind Rollups Layer-2-Skalierungslösungen, die darauf abzielen, Transaktionen off-chain zu verarbeiten und dann eine komprimierte Version der Daten zurück an das Mainnet zu liefern, um so den Durchsatz von Blockchain-Systemen wie Ethereum zu erhöhen. Die Hauptzielsetzung besteht darin, die Rechen- und Speicherlast auf der Haupt-Blockchain zu reduzieren; dadurch wird die Skalierbarkeit erhöht, ohne die Sicherheit zu beeinträchtigen.

Rollups kombinieren mehrere Transaktionen in einem Batch und „rollen“ damit viele Werte zusammen. Dieser Batch läuft dann off-chain und der resultierende Zustand wird zurück an das Mainnet hochgeladen. Theoretisch können Rollups auf diese Weise Transaktionsdurchsätze erreichen, die um Größenordnungen höher sind als das, was allein auf dem Ethereum-Mainnet möglich ist.

Nach dem Ethereum Improvement Proposal (EIP) 4844, auch bekannt als Proto-Danksharding, erlangte das Konzept große Aufmerksamkeit, da es darauf abzielt, Datenkosten zu senken und damit Roll-overs effektiver zu machen. Dieser Vorschlag und andere haben Rollups als einen wesentlichen Bestandteil der Skalierungsstrategie von Ethereum gefestigt.

Rollups nutzen die Sicherheit des Ethereum-Netzwerks. Die Bereitstellung von Transaktionsdaten oder Beweisen zurück an das Mainnet garantiert, dass Nutzer auch im Falle eines Hackangriffs auf die Layer-2-Lösung auf die inhärenten Sicherheitsgarantien von Ethereum vertrauen können. Dies ist ein entscheidendes Merkmal, das Rollups von Sidechains oder anderen Layer-2-Lösungen mit möglicherweise weniger Sicherheitsmechanismen unterscheidet.

Eine Analyse von ConsenSys zeigt, dass Roll-ups den Transaktionsdurchsatz von Ethereum von etwa 15 Transaktionen pro Sekunde (TPS) auf viele tausend TPS steigern könnten. Für Anwendungen, die große Skalierbarkeit erfordern, wie verteilte Börsen (DEXs), Spieleplattformen und Hochfrequenzhandelssysteme, sind sie eine interessante Lösung.

Roll-ups sind außerdem nahtlos mit den Smart-Contract-Funktionalitäten von Ethereum kompatibel. Verträge, die mit Layer-2-Lösungen interagieren, lassen Entwickler ohne Belastung des Mainnets komplexe Funktionen erstellen. Diese Kompatibilität bestimmt die Akzeptanz von Rollups in verschiedenen Anwendungen.

Rollovers stellen jedoch keine Herausforderungen dar. Sie könnten Komplikationen bei der Datenverfügbarkeit und der Interoperabilität mit aktuellen Ethereum-Tools beinhalten und erfordern, dass Benutzer und Entwickler neue Technologien übernehmen. Ein weiteres anhaltendes Problem ist die Gewährleistung der Dezentralisierung und die Vermeidung zentraler Fehlerquellen in Roll-up-Systemen.

Was sind Optimistische Rollups?

Optimistische Rollups sind eine Art von Rollup, das Transaktionen standardmäßig als gültig annimmt, daher der Ausdruck „optimistisch“. Berechnungen – genauer gesagt, Überprüfungen – erfolgen nur, wenn innerhalb eines bestimmten Herausforderungszeitraums ein Betrugsnachweis erbracht wird. Da Transaktionen nicht einzeln überprüft werden müssen, es sei denn, Betrug wird vermutet, ermöglicht diese optimistische Annahme eine höhere Skalierbarkeit.

Der grundlegende Prozess basiert auf einem Herausforderungszeitraum, in dem jeder die Gültigkeit einer Transaktion durch Bereitstellung eines Betrugsnachweises anfechten kann. Sollte eine betrügerische Transaktion entdeckt werden, wird das System sie rückgängig machen und der böswillige Akteur könnte mit Sanktionen belegt werden. Dieses System gewährleistet die Sicherheit, indem es sich auf spieltheoretische Ideen stützt und Integrität fördert.

Optimistische Roll-ups, die für die Kompatibilität zur Ethereum Virtual Machine (EVM) entwickelt wurden, können Ethereum-Smart-Contracts ohne größere Änderungen ausführen. Für Entwickler, die bestehende Anwendungen auf Layer-2-Lösungen einführen möchten, ohne große Umschreibungen, vereinfacht diese Kompatibilität den Übergang.

Eine der führenden Umsetzungen von Optimistischen Rollups ist Optimism. Das Optimism-Team behauptet, dass ihre Lösung die Gaspreise bis zu 10- bis 100-mal im Vergleich zum Ethereum-Mainnet senken kann.

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

Optimistische Rollups haben jedoch gewisse Nachteile. Der Herausforderungszeitraum, der mehrere Stunden bis eine Woche dauern kann, führt zu Verzögerungen bei der Rückführung von Geldern zurück zum Ethereum-Mainnet. Für diejenigen, die sofortige Liquidität benötigen, kann diese Verzögerung problematisch sein. Zur Lösung dieses Problems sind Lösungen wie schnelle Ausstiegssysteme oder Liquiditätsanbieter in Entwicklung, die jedoch Komplexität hinzufügen.

Darüber hinaus beruht die Sicherheit von Optimistischen Rollups auf der Annahme, dass, falls notwendig, zumindest ein ehrlicher Teilnehmer einen Betrugsnachweis erbringt. Obwohl dieses Modell stark ist, ist es nicht perfekt in allen Fällen. Unter Bedingungen von Kollusion oder in Abwesenheit ehrlicher Teilnehmer könnte das System verwundbar sein.

Trotz dieser Herausforderungen haben Optimistische Rollups relativ breite Akzeptanz gefunden. Eine der größten verteilten Börsen, Uniswap, hat sich beispielsweise auf Optimism eingerichtet und dabei niedrigere Gebühren und höheren Durchsatz als Hauptvorteile angeführt. Diese Maßnahme hat es den Nutzern von Uniswap ermöglicht, mit weniger Reibung zu handeln und so die Zugänglichkeit der Plattform zu verbessern.

Was sind Zero-Knowledge Rollups?

Zero-Knowledge Rollups, oder ZK-Rollups, verfolgen einen anderen Ansatz, indem sie kryptografische Nachweise zur Validierung von Transaktionen verwenden. Sie erstellen speziell kurze, nicht-interaktive Zero-Knowledge-Proofs (SNARKs oder STARKs), die die Richtigkeit von Transaktionen bestätigen, ohne zusätzliche Informationen preiszugeben. Dieses System gewährleistet, dass jede Transaktion legitim ist, und schließt die Notwendigkeit eines Herausforderungszeitraums aus.

Transaktionen in einem ZK-Roll-through werden off-chain verarbeitet und zusammen mit einem Gültigkeitsnachweis an das Ethereum-Mainnet gesendet. Der Mainnet-smart-Contract garantiert gültige Zustandsübergänge, indem er diesen Beweis überprüft. Beim Abheben von Geld ermöglicht dieser Ansatz eine fast sofortige Endgültigkeit – ein großer Vorteil gegenüber optimistischen Roll-ups.

Einer der Hauptvorteile von ZK-Rollups sind ihre hohen Sicherheitsgarantien. Jeder Batch von Transaktionen wird mit einem Gültigkeitsnachweis versehen, wodurch keine spieltheoretischen Anreize oder ehrliche Teilnehmer erforderlich sind, um Betrug zu erkennen. Diese kryptografische Absicherung macht ZK-Roller sehr sicher.

Führende Implementierungen von ZK-Rollups sind Projekte wie ZKSync von Matter Labs und StarkWare's StarkEx. Die Skalierbarkeit und Effizienz dieser Projekte haben bemerkenswerte Fortschritte gezeigt. Zum Beispiel verspricht zkSync, hohe Sicherheitsstandards zu halten, während die Gaskosten um bis zu 100-mal gesenkt werden.

ZK-Rollups müssen jedoch mit rechnerischer Komplexität kämpfen. Zero-Knowledge-Nachweise erfordern Ressourcen, daher kann die Unterstützung beliebiger Smart-Contract-Logik eine Herausforderung darstellen. Obwohl ZK-Rollups für einfache Transaktionen wie Trades und Übertragungen derzeit effizienter sind, werden sie immer leistungsfähiger, um komplexere Operationen zu unterstützen.

Ein weiteres Limit ist die fehlende volle EVM-Kompatibilität. Ethereum-Smart-Contracts sind nicht von Natur aus dazu gedacht, mit Zero-Knowledge-Proofs zu interagieren, daher könnten Entwickler Verträge umschreiben oder spezielle Programmiersprachen verwenden müssen. Projekte wie zkEVM, ein Versuch, ein EVM-kompatibles ZK-Rollup zu produzieren, arbeiten daran, dieses Problem zu lösen.

Trotz dieser Schwierigkeiten machen die sofortige Endgültigkeit und kryptografische Stärke von ZK-Rollups sie attraktiv für Anwendungen, bei denen Geschwindigkeit und Sicherheit entscheidend sind. Die Konvergenz der Technologie sollte eine breitere Palette von Funktionen ermöglichen.

Vergleich von Optimistischen Rollups und ZK-Rollups

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

Validierung und Sicherheit

Optimistische Rollups verlassen sich auf Betrugsnachweise und einen Herausforderungszeitraum, um die Gültigkeit einer Transaktion sicherzustellen. Das bedeutet, dass ungültige Transaktionen rückgängig gemacht werden können, aber nur, wenn jemand sie erkennt und meldet. Im Gegensatz dazu verwenden ZK-Rollups Gültigkeitsnachweise, die kryptografisch die Korrektheit jedes an das Mainnet übermittelten Transaktions-Batches garantieren.

Laut einem Bericht von Electric Capital bieten „ZK-Rollups stärkere Sicherheitsgarantien, da sie sich nicht auf spieltheoretische Annahmen stützen.“

Auszahlungsverzögerung

Aufgrund des Herausforderungszeitraums haben Optimistische Rollups eine signifikante Auszahlungsverzögerung, die bis zu einer Woche dauern kann. Diese kann durch Liquiditätsanbieter gemildert werden, was jedoch Komplexität hinzufügt. ZK-Rollups ermöglichen sofortige Abhebungen, da die Gültigkeitsnachweise sicherstellen, dass der Zustand korrekt ist.

EVM-Kompatibilität

Optimistic Rollups sind im Allgemeinen stärker EVM-kompatibel, was es Entwicklern ermöglicht, bestehende Ethereum Smart Contracts mit minimalen Änderungen zu implementieren. ZK-Rollups hatten historisch Schwierigkeiten mit der EVM-Kompatibilität aufgrund der hohen Rechenintensität bei der Erzeugung von Nachweisen für komplexe Operationen. Fortschritte wie zkEVM zielen jedoch darauf ab, diese Lücke zu schließen.

Leistung und Skalierbarkeit

ZK-Rollups können einen höheren Durchsatz und niedrigere Gebühren, insbesondere für einfache Transaktionen, bieten, 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 Arten von Rollups haben erhebliches Interesse gefunden. Optimistic Rollups haben derzeit mehr Anwendungen im DeFi-Bereich aufgrund ihrer EVM-Kompatibilität. ZK-Rollups holen auf, da Lösungen für die EVM-Kompatibilität sich weiterentwickeln. Laut Dune Analytics steigt der im TVL in beiden Lösungen gesperrte Gesamtwert, was zunehmendes Vertrauen und Akzeptanz widerspiegelt.

Regulatorische Überlegungen

Die kryptographische Natur von ZK-Rollups kann bessere Datenschutzfunktionen bieten, was bei der regulatorischen Konformität ein zweischneidiges Schwert sein könnte. Optimistic Rollups sind transparenter und könnten daher besser zu den Erwartungen der Regulierungsbehörden passen.

Anwendungsfälle für Optimistic Rollups und ZK-Rollups

Die EVM-Kompatibilität von Optimistic Rollups macht sie ideal für komplexe Smart-Contract-Anwendungen. Dies macht sie ideal für DeFi-Plattformen, NFT-Marktplätze und andere Anwendungen, die komplizierte Logik erfordern. Synthetix, ein Derivate-Liquiditätssystem, hat sich beispielsweise mit Optimism zusammengetan, um die 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. Die sofortige Finalität und der hohe Durchsatz von ZK-Rollups werden Zahlungs-Apps, verteilte Börsen für den Spothandel und Gaming-Plattformen unterstützen. Mit ZK-Rollups hat Loopring, ein Layer-2-Protokoll, eine verteilte Börse geschaffen, die schnellen und günstigen Handel bietet. Daten von Loopring zeigen, dass Nutzer mit Gebühren von nur 0,1 % der Hauptnetzkosten handeln können, was ihn sehr zugänglich macht.

Zunehmend auch in datenschutzbewussten Anwendungen und Identitätsvalidierungen beliebt werden ZK-Rollups. Für Compliance und Benutzerdatenschutz ermöglichen die Zero-Knowledge-Proofs den Benutzern, Eigenschaften nachzuweisen, ohne persönliche Informationen preiszugeben – eine Fähigkeit, die stark geschätzt wird.

Projekte wie zkSync zielen darauf ab, Smart Contracts auf ZK-Rollups zu ermöglichen, wodurch bisher auf Optimistic Rollups beschränkte Anwendungsfälle eröffnet werden. Während sich diese Technologien entwickeln, können ihre Fähigkeitlinien verschwimmen und Entwicklern mehr Freiheiten 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 für die Fähigkeit des Netzwerks, die wachsende Nachfrage zu bewältigen.

Dank ihrer EVM-Tauglichkeit und der einfacheren Implementierung haben optimistische Rollups in der DeFi-Szene an Beliebtheit gewonnen. Stärkere Sicherheitsgarantien und sofortige Finalität, die von ZK-Rollups geboten werden, erweitern die Grenzen der kryptographischen Erfindung.

Mit hoher Wahrscheinlichkeit werden beide Optionen koexistieren, während sich das Ethereum-Ökosystem entwickelt, um unterschiedliche Bedürfnisse und Zwecke zu bedienen. Da ihre Entwicklung die zukünftige Richtung verteilter Anwendungen stark beeinflussen wird, sollten Entwickler, Investoren und Verbraucher über diese Technologien informiert bleiben.

„Kurzfristig 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 bei Optimistic und ZK-Rollups unterstreichen diese Vision: Ein skalierbareres und effizienteres Ethereum-Netzwerk wird versprochen.