ZK-Rollups und ihre Auswirkungen auf die Blockchain

Blockchains versprechen, alles zu revolutionieren, von Finanzdienstleistungen (DeFi) bis hin zum Internet (Web3). Aber in ihrem aktuellen Zustand sind die meisten noch zu langsam und teuer für den Mainstream-Einsatz. Während Visa-Transaktionen zu festen Kosten in Sekundenbruchteilen verarbeitet werden, kann die Verarbeitung von Ethereum-Transaktionen in Stoßzeiten mit unvorhersehbaren Kosten mehrere Minuten dauern.

Glücklicherweise arbeiten Blockchain-Entwickler an Möglichkeiten, diese Engpässe zu überwinden. Verbesserungen auf Layer 1 wie Ethereum 2.0 versprechen eine Beschleunigung der Transaktionen. Gleichzeitig beseitigen Skalierungslösungen auf Layer 2 wie Rollups und State Channels Überlastungen, indem sie Transaktionen von primären Blockchains weg verlagern, um sie schneller und kostengünstiger zu verarbeiten.

ZK-Rollups erfreuen sich dank ihres dezentralen Ansatzes und ihres Fokus auf Datenschutz in der Krypto-Community großer Beliebtheit – und könnten mit dem Aufstieg von zkEVMs noch beliebter werden.

Skalierbarkeit 101

Vitalik Buterin beschreibt die Herausforderungen der Blockchain als „Blockchain-Trilemma.“ Dieser Begriff bezieht sich auf die Abwägung zwischen Sicherheit, Skalierbarkeit und Dezentralisierung. Kurz gesagt geht es darum, dass jede Verbesserung der Skalierbarkeit auf Kosten der Dezentralisierung oder Sicherheit geht. Ein zentralisierter Vermittler könnte beispielsweise Transaktionen beschleunigen, aber die Dezentralisierung beeinträchtigen.

Ethereum und andere Blockchains wollen diese Herausforderungen bewältigen, indem sie Konsensmechanismen ändern und Konzepte wie „Sharding“ einführen. Sharding würde beispielsweise die Blockchain in einzelne Teile, sogenannte „Shards“, aufteilen. Jeder Shard hätte seinen eigenen Status und Transaktionsverlauf, was die Tür zur parallelen Verarbeitung von Transaktionen öffnen würde.

Zusätzlich zu diesen „Layer 1“-Änderungen führen „Layer 2“-Lösungen Off-Chain-Verarbeitungsfunktionen ein. Beispielsweise verarbeiten optimistische und zk-Rollups Stapel von Transaktionen außerhalb der Kette, bevor sie als einzelne „zusammengefasste“ Transaktion wieder eingeführt werden. Statuskanäle verwenden bidirektionale Kommunikationskanäle zwischen Teilnehmern, um Transaktionen zu bestätigen.

Was sind ZK-Rollups?

Zero-Knowledge-Rollups (ZK) bündeln Transaktionen, um den Durchsatz einer Blockchain zu verbessern und gleichzeitig die Transaktionskosten zu senken. Durch die Unterstützung sofortiger, sicherer und dezentraler Übertragungen behebt dieser Ansatz Bedenken hinsichtlich der Skalierbarkeit der Blockchain, ohne dem Blockchain-Trilemma zu erliegen (obwohl er rechenintensiver ist als andere).

So funktionieren sie im Detail:

1. Ein Benutzer sendet eine Transaktion an einen zk-Rollup-Smart-Contract im Ethereum-Mainnet.
2. Der zk-Rollup-Operator führt die Transaktion in einer Off-Chain-Umgebung aus.
3. Der Betreiber generiert einen kryptografischen Beweis, der die korrekt ausgeführten Transaktionen validiert, ohne die tatsächlichen Transaktionsdaten preiszugeben.
4. Der Betreiber übermittelt den Nachweis an den zk-rollup Smart Contract.
5. Wenn gültig, wird der zk-Rollup-Vertrag aktualisiert, um den neuen Status widerzuspiegeln.

Das Erfolgsgeheimnis liegt im kryptografischen Beweis. Obwohl die Mathematik komplex ist, können Sie sich den allgemeinen Ansatz als eine Reihe von Tests vorstellen. Nehmen wir an, jemand behauptet, der beste Bäcker der Welt zu sein, will aber kein Rezept zur Überprüfung seiner Behauptung vorlegen. Er könnte Ihnen durch eine Reihe von Geschmackstests beweisen, dass er der beste Bäcker ist, ohne sein Rezept preiszugeben.

zkEVMs beschleunigen die Einführung

ZK-Rollups repräsentieren nur ~ 1 Milliarden US-Dollar 30 Milliarden US-Dollar des gesamten gesperrten Wertes (TVL) in Ethereum – oder etwa 3 % des Gesamtmarktes. Zu den beliebtesten Lösungen gehören zkSync Era und dYdX, obwohl auch Starknet, Loopring und andere Protokolle weiterhin beliebt sind.

Dennoch stehen zk-Rollups vor einigen Hürden für eine breitere Akzeptanz. Erstens hoffen viele Krypto-Enthusiasten Ethereum 2.0 wird die Notwendigkeit solcher Lösungen zunichte machen (obwohl diese Änderungen kaum Auswirkungen auf die Gaspreise haben werden). Zweitens waren bis vor kurzem die meisten zk-Rollup-Lösungen nicht EVM-kompatibel, was sie für die meisten Ethereum-Anwendungsfälle nicht so nützlich machte.

Der Aufstieg von zkEVMs oder EVM-kompatiblen zk-Rollups könnte den zk-Rollups helfen, mehr Marktanteile zu erobern. Diese Lösungen unterstützen Smart Contracts und dApps, senken gleichzeitig die Gaskosten und erhöhen den Netzwerkdurchsatz von Ethereum. Das Beste daran ist, dass Entwickler ihre Smart Contracts problemlos auf zkEVMs migrieren können, ohne ihre Anwendungen komplett neu schreiben zu müssen.

Es befinden sich mehrere Arten von zkEVMs in der Entwicklung:

• Typ 1 – Typ 1 zkEVMs streben nach vollständiger Kompatibilität mit Ethereum, ohne den Kern von Ethereum zu verändern. Die Reinheit geht jedoch auf Kosten höherer Beweiszeiten, was sie weniger effizient macht als andere Typen. Beispiel: Scroll zkEVM.

• Typ 2 – Typ 2 zkEVMs gleichen die Kompatibilität mit geringfügigen Änderungen aus, um die Prüfzeiten zu verbessern. Obwohl die meisten Ethereum-dApps mit ihnen funktionieren würden, könnten geringfügige Änderungen erforderlich sein, um die Leistung zu verbessern. Beispiel: Optimismus.

• Typ 2.5 – zkEVMs vom Typ 2.5, auch als gasäquivalente zkEVMs bekannt, verkürzen die Worst-Case-Providerzeiten, indem sie die Gaskosten für einige Vorgänge erhöhen. Dieser Ansatz ist zwar teurer, aber weniger riskant als tiefgreifendere Änderungen am EVM.

• Typ 3 – Typ 3 zkEVMs machen Kompromisse, um die Prüfzeiten zu verbessern, und sind einfacher zu entwickeln. Während die meisten Anwendungen weiterhin funktionieren, müssen einige möglicherweise neu geschrieben werden, um mit dem zkEVM kompatibel zu werden. Beispiel: Polygon zkEVM.

• Typ 4 – Typ 4 zkEVMs kompilieren Smart-Contract-Quellcode direkt in ZK-SNARKs, was zu sehr schnellen Prüfzeiten führt. Dies führt jedoch zu mehr Inkompatibilität mit bestimmten Anwendungen, da Vertragsadressen möglicherweise nicht mit denen auf dem EVM übereinstimmen und den EVM-Bytecode möglicherweise nicht vollständig unterstützen. Beispiel: zkSync Era.

Polygon und zkSync haben Ende März 2023 die ersten zkEVM-Lösungen auf den Markt gebracht. Obwohl beide Lösungen eine lange Liste von Kryptoprojekten haben, die den Wechsel planen, warnten beide Teams davor, diese frühen Versionen mit Vorsicht zu verwenden. Sie könnten entwicklungsbedingte Wachstumsschwierigkeiten und Sicherheitsupgrades durchlaufen, bevor sie zu voll funktionsfähigen Lösungen werden.

Alternativen zu ZK-Rollups

ZK-Rollups mögen aufgrund ihrer Sicherheit und Privatsphäre der bevorzugte Ansatz sein, aber sie sind nicht die einzige Ansatz zur Skalierung von Blockchains – optimistische Rollups bleiben eine praktikable Alternative.

Optimistische Rollups gehen davon aus, dass alle Layer-2-Transaktionen gültig sind, sofern sie nicht von einem Prüfer angefochten und als falsch erwiesen werden – daher der Name „optimistisch“. Mit einer integrierten Anfechtungsfrist haben die Anfechter mehrere Tage Zeit, einen Betrugsnachweis einzureichen, um eine Reihe von Transaktionen anzufechten. Wenn der Betrugsnachweis gültig ist, wird die Transaktion annulliert und eine Strafe für den böswilligen Prüfer verhängt.

Optimistische Rollups sind zwar technologisch ausgereifter, weisen jedoch im Vergleich zu zk-Rollups einige kritische Mängel auf. Die Abhängigkeit von Validierern von Drittanbietern bedeutet, dass böswillige Akteure Gelder stehlen können, wenn keine ehrlichen Knoten die ungültigen Transaktionen anfechten. Und die Transaktionen selbst sind notwendigerweise transparent, was zu Lasten der Privatsphäre geht.

Fazit

Die Skalierbarkeit bleibt ein wesentliches Hindernis für eine breitere Einführung der Blockchain-Technologie. Während viele Blockchains strukturelle Verbesserungen vornehmen, könnten Layer-2-Lösungen die effektivste kurzfristige Lösung sein. Und zk-Rollups sind die kryptofreundlichste Option, die Dezentralisierung und Sicherheit priorisiert und bewahrt.

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