ZK-Rollups und der Weg zur Skalierung von Ethereum

Da die Kosten für die Nutzung von Ethereum steigen, ist die Notwendigkeit, das Netzwerk zu skalieren, offensichtlicher denn je. Die Zero-Knowledge Rollup-Technologie verspricht, die Gasgebühren zu senken, ohne Kompromisse bei Dezentralisierung und Sicherheit einzugehen.

Skalierbarkeitsprobleme von Ethereum

Hohe Gasgebühren sind für Ethereum zu einem großen Problem geworden.

Da Transaktionsgebühren in ETH bezahlt werden, steigen die Kosten für die Nutzung des Netzwerks, wenn der Preis des Vermögenswertes dies tut. ETH ist in diesem Jahr um 460% gestiegen, was bedeutet, dass die Transaktionskosten auch in US-Dollar um 460% gestiegen sind.

Die Transaktionsgebühren hängen auch vom Grad der Netzwerküberlastung ab. Da heute eine große Nachfrage nach Ethereum-Blockplatz besteht, sind auch die Gasgebühren hoch.

Die hohen Kosten für die Nutzung des Netzwerks haben viele Benutzer von DeFi, NFTs und sogar der Teilnahme an DAOs befreit. Viele Krypto-Enthusiasten sind aufgrund der Kosten von Ethereum zu anderen Layer-1-Blockchains wie Solana und Avalanche migriert.

In den letzten Jahren wurden mehrere Skalierungslösungen entwickelt, um die Überlastung von Ethereum zu verringern und die Transaktionskosten zu senken. Polygon wurde 2019 auf den Markt gebracht und war wohl die erste Ethereum-Skalierungslösung, die erheblich an Bedeutung gewonnen hat. Das Netzwerk verwendet eine Skalierungslösung namens Plasma, die Transaktionen von der Ethereum-Hauptblockkette in eine dedizierte Sidechain auslagert. Viele Ethereum-native DeFi-Anwendungen wie Curve und Aave wurden dieses Jahr auf Polygon gestartet.

Obwohl Polygon durch das Angebot niedriger Gebühren erfolgreich Benutzer angezogen hat, wird es oft kritisiert, dass es keine echte Skalierungslösung ist. Polygon verwendet einen eigenen Proof-of-Stake-Konsensmechanismus Satz von Knotenvalidatoren. Dies bedeutet, dass das Ethereum-Mainnet nicht zur Validierung von Transaktionen verwendet wird und daher im Allgemeinen als weniger sicher und dezentral angesehen wird. Es gibt nur 100 Validatoren für Polygon. Nach Angaben von Polygonscan, die Top-Validator-Adressenkonten für über 27 % des Netzes.

Im letzten Jahr hat eine andere Art von Skalierungslösung namens Rollups in der Ethereum-Community für Aufsehen gesorgt. Derzeit enthält jede Transaktion auf Ethereum alle Rechendaten, die für die Interaktion mit einem Smart Contract benötigt werden. Da der Blockraum begrenzt ist, kann Ethereum leicht überlastet werden, was zu langsamen Transaktionsbestätigungen und hohen Gasgebühren führt.

Rollups bieten eine Möglichkeit, Rechendaten auszulagern und Gültigkeitsnachweise an das Ethereum-Mainnet zurückzusenden. Dies spart Blockplatz und ermöglicht die Bündelung von Transaktionen, wodurch die Menge der an das Mainnet übertragenen Daten weiter reduziert wird. Wenn Transaktionen gebündelt werden, werden die Gasgebühren auf viele Benutzer aufgeteilt. Rollups bieten Benutzern nahezu sofortige Transaktionsgeschwindigkeiten und können Gebühren um den Faktor 50 bis 200 senken, während die Sicherheit und Dezentralisierung des Ethereum-Mainnets.

Was sind Zero-Knowledge-Rollups?

Rollups gibt es in zwei Geschmacksrichtungen: Optimistisch und Zero-Knowledge. Optimistische Rollups gehen davon aus, dass an die Basiskette zurückgesendete Transaktionen legitim sind. Transaktionen werden nur dann abgelehnt, wenn jemand, der die Kette beobachtet, durch Vorlage eines Betrugsnachweises nachweisen kann, dass sie betrügerisch sind. Mit anderen Worten, optimistische Rollups verfolgen bei der Validierung von Transaktionen einen „unschuldigen Ansatz, bis sich die Schuld bewiesen hat“.

Umgekehrt generieren Zero-Knowledge-Rollups, auch bekannt als ZK-Rollups, kryptografische Beweise, die zeigen, dass Transaktionen legitim sind, wenn sie an das Mainnet zurückgesendet werden. Transaktionen werden auf Ethereum erst akzeptiert, nachdem der kryptografische Nachweis validiert wurde. Im Gegensatz zu optimistischen Rollups verfolgen ZK-Rollups einen “schuldigen, bis sich als unschuldig erwiesen” Ansatz zur Validierung.

Derzeit werden optimistische Rollups am meisten angenommen, teilweise dank der einfachen Entwicklung von Anwendungen darauf. Optimistische Rollups können sofort einsatzbereite vollständige Smart Contracts unterstützen, und Entwickler können Anwendungen mit Solidity, der nativen Programmiersprache von Ethereum, programmieren. Daten von L2beat zeigt, dass das größte optimistische Rollup von heute, Arbitrum, einen Gesamtwert von über 2,5 Milliarden US-Dollar angezogen hat, der in DeFi-Anwendungen gesperrt ist. Es beherbergt viele der beliebtesten DeFi-Anwendungen auf Ethereum.

Optimistische Rollups stehen jedoch vor einigen Herausforderungen. Aufgrund ihres Ansatzes zur Validierung von Transaktionen unterliegen Gelder, die an das Ethereum-Mainnet zurückgesendet werden, einer Streitzeit von bis zu einer Woche. Dies führt zu Unannehmlichkeiten für Benutzer und beeinträchtigt die Zusammenstellbarkeit.

Optimistische Rollups haben sich zwar gegenüber Plasma-basierten Lösungen wie Polygon verbessert, gelten jedoch im Allgemeinen als unterlegen gegenüber ZK-Rollups. Optimistische Rollups haben eine Streitzeit und ein Angebot Skalierbarkeitsverbesserungen bis Faktor 77. ZK-Rollups haben keine Einspruchsfrist und bieten Verbesserungen bis zum Faktor 500.

Allerdings haben ZK-Rollups noch nicht das gleiche Kompatibilitätsniveau erreicht wie ihre optimistischen Pendants. Da ZK-Rollups jede Transaktion mit Gültigkeitsnachweisen begleiten, ist ihre Technologie schwieriger zu konstruieren. ZK-Rollups wurden entwickelt, um einfache Aufgaben wie Direktüberweisungen und Handel zu erledigen. Die Integration von Smart-Contract-Funktionen ist zwar möglich, hat sich jedoch als viel schwieriger erwiesen.

Noch in diesem Jahr hat Ethereum-Mitbegründer Vitalik Buterin vorhergesagt dass die Entwicklung von vollständig zusammensetzbaren ZK-Rollups mehrere Jahre dauern würde. Allerdings sind die Entwickler dem Zeitplan voraus. Mehrere ZK-Rollups bereiten sich darauf vor, Lösungen bereitzustellen, die sich gegenseitig zusammensetzen und interoperabel sind, sogar über Rollups hinweg.

Die Entwicklung von ZK-Rollups wird einen gemeinsamen Kommunikationsrahmen zwischen dem Ethereum-Mainnet und mehreren Layer-2-Netzwerken ermöglichen, in dem Netzwerke Liquidität teilen und die größten Herausforderungen bei der Einführung von Layer-1-Blockchains überwinden können. ZK-Rollup-basierte Netzwerke müssen nicht um Liquidität konkurrieren, um einen effizienten Handel über dezentrale Börsen zu ermöglichen, sondern können stattdessen kooperativ zusammenarbeiten, um Ethereum zu skalieren.

ZK-Rollups haben noch ein weiteres Alleinstellungsmerkmal. Transaktionen werden aufgrund der Art und Weise, wie Gebühren für jeden Transaktionsstapel berechnet werden, billiger, da mehr Personen sie verwenden. Die Kosten für den Batch-Versand unterliegen keinen großen Schwankungen, sodass die Gaskosten auf mehrere Benutzer aufgeteilt werden können, wenn mehr Transaktionen in einem Batch gebündelt werden. ZK-Rollups können nahezu unendlich viele Transaktionen bündeln, so dass die Gasgebühren für Transaktionen bei genügend Nutzern auf Bruchteile von Cents reduziert werden könnten. Diese Funktion wird als Amortisation mit Gültigkeitsnachweis bezeichnet.

Während Ethereum immer noch mit Skalierbarkeitsproblemen konfrontiert ist, sind mehrere Entwickler bereits dabei, Layer-2-ZK-Rollup-Netzwerke bereitzustellen, die eine vollständige Zusammensetzbarkeit und Kompatibilität zwischen Smart Contracts, anderen Layer-2-Lösungen und der Ethereum Virtual Machine versprechen.

Arten von ZK-Rollups

Derzeit werden zwei verschiedene Arten von ZK-Rollup in Ethereum-Skalierungslösungen verwendet.

Die erste und am weitesten verbreitete Art von ZK-Rollup verwendet ZK-SNARKs – prägnante, nicht interaktive Wissensargumente. SNARKs waren die erste Art von Zero-Knowledge-Beweis, die entdeckt wurden; das frühe Blockchain-Projekt Zcash hat sie bereits 2016 verwendet. SNARKs bilden die Mehrheit der ZK-Rollup-Entwicklerbibliotheken und veröffentlichten Code und gelten als starke Option für Ethereum-Skalierungsprojekte.

Ein großer Nachteil von SNARKs ist, dass sie ein anfängliches Erstellungsereignis der Schlüssel, die verwendet werden, um die für Transaktionen erforderlichen Nachweise zu erstellen. Wenn die Schlüssel im Trusted-Setup-Ereignis nicht zerstört werden, könnten sie verwendet werden, um neue Token aus dem Nichts zu erstellen oder Transaktionen zu fälschen.

Die bekannteste SNARK-basierte Skalierungslösung ist heute das zkSync-Projekt von Matter Labs. ZkSync wurde im Juni 2020 eingeführt und verspricht in seiner aktuellen Iteration 2.000 Transaktionen pro Sekunde, mit der Hoffnung, in Zukunft einen höheren Durchsatz zu erzielen. Im Mai begann die Plattform mit der Einführung ihres zkEVM-Testnetzes, auf die Bereitstellung von Smart Contracts in einer EVM-kompatiblen Umgebung hinzuarbeiten.

Das Hauptaugenmerk von zkSync liegt darauf, den Übergang vom Ethereum-Mainnet so einfach wie möglich zu gestalten. Wer auf zkEVM entwickeln möchte, kann Smart Contracts mit Solidity, der Programmiersprache von Ethereum, schreiben. Matter Labs kürzlich erzogen 50 Millionen US-Dollar zur Unterstützung der Entwicklung von zkSync in seiner Finanzierungsrunde der Serie B unter der Leitung von Andreessen Horowitz. Darüber hinaus hat sich das Unternehmen mit mehreren Ethereum DeFi Blue Chips wie Curve Finance, Aave und 1inch zusammengetan.

Die andere Art von ZK-Rollup verwendet STARKs – skalierbare transparente Wissensargumente. STARKs bieten gegenüber SNARKs einen Vorteil, da sie vollständig auf Hash-Funktionen angewiesen sind und kein vertrauenswürdiges Setup benötigen. Dies bedeutet, dass STARKs theoretisch sicherer sind als SNARKs, was sie zu einem Favoriten der Ethereum Foundation gemacht hat.

StarkWare ist das erste Unternehmen, das STARKs zur Skalierung von Ethereum einsetzt und ist derzeit die treibende Kraft bei der Entwicklung der STARK-basierten Technologie. StarkWare hat eine Turing-vollständige Programmiersprache für STARK-basierte ZK-Rollups namens Cairo entwickelt. Es nutzte Kairo, um sein erstes Produkt, das StarkEx-Protokoll, zu entwickeln.

StarkEx ist eine anwendungsspezifische Skalierungslösung, die derzeit von mehreren Ethereum-Projekten verwendet wird, darunter dYdX, Immutable X, Sorare und DeversiFi. StarkWare steht kurz vor der Veröffentlichung von StarkNet, einem erlaubnislosen ZK-Rollup-Netzwerk, mit dem Entwickler Anwendungen direkt auf Layer 2 erstellen und starten können. StarkNet strebt an, ein echte, dezentralisierte Multi-App-Skalierungslösung.

ZK-Rollups sind dabei, die Art und Weise, wie die Krypto-Community Ethereum verwendet, zu verändern. Da schnelle und kostengünstige Netzwerke wie zkSync und StarkNet entstehen, werden Transaktionen im Ethereum-Mainnet zunehmend auf Layer 2 ausgelagert. Dies sollte es Ethereum ermöglichen, seiner Vision, ein skalierbares, sicheres und dezentrales Blockchain-Netzwerk zu werden, näher zu kommen.

Offenlegung: Zum Zeitpunkt der Erstellung dieser Funktion besaß der Autor die ETH und mehrere andere Kryptowährungen.