Was sind Zero-Knowledge-Rollups (ZK-Rollups)?

Einfach ausgedrückt handelt es sich bei Zero-Knowledge-Rollups oder ZK-Rollups um eine Layer-2-Skalierbarkeitslösung, die es Blockchains ermöglicht, Transaktionen schneller zu validieren und gleichzeitig sicherzustellen, dass die Gasgebühren minimal bleiben. Zk-Rollups erzielen eine bessere Leistung als herkömmliche Layer-1-Blockchains, da sie On- und Off-Chain-Prozesse kombinieren.

Während das Ethereum-Mainnet explizit On-Chain-Aktivitäten nutzt, um Transaktionen zu verarbeiten und Blöcke zu validieren, führen Layer-2-ZK-Rollup-Lösungen auch Off-Chain-Funktionen ein. Eine der Hauptkomponenten, die es ihnen ermöglicht, Transaktionen schneller als Layer-1-Blockchains erfolgreich zu validieren, sind Merkle Trees.

Merkle Tree ist eine wichtige mathematische Struktur, die es Blockchains ermöglicht, sicherzustellen, dass niemand Daten in den On-Chain-Datensätzen eines ZK-Rollups fälschen kann. Normalerweise besteht ein ZK-Rollup aus zwei Merkle Trees, die beide in einem Smart Contract, also in der Kette, gespeichert sind. Ein Baum dient der Speicherung von Konten, während der andere alle Salden speichert. Alle anderen vom zk-rollup generierten und verwendeten Datentypen werden außerhalb der Kette gespeichert.

Zk-Rollups werden sowohl bei Entwicklern, die die Benutzerfreundlichkeit verbessern möchten, als auch bei Investoren und Händlern, die eine schnellere und kostengünstigere Transaktionsabwicklung wünschen, immer beliebter.

ZK-Rollups erklärt

Ein ZK-Rollup ist eine Layer-2-Skalierungslösung, die den Durchsatz von Ethereum durch die Verarbeitung von Transaktionen außerhalb des Ethereum-Mainnets erhöht. Es verringert die Überlastung der Basisschicht und verbessert die Skalierbarkeit.

Zu den drei Hauptkomponenten eines Zero-Knowledge-Rollups gehören ein Smart Contract auf Ethereum, ein Prüfer und eine Reihe von Prüfern. Interaktionen zwischen Ketten werden durch den Smart Contract verwaltet. Ein externer Prüfer generiert kryptografische Beweise für die Transaktionsgültigkeit in der Layer-2-Kette, während Verifizierer eine Gruppe von Knoten sind, die für die Bestätigung dieser Beweise und deren Übermittlung an den Smart Contract verantwortlich sind.

Benutzer signieren Transaktionen und übermitteln sie an den Prüfer, der sie überprüft und in die Warteschlange stellt. In regelmäßigen Abständen bündelt der Prüfer Tausende von Transaktionen aus der Warteschlange in einem Block und generiert einen wissensfreien Nachweis ihrer Gültigkeit. Bei diesem Beweis handelt es sich um prägnante Daten, die in nur wenigen Millisekunden überprüft werden können, ohne dass Transaktionsinformationen preisgegeben werden. Der Prüfer übermittelt dann den Beweis und eine kleine Datenmenge – wie die Statuswurzel und die Transaktionswurzel – als einzelne Transaktion an Ethereum. Der Smart-Vertrag überprüft den Beweis und aktualisiert seinen Status entsprechend.

Für das Abheben von Geldern ist ein Ausstiegsantrag erforderlich, der an einen Ethereum-Block gesendet wird. Der Smart Contract entsperrt dann das Geld und überweist es. Für Auszahlungen ist keine Wartezeit erforderlich, da diese durch Nachweise nachgewiesen werden.

Ein Hauptmerkmal von zk-rollups ist die Verwendung von Zero-Knowledge-Proofs, um Transaktionen in der Kette zu verifizieren, ohne dass Interaktion oder Vertrauen erforderlich sind. Dies ermöglicht eine hohe Skalierbarkeit, geringe Latenz und Datenschutzfunktionen.

Arten von Zero-Knoweldge-Rollup (ZK-Rollup)

Zu den Faktoren, die verschiedene Arten von Zero-Knowledge-Rollups unterscheiden, gehören:

Beweissystem : Bezieht sich auf die Art des wissensfreien Beweises, der zur Überprüfung von Transaktionen in der Kette verwendet wird. Verschiedene Proof-Systeme verfügen über unterschiedliche Eigenschaften und Kompromisse, wie z. B. Proof-Größe, Überprüfungszeit, Prüfzeit oder vertrauenswürdige Einrichtung. Zu den beliebten Beweissystemen gehören zk-SNARKs, zk-STARKs, PLONK und Bulletproofs. Beispiele für ZK-Rollups, die verschiedene Proof-Systeme verwenden, sind zkSync (PLONK), StarkWare (zk-STARKs) und Aztec (zk-SNARKs).

Schaltungsdesign: Bezieht sich auf die Kodierung und Ausführung von Transaktionen in der Layer-2-Kette. Unterschiedliche Schaltungsdesigns haben Auswirkungen auf Skalierbarkeit, Benutzerfreundlichkeit und Kompatibilität. Zu den Primärschaltungsdesigns gehören kontobasierte, UTXO-basierte und ZKVM-basierte Designs.

Beispiele für ZK-Rollups mit unterschiedlichen Schaltungsdesigns sind zkSync (kontobasiert), StarkWare (UTXO-basiert) und ZkPorter (ZKVM-basiert).

Datenverfügbarkeitslösung: Bezieht sich auf die Speicherung und den Zugriff auf Full-Block-Daten außerhalb der Kette. Verschiedene Datenverfügbarkeitslösungen bieten unterschiedliche Vor- und Nachteile, wie z. B. dezentrale Speichernetzwerke (wie IPFS), Datenverfügbarkeitsausschüsse (wie Celestia) oder Datenverfügbarkeitsstichproben (wie Validium). Beispiele für zk-Rollups, die verschiedene Datenverfügbarkeitslösungen verwenden, sind zkSync (IPFS), StarkWare (Validium) und ZkPorter (Celestia).

Was bedeutet „Zero Knowledge“ für ZK-Rollups?

In ZK-Rollups bezieht sich der Begriff „Zero-Knowledge“ auf die Verwendung von Zero-Knowledge-Beweisen für die Transaktionsüberprüfung in der Kette, ohne dass Interaktion oder Vertrauen erforderlich sind. Zero-Knowledge-Beweise sind kryptografische Beweise, die den Wahrheitsgehalt einer Aussage nachweisen können, ohne Informationen über die Aussage selbst preiszugeben.

Vorteile von ZK-Rollups

1. Niedrigere Gasgebühren: Durch die Erstellung von Zero-Knowledge-Beweisen für Transaktionsstapel und die Übermittlung minimaler On-Chain-Daten steigern ZK-Rollups die Effizienz und senken die Gaskosten.

2. Höherer Durchsatz: Durch die Umgehung von Überlastungen und Einschränkungen der Basisschicht erzielen zk-Rollups schnellere Transaktionsgeschwindigkeiten und kürzere Bestätigungszeiten. Einige Schätzungen gehen davon aus, dass ZK-Rollups den Durchsatz um das bis zu 100-fache steigern können.

3. Schnellere Bestätigungszeiten: Benutzer müssen nicht mehr auf Blockbestätigungen auf der Basisschicht warten, was je nach Netzwerkbedingungen mehrere Minuten oder Stunden dauern kann. Stattdessen erhalten sie sofortiges Feedback und Endgültigkeit in der Layer-2-Kette.

4. Datenschutzfunktionen: Zk-Rollups verbessern den Datenschutz bei Transaktionen, indem sie wissensfreie Beweise verwenden, um sie in der Kette zu überprüfen, ohne irgendwelche Informationen preiszugeben. Dies bedeutet, dass nur minimale Daten in der Kette veröffentlicht werden und keine Informationen über die Transaktionen verloren gehen. Zk-Rollups bieten auch Datenschutzfunktionen, wie z. B. das Verbergen von Transaktionsbeträgen oder Empfängern.

5. Sicherheit und Integrität: Zk-Rollups erben die Robustheit und Vertrauenslosigkeit des Konsensmechanismus und des Validierungsnetzwerks von Ethereum. Benutzer müssen Dritten oder Vermittlern nicht vertrauen, um ihre Transaktionen abzuwickeln oder ihre Daten zu speichern.

Herausforderungen oder Einschränkungen von ZK-Rollups

1. Kosten für die Beweiserstellung: Die Kosten für die Erstellung eines wissensfreien Beweises für einen Transaktionsstapel hängen von der Komplexität der Transaktionen, dem Beweissystem und dem Schaltungsdesign ab. Die Kosten für die Beweiserstellung können für einige Anwendungsfälle hoch sein, was möglicherweise die Skalierbarkeit und Benutzerfreundlichkeit von zk-rollups beeinträchtigt. Um die Kosten für die Beweiserstellung zu senken, müssen effizientere Beweissysteme oder Schaltkreisentwürfe eingesetzt oder Prüfer subventioniert oder Anreize geschaffen werden.

2. Schaltungskomplexität: Dies bezieht sich auf die Komplexität der Kodierung und Ausführung von Transaktionen auf der Layer-2-Kette, abhängig vom Schaltungsdesign und der Transaktionsfunktionalität. Eine hohe Schaltungskomplexität kann die Skalierbarkeit und Benutzerfreundlichkeit von zk-rollups für bestimmte Anwendungsfälle beeinträchtigen. Die Reduzierung der Schaltungskomplexität erfordert die Verwendung optimierterer oder spezialisierterer Schaltungsdesigns oder die Vereinfachung oder Standardisierung von Transaktionen.

3. Kompatibilitätsprobleme: Zk-Rollups sind nicht vollständig mit bestehenden Smart Contracts und Tools kompatibel, die auf Ethereum laufen, was Änderungen oder Anpassungen erforderlich macht. Entwickler müssen möglicherweise verschiedene Sprachen, Frameworks, Bibliotheken oder Standards verwenden, um Smart Contracts für ZK-Rollups zu schreiben. Benutzer benötigen möglicherweise auch unterschiedliche Wallets, Browser oder Schnittstellen, um mit zk-rollups zu interagieren. Um Kompatibilitätsprobleme anzugehen, müssen interoperablere oder universellere Lösungen verwendet oder Schulungen und Support für Entwickler und Benutzer bereitgestellt werden.