Ethereum Layer 2 Rollup-Kriege

Grundlegende Einführung

Layer 2 ist als eine der wichtigsten Lösungen für das Skalierbarkeitsproblem von Ethereum konzipiert. Durch den Aufbau einer zusätzlichen Netzwerkschicht über der Ethereum-Hauptkette können mehr Transaktionen verarbeitet werden, während die Sicherheit und Dezentralisierung der Hauptkette erhalten bleibt.

Rollup ist eine Layer-2-Skalierungslösung, die Transaktionen außerhalb der Kette verarbeitet und dann Transaktionsdaten in die Hauptkette verpackt. Seine Sicherheit wird durch Layer 1 gewährleistet. Es ist derzeit die gängigste Layer-2-Skalierungslösung. Im Vergleich zu anderen Off-Chain-Transaktionslösungen wie State Channels, Side Chains, Plasma usw. weist Rollup drei Merkmale auf:

1. Layer 2 ist eine relativ unabhängige Plattform von Layer 1. Alle teilnehmenden Benutzer sind ebenfalls unabhängige Layer 2-Konten. Benutzer können mit anderen Layer 2-Benutzern auf der Layer 2-Plattform handeln, aber die Interaktion zwischen Layer 1-Konten und Layer 2-Konten muss über Smart Contracts erfolgen, die vom Layer 2-Betreiber auf Layer 1 und Layer 2 bereitgestellt werden. Die häufigste Interaktion ist die Übertragung von Token wie ETH.

2. Alle Transaktionsinformationen müssen vollständig in der Hauptkette aufgezeichnet werden, d. h. Calldata oder Blob-Daten (EIP-4844). Selbst wenn der Layer-2-Status verloren geht, kann jeder den verlorenen Status aus den in der Hauptkette gespeicherten Informationen wiederherstellen, wodurch das Datenverfügbarkeitsproblem früherer Off-Chain-Transaktionslösungen gelöst wird.

3. Die Ausführung von Transaktionen und Statusänderungen erfolgen auf der Layer-2-Plattform, aber die Statuszusammenfassung wird in der Layer-1-Kette veröffentlicht, sodass die Layer-1-Kette durch einige Methoden zur Überprüfung der Datengültigkeit überprüft werden kann. Nach der Überprüfung wird der Layer-2-Status in der Layer-1-Hauptkette gesperrt. Je nach den verschiedenen Methoden zur Überprüfung der Datengültigkeit können Rollups weiter in optimistische Rollups und ZK-Rollups unterteilt werden.

Rollup-Verlauf

Sidechain ist eine der frühesten Layer-2-Lösungen. Wie der Name schon sagt, ist eine Sidechain eine unabhängige Blockchain, die an die Hauptkette (Layer 1) gekoppelt ist und über ein eigenes Konsensmodell und eigene Blockparameter verfügt. Wenn wir eine Blockchain an eine andere koppeln, bedeutet dies, dass wir Vermögenswerte zwischen den beiden Blockchains verschieben können. Wenn Sie schneller handeln möchten, können Sie Vermögenswerte von der Hauptkette auf die Sidechain übertragen und auf der Sidechain handeln. Nach Abschluss übertragen Sie die Vermögenswerte zurück auf die Hauptkette.

Plasma ist eine Layer-2-Erweiterungslösung, die 2017 von Joseph Poon, einem der Initiatoren des Lightning Network, und Vitalik Buterin, dem Gründer von Ethereum, vorgeschlagen wurde. Es handelt sich um eine Weiterentwicklung der Sidechain.

Plasma Chain ist eine unabhängige Blockchain, die außerhalb von Ethereum aufgebaut ist und auch als Subchain bezeichnet wird. Genau wie die Zweige eines Baums ist Ethereum der Stamm, auch als Wurzelkette bezeichnet. Jede Subchain kann einen benutzerdefinierten Smart Contract auf Ethereum bereitstellen, der zur Abwicklung verschiedener Geschäfte verwendet werden kann. Eine weitere Schicht von Subchains kann über der Plasma Chain aufgebaut werden, um ein baumartiges Plasma-Netzwerk zu bilden. Das Arbeitsprinzip von Plasma besteht darin, große Rechenaufgaben in kleine Aufgaben aufzuteilen und sie jeder Subchain zur Verarbeitung zuzuweisen. Die verarbeiteten Ergebnisse werden Schicht für Schicht zusammengefasst und an die obere Schicht übermittelt, wodurch eine schnelle und kostengünstige Verarbeitung einer großen Anzahl komplexer Berechnungen erreicht wird.

Plasma erfordert die Übermittlung der Merkle-Wurzel von Transaktionen, die auf der Plasma-Kette stattgefunden haben. Wenn ein Benutzer versucht, seine Vermögenswerte von der Plasma-Kette zurück zur Wurzelkette zu verschieben, kann der Benutzer einen Merkle-Zweig der letzten Transaktion übermitteln, die die Vermögenswerte an Plasma gesendet hat. Dies startet eine Einspruchsphase, in der jeder versuchen kann, zu beweisen, dass der Merkle-Zweig des Benutzers betrügerisch ist. Wenn der Merkle-Zweig betrügerisch ist, kann ein Betrugsnachweis übermittelt werden. Da die Wurzel-Blockchain nur die Merkle-Wurzel verfolgt, muss sie viel weniger Daten verarbeiten als Transaktionen, die auf der Hauptkette stattfinden, was die Skalierbarkeit der Wurzelkette verbessert.

Plasma ist eine unregulierte Ethereum-Sidechain-Technologie. Unreguliert bedeutet, dass selbst wenn die Plasma-Kette böswillig angegriffen wird oder die Validierer Böses im Schilde führen, die Vermögenswerte auf der Plasma-Kette sicher an die Root-Kette zurückgegeben werden können. Dies ist auch der größte Unterschied zwischen Plasma und Sidechains, die sich auf ihre eigenen Sicherheitsmodelle verlassen müssen, um die Vermögenswerte der Benutzer zu schützen. Die repräsentative Lösung von Plasma ist Polygon 1.0 (Matic).

Plasma weist jedoch drei schwerwiegende Mängel auf:

1. Die Plasma-Kette erfordert, dass ein Betreiber das Merkle-Root-Commitment an die Root-Kette veröffentlicht. Der Betreiber kann einen Datenverfügbarkeitsangriff durchführen, d. h. die Veröffentlichung bestimmter Transaktionen an die Kette verweigern. In diesem Fall verhindert das Fehlen von Transaktionen zum Erstellen von Betrugsnachweisen, dass Benutzer ihre Vermögenswerte abheben können;

2. Wenn ein Benutzer versucht, Vermögenswerte aus der Plasma-Kette abzuheben, muss er eine Exit-Transaktionsanforderung einreichen und dann eine Zeitspanne abwarten, die als Anfechtungsfrist bezeichnet wird. Während der Anfechtungsfrist kann jeder Benutzer jederzeit den Exit eines anderen Benutzers anfechten, indem er den Nachweis erbringt, dass der Exit ungültig ist.

3. Benutzer müssen alle Transaktionen in der Plasmakette überwachen und überprüfen, um böswilliges Knotenverhalten zu erkennen und rechtzeitig zu beenden. Die Transaktionsüberprüfung ist jedoch kostspielig und diese Überwachungsanforderung verursacht einen erheblichen Mehraufwand bei der Teilnahme an der Plasmakette.

Aufgrund der Mängel von Plasma ist Plasma seit 2019 in einen Entwicklungsengpass geraten. Zu diesem Zeitpunkt schlug John Adler, ein Layer-2-Skalierbarkeitsforscher bei ConsenSys, die Optimistic Rollup-Lösung vor. Da sie immer noch Betrugsnachweise verwendet, löst sie hauptsächlich das Datenverfügbarkeitsproblem von Plasma.

Auf der anderen Seite war Vitalik Buterin 2018 Vorreiter bei der Einführung der Zero-Knowledge-Proof-Technologie zum Nachweis der Gültigkeit von Blockstatusänderungen, die auch der Prototyp von ZK Rollup ist. Der Zero-Knowledge-Proof wurde erstmals Anfang der 1980er Jahre von S. Goldwasser, S. Micali und C. Rackoff vorgeschlagen. Er bezieht sich auf die Fähigkeit des Beweisers, den Prüfer davon zu überzeugen, dass eine bestimmte Behauptung richtig ist, ohne dem Prüfer nützliche Informationen zu liefern. Mit anderen Worten, der Beweiser beweist dem Prüfer und lässt ihn glauben, dass er eine bestimmte Nachricht kennt oder hat, aber der Beweisprozess kann dem Prüfer keine Informationen über die bewiesene Nachricht preisgeben.

zk-SNARK (Zero-Knowledge Succinct Non-interactive Arguments of Knowledge) ist ein weit verbreitetes allgemeines Zero-Knowledge-Beweisschema. Es wandelt jeden Rechenprozess in die Form mehrerer Gatterschaltungen um und verwendet eine Reihe mathematischer Eigenschaften von Polynomen, um die Gatterschaltungen in Polynome umzuwandeln und so nicht-interaktive Beweise zu erzeugen. Es kann in verschiedenen komplexen Geschäftsszenarien angewendet werden.

Aber ein Punkt, den zk-SNARK nicht vermeiden kann, ist das zentralisierte vertrauenswürdige Setup. Das bedeutet, dass in einem vertrauenswürdigen Setup mehrere Parteien jeweils einen Teilschlüssel generieren, um das Netzwerk zu starten und den Schlüssel dann zu zerstören. Wenn die vertraulichen Informationen des Schlüssels, der zum Erstellen des vertrauenswürdigen Setups verwendet wurde, nicht zerstört werden, können diese vertraulichen Informationen verwendet werden, um Transaktionen durch falsche Überprüfung zu fälschen.

Der 2019 vom Aztec-Forschungsteam vorgeschlagene Plonk-Algorithmus löste das Universalitätsproblem von zk-SNARK. Das heißt, das vertrauenswürdige Setup ist unabhängig von der Anwendung. Es ist nur ein vertrauenswürdiges Setup erforderlich, um alle Anwendungen zu erfüllen. Darüber hinaus kann das vertrauenswürdige Setup beliebig aktualisiert werden. Solange es einen vertrauenswürdigen Teilnehmer gibt, kann die Sicherheit des vertrauenswürdigen Setups gewährleistet werden. Man kann sagen, dass die Einführung des Plonk-Algorithmus die Entwicklung von ZK Rollup erheblich beschleunigt hat.

Rollup-Track

Betrachtet man den Rollup-Track, ist der aktuelle Wettbewerb sehr hart. Unter den Layer-2-Rollups, die im Mainnet eingeführt wurden, belegen Optimistic Rollups immer noch den größten Teil des TVL. Der Hauptgrund dafür ist, dass Optimistic Rollups die erste vollständige Rollup-Lösung ist, die implementiert wird. Mit der Reife der ZK-Rollups-Technologie haben jedoch immer mehr Menschen begonnen, dem ZK-Rollups-Ökosystem Aufmerksamkeit zu schenken und daran teilzunehmen.

Optimistische Rollups

Optimistische Rollups basieren auf der optimistischen Annahme, dass die meisten Transaktionen gültig sind, und erlauben Anfechtungen und Rollbacks, wenn Betrug entdeckt wird. Der Layer-1-Vertrag von Rollup überprüft den von Layer 2 übermittelten neuen Status nicht direkt, sondern bereitet für jeden übermittelten neuen Status eine Anfechtungsfrist vor. Da Rollup alle Transaktionsinformationen an die Hauptkette übermittelt und öffentlich macht, kann jeder das Statusupdate überprüfen (insbesondere, wenn das Statusupdate die eigene Wallet betrifft). Wenn der neue Status falsch ist, kann der Validierer einen Betrugsnachweis für den falschen Status generieren und ihn während der Anfechtungsfrist übermitteln, wodurch das falsche Statusupdate ungültig wird.

Die repräsentativen Lösungen für Optimistic Rollups sind Arbitrum und Optimism.

Arbitrum hat sein Mainnet im September 2021 offiziell gestartet und ist derzeit das Layer-2-Protokoll mit dem höchsten TVL.

Derzeit gibt es im Arbitrum-Ökosystem drei Hauptnetzwerke, darunter Arbitrum One, Arbitrum Nova und Arbitrum Orbit.

• Arbitrum One ist die zentrale Rollup-Kette des aktuellen Arbitrum-Ökosystems. Alle Transaktionsdaten werden im Mainnet Ethereum gespeichert. Die meisten der L2- und On-Chain-Ökosystemanwendungen, die wir normalerweise erwähnen, laufen auf diesem Mainnet.

• Arbitrum Nova ist ein neues Netzwerk, das auf der AnyTrust-Technologie basiert und für Spiele, soziale Anwendungen und DApp-Anwendungsfälle mit hohem Datendurchsatz entwickelt wurde. Die Transaktionsdaten des Netzwerks werden außerhalb der Kette gespeichert und vom Data Committee DAC verwaltet.

• Arbitrum Orbit ist ein Open-Source-Toolkit zum Aufbau von Layer-3-Netzwerken, das Entwickler bei der Bereitstellung und Erstellung eigener Ketten unterstützt. Entwickler können auf Basis des Orbit-Toolkits ihre eigenen Rollup- und AnyTrust-Ketten (Layer 3) erstellen und eine der Ketten, Arbitrum One oder Arbitrum Nova, als Abwicklungsebene auswählen, um eine Erweiterung zu erreichen.

Optimism hat sein Mainnet im August 2021 gestartet und verfügt derzeit über den zweitgrößten TVL in Layer 2, nur übertroffen von Arbitrum.

Optimism erreicht EVM-Äquivalenz. Solidity-Smart-Contracts auf Ethereum können auf Optimisms Layer 2 ausgeführt werden, ohne dass zusätzliche Funktionen erstellt werden müssen. Entwickler können nahtlos zu Optimism wechseln, um Anwendungen zu entwickeln.

OP Stack ist ein von Optimism eingeführtes Open-Source-Modul-Toolkit, das die Datenverfügbarkeitsschicht, die Ausführungsschicht, die Abwicklungsschicht, die Governance-Schicht usw. abdeckt. Entwickler können das OP Stack-Toolkit verwenden, um ein benutzerdefiniertes Layer-2-Netzwerk entsprechend ihren eigenen Anforderungen zusammenzustellen. Aus diesem Grund hat OP Stack das Konzept der Superkette bei Optimism eingeführt. Superkette bezieht sich auf eine Gruppe von Layer-2-Blockchains (auch als OP-Ketten bekannt), die auf OP Stack basieren. Derzeit gibt es Dutzende von Layer-Netzwerken, die auf OP Stack basieren, darunter Schwergewichtsprojekte wie Base, opBNB, Magi und Worldcoin.

ZK-Rollups

ZK Rollups verwendet eine Zero-Knowledge-Proof-Technologie, um sicherzustellen, dass Transaktionen, die außerhalb der Kette verarbeitet werden, gültig und korrekt sind, was für mehr Sicherheit und Effizienz sorgt. Nach den Statusänderungen muss die Layer-2-Plattform von Rollup einen Zero-Knowledge-Proof für die Richtigkeit der Statusänderung bereitstellen und diesen zusammen mit der Statusänderung an die Hauptkette übermitteln. Der Vertrag in der Hauptkette überprüft den Beweis, um die Richtigkeit der Statusaktualisierung festzustellen. Im Vergleich zur Optimistic Rollup-Lösung muss ZK Rollup keine lange Anfechtungsfrist festlegen, um die Layer-2-Transaktion abzuschließen, und es muss sich auch nicht darauf verlassen, dass während der Anfechtungsfrist falsche Statusaktualisierungen entdeckt werden.

Repräsentative Lösungen sind zkSync, StarkNet, Polygon zkEVM und Scroll.

ZK Rollups ist das erste zkEVM-Projekt, das im Mainnet live geht. Es basiert auf Zero-Knowledge-Proofs und ermöglicht die Überprüfung von Transaktionen, ohne die zugrunde liegenden Daten preiszugeben. Eines der Hauptmerkmale von zkSync ist die Verwendung optimistischer Übertragungen, mit denen Benutzer Transaktionen senden und empfangen können, ohne auf deren Bestätigung in der Ethereum-Blockchain warten zu müssen. Dies reduziert die Transaktionszeiten erheblich und ermöglicht einen höheren Transaktionsdurchsatz. Neben der Verwendung von Zero-Knowledge-Proofs und optimistischen Übertragungen verwendet zkSync auch mehrere andere Technologien, um Skalierbarkeit und Sicherheit zu verbessern. Zu diesen Technologien gehören die Signaturaggregation, mit der mehrere Signaturen zu einer einzigen Signatur komprimiert werden können, und die Multi-Chain-Unterstützung, die zkSync bei der Interaktion mit anderen Blockchain-Netzwerken hilft.

StarkNet verwendet die Skalierungslösung von zkSTARK, einem Zero-Knowledge-Beweissystem, mit dem Benutzer die Richtigkeit einer Berechnung beweisen können, ohne die zugrunde liegenden Daten preiszugeben. Dies ermöglicht mehr Privatsphäre und Sicherheit im Netzwerk und die Möglichkeit, komplexe Berechnungen durchzuführen, ohne einer dritten Partei vertrauen zu müssen. StarkNet nutzt auch Sharding, eine Technologie, mit der eine Blockchain in mehrere kleinere Ketten oder Shards aufgeteilt werden kann, die parallel verarbeitet werden können. Dies ermöglicht einen höheren Durchsatz und schnellere Transaktionszeiten, da jeder Shard unabhängig von den anderen Shards verarbeitet werden kann.

Polygon 2.0 führt seine ZK Rollups-Technologie namens Polygon zkEVM ein. Diese Technologie löst das Skalierbarkeitsproblem der Ethereum-Blockchain durch die Verwendung von Zero-Knowledge-Beweisen, wodurch Transaktionen im Ethereum-Netzwerk schneller und günstiger werden. Zudem ist diese Implementierung auf Bytecode-Ebene und nicht auf Sprachebene kompatibel.

Scroll ist ein EVM-kompatibles ZK-Rollup, das dieselbe Programmiersprache und dieselben Smart Contracts wie Ethereum unterstützt, sodass Entwickler ihre vorhandenen Anwendungen problemlos in das Rollup-Netzwerk migrieren können, ohne Änderungen an ihrem Code vornehmen zu müssen.

Zusammenfassen

Aufgrund eigener Leistungsprobleme kann die Blockchain die aktuellen Anforderungen nicht erfüllen. Optimistische und auf Zero-Knowledge basierende Erweiterungslösungen sollen den Leistungsengpass der Blockchain lösen und die Transaktionsgeschwindigkeit und den Durchsatz verbessern, ohne dabei Dezentralisierung und Sicherheit zu beeinträchtigen. Rollups verbessern den Durchsatz der Blockchain, indem sie Berechnungen außerhalb der Kette übertragen, d. h. eine große Anzahl von Transaktionen in einen Rollup-Block packen und einen Gültigkeitsnachweis für den Block außerhalb der Kette generieren. Der Smart Contract auf Layer 1 muss den Nachweis nur verifizieren, um den neuen Status direkt anzuwenden, wodurch weniger Gas und eine höhere Sicherheit in der Kette erreicht werden können.

Kurzfristig werden Optimistic Rollups wahrscheinlich bei allgemeinen EVM-Berechnungen gewinnen, während ZK Rollups bei einfachen Zahlungen, Transaktionen und anderen spezifischen Anwendungsszenarien gewinnen könnten. Der Hauptgrund ist, dass Zk Rollups zwar schneller und effizienter als Optimistic Rollups sind, aber keine einfache Möglichkeit bieten, bestehende Smart Contracts auf Layer 2 zu migrieren.

Dank der Entwicklung neuer Technologieanwendungen wie Blockchain und Privacy Computing in den letzten Jahren ist die Zero-Knowledge-Proof-Technologie jedoch zu einer wichtigen Technologie für den Aufbau von Vertrauen geworden. Mittel- und langfristig werden ZK Rollups mit der Verbesserung der ZK-SNARK-Technologie in allen Szenarien gewinnen und die endgültige Antwort auf Ethereums Expansionsplan sein.

Dieser Artikel stammt aus dem Internet: Ethereum Layer 2 Rollup Wars

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