Роллапы – будущее масштабирования блокчейнов Ethereum и Bitcoin

На Reddit пользователь Ethereum рассказал, как за обмен стоимостью $20 он заплатил $15 в виде комиссии за газ, задаваясь вопросом: «Разве нет лучшего способа?». Такова реальность Ethereum в периоды высокой загруженности. Несмотря на то что это самая популярная блокчейн-сеть уровня Layer-1, Ethereum сталкивается с проблемами масштабируемости.

Виталик Бутерин в своем амбициозном плане предложил блокчейн-роллапы как краткосрочное и долгосрочное решение для масштабирования Ethereum до 100 тысяч транзакций в секунду (TPS). На обычный день сеть Ethereum обрабатывает около 13 транзакций в секунду. Для сравнения: Visa справляется с 24 тысячами TPS, а Mastercard — с 5 тысячами. (Хотя существует мнение, что 24K TPS у Visa — это теоретическая пропускная способность. Реальная скорость обработки составляет около 1,700 TPS.)

Разница в производительности обусловлена тем, что Ethereum делает акцент на децентрализацию и безопасность, что негативно влияет на масштабируемость сети и увеличивает стоимость газа. Это противоречие называют тройственной дилеммой блокчейна (blockchain trilemma).

Чтобы решить проблемы с масштабируемостью и высокими комиссиями, Ethereum использует крипто-роллапы — решения для масштабирования на уровне Layer-2. Сегодня более 105 роллапов помогают улучшать масштабируемость Ethereum. В результате пропускная способность сети достигла 296 TPS, что представляет собой 21-кратное увеличение. Но что такое роллапы в блокчейне, и как они работают?

Что такое блокчейн-роллапы?

В своей работе о роллапах Виталик Бутерин обсуждает два способа масштабирования блокчейнов.

1. Увеличение емкости блокчейна с помощью таких технологий, как шардинг (sharding). Это изначальный план масштабирования Ethereum, над реализацией которого команда работает в рамках Ethereum 2.0.
2. Изменение способа использования блокчейна. Вместо того чтобы перегружать блокчейн всей транзакционной активностью, можно перенести большую часть операций вне блокчейна на уровень Layer-2.

Существует несколько способов достичь этого, но самыми популярными решениями масштабирования являются state channels (каналы состояния), plasma и rollups (роллапы).

Прелесть децентрализованной экосистемы блокчейна, такой как Ethereum, заключается в том, что, пока команда занималась разработкой решений, таких как proto-danksharding, разработчики из сообщества создали собственные решения масштабирования, такие как роллапы, которые оказались даже лучше изначального плана.

Блокчейн-роллапы — это решения для масштабирования уровня Layer-2, которые повышают пропускную способность блокчейнов уровня Layer-1, таких как Ethereum.

Роллапы снимают часть транзакций с блокчейна уровня Layer-1, упаковывают их в пакет и перемещают на более быстрый блокчейн уровня Layer-2 для обработки. Этот пакет транзакций обрабатывается как одна транзакция, которая затем публикуется на основном блокчейне с минимальными затратами на газ.

Преимущества роллапов

Роллапы уменьшают объем данных и нагрузку на основную сеть (mainnet) уровня Layer-1, увеличивая масштабируемость без ущерба для безопасности и децентрализации. Это делает их особенно полезными для развития децентрализованных финансов (DeFi), а также для создания более совершенных децентрализованных приложений (dApps) для гейминга, NFT и других сфер.

Два наиболее популярных типа роллапов — это ZK Rollups и Optimistic Rollups. Мы рассмотрим их подробнее, а затем проведем сравнительный анализ. Но сначала разберем, почему роллапы так важны.

Почему роллапы необходимы?

Блокчейны часто сталкиваются с дилеммой выбора между безопасностью, децентрализацией и масштабируемостью, что известно как тройственная дилемма блокчейна*. Это означает, что блокчейн не может одновременно быть децентрализованным, масштабируемым и безопасным.

Как отмечает Рэй Бактон:

"Безопасно и быстро? Вы только что изобрели Visa.

Безопасно и децентрализованно? Это займет вечность — никто не будет ждать так долго.

Быстро и децентрализованно? Вот где начинаются все взломы и эксплойты".

С ростом популярности и пользовательской базы блокчейны, такие как Ethereum, сталкиваются с проблемами перегрузки, задержек и высоких комиссий за газ. Роллапы позволяют блокчейнам уровня Layer-1 перераспределять значительную часть обработки транзакций за пределы основной сети. Это помогает улучшить производительность без изменений в базовой архитектуре.

Безопасность ролаппов

Роллапы используют безопасность основной сети, оставаясь более централизованными, чем блокчейны уровня Layer-1. Например, Ethereum продолжает обеспечивать своих пользователей высоко безопасными и децентрализованными транзакциями, одновременно извлекая выгоду из роллапов в виде сокращения затрат, повышения пропускной способности и скорости обработки транзакций.

Если вас интересуют цифры, посмотрите, как Виталик Бутерин объясняет влияние роллапов на Ethereum.

Математика масштабируемости Ethereum с помощью роллапов

Основные параметры:

• Лимит газа на существующем Ethereum-чейне: 12,5 млн.
• Стоимость газа за байт: 16 газ.

Расчеты:

• Средний лимит данных в каждом блоке:

12 млн / 16 = 750,000 байт данных.

• Количество транзакций в одном батче:

Роллап требует только 12 байт на одну транзакцию.

750,000 / 12 = 62,500 транзакций.

• Средняя пропускная способность с роллапами:

Предполагаемое среднее время блока: 13 секунд.

62,500 / 13 = 4807 TPS.

• Сравнение с транзакциями без роллапов:

Обычный перевод ETH требует 21,000 газа.

• Пропускная способность без роллапов:

12.5 млн / 21,000 / 13 ≈ 45 TPS.

• Прирост масштабируемости:

Роллап увеличивает пропускную способность Ethereum с 45 TPS до 4807 TPS, что обеспечивает значительный прирост масштабируемости.

Роллап демонстрирует огромный потенциал для улучшения работы блокчейнов, особенно в условиях ограниченного газа и высокой нагрузки.

Прирост масштабируемости для различных случаев использования

Перевод ETH:

• Байты в роллапе: 12
• Стоимость газа на уровне L1: 21,000
• Максимальный прирост масштабируемости: 105x

Перевод токенов ERC-20:

• Байты в роллапе: 16
• Стоимость газа на уровне L1: ~50,000
• Максимальный прирост масштабируемости: 187x

Торговля на Uniswap:

• Байты в роллапе: ~14
• Стоимость газа на уровне L1: ~100,000
• Максимальный прирост масштабируемости: 428x

Приватный вывод (Optimistic rollup):

• Байты в роллапе: 296
• Стоимость газа на уровне L1: ~380,000
• Максимальный прирост масштабируемости: 77x

Приватный вывод (ZK rollup):

• Байты в роллапе: 40
• Стоимость газа на уровне L1: ~380,000
• Максимальный прирост масштабируемости: 570x

Формула для расчета максимального прироста масштабируемости:

Максимальный прирост = (L1 gas cost) / (bytes in rollup × 16) × (12 млн / 12.5 млн).

Эти цифры дают представление о теоретическом потенциале роллапов. Хотя расчеты могут быть оптимистичными, прирост масштабируемости более чем в 100 раз ожидается как новая норма для Ethereum с полной оптимизацией роллапов.

Виды блокчейн-роллапов

Optimistic Rollups (Оптимистичные роллапы)

Оптимистичные роллапы предполагают, что все транзакции в пакете валидны, если не доказано обратное. Пользователям сети предоставляется определённый период (чаще всего около недели) для оспаривания подозрительных транзакций. Оптимистичные роллапы используют доказательства мошенничества (*fraud proofs*).

Примеры: Arbitrum, Optimism, Base и другие.

Механика работы:

1. Оператор переносит транзакции за пределы основной сети (off-chain).
2. Транзакции объединяются в пакетный блок, и криптографическое доказательство валидности передается в основной уровень (Layer-1, L1).
3. Доказательства мошенничества проверяют валидность транзакций до их добавления в основную цепочку.
4. После подтверждения доказательства валидности блок публикуется в основной цепочке.
5. После окончания периода оспаривания происходит окончательное распределение средств в основной сети.

Плюсы и минусы:

• Преимущества: Быстрая обработка транзакций за счёт предположения их валидности; простая архитектура.
• Недостатки: Вывод средств доступен только по окончании периода оспаривания (обычно до недели).

Zero-Knowledge (ZK) Rollups (Роллапы с нулевым разглашением)

ZK-роллапы используют доказательства с нулевым разглашением (*zero-knowledge proofs*) для проверки валидности транзакций. Эти доказательства представляют собой сложный криптографический код, который подтверждает валидность пакета данных без раскрытия конфиденциальной информации.

Примеры: StarkNet, zkSync, Polygon Zero и другие.

Механика работы:

1. Данные транзакций агрегируются вне основной сети (off-chain).
2. На основной уровень (L1) передаётся только доказательство ZK.
3. Это повышает безопасность, приватность, а также масштабируемость, снижая нагрузку на основную сеть.

Плюсы и минусы

Преимущества:

• Не требуется ждать неделю для вывода средств, как в случае с оптимистичными роллапами.
• Минимальное раскрытие данных для проверки транзакций.
• Экономия на комиссиях и высокая скорость.

Недостатки:

• Сложная архитектура.
• Генерация ZK-доказательств требует значительных затрат времени и ресурсов.
• Ограниченное количество применений в текущий момент.

Сравнение оптимистичных роллапов и ZK-роллапов

Готовность к DeFi

• Оптимистичные роллапы: Модель выполнения, аналогичная EVM.
• ZK-роллапы: Небольшое количество ZK-роллапов, совместимых с EVM.

Тип криптографического доказательства

• Оптимистичные роллапы: Доказательства мошенничества (Fraud Proofs).
• ZK-роллапы: Доказательства с нулевым разглашением (ZK Proofs).

Финальность транзакций

• Оптимистичные роллапы: Задержка в 1 неделю.
• ZK-роллапы: Финализация происходит немедленно.

Архитектура роллапов

• Оптимистичные роллапы: Менее сложная архитектура.
• ZK-роллапы: Более сложная архитектура.

Фиксированная стоимость газа за пакет

• Оптимистичные роллапы: Около 40,000, так как транзакции лёгкие.
• ZK-роллапы: Около 500,000, так как проверка требует больших вычислительных ресурсов.

Требование к живому мониторингу

• Оптимистичные роллапы: Требуется настройка живого мониторинга.
• ZK-роллапы: Живой мониторинг не нужен.

Стоимость газа за транзакцию в основной сети

• Оптимистичные роллапы: Стоимость выше.
• ZK-роллапы: Стоимость ниже.

Затраты на вычисления вне сети

• Оптимистичные роллапы: Затраты ниже.
• ZK-роллапы: Затраты выше.

Безопасность

• Оптимистичные роллапы: Обеспечивается криптоэкономическими стимулами.
• ZK-роллапы: Обеспечивается криптографическими доказательствами.

Краткосрочные перспективы

• Оптимистичные роллапы: Превосходят в общем EVM-выполнении и имеют широкий спектр вариантов использования.
• ZK-роллапы: Подходят для простых платежей, обменов и других специфичных приложений.

Как работают роллапы?

Роллапы сочетают вычисления вне цепочки с проверкой в основной сети, что позволяет значительно повысить масштабируемость. Процесс состоит из трёх этапов:

Пакетирование транзакций

Роллапы объединяют множество транзакций в один пакет, что сокращает объем данных, необходимых основной сети для проверки транзакций.

Это похоже на школьную привычку выносить сложные расчеты в отдельный черновик: вычисления для нескольких транзакций собираются в пакет и обрабатываются вне основной цепочки на уровне Layer-2.

Обработка вне цепочки

Роллапы выполняют обработку транзакций за пределами основной цепи, включая:

• Выполнение смарт-контрактов.
• Проверку транзакций.
• Обновление балансов счетов.

Этот подход снижает вычислительную нагрузку на основную сеть.

Участники роллапов обязаны поддерживать копии данных транзакций для обеспечения их целостности. Кроме того, доказательства мошенничества (Fraud Proofs) помогают избежать рисков и поддерживать безопасность экосистемы блокчейна.

Закрепление в основной сети

После обработки роллапы генерируют криптографические доказательства, представляющие обработанные данные. При передаче их в основную сеть:

• L1 подтверждает подлинность данных.
• Проверяет попытки двойного расходования.
• Удостоверяется в соответствии с протокольными правилами.

Эти криптографические доказательства записываются в основной блокчейн как часть транзакционного блока, финализируя изменения и обновляя состояние сети в основной цепи. После этого блок роллапов становится неизменной частью истории блокчейна.

Преимущества использования роллапов

Приватность

ZK-роллапы помогают сохранять конфиденциальность чувствительных данных, таких как финансовая информация, и предотвращают атаки MEV. Также роллапы обеспечивают безопасность и приватность для управления цифровой идентичностью.

Масштабируемость

Роллапы способствуют значительному увеличению масштабируемости децентрализованных приложений (dApps), платформ DeFi и рынков NFT, снижая транзакционные издержки и обеспечивая высокую скорость обработки.

Инновационные возможности для DeFi

Роллапы позволяют DeFi-протоколам, таким как пулы ликвидности и биржи, использовать:

• Автоматизированные маркет-мейкеры (*AMM*).
• Родные мосты для межсетевого взаимодействия.
• Мульти-роллапы (Layer-3 на базе Layer-2) для бесконечной масштабируемости.

Эффективность затрат

Поскольку вычисления происходят вне основной цепочки, Layer 1 становится легче и быстрее. Благодаря уменьшенной конкуренции между транзакциями за место в следующем блоке, затраты на газ снижаются, что делает финализацию транзакций более экономичной.

Безопасность

Роллапы используют безопасность основной сети и никогда полностью не выводят транзакции за ее пределы.

Виталик Бутерин отмечает:

"Тот факт, что данные находятся на цепочке, является ключевым. Размещение данных в основной сети и консенсус относительно их достоверности позволяют любому локально обрабатывать все операции в роллапе, обнаруживать мошенничество, инициировать выводы или самостоятельно начинать производить пакеты транзакций" .

Роллапы подтверждают валидность транзакций с помощью криптографических доказательств и стимулов, что делает их более предпочтительным решением для масштабирования по сравнению с плазмой и каналами состояния (state channels).

Проблемы и ограничения

Доступность данных

Доступность данных вызывает серьезные опасения, особенно в случае с Optimistic rollups. В этих роллапах транзакции размещаются вне цепочки, и если данные теряются или становятся недоступными, это может привести к серьезным проблемам безопасности, таким как отмена транзакций или мошеннические выводы.

Сложность

Генерация криптографических доказательств для роллапов является сложным и трудоемким процессом. Кроме того, существуют специфические роллапы для конкретных сценариев использования. Например, ZK-роллапы обладают продвинутой архитектурой, но пока не имеют общего применения, что затрудняет миграцию dApps и DeFi-платформ с Ethereum на L2.

Оптимистичные роллапы проще в реализации, но требуют периода ожидания для полной обработки транзакций. ZK-роллапы, напротив, сложны и могут ухудшить пользовательский опыт, вызвать путаницу и связанные с этим риски.

Ещё одной проблемой является отсутствие взаимодействия между различными роллапами. Интероперабельность необходима для экосистемы, и хотя ведутся разработки гибридных решений (например, совместный проект EY и Polygon), до их реализации еще далеко.

Риски безопасности

Роллапы обрабатывают транзакции вне цепочки. Несмотря на использование безопасности основной сети, сохраняются угрозы, так как роллапы остаются централизованными. Многие из них полагаются на последовательности (sequencers), которые координируют транзакции на уровне L2. Эти координаторы могут цензурировать или произвольно изменять порядок транзакций, создавая риск атак MEV.

Роллапы всё ещё находятся на начальной стадии развития. На заднем плане команды, стоящие за L2, сохраняют частичный контроль. Теоретически они могут остановить или приостановить сеть в любой момент. Кроме того, роллапы основываются на допущениях, таких как честность операторов, что в неблагоприятных условиях может привести к уязвимостям безопасности.

Примеры использования роллапов в реальном мире и DeFi

Пользователи могут значительно выиграть благодаря скорости и экономичности роллапов. В сфере децентрализованных финансов (DeFi) роллапы находят широкое применение в реальных проектах:

Приватность и управление идентичностью

Платформа Worldcoin использует OP Stack от Optimism для запуска продуктов World ID и World App на независимых Superchains.

Кредитование и займы

Популярная платформа кредитования Aave внедряет версию v3 на Metis Andromeda, L2-решении, построенном на оптимистичных роллапах.

Blockchain Canto Public развивает модульный L2 с использованием Polygon CDK, базирующегося на ZK-роллапах.

Страхование

Платформы Tidal Finance и Insured Finance используют Polygon для повышения масштабируемости, тогда как InsureDAO полагается на Optimism.

Трейдинг

Биржа OKX запускает совместимую с EVM сеть X1 на основе Polygon CDK для увеличения интероперабельности и масштабируемости.

Coinbase использует инфраструктуру роллапов OP Stack для своей L2-сети Base, а Binance интегрировала zkBNB и opBNB, увеличив блоковый газовый лимит до 300 млн и TPS до 5 000.

NFT

OpenSea добавила поддержку Arbitrum, Ethereum-роллапа, позволяя пользователям размещать на продажу NFT, построенные на этой сети.

Платежи

Gnosis Pay, платежная сеть, использует инфраструктуру Polygon zkEVM для работы своей карты Gnosis — первой в мире самокастодиальной визовой карты.

Будущее роллапов в блокчейне

Роллапы имеют огромный потенциал для применения в платежах, биржах и узконаправленных приложениях. Однако их возможности ещё полностью не раскрыты.

Ethereum Foundation и разработчики продолжают развивать новые виды роллапов, включая Based rollups и Preconfs.

• Краткосрочные перспективы: Оптимистичные роллапы, благодаря их совместимости с EVM, выигрывают за счёт упрощённой миграции существующих приложений.
• Среднесрочные и долгосрочные перспективы: ZK-роллапы предлагают более эффективные возможности для масштабирования блокчейнов.

Кроме того, разрабатываются гибридные роллапы. Например, команда Polygon уже близка к созданию zkEVM, который будет повторять архитектуру Ethereum mainnet и поддерживать любые dApp или децентрализованные сервисы, построенные на Ethereum.

Роллапы для Bitcoin становятся предметом обсуждения, однако их архитектура и сфера применения будут отличаться от Ethereum-роллапов. На текущий момент разработчики рассматривают суверенные роллапы как решение для масштабирования Bitcoin. Citrea — ещё один провайдер ZK-роллапов, который ставит целью внедрение DeFi на базе Bitcoin.