TL;DR
Eine geringe Skalierbarkeit der Blockchain führt zu langsameren Geschwindigkeiten, höheren Transaktionsgebühren und einer schlechten Nutzererfahrung. Für dieses Problem gibt es zwei Lösungsansätze: Lösungen auf Ebene 1 (Layer 1) wie Sharding und Lösungen auf Ebene 2 (Layer 2) wie Rollups.
Layer-1-Lösungen zielen darauf ab, die Blockchain selbst zu verbessern, während Layer-2-Lösungen auf der bestehenden Blockchain aufbauen.
Rollups sind eine beliebte Layer-2-Lösung. Sie fassen Transaktionen außerhalb der Blockchain zusammen, um die Berechnungen zu beschleunigen.
Ein ZK-Rollup ist eine Art von Rollup, das eine kryptografische Technik namens Zero-Knowledge-Beweis anwendet.
Zero-Knowledge-Beweise ermöglichen die Verifizierung einer Aussage, ohne dass die zugrundeliegenden Informationen offengelegt werden, und gewährleisten so Datenschutz und die Sicherheit von Transaktionen.
Lösungsansätze für das Skalierungsproblem
Mit der zunehmenden Verbreitung von Kryptowährungen müssen die Skalierbarkeitsprobleme von Blockchain-Netzwerken dringend gelöst werden. Eine überlastete Blockchain führt zu langsameren Geschwindigkeiten und höheren Transaktionsgebühren. Lösungsansätze gibt es auf Ebene 1 und Ebene 2.
Layer-1-Lösungen: Sie verändern direkt die Grundstruktur der Blockchain, um dem Gesamtsystem einen höheren Durchsatz zu ermöglichen. Ein gutes Beispiel ist das Sharding, bei dem die Blockchain in verschiedene Segmente aufgeteilt wird, was die Kapazität des Systems erhöht und die gleichzeitige Verarbeitung von Transaktionen erlaubt.
Layer-2-Lösungen: Sie bauen auf der Blockchain auf. Auf Ebene 2 werden Transaktionen „Off-Chain“ verarbeitet und en masse auf die Basisebene zurückübertragen. Zu den wichtigsten Techniken gehören State Channels, Sidechains und Rollups. ZK-Rollups sind eine Form von Rollups, die Zero-Knowledge-Beweise verwenden.
Was sind ZK-Rollups?
Um ZK-Rollups zu verstehen, muss man wissen, was Rollups und Zero-Knowledge-Beweise sind.
Was sind Rollups?
Rollups ermöglichen es Blockchains, Transaktionsdaten außerhalb der Kette zu bündeln und zu verarbeiten. Das Endprodukt wird anschließend in die Basisebene zurückgeführt. Durch die gleichzeitige Verarbeitung vieler Transaktionen wird die Blockchain nicht überladen, was schnellere und kostengünstigere Berechnungen ermöglicht. Rollups lassen sich in zwei Kategorien einteilen: optimistische Rollups und ZK-Rollups.
Optimistische Rollups: Bei optimistischen Rollups wird davon ausgegangen, dass alle Transaktionen, die zusammengefasst wurden, legitim sind. Bevor diese Transaktionen in die Blockchain übernommen werden, unterliegen sie einer Wartezeit, während der das System fragwürdige Transaktionen anfechten kann. Beispiele für optimistische Rollups sind Optimism, Arbitrum und opBNB.
ZK-Rollups: Im Gegensatz zu den optimistischen Rollups wird bei ZK-Rollups jede einzelne Transaktion mithilfe einer Gültigkeitsprüfung, die auf dem Zero-Knowledge-Verfahren basiert, validiert. ZK-Rollups sind schwieriger zu implementieren, aber bei ihnen kann die Anfechtungsphase übersprungen werden, weshalb die Transaktionen theoretisch schneller verarbeitet werden.
Werfen wir nun einen Blick auf die Zero-Knowledge-Technologie.
Was ist ein Zero-Knowledge-Beweis?
Ein Zero-Knowledge-Beweis ist eine kryptografische Methode, mit der eine Partei (der Beweisführer) einer anderen Partei (dem Prüfer) beweisen kann, dass eine bestimmte Aussage wahr ist, ohne sensible Details über die Aussage selbst preiszugeben.
Ein Zero-Knowledge-Beweis muss drei Bedingungen erfüllen:
Vollständigkeit: Wenn die Aussage korrekt ist und beide Parteien aufrichtig sind, wird der Beweis immer die Korrektheit der Aussage bestätigen.
Zuverlässigkeit: Ein unehrlicher Beweisführer sollte nicht in der Lage sein, einen ehrlichen Prüfer von der Gültigkeit einer falschen Aussage zu überzeugen, außer unter den seltensten Umständen.
Nullwissen: Dies ist die wichtigste Eigenschaft. Der Prüfer erfährt am Ende des Prozesses nur die Gültigkeit der Aussage, ohne Kenntnis über die Informationen zu erhalten, die zu ihrer Erstellung verwendet wurden.
Wie funktioniert also ein Zero-Knowledge-Beweis? Die Methode umfasst drei Schritte:
Übermittlung des Zeugen: Der Beweisführer übermittelt dem Prüfer eine geheime Information, den sogenannten Zeugen. Der Beweisführer muss dem Prüfer beweisen, dass er auf bestimmte Daten zugreifen kann, ohne diese jedoch preiszugeben. Der Zeuge legt eine Reihe von Fragen zu den geheimen Informationen fest, die nur von einem legitimen Beweisführer beantwortet werden können.
Herausforderung: Der Prüfer testet den Beweisführer, indem er ihm zufällige Fragen aus dem Datensatz stellt.
Antwort: Der Beweisführer weist seine Vertrauenswürdigkeit nach, indem er die Fragen des Prüfers richtig beantwortet.
Nachdem wir jetzt wissen, was Rollups und Zero-Knowledge-Beweise sind, wollen wir im nächsten Schritt herausfinden, wie ZK-Rollups funktionieren.
Wie funktionieren ZK-Rollups?
ZK-Rollups haben zwei Kernkomponenten:
On-Chain-Smart-Contracts: Sie definieren die Regeln, nach denen das ZK-Rollup-Protokoll funktioniert. Sie umfassen den Haupt- und den Verifizierungskontrakt. Der Hauptkontrakt speichert Rollup-Blöcke, überwacht Einzahlungen und nimmt wichtige Aktualisierungen vor. Der Verifizierungskontrakt validiert die erzeugten Zero-Knowledge-Beweise.
Virtuelle Off-Chain-Maschinen: Sie führen Transaktionen außerhalb der Ethereum-Blockchain auf Ebene 2 aus. Sie arbeiten unabhängig von der Ethereum-Blockchain.
ZK-Rollups sind eng mit der Ethereum-Blockchain verzahnt, wenngleich sie auf einer separaten Ebene laufen. Sie übermitteln nicht jedes winzige Detail der Transaktionen an Ethereum, sondern liefern intelligent gebündelte Zusammenfassungen, die sicherstellen, dass die Basisebene übersichtlich und effizient bleibt und nicht überlastet wird.
Vor- und Nachteile von ZK-Rollups
Sehen wir uns die Vor- und Nachteile der Verwendung von ZK-Rollups an.
Vorteile von ZK-Rollups
Höherer Durchsatz: ZK-Rollups verlagern die Ausführung von Transaktionen von der Basisebene auf eine effizientere Rechenumgebung. Da die Transaktionen nicht einzeln auf der Kette verarbeitet werden, erhöht sich der Gesamtdurchsatz der Blockchain.
Weniger Überlastungen: ZK-Rollups tragen zu einem effizienten Betrieb auf der Basisebene bei und helfen so, Überlastungen in der Blockchain zu vermeiden. Außerdem müssen voll ausgelastete Knoten nur Zero-Knowledge-Beweise statt der gesamten Datensätze speichern.
Geringere Gebühren: Weniger Überlastungen führen zu niedrigeren Gesamtgebühren.
Sicherheitsmechanismen: ZK-Rollups verfügen über Sicherheitsmechanismen, die es den Nutzern erlauben, Mittel auch dann auszuzahlen, wenn eine Störung im Rollup-Netzwerk vorliegt. Dies ist ein klarer Vorteil gegenüber Sidechains, bei denen die Mittel der Nutzer im Falle von Netzwerkausfällen gefährdet sind.
Schnellere Transaktionsprüfung: Bei ZK-Rollups müssen nur die Gültigkeitsnachweise innerhalb der Rollups verifiziert werden, wodurch die Dauer der Transaktionsprüfung verkürzt wird.
Nachteile von ZK-Rollups
Erhöhte Komplexität: Der größte Nachteil von ZK-Rollups ist ihre inhärente Komplexität. Ihre Ausführung ist viel anspruchsvoller als die von optimistischen Rollups.
Einschränkungen durch die Basisebene: Trotz ihrer Effizienz sind ZK-Rollups an die Beschränkungen der Basisebene gebunden.
Streuung der Liquidität: Die Einführung einer zweiten Ebene außerhalb der Blockhain führt zu einer Streuung der Liquidität im Ökosystem, und eine geringe Liquidität in den Protokollen der Basisebene kann Probleme verursachen.
Vergleich von optimistischen Rollups und ZK-Rollups
Schauen wir uns noch einmal die Unterschiede zwischen optimistischen Rollups und ZK-Rollups im Überblick an.
Fazit
Die Skalierbarkeit wird oft als der heilige Gral der Blockchain-Technologie beschrieben. Es macht keinen Sinn, ein System zu nutzen, wenn es nicht optimal funktioniert. Sowohl optimistische Rollups als auch ZK-Rollups bieten eine elegante Lösung für dieses seit langem bestehende Problem. ZK-Rollups versprechen mit ihrem einzigartigen Ansatz höhere Transaktionsgeschwindigkeiten, weniger Netzwerkauslastung und hohe Sicherheit. Zwar ist ihre Umsetzung anspruchsvoll, doch ihr Potenzial ist enorm. Wer sich für die zukünftige Entwicklung von Kryptowährungen interessiert, muss ZK-Rollups kennen. Ihnen kommt eine zentrale Rolle im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit und Bedeutung von Blockchains in der Zukunft zu.
Weiterführende Lektüre
Optimistic vs. Zero-Knowledge Rollups: Was ist der Unterschied?
Was ist die zkEVM und wie kann sie das Ethereum-Ökosystem verbessern?
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