Мащабируемост на блокчейн: Подробен поглед върху технологиите Rollup

Блокчейн технологията, макар и революционна, се сблъсква със значително препятствие: мащабируемостта. С нарастването на популярността на блокчейн мрежите, те често се затрудняват да обработват нарастващия брой трансакции, което води до по-бавно време за обработка и по-високи такси за трансакции. Това ограничение възпрепятства широкото приемане на блокчейн за масови приложения. Тук на помощ идват технологиите Rollup: обещаващо решение за мащабиране на слой-2, предназначено да отговори на тези предизвикателства. Това подробно ръководство ще се потопи в света на технологиите Rollup, изследвайки техните основни механизми, различните видове, предимства и недостатъци, предлагайки глобална перспектива за тяхното въздействие върху блокчейн пейзажа.

Проблемът с мащабируемостта на блокчейн

Основният проблем с мащабируемостта на блокчейн произтича от присъщия дизайн на повечето популярни блокчейни, особено тези, които използват консенсусен механизъм като Proof-of-Work (PoW). Всяка трансакция трябва да бъде валидирана и записана от всеки възел в мрежата, което създава затруднение при увеличаване на обема на трансакциите. Нека разгледаме няколко примера от реалния свят:

• Bitcoin: Известен със своята сигурност и децентрализация, Bitcoin може да обработва само около 7 трансакции в секунда (TPS). Това ограничение става очевидно по време на периоди на голямо търсене, което води до увеличени такси за трансакции и по-дълго време за потвърждение. Една проста покупка, дори на малък артикул, може да отнеме значително време за потвърждение, което се отразява на потребителското изживяване.
• Ethereum: Въпреки че Ethereum има по-висок TPS от Bitcoin, той също се сблъсква с проблеми с мащабируемостта. Популярността на децентрализираните приложения (dApps) и DeFi проектите в Ethereum доведе до претоварване на мрежата и прекомерни такси за газ, което прави взаимодействието с тези приложения скъпо. По време на пикови периоди потребителите са плащали стотици долари такси за трансакции само за да изпълнят проста функция на умен договор.

Тази невъзможност за ефективно мащабиране създава бариера за навлизане на нови потребители и ограничава потенциала на блокчейн технологията. Решенията за мащабируемост са от решаващо значение, за да се даде възможност на блокчейн да поддържа по-широк спектър от приложения, от микроплащания и управление на веригата за доставки до системи за гласуване и глобални финансови трансакции.

Разбиране на решенията за мащабиране на слой-2

Решенията от слой-2 са протоколи, изградени върху съществуващ блокчейн (слой-1), за да обработват трансакции извън веригата, като по този начин намаляват натоварването на основната верига. Тези решения обработват трансакциите отделно и след това периодично ги групират и изпращат резултатите до основната верига за проверка. Този подход значително увеличава пропускателната способност на трансакциите и намалява разходите.

Съществуват няколко решения за мащабиране на слой-2, включително:

• Държавни канали (State Channels): Позволяват на участниците да извършват множество трансакции извън веригата и да уреждат само крайното състояние в основната верига. Примерите включват Lightning Network (Bitcoin) и Raiden Network (Ethereum).
• Странични вериги (Sidechains): Независими блокчейни, които работят паралелно на основната верига и имат свои собствени консенсусни механизми. Активите могат да се прехвърлят между основната верига и страничната верига.
• Plasma: Рамка за изграждане на мащабируеми dApps чрез създаване на дъщерни вериги, които наследяват сигурността на основната верига.
• Rollups: Решение за мащабиране на слой-2, което групира множество трансакции в една-единствена трансакция в основната верига. Това намалява количеството данни и изчисления, необходими в основната верига, което води до повишена мащабируемост.

Сред тях технологиите Rollup се очертаха като особено обещаващо решение поради способността им да наследяват сигурността на основната верига, като същевременно осигуряват значителни подобрения в мащабируемостта. Нека се задълбочим в механиката на Rollups.

Rollups: Основите

Rollups са вид решение за мащабиране на слой-2, което изпълнява трансакции извън веригата, но публикува данните за трансакциите в основната верига. Чрез обединяването или "навиването" на множество трансакции в една-единствена трансакция, Rollups значително намаляват количеството данни, които трябва да бъдат обработени и съхранени в основната верига. Този подход води до:

• Повишена пропускателна способност: Rollups могат да обработват хиляди трансакции в секунда, което значително надхвърля възможностите на основния блокчейн от слой-1.
• Намалени такси за трансакции: Чрез споделяне на разходите за една трансакция във веригата между много потребители, Rollups драстично намаляват таксите за трансакции.
• Подобрена сигурност: Rollups използват сигурността на основната верига, като публикуват данните за трансакциите във веригата. Това гарантира, че трансакциите са проверими и защитени от подправяне.

Съществуват два основни типа Rollups: Optimistic Rollups и ZK-Rollups, всеки със свой собствен уникален подход за гарантиране на валидността на трансакциите извън веригата.

Optimistic Rollups

Optimistic Rollups работят на принципа, че трансакциите са валидни по подразбиране. Вместо да проверяват всяка трансакция поотделно, те приемат, че трансакциите са легитимни, освен ако не се докаже противното. Този "оптимистичен" подход позволява по-бърза и по-евтина обработка на трансакциите.

Как работят Optimistic Rollups

1. Изпълнение на трансакции: Трансакциите се изпълняват извън веригата от оператор на Rollup.
2. Публикуване на състоянието: Операторът на Rollup публикува новия корен на състоянието (криптографско обобщение на състоянието на Rollup) в основната верига.
3. Доказателства за измама: Започва период на оспорване, по време на който всеки може да оспори валидността на публикуваното състояние, като представи доказателство за измама.
4. Разрешаване на спорове: Ако бъде представено и доказано като валидно доказателство за измама, невярното състояние се отменя и се прилага правилното състояние. Подателят на доказателството за измама обикновено се възнаграждава, а злонамереният оператор се наказва.

Предимства на Optimistic Rollups

• Висока пропускателна способност: Optimistic Rollups могат да постигнат значително по-висока пропускателна способност в сравнение с основната верига.
• Ниски такси за трансакции: Разходите за проверка във веригата са сведени до минимум, което води до по-ниски такси за трансакции.
• Съвместимост с EVM: Optimistic Rollups обикновено са съвместими с виртуалната машина на Ethereum (EVM), което позволява на разработчиците лесно да мигрират своите съществуващи dApps.

Недостатъци на Optimistic Rollups

• Закъснение при теглене: Периодът на оспорване въвежда закъснение (обикновено 7-14 дни) при теглене на средства от Rollup към основната верига. Това забавяне е необходимо, за да се даде време за представяне на доказателства за измама.
• Предположения за сигурност: Optimistic Rollups разчитат на предположението, че ще има поне един честен участник, който е готов да наблюдава Rollup и да представи доказателства за измама, ако е необходимо.

Примери за Optimistic Rollups

• Arbitrum: Решение за Optimistic Rollup, което има за цел да предостави мащабируема и съвместима с EVM платформа за dApps.
• Optimism: Друго решение за Optimistic Rollup, фокусирано върху мащабирането на Ethereum и предоставянето на безпроблемно потребителско изживяване.

ZK-Rollups

ZK-Rollups (Zero-Knowledge Rollups) използват доказателства с нулево знание (по-конкретно, кратки неинтерактивни аргументи на знанието, или zk-SNARKs), за да докажат валидността на трансакциите извън веригата. Вместо да разчитат на период на оспорване, ZK-Rollups генерират криптографско доказателство, което удостоверява коректността на изпълнението на трансакцията. След това това доказателство се изпраща до основната верига, което позволява по-бърза окончателност и подобрена сигурност.

Как работят ZK-Rollups

1. Изпълнение на трансакции: Трансакциите се изпълняват извън веригата от оператор на Rollup.
2. Генериране на доказателство за валидност: Операторът на Rollup генерира доказателство с нулево знание (zk-SNARK), което демонстрира валидността на трансакциите.
3. Изпращане на доказателство: Доказателството за валидност се изпраща до основната верига.
4. Проверка във веригата: Основната верига проверява доказателството за валидност. Ако доказателството е валидно, състоянието се актуализира.

Предимства на ZK-Rollups

• Бърза окончателност: ZK-Rollups осигуряват по-бърза окончателност в сравнение с Optimistic Rollups, тъй като трансакциите се валидират незабавно след представяне на доказателството за валидност. Не се изисква период на оспорване.
• Подобрена сигурност: Използването на доказателства с нулево знание осигурява силни криптографски гаранции за валидността на трансакциите.
• Опционалност за наличност на данни: Съществуват по-нови иновации като Validium, които са подобни на ZK-Rollups, но данните не се публикуват във веригата.

Недостатъци на ZK-Rollups

• Изчислителна сложност: Генерирането на доказателства с нулево знание е изчислително интензивно, изискващо специализиран хардуер и експертиза.
• Съвместимост с EVM: Внедряването на съвместимост с EVM в ZK-Rollups е предизвикателство, въпреки че се постига значителен напредък. Ранните ZK-Rollups често поддържаха само определени видове трансакции или приложения.
• Сложност на разработката: Разработването и внедряването на ZK-Rollups изисква дълбоко разбиране на криптографията и напреднали инженерни умения.

Примери за ZK-Rollups

• zkSync: Решение за ZK-Rollup, което има за цел да предостави мащабируеми и сигурни плащания и функционалност на умни договори в Ethereum.
• StarkWare: Компания, която разработва решения за ZK-Rollup, използвайки STARKs (Scalable Transparent ARguments of Knowledge), вид доказателство с нулево знание. Те захранват решения като dYdX (децентрализирана борса).
• Polygon Hermez: Децентрализиран ZK-Rollup с отворен код, фокусиран върху мащабирането на плащания и трансфери на токени.

Сравнение между Optimistic Rollups и ZK-Rollups

Следващата таблица обобщава основните разлики между Optimistic Rollups и ZK-Rollups:

Характеристика	Optimistic Rollups	ZK-Rollups
Доказателство за валидност	Доказателства за измама (Период на оспорване)	Доказателства с нулево знание (zk-SNARKs/STARKs)
Окончателност	Забавена (7-14 дни)	Бърза (Почти моментална)
Сигурност	Разчита на поне един честен участник	Криптографски гарантирана
Съвместимост с EVM	По-лесна за внедряване като цяло	По-предизвикателна, но бързо се подобрява
Изчислителна сложност	По-ниска	По-висока

Бъдещето на Rollups и мащабируемостта на блокчейн

Технологиите Rollup са напът да изиграят решаваща роля в бъдещето на мащабируемостта на блокчейн. Тъй като блокчейните от слой-1 продължават да се развиват, Rollups предлагат прагматично и ефективно решение за справяне с ограниченията на обработката във веригата. Изборът между Optimistic Rollups и ZK-Rollups зависи от специфичните изисквания на приложението и компромисите между сигурност, окончателност и изчислителна сложност. Въпреки това, и двата вида Rollups представляват значителна стъпка напред в превръщането на блокчейн технологията в по-достъпна, ефективна и мащабируема за глобална аудитория.

Няколко тенденции оформят бъдещето на Rollups:

• Еквивалентност с EVM: Полагат се усилия за постигане на пълна еквивалентност с EVM както в Optimistic Rollups, така и в ZK-Rollups. Това ще позволи на разработчиците безпроблемно да внедряват съществуващи dApps на Ethereum в Rollups, без да са необходими промени в кода.
• Хибридни Rollups: Изследователите проучват хибридни подходи, които комбинират силните страни на Optimistic Rollups и ZK-Rollups. Например, една система може да използва Optimistic Rollups за повечето трансакции и ZK-Rollups за трансакции с висока стойност или критични трансакции, изискващи подобрена сигурност.
• Решения за наличност на данни: Иновации като Celestia, която е модулна блокчейн мрежа, предоставяща мащабируем слой за наличност на данни, могат допълнително да подобрят мащабируемостта и ефективността на Rollups.
• Интероперабилност между Rollups: Осигуряването на безпроблемна комуникация и прехвърляне на активи между различни Rollups ще бъде от решаващо значение за създаването на сплотена и взаимосвързана блокчейн екосистема.

От глобална гледна точка, въздействието на Rollups се простира отвъд простото подобряване на скоростта на трансакциите и намаляването на таксите. Като правят блокчейн технологията по-достъпна и рентабилна, Rollups могат да дадат възможности на лица и бизнеси в развиващите се страни, насърчавайки финансовото включване и стимулирайки икономическия растеж. Например, Rollups биха могли да улеснят евтините парични преводи, да осигурят достъп до децентрализирани финансови услуги за хората без банкови сметки и да подкрепят разработването на иновативни нови приложения, съобразени с нуждите на местните общности. Тъй като блокчейн екосистемата продължава да се развива, Rollups несъмнено ще играят ключова роля в оформянето на по-децентрализирано, ефективно и приобщаващо бъдеще.

Заключение

Мащабируемостта на блокчейн вече не е далечна мечта, а осезаема реалност благодарение на иновативни решения като Rollups. Независимо дали става въпрос за подхода "доверявай се, но проверявай" на Optimistic Rollups или криптографската строгост на ZK-Rollups, тези технологии фундаментално променят начина, по който блокчейните обработват трансакции. Тъй като индустрията продължава да прави нововъведения, очаквайте да видите още по-усъвършенствани внедрявания на Rollups, които ще намаляват разходите, ще увеличават скоростта и ще отключват нови възможности за блокчейн приложения по целия свят. Бъдещето на блокчейн е мащабируемо, а Rollups водят промяната.