Škálovatelnost blockchainu: Hloubkový pohled na technologie Rollup

Technologie blockchainu, ačkoliv je revoluční, čelí významné překážce: škálovatelnosti. Jak sítě blockchainu získávají na popularitě, často se potýkají s rostoucím počtem transakcí, což vede k pomalejšímu zpracování a vyšším transakčním poplatkům. Toto omezení brání širokému přijetí blockchainu pro běžné aplikace. Zde přicházejí na scénu rollups: slibné řešení škálování na druhé vrstvě (layer-2) navržené k řešení těchto problémů. Tento komplexní průvodce se ponoří do světa rollupů, prozkoumá jejich základní mechanismy, různé typy, výhody a nevýhody a nabídne globální pohled na jejich dopad na prostředí blockchainu.

Problém škálovatelnosti blockchainu

Jádro problému škálovatelnosti blockchainu pramení z podstaty designu většiny populárních blockchainů, zejména těch, které používají konsenzuální mechanismus jako Proof-of-Work (PoW). Každá transakce musí být ověřena a zaznamenána každým uzlem v síti, což při nárůstu objemu transakcí vytváří úzké hrdlo. Podívejme se na několik příkladů z reálného světa:

Bitcoin: Známý pro svou bezpečnost a decentralizaci, Bitcoin dokáže zpracovat pouze kolem 7 transakcí za sekundu (TPS). Toto omezení se stává zřejmým v obdobích vysoké poptávky, což má za následek zvýšené transakční poplatky a delší dobu potvrzení. Jednoduchý nákup, i malé položky, může trvat značnou dobu, než se potvrdí, což ovlivňuje uživatelský zážitek.
Ethereum: Ačkoli má Ethereum vyšší TPS než Bitcoin, stále čelí problémům se škálovatelností. Popularita decentralizovaných aplikací (dApps) a DeFi projektů na Ethereu vedla k přetížení sítě a přemrštěným poplatkům za gas, což činí interakci s těmito aplikacemi nákladnou. V dobách špičky uživatelé platili stovky dolarů na transakčních poplatcích jen za spuštění jednoduché funkce chytrého kontraktu.

Tato neschopnost efektivně škálovat vytváří bariéru pro vstup nových uživatelů a omezuje potenciál technologie blockchainu. Řešení škálovatelnosti jsou klíčová pro umožnění podpory širšího spektra aplikací, od mikroplateb a řízení dodavatelského řetězce po hlasovací systémy a globální finanční transakce.

Porozumění řešením škálování na druhé vrstvě (Layer-2)

Řešení druhé vrstvy jsou protokoly postavené na existujícím blockchainu (vrstva 1), které zpracovávají transakce mimo hlavní řetězec (off-chain), čímž snižují zátěž hlavního řetězce. Tato řešení zpracovávají transakce odděleně a poté periodicky dávkují a odesílají výsledky na hlavní řetězec k ověření. Tento přístup výrazně zvyšuje propustnost transakcí a snižuje náklady.

Existuje několik řešení škálování na druhé vrstvě, včetně:

Stavové kanály: Umožňují účastníkům provádět více transakcí mimo řetězec a na hlavní řetězec zaznamenat pouze konečný stav. Příklady zahrnují Lightning Network (Bitcoin) a Raiden Network (Ethereum).
Sidechainy: Nezávislé blockchainy, které běží paralelně s hlavním řetězcem a mají své vlastní konsenzuální mechanismy. Aktiva lze přenášet mezi hlavním řetězcem a sidechainem.
Plasma: Rámec pro budování škálovatelných dApps vytvářením podřízených řetězců, které dědí bezpečnost hlavního řetězce.
Rollups: Řešení škálování na druhé vrstvě, které dávkuje více transakcí do jediné transakce na hlavním řetězci. Tím se snižuje množství dat a výpočtů potřebných na hlavním řetězci, což vede ke zvýšené škálovatelnosti.

Mezi těmito se rollups ukázaly jako obzvláště slibné řešení díky jejich schopnosti dědit bezpečnost hlavního řetězce a zároveň poskytovat významná zlepšení škálovatelnosti. Pojďme se podrobněji podívat na mechaniku rollupů.

Rollups: Základy

Rollups jsou typem řešení škálování na druhé vrstvě, které provádí transakce mimo řetězec (off-chain), ale data o transakcích zveřejňuje na hlavním řetězci. Seskupením nebo "srolováním" více transakcí do jedné jediné transakce rollups výrazně snižují množství dat, které je třeba zpracovat a uložit na hlavním řetězci. Tento přístup vede k:

Zvýšené propustnosti: Rollups mohou zpracovat tisíce transakcí za sekundu, což výrazně překračuje schopnosti podkladového blockchainu vrstvy 1.
Sníženým transakčním poplatkům: Sdílením nákladů na jednu on-chain transakci mezi mnoho uživatelů rollups drasticky snižují transakční poplatky.
Zvýšené bezpečnosti: Rollups využívají bezpečnost hlavního řetězce zveřejňováním transakčních dat on-chain. To zajišťuje, že transakce jsou ověřitelné a odolné proti manipulaci.

Existují dva hlavní typy rollupů: Optimistic Rollups a ZK-Rollups, každý s vlastním unikátním přístupem k zajištění platnosti off-chain transakcí.

Optimistic Rollups

Optimistic Rollups fungují na principu, že transakce jsou ve výchozím stavu platné. Místo ověřování každé transakce jednotlivě předpokládají, že transakce jsou legitimní, pokud není prokázán opak. Tento "optimistický" přístup umožňuje rychlejší a levnější zpracování transakcí.

Jak fungují Optimistic Rollups

Provedení transakce: Transakce jsou prováděny mimo řetězec operátorem rollupu.
Zveřejnění stavu: Operátor rollupu zveřejní nový kořen stavu (kryptografický souhrn stavu rollupu) na hlavním řetězci.
Důkazy o podvodu: Je zahájeno období pro napadení, během kterého může kdokoli zpochybnit platnost zveřejněného stavu podáním důkazu o podvodu (fraud proof).
Řešení sporů: Pokud je podán a prokázán platný důkaz o podvodu, nesprávný stav je vrácen a je aplikován správný stav. Podavatel důkazu o podvodu je obvykle odměněn a škodlivý operátor je penalizován.

Výhody Optimistic Rollups

Vysoká propustnost: Optimistic Rollups mohou dosáhnout výrazně vyšší propustnosti ve srovnání s hlavním řetězcem.
Nízké transakční poplatky: Náklady na on-chain ověření jsou minimalizovány, což vede k nižším transakčním poplatkům.
Kompatibilita s EVM: Optimistic Rollups jsou obecně kompatibilní s Ethereum Virtual Machine (EVM), což vývojářům umožňuje snadno migrovat jejich stávající dApps.

Nevýhody Optimistic Rollups

Zpoždění při výběru: Období pro napadení zavádí zpoždění (obvykle 7-14 dní) pro výběr prostředků z rollupu na hlavní řetězec. Toto zpoždění je nezbytné, aby byl čas na podání důkazů o podvodu.
Bezpečnostní předpoklady: Optimistic Rollups se spoléhají na předpoklad, že bude existovat alespoň jeden čestný účastník, který je ochoten monitorovat rollup a v případě potřeby podat důkaz o podvodu.

Příklady Optimistic Rollups

Arbitrum: Řešení typu optimistic rollup, jehož cílem je poskytnout škálovatelnou a s EVM kompatibilní platformu pro dApps.
Optimism: Další řešení typu optimistic rollup zaměřené na škálování Etherea a poskytování bezproblémového uživatelského zážitku.

ZK-Rollups

ZK-Rollups (Zero-Knowledge Rollups) používají důkazy s nulovou znalostí (konkrétně succinct non-interactive arguments of knowledge, neboli zk-SNARKs) k prokázání platnosti transakcí provedených mimo řetězec. Místo spoléhání na období pro napadení, ZK-Rollups generují kryptografický důkaz, který ověřuje správnost provedení transakce. Tento důkaz je poté odeslán na hlavní řetězec, což umožňuje rychlejší finalitu a zvýšenou bezpečnost.

Jak fungují ZK-Rollups

Provedení transakce: Transakce jsou prováděny mimo řetězec operátorem rollupu.
Generování důkazu platnosti: Operátor rollupu generuje důkaz s nulovou znalostí (zk-SNARK), který demonstruje platnost transakcí.
Odeslání důkazu: Důkaz platnosti je odeslán na hlavní řetězec.
Ověření na řetězci: Hlavní řetězec ověří důkaz platnosti. Pokud je důkaz platný, stav je aktualizován.

Výhody ZK-Rollups

Rychlá finalita: ZK-Rollups poskytují rychlejší finalitu ve srovnání s Optimistic Rollups, protože transakce jsou okamžitě ověřeny po odeslání důkazu platnosti. Není vyžadováno žádné období pro napadení.
Zvýšená bezpečnost: Použití důkazů s nulovou znalostí poskytuje silné kryptografické záruky platnosti transakcí.
Volitelná dostupnost dat: Existují novější inovace jako Validium, které jsou podobné ZK-Rollups, ale data nejsou zveřejňována on-chain.

Nevýhody ZK-Rollups

Výpočetní složitost: Generování důkazů s nulovou znalostí je výpočetně náročné a vyžaduje specializovaný hardware a odborné znalosti.
Kompatibilita s EVM: Implementace kompatibility s EVM v ZK-Rollups je náročná, ačkoli se v této oblasti dosahuje významného pokroku. Rané ZK-Rollups často podporovaly pouze specifické typy transakcí nebo aplikací.
Složitost vývoje: Vývoj a nasazení ZK-Rollups vyžaduje hluboké porozumění kryptografii a pokročilé inženýrské dovednosti.

Příklady ZK-Rollups

zkSync: Řešení ZK-Rollup, jehož cílem je poskytovat škálovatelné a bezpečné platby a funkcionalitu chytrých kontraktů na Ethereu.
StarkWare: Společnost, která vyvíjí řešení ZK-Rollup pomocí STARKs (Scalable Transparent ARguments of Knowledge), typu důkazu s nulovou znalostí. Pohánějí řešení jako dYdX (decentralizovaná burza).
Polygon Hermez: Decentralizovaný, open-source ZK-Rollup zaměřený na škálování plateb a převodů tokenů.

Porovnání Optimistic Rollups a ZK-Rollups

Následující tabulka shrnuje klíčové rozdíly mezi Optimistic Rollups a ZK-Rollups:

Vlastnost	Optimistic Rollups	ZK-Rollups
Důkaz platnosti	Důkazy o podvodu (období pro napadení)	Důkazy s nulovou znalostí (zk-SNARKs/STARKs)
Finalita	Zpožděná (7-14 dní)	Rychlá (téměř okamžitá)
Bezpečnost	Spoléhá na alespoň jednoho čestného účastníka	Kryptograficky zaručená
Kompatibilita s EVM	Obecně snazší implementace	Náročnější, ale rychle se zlepšující
Výpočetní složitost	Nižší	Vyšší

Budoucnost rollupů a škálovatelnosti blockchainu

Rollups jsou předurčeny hrát klíčovou roli v budoucnosti škálovatelnosti blockchainu. Jak se blockchainy vrstvy 1 neustále vyvíjejí, rollups nabízejí pragmatické a efektivní řešení pro řešení omezení on-chain zpracování. Volba mezi Optimistic Rollups a ZK-Rollups závisí na specifických požadavcích aplikace a kompromisech mezi bezpečností, finalitou a výpočetní složitostí. Oba typy rollupů však představují významný krok vpřed v zpřístupnění, zefektivnění a škálovatelnosti technologie blockchainu pro globální publikum.

Budoucnost rollupů formuje několik trendů:

Ekvivalence s EVM: Probíhají snahy o dosažení plné ekvivalence s EVM jak u Optimistic Rollups, tak u ZK-Rollups. To by vývojářům umožnilo bezproblémově nasazovat stávající dApps z Etherea na rollups bez nutnosti úprav kódu.
Hybridní rollups: Výzkumníci zkoumají hybridní přístupy, které kombinují silné stránky Optimistic Rollups a ZK-Rollups. Například systém by mohl používat Optimistic Rollups pro většinu transakcí a ZK-Rollups pro transakce s vysokou hodnotou nebo kritické transakce vyžadující zvýšenou bezpečnost.
Řešení pro dostupnost dat: Inovace jako Celestia, což je modulární blockchainová síť poskytující škálovatelnou vrstvu pro dostupnost dat, mohou dále zlepšit škálovatelnost a efektivitu rollupů.
Interoperabilita mezi rollupy: Umožnění bezproblémové komunikace a přenosu aktiv mezi různými rollupy bude klíčové pro vytvoření soudržného a propojeného blockchainového ekosystému.

Z globálního hlediska se dopad rollupů neomezuje pouze na zlepšení rychlosti transakcí a snížení poplatků. Tím, že činí technologii blockchainu dostupnější a cenově přijatelnější, mohou rollups posílit jednotlivce a podniky v rozvojových zemích, podporovat finanční inkluzi a hnát hospodářský růst. Například rollups by mohly usnadnit nízkonákladové remitence, umožnit přístup k decentralizovaným finančním službám pro lidi bez bankovního účtu a podpořit vývoj inovativních nových aplikací přizpůsobených potřebám místních komunit. Jak se blockchainový ekosystém neustále vyvíjí, rollups budou bezpochyby hrát stěžejní roli při formování decentralizovanější, efektivnější a inkluzivnější budoucnosti.

Závěr

Škálovatelnost blockchainu již není vzdáleným snem, ale hmatatelnou realitou díky inovativním řešením, jako jsou rollups. Ať už jde o přístup "důvěřuj, ale ověřuj" u Optimistic Rollups nebo o kryptografickou přísnost ZK-Rollups, tyto technologie zásadně mění způsob, jakým blockchainy zpracovávají transakce. Jak odvětví pokračuje v inovacích, očekávejte ještě sofistikovanější implementace rollupů, které budou snižovat náklady, zvyšovat rychlost a odemykat nové možnosti pro blockchainové aplikace po celém světě. Budoucnost blockchainu je škálovatelná a rollups stojí v čele tohoto vývoje.