Blokķēdes mērogojamība: padziļināts ieskats Rollup tehnoloģijās

Blokķēdes tehnoloģija, lai arī revolucionāra, saskaras ar būtisku šķērsli: mērogojamību. Pieaugot blokķēdes tīklu popularitātei, tie bieži vien nespēj apstrādāt pieaugošo transakciju skaitu, kas noved pie lēnākiem apstrādes laikiem un augstākām transakciju maksām. Šis ierobežojums kavē blokķēdes plašu ieviešanu vispārējās lietojumprogrammās. Ienāk rollups: daudzsološs 2. slāņa mērogojamības risinājums, kas izstrādāts, lai risinātu šīs problēmas. Šajā visaptverošajā rokasgrāmatā mēs iedziļināsimies rollups pasaulē, izpētot to pamatā esošos mehānismus, dažādos veidus, priekšrocības un trūkumus, piedāvājot globālu perspektīvu par to ietekmi uz blokķēdes ainavu.

Blokķēdes mērogojamības problēma

Blokķēdes mērogojamības pamatproblēma izriet no populārāko blokķēžu raksturīgā dizaina, īpaši tām, kas izmanto vienprātības mehānismu, piemēram, Proof-of-Work (PoW). Katra transakcija ir jāapstiprina un jāieraksta katram tīkla mezglam, radot sastrēgumu, kad transakciju apjoms palielinās. Apskatīsim dažus reālās pasaules piemērus:

Bitcoin: Pazīstams ar savu drošību un decentralizāciju, Bitcoin var apstrādāt tikai aptuveni 7 transakcijas sekundē (TPS). Šis ierobežojums kļūst acīmredzams augsta pieprasījuma periodos, kā rezultātā palielinās transakciju maksas un pagarinās apstiprināšanas laiks. Vienkāršs pirkums, pat par mazu preci, var aizņemt ievērojamu laiku, lai to apstiprinātu, ietekmējot lietotāja pieredzi.
Ethereum: Lai gan Ethereum ir augstāks TPS nekā Bitcoin, tas joprojām saskaras ar mērogojamības problēmām. Decentralizēto lietojumprogrammu (dApps) un DeFi projektu popularitāte Ethereum tīklā ir novedusi pie tīkla pārslodzes un pārmērīgām gāzes maksām, padarot mijiedarbību ar šīm lietojumprogrammām dārgu. Pīķa stundās lietotāji ir maksājuši simtiem dolāru transakciju maksās tikai par vienkāršas viedā līguma funkcijas izpildi.

Šī nespēja efektīvi mērogoties rada ienākšanas barjeru jauniem lietotājiem un ierobežo blokķēdes tehnoloģijas potenciālu. Mērogojamības risinājumi ir būtiski, lai blokķēde varētu atbalstīt plašāku lietojumprogrammu klāstu, sākot no mikromaksājumiem un piegādes ķēdes pārvaldības līdz balsošanas sistēmām un globālām finanšu transakcijām.

Izpratne par 2. slāņa mērogošanas risinājumiem

2. slāņa risinājumi ir protokoli, kas veidoti virs esošās blokķēdes (1. slāņa), lai apstrādātu transakcijas ārpus ķēdes, tādējādi samazinot galvenās ķēdes slodzi. Šie risinājumi apstrādā transakcijas atsevišķi un pēc tam periodiski sagrupē un iesniedz rezultātus galvenajā ķēdē verifikācijai. Šī pieeja ievērojami palielina transakciju caurlaidspēju un samazina izmaksas.

Pastāv vairāki 2. slāņa mērogošanas risinājumi, tostarp:

Stāvokļu kanāli (State Channels): Ļauj dalībniekiem veikt vairākas transakcijas ārpus ķēdes un tikai galīgo stāvokli nokārtot galvenajā ķēdē. Piemēri ietver Lightning Network (Bitcoin) un Raiden Network (Ethereum).
Sānu ķēdes (Sidechains): Neatkarīgas blokķēdes, kas darbojas paralēli galvenajai ķēdei un kam ir savi vienprātības mehānismi. Aktīvus var pārsūtīt starp galveno ķēdi un sānu ķēdi.
Plasma: Ietvars mērogojamu dApps veidošanai, radot bērnu ķēdes, kas manto galvenās ķēdes drošību.
Rollups: 2. slāņa mērogojamības risinājums, kas sagrupē vairākas transakcijas vienā transakcijā galvenajā ķēdē. Tas samazina datu un aprēķinu apjomu, kas nepieciešams galvenajā ķēdē, novedot pie palielinātas mērogojamības.

Starp šiem, rollups ir kļuvuši par īpaši daudzsološu risinājumu, jo tie spēj mantot galvenās ķēdes drošību, vienlaikus nodrošinot ievērojamus mērogojamības uzlabojumus. Iedziļināsimies rollup mehānikā.

Rollups: pamati

Rollups ir 2. slāņa mērogojamības risinājuma veids, kas izpilda transakcijas ārpus ķēdes, bet publicē transakciju datus galvenajā ķēdē. Apvienojot jeb "sarullējot" vairākas transakcijas vienā transakcijā, rollups ievērojami samazina datu apjomu, kas jāapstrādā un jāuzglabā galvenajā ķēdē. Šī pieeja noved pie:

Palielināta caurlaidspēja: Rollups var apstrādāt tūkstošiem transakciju sekundē, ievērojami pārsniedzot pamatā esošās 1. slāņa blokķēdes iespējas.
Samazinātas transakciju maksas: Koplietojot vienas ķēdes transakcijas izmaksas starp daudziem lietotājiem, rollups krasi samazina transakciju maksas.
Uzlabota drošība: Rollups izmanto galvenās ķēdes drošību, publicējot transakciju datus ķēdē. Tas nodrošina, ka transakcijas ir pārbaudāmas un drošas pret viltojumiem.

Pastāv divi galvenie rollup veidi: Optimistic Rollups un ZK-Rollups, katrs ar savu unikālu pieeju, lai nodrošinātu ārpus ķēdes transakciju derīgumu.

Optimistic Rollups

Optimistic Rollups darbojas pēc principa, ka transakcijas pēc noklusējuma ir derīgas. Tā vietā, lai pārbaudītu katru transakciju atsevišķi, tie pieņem, ka transakcijas ir likumīgas, ja vien nav pierādīts pretējais. Šī "optimistiskā" pieeja nodrošina ātrāku un lētāku transakciju apstrādi.

Kā darbojas Optimistic Rollups

Transakciju izpilde: Transakcijas ārpus ķēdes izpilda rollup operators.
Stāvokļa publicēšana: Rollup operators publicē jauno stāvokļa sakni (kriptogrāfisku kopsavilkumu par rollup stāvokli) galvenajā ķēdē.
Krāpšanas pierādījumi (Fraud Proofs): Tiek uzsākts apstrīdēšanas periods, kura laikā ikviens var apstrīdēt publicētā stāvokļa derīgumu, iesniedzot krāpšanas pierādījumu.
Strīdu risināšana: Ja krāpšanas pierādījums tiek iesniegts un pierādīts kā derīgs, nepareizais stāvoklis tiek atcelts un tiek piemērots pareizais stāvoklis. Krāpšanas pierādījuma iesniedzējs parasti tiek apbalvots, un ļaunprātīgais operators tiek sodīts.

Optimistic Rollups priekšrocības

Augsta caurlaidspēja: Optimistic Rollups var sasniegt ievērojami augstāku caurlaidspēju salīdzinājumā ar galveno ķēdi.
Zemas transakciju maksas: Ķēdes verifikācijas izmaksas ir minimizētas, kas nodrošina zemākas transakciju maksas.
EVM saderība: Optimistic Rollups parasti ir saderīgi ar Ethereum virtuālo mašīnu (EVM), ļaujot izstrādātājiem viegli migrēt savas esošās dApps.

Optimistic Rollups trūkumi

Izņemšanas aizkave: Apstrīdēšanas periods rada aizkavi (parasti 7-14 dienas) līdzekļu izņemšanai no rollup uz galveno ķēdi. Šī aizkave ir nepieciešama, lai dotu laiku krāpšanas pierādījumu iesniegšanai.
Drošības pieņēmumi: Optimistic Rollups paļaujas uz pieņēmumu, ka būs vismaz viens godīgs dalībnieks, kurš būs gatavs uzraudzīt rollup un nepieciešamības gadījumā iesniegt krāpšanas pierādījumus.

Optimistic Rollups piemēri

Arbitrum: Optimistic rollup risinājums, kura mērķis ir nodrošināt mērogojamu un ar EVM saderīgu platformu dApps.
Optimism: Vēl viens optimistic rollup risinājums, kas koncentrējas uz Ethereum mērogošanu un nevainojamas lietotāja pieredzes nodrošināšanu.

ZK-Rollups

ZK-Rollups (Zero-Knowledge Rollups) izmanto nulles zināšanu pierādījumus (konkrēti, kodolīgus neinteraktīvus zināšanu argumentus jeb zk-SNARKs), lai pierādītu ārpus ķēdes transakciju derīgumu. Tā vietā, lai paļautos uz apstrīdēšanas periodu, ZK-Rollups ģenerē kriptogrāfisku pierādījumu, kas apstiprina transakciju izpildes pareizību. Šis pierādījums tiek iesniegts galvenajā ķēdē, nodrošinot ātrāku finalitāti un uzlabotu drošību.

Kā darbojas ZK-Rollups

Transakciju izpilde: Transakcijas ārpus ķēdes izpilda rollup operators.
Derīguma pierādījuma ģenerēšana: Rollup operators ģenerē nulles zināšanu pierādījumu (zk-SNARK), kas demonstrē transakciju derīgumu.
Pierādījuma iesniegšana: Derīguma pierādījums tiek iesniegts galvenajā ķēdē.
Verifikācija ķēdē: Galvenā ķēde pārbauda derīguma pierādījumu. Ja pierādījums ir derīgs, stāvoklis tiek atjaunināts.

ZK-Rollups priekšrocības

Ātra finalitāte: ZK-Rollups nodrošina ātrāku finalitāti salīdzinājumā ar Optimistic Rollups, jo transakcijas tiek nekavējoties apstiprinātas pēc derīguma pierādījuma iesniegšanas. Apstrīdēšanas periods nav nepieciešams.
Uzlabota drošība: Nulles zināšanu pierādījumu izmantošana nodrošina spēcīgas kriptogrāfiskas garantijas transakciju derīgumam.
Datu pieejamības opcionalitāte: Pastāv jaunākas inovācijas, piemēram, Validium, kas ir līdzīgas ZK-Rollups, bet dati netiek publicēti ķēdē.

ZK-Rollups trūkumi

Aprēķinu sarežģītība: Nulles zināšanu pierādījumu ģenerēšana ir skaitļošanas ziņā intensīva, prasot specializētu aparatūru un zināšanas.
EVM saderība: EVM saderības ieviešana ZK-Rollups ir sarežģīta, lai gan tiek panākts ievērojams progress. Agrīnie ZK-Rollups bieži atbalstīja tikai noteikta veida transakcijas vai lietojumprogrammas.
Izstrādes sarežģītība: ZK-Rollups izstrāde un ieviešana prasa dziļu izpratni par kriptogrāfiju un progresīvas inženierzinātņu prasmes.

ZK-Rollups piemēri

zkSync: ZK-Rollup risinājums, kura mērķis ir nodrošināt mērogojamus un drošus maksājumus un viedo līgumu funkcionalitāti Ethereum tīklā.
StarkWare: Uzņēmums, kas izstrādā ZK-Rollup risinājumus, izmantojot STARKs (Scalable Transparent ARguments of Knowledge), kas ir nulles zināšanu pierādījumu veids. Tie darbina tādus risinājumus kā dYdX (decentralizēta birža).
Polygon Hermez: Decentralizēts, atvērtā koda ZK-Rollup, kas koncentrējas uz maksājumu un žetonu pārskaitījumu mērogošanu.

Optimistic Rollups un ZK-Rollups salīdzinājums

Nākamā tabula apkopo galvenās atšķirības starp Optimistic Rollups un ZK-Rollups:

Pazīme	Optimistic Rollups	ZK-Rollups
Derīguma pierādījums	Krāpšanas pierādījumi (apstrīdēšanas periods)	Nulles zināšanu pierādījumi (zk-SNARKs/STARKs)
Finalitāte	Aizkavēta (7-14 dienas)	Ātra (gandrīz tūlītēja)
Drošība	Paļaujas uz vismaz vienu godīgu dalībnieku	Kriptogrāfiski garantēta
EVM saderība	Parasti vieglāk īstenojama	Sarežģītāk, bet strauji uzlabojas
Aprēķinu sarežģītība	Zemāka	Augstāka

Rollups un blokķēdes mērogojamības nākotne

Rollups ir gatavi spēlēt izšķirošu lomu blokķēdes mērogojamības nākotnē. Kamēr 1. slāņa blokķēdes turpina attīstīties, rollups piedāvā pragmatisku un efektīvu risinājumu, lai risinātu ķēdes apstrādes ierobežojumus. Izvēle starp Optimistic Rollups un ZK-Rollups ir atkarīga no konkrētās lietojumprogrammas prasībām un kompromisiem starp drošību, finalitāti un aprēķinu sarežģītību. Tomēr abi rollup veidi ir būtisks solis uz priekšu, lai padarītu blokķēdes tehnoloģiju pieejamāku, efektīvāku un mērogojamāku globālai auditorijai.

Vairākas tendences veido rollups nākotni:

EVM ekvivalence: Tiek strādāts pie pilnīgas EVM ekvivalences sasniegšanas gan Optimistic Rollups, gan ZK-Rollups. Tas ļautu izstrādātājiem nemanāmi izvietot esošās Ethereum dApps uz rollups, neprasot koda modifikācijas.
Hibrīda rollups: Pētnieki pēta hibrīda pieejas, kas apvieno Optimistic Rollups un ZK-Rollups stiprās puses. Piemēram, sistēma varētu izmantot Optimistic Rollups lielākajai daļai transakciju un ZK-Rollups augstvērtīgām vai kritiskām transakcijām, kam nepieciešama paaugstināta drošība.
Datu pieejamības risinājumi: Inovācijas, piemēram, Celestia, kas ir modulārs blokķēdes tīkls, kas nodrošina mērogojamu datu pieejamības slāni, var vēl vairāk uzlabot rollups mērogojamību un efektivitāti.
Starp-rollup savietojamība: Nevainojamas komunikācijas un aktīvu pārsūtīšanas nodrošināšana starp dažādiem rollups būs izšķiroša, lai izveidotu saskaņotu un savstarpēji saistītu blokķēdes ekosistēmu.

No globālās perspektīvas rollup ietekme sniedzas tālāk par tikai transakciju ātruma uzlabošanu un maksu samazināšanu. Padarot blokķēdes tehnoloģiju pieejamāku un lētāku, rollups var dot iespējas indivīdiem un uzņēmumiem jaunattīstības valstīs, veicinot finansiālo iekļaušanu un ekonomisko izaugsmi. Piemēram, rollups varētu atvieglot zemu izmaksu naudas pārvedumus, nodrošināt piekļuvi decentralizētiem finanšu pakalpojumiem tiem, kam nav bankas konta, un atbalstīt inovatīvu jaunu lietojumprogrammu izstrādi, kas pielāgotas vietējo kopienu vajadzībām. Blokķēdes ekosistēmai turpinot attīstīties, rollups neapšaubāmi spēlēs galveno lomu, veidojot decentralizētāku, efektīvāku un iekļaujošāku nākotni.

Noslēgums

Blokķēdes mērogojamība vairs nav tāls sapnis, bet gan taustāma realitāte, pateicoties inovatīviem risinājumiem, piemēram, rollups. Neatkarīgi no tā, vai tā ir Optimistic Rollups "uzticies, bet pārbaudi" pieeja vai ZK-Rollups kriptogrāfiskā stingrība, šīs tehnoloģijas fundamentāli maina veidu, kā blokķēdes apstrādā transakcijas. Nozares inovācijām turpinoties, sagaidiet vēl sarežģītākas rollup implementācijas, kas samazinās izmaksas, palielinās ātrumu un pavērs jaunas iespējas blokķēdes lietojumprogrammām visā pasaulē. Blokķēdes nākotne ir mērogojama, un rollups ir tās priekšgalā.