Масштабованість блокчейну: глибоке занурення в технології Rollup

Технологія блокчейн, хоч і є революційною, стикається зі значною перешкодою: масштабованістю. У міру зростання популярності блокчейн-мереж, вони часто не можуть впоратися зі зростаючою кількістю транзакцій, що призводить до уповільнення обробки та підвищення комісій. Це обмеження перешкоджає широкому впровадженню блокчейну для масових застосувань. На допомогу приходять rollup-рішення: багатообіцяюча технологія масштабування другого рівня (layer-2), розроблена для вирішення цих проблем. Цей вичерпний посібник занурить вас у світ rollup-рішень, досліджуючи їхні механізми, типи, переваги та недоліки, а також пропонуючи глобальний погляд на їхній вплив на ландшафт блокчейну.

Проблема масштабованості блокчейну

Основна проблема масштабованості блокчейну походить від самої архітектури більшості популярних блокчейнів, особливо тих, що використовують механізм консенсусу, як-от Proof-of-Work (PoW). Кожна транзакція повинна бути перевірена та записана кожним вузлом у мережі, що створює вузьке місце при збільшенні обсягу транзакцій. Розглянемо кілька реальних прикладів:

Bitcoin: Відомий своєю безпекою та децентралізацією, Bitcoin може обробляти лише близько 7 транзакцій на секунду (TPS). Це обмеження стає очевидним у періоди високого попиту, що призводить до збільшення комісій та довшого часу підтвердження. Проста покупка, навіть невеликого товару, може зайняти значний час для підтвердження, що негативно впливає на користувацький досвід.
Ethereum: Хоча Ethereum має вищий TPS, ніж Bitcoin, він все ще стикається з проблемами масштабованості. Популярність децентралізованих додатків (dApps) та DeFi-проєктів на Ethereum призвела до перевантаження мережі та надмірних комісій за газ, що робить взаємодію з цими додатками дорогою. У періоди пікового навантаження користувачі платили сотні доларів комісій лише за виконання простої функції смарт-контракту.

Ця нездатність ефективно масштабуватися створює бар'єр для входу нових користувачів та обмежує потенціал технології блокчейн. Рішення для масштабування є вирішальними для того, щоб блокчейн міг підтримувати ширший спектр застосувань, від мікроплатежів та управління ланцюгами постачання до систем голосування та глобальних фінансових транзакцій.

Розуміння рішень масштабування другого рівня (Layer-2)

Рішення другого рівня (Layer-2) — це протоколи, побудовані поверх існуючого блокчейну (першого рівня, layer-1), для обробки транзакцій поза основною мережею (off-chain), тим самим зменшуючи навантаження на неї. Ці рішення обробляють транзакції окремо, а потім періодично групують та надсилають результати в основну мережу для перевірки. Такий підхід значно збільшує пропускну здатність транзакцій та знижує витрати.

Існує кілька рішень для масштабування другого рівня, зокрема:

Канали стану (State Channels): Дозволяють учасникам проводити безліч транзакцій поза мережею і лише фіксувати кінцевий стан в основній мережі. Приклади: Lightning Network (Bitcoin) та Raiden Network (Ethereum).
Сайдчейни (Sidechains): Незалежні блокчейни, які працюють паралельно з основною мережею та мають власні механізми консенсусу. Активи можна переміщувати між основною мережею та сайдчейном.
Plasma: Фреймворк для створення масштабованих dApps шляхом створення дочірніх ланцюгів, які успадковують безпеку основної мережі.
Rollups: Рішення для масштабування другого рівня, яке об'єднує безліч транзакцій в одну транзакцію в основній мережі. Це зменшує обсяг даних та обчислень, необхідних в основній мережі, що призводить до підвищення масштабованості.

Серед них rollup-рішення стали особливо перспективними завдяки їхній здатності успадковувати безпеку основної мережі, забезпечуючи при цьому значні покращення масштабованості. Давайте глибше зануримося в механіку rollup-рішень.

Rollups: Основи

Rollups — це тип рішення для масштабування другого рівня, яке виконує транзакції поза мережею (off-chain), але публікує дані про транзакції в основній мережі. Об'єднуючи або "згортаючи" (rolling up) кілька транзакцій в одну, rollup-рішення значно зменшують обсяг даних, які необхідно обробляти та зберігати в основній мережі. Цей підхід призводить до:

Збільшення пропускної здатності: Rollups можуть обробляти тисячі транзакцій на секунду, що значно перевищує можливості базового блокчейну першого рівня.
Зниження комісій за транзакції: Розподіляючи вартість однієї транзакції в основній мережі між багатьма користувачами, rollup-рішення суттєво зменшують комісії.
Підвищена безпека: Rollups використовують безпеку основної мережі, публікуючи дані про транзакції on-chain. Це гарантує, що транзакції можна перевірити і вони захищені від підробки.

Існує два основних типи rollup-рішень: Optimistic Rollups та ZK-Rollups, кожен з яких має свій унікальний підхід до забезпечення дійсності транзакцій, що виконуються поза мережею.

Optimistic Rollups

Optimistic Rollups працюють за принципом, що транзакції є дійсними за замовчуванням. Замість перевірки кожної транзакції окремо, вони припускають, що транзакції є законними, доки не буде доведено протилежне. Цей "оптимістичний" підхід дозволяє швидше та дешевше обробляти транзакції.

Як працюють Optimistic Rollups

Виконання транзакцій: Транзакції виконуються поза мережею оператором rollup-рішення.
Публікація стану: Оператор rollup-рішення публікує новий корінь стану (криптографічний підсумок стану rollup) в основній мережі.
Докази шахрайства (Fraud Proofs): Ініціюється період оскарження, протягом якого будь-хто може оскаржити дійсність опублікованого стану, надавши доказ шахрайства.
Вирішення спорів: Якщо доказ шахрайства надано і визнано дійсним, неправильний стан скасовується і застосовується правильний. Той, хто надав доказ шахрайства, зазвичай отримує винагороду, а зловмисний оператор — штраф.

Переваги Optimistic Rollups

Висока пропускна здатність: Optimistic Rollups можуть досягати значно вищої пропускної здатності порівняно з основною мережею.
Низькі комісії за транзакції: Вартість перевірки в мережі мінімізована, що призводить до нижчих комісій.
Сумісність з EVM: Optimistic Rollups зазвичай сумісні з віртуальною машиною Ethereum (EVM), що дозволяє розробникам легко переносити свої існуючі dApps.

Недоліки Optimistic Rollups

Затримка виведення коштів: Період оскарження вводить затримку (зазвичай 7-14 днів) для виведення коштів з rollup-рішення в основну мережу. Ця затримка необхідна, щоб дати час на подання доказів шахрайства.
Припущення щодо безпеки: Optimistic Rollups покладаються на припущення, що буде принаймні один чесний учасник, готовий відстежувати rollup і за потреби надавати докази шахрайства.

Приклади Optimistic Rollups

Arbitrum: Оптимістичне rollup-рішення, яке має на меті надати масштабовану та сумісну з EVM платформу для dApps.
Optimism: Ще одне оптимістичне rollup-рішення, зосереджене на масштабуванні Ethereum та забезпеченні безперебійного користувацького досвіду.

ZK-Rollups

ZK-Rollups (Zero-Knowledge Rollups) використовують докази з нульовим розголошенням (зокрема, стислі неінтерактивні аргументи знання, або zk-SNARKs) для доведення дійсності транзакцій, що виконуються поза мережею. Замість того, щоб покладатися на період оскарження, ZK-Rollups генерують криптографічний доказ, який підтверджує правильність виконання транзакцій. Цей доказ потім надсилається в основну мережу, що забезпечує швидшу фіналізацію та підвищену безпеку.

Як працюють ZK-Rollups

Виконання транзакцій: Транзакції виконуються поза мережею оператором rollup-рішення.
Генерація доказу дійсності: Оператор rollup-рішення генерує доказ з нульовим розголошенням (zk-SNARK), який демонструє дійсність транзакцій.
Надання доказу: Доказ дійсності надсилається в основну мережу.
Перевірка в мережі: Основна мережа перевіряє доказ дійсності. Якщо доказ дійсний, стан оновлюється.

Переваги ZK-Rollups

Швидка фіналізація: ZK-Rollups забезпечують швидшу фіналізацію порівняно з Optimistic Rollups, оскільки транзакції негайно підтверджуються після надання доказу дійсності. Період оскарження не потрібен.
Підвищена безпека: Використання доказів з нульовим розголошенням надає надійні криптографічні гарантії дійсності транзакцій.
Опціональність доступності даних: Існують новіші інновації, такі як Validium, які схожі на ZK-Rollups, але дані не публікуються в основній мережі.

Недоліки ZK-Rollups

Обчислювальна складність: Генерація доказів з нульовим розголошенням є обчислювально інтенсивною, що вимагає спеціалізованого обладнання та експертизи.
Сумісність з EVM: Реалізація сумісності з EVM в ZK-Rollups є складною, хоча досягається значний прогрес. Ранні ZK-Rollups часто підтримували лише певні типи транзакцій або додатків.
Складність розробки: Розробка та розгортання ZK-Rollups вимагає глибокого розуміння криптографії та передових інженерних навичок.

Приклади ZK-Rollups

zkSync: ZK-Rollup рішення, яке має на меті забезпечити масштабовані та безпечні платежі та функціональність смарт-контрактів на Ethereum.
StarkWare: Компанія, що розробляє ZK-Rollup рішення з використанням STARKs (Scalable Transparent ARguments of Knowledge), типу доказів з нульовим розголошенням. Вони забезпечують роботу таких рішень, як dYdX (децентралізована біржа).
Polygon Hermez: Децентралізований ZK-Rollup з відкритим вихідним кодом, орієнтований на масштабування платежів та переказів токенів.

Порівняння Optimistic Rollups та ZK-Rollups

Наступна таблиця підсумовує ключові відмінності між Optimistic Rollups та ZK-Rollups:

Характеристика	Optimistic Rollups	ZK-Rollups
Доказ дійсності	Докази шахрайства (період оскарження)	Докази з нульовим розголошенням (zk-SNARKs/STARKs)
Фіналізація	Відкладена (7-14 днів)	Швидка (майже миттєва)
Безпека	Покладається на наявність хоча б одного чесного учасника	Криптографічно гарантована
Сумісність з EVM	Зазвичай легше реалізувати	Складніше, але швидко вдосконалюється
Обчислювальна складність	Нижча	Вища

Майбутнє Rollups та масштабованості блокчейну

Rollup-рішення готові відігравати вирішальну роль у майбутньому масштабованості блокчейну. У той час як блокчейни першого рівня продовжують розвиватися, rollup-рішення пропонують прагматичний та ефективний спосіб подолання обмежень обробки транзакцій в основній мережі. Вибір між Optimistic Rollups та ZK-Rollups залежить від конкретних вимог додатку та компромісів між безпекою, фіналізацією та обчислювальною складністю. Проте обидва типи rollup-рішень є значним кроком уперед, роблячи технологію блокчейн доступнішою, ефективнішою та масштабованішою для глобальної аудиторії.

Кілька тенденцій формують майбутнє rollup-рішень:

Еквівалентність EVM: Ведуться роботи для досягнення повної еквівалентності EVM як в Optimistic Rollups, так і в ZK-Rollups. Це дозволить розробникам безперешкодно розгортати існуючі dApps Ethereum на rollup-рішеннях без необхідності зміни коду.
Гібридні Rollups: Дослідники вивчають гібридні підходи, які поєднують сильні сторони Optimistic Rollups та ZK-Rollups. Наприклад, система може використовувати Optimistic Rollups для більшості транзакцій та ZK-Rollups для транзакцій з високою вартістю або критичних операцій, що вимагають підвищеної безпеки.
Рішення для доступності даних: Такі інновації, як Celestia — модульна блокчейн-мережа, що забезпечує масштабований шар доступності даних — можуть ще більше покращити масштабованість та ефективність rollup-рішень.
Сумісність між rollup-рішеннями: Забезпечення безперебійного зв'язку та передачі активів між різними rollup-рішеннями буде вирішальним для створення єдиної та взаємопов'язаної екосистеми блокчейну.

З глобальної точки зору, вплив rollup-рішень виходить за рамки простого покращення швидкості транзакцій та зниження комісій. Роблячи технологію блокчейн більш доступною та дешевою, rollup-рішення можуть розширити можливості для окремих осіб та підприємств у країнах, що розвиваються, сприяючи фінансовій інклюзії та стимулюючи економічне зростання. Наприклад, rollup-рішення можуть спростити недорогі грошові перекази, надати доступ до децентралізованих фінансових послуг для тих, хто не має банківського рахунку, та підтримати розробку інноваційних нових додатків, адаптованих до потреб місцевих спільнот. У міру того, як екосистема блокчейну продовжує розвиватися, rollup-рішення, безсумнівно, відіграватимуть ключову роль у формуванні більш децентралізованого, ефективного та інклюзивного майбутнього.

Висновок

Масштабованість блокчейну — це вже не далека мрія, а відчутна реальність завдяки інноваційним рішенням, таким як rollup-технології. Чи то підхід "довіряй, але перевіряй" Optimistic Rollups, чи то криптографічна строгість ZK-Rollups, ці технології фундаментально змінюють спосіб обробки транзакцій у блокчейнах. Оскільки галузь продовжує впроваджувати інновації, очікуйте появи ще більш досконалих реалізацій rollup-рішень, які знижуватимуть витрати, збільшуватимуть швидкість та відкриватимуть нові можливості для застосувань блокчейну по всьому світу. Майбутнє блокчейну — масштабоване, і rollup-рішення йдуть попереду.