Rollups: Proof of Bundling

30.03.2022

Die Qual der Wahl – das Trilemma des Blockchains

Mit zunehmender Akzeptanz stossen Layer1-Blockchains (L1) wie Ethereum an Kapazitätsgrenzen, was die Transaktionskosten aufgrund des begrenzten Blockraums in die Höhe treibt und die Nachfrage nach Skalierbarkeitslösungen erhöht. Daher versuchen Blockchains verzweifelt, das Blockchain-Trilemma zu lösen, einen Kompromiss zwischen Dezentralisierung, Sicherheit und Skalierbarkeit, um eine bessere Nutzererfahrung und eine breite Akzeptanz zu erreichen. Das Blockchain-Trilemma besagt, dass man mit “einfachen” Techniken nur zwei der drei folgenden Eigenschaften optimieren kann:

  • Skalierbarkeit: Datendurchsatz des Systems, gemessen in Transaktionen pro Sekunde (TPS), Latenz und Endgültigkeit
  • Dezentralisierung: Maximierung der Anzahl von vertrauenslosen Node auf der ganzen Welt – Minimierung zentralisierter vertrauenswürdiger Node
  • Sicherheit: Widerstand gegen Angriffe

Eine L1-Blockchain kann entweder dezentralisiert und sicher (z. B. Bitcoin oder Ethereum), sicher und skalierbar (z. B. Solana oder BSC) oder skalierbar und dezentralisiert (z. B. Multichain-Ökosysteme wie Cosmos, Polkadot oder Avalanche) sein. Diese wesentlichen Eigenschaften einer Blockchain werden durch Komponenten ermöglicht, die modularisiert werden können, um L1 zu entlasten und u.a. eine verbesserte Skalierbarkeit zu erreichen. Zu diesen Komponenten gehören:

  • Consensus: Definiert den wahren Zustand der Blockchain, dem die Mehrheit der Node zustimmt. Teil des Consensusmechanismus sind Sybil-Kontrollmechanismen wie Proof of Work (PoW) oder Proof of Stake (PoS)
  • Ausführung: Berechnungen, die erforderlich sind, um den Zustand der Blockchain durch Hinzufügen neuer Transaktionen zu aktualisieren
  • Datenverfügbarkeit: Daten, die zum Abruf verfügbar sind und durch L1 gewährleistet werden. Da alle Nodes diese Daten hosten, sind sie sehr begrenzt und teuer

Blockchains versuchen, Consensus, Ausführung und Datenverfügbarkeit unter einer Haube zu vereinen, und stossen dabei auf das Blockchain-Trilemma. Durch die Entflechtung bestimmter Komponenten auf Layer2 (L2) oder Off-Chain-Skalierungslösungen, die Transaktionen von L1 in einen separaten Layer verlagern und keine Änderungen am Kerncode von L1 erfordern, wird eine Optimierung ermöglicht. Beispielsweise können Rollups Transaktionen schneller verarbeiten als auf L1, da sie nicht mit Consensus und Datenverfügbarkeit belastet sind, indem sie eine von Ethereum isolierte Ausführungsumgebung schaffen, in der Transaktionen gebündelt werden, bevor der Status aktualisiert wird. Durch die Ausführung von Operationen ausserhalb der Blockchain werden die auf der Blockchain gespeicherten Daten erheblich reduziert, was zu billigeren und potenziell schnelleren Transaktionen führt.

Insgesamt zielen Lösungen für die Skalierbarkeit ausserhalb der Blockchain darauf ab, eine schnellere Finalität, TPS und Latenz zu erreichen, ohne die Dezentralisierung oder Sicherheit zu beeinträchtigen. Einige dieser Skalierungsansätze leiten ihre Sicherheit direkt von L1 ab, wie Rollups oder State Channels. Andere Ansätze wie Sidechains oder Plasma schaffen neue Blockchains, die ihre Sicherheit separat von L1 ableiten. Im Vorfeld zu Rollups, erforschte Ethereum eine Reihe von verschiedenen Off-Chain-Skalierungslösungen, die wir im Folgenden vorstellen:

Sidechains sind eigenständige EVM-kompatible Blockchains, die externe Ausführungsebenen darstellen, die parallel zu L1 laufen und sich auf die Sicherheit von L1 verlassen können, während sie auch ihre eigenen Sicherheitseigenschaften und Consensusmechanismen zur Verarbeitung von Transaktionen nutzen. Diese Blockchains sind über Brücken zugänglich.

State Channels nutzen Multisig-Smart Contracts (mehrere Unterzeichner prüfen eine Aktion und stimmen ihr zu) für bidirektionale Zahlungskanäle, um schnelle Transaktionen ausserhalb der Blockchain durchzuführen, aber die endgültige Abwicklung auf L1 vorzunehmen. Auf diese Weise minimieren sie die Netzwerküberlastung und die Gebühren.

Plasma ist eine separate Blockchain, die im Ethereum-Mainnet verankert ist und auch als “Child Chains” bezeichnet werden, die im Wesentlichen kleinere Kopien von Ethereum sind. Child Chains erstatten regelmässig Bericht an L1 und nutzen es zur Beilegung von Streitigkeiten. Wie optimistische Rollups verwendet Plasma Betrugsnachweise, um Streitigkeiten zu schlichten, behält jedoch die Verfügbarkeit von Daten und Berechnungen ausserhalb der Blockchain bei. Die Technologie von Plasma basiert auf Merkle-Trees und intelligenten Verträgen. Plasma wollte ursprünglich vertrauenslose Sidechains ermöglichen, sah sich aber mit dem Problem der Datenverfügbarkeit konfrontiert, da alle Transaktionsdaten ausserhalb der Blockchain gespeichert werden.

Validium ist wie Plasma, da Daten und Berechnungen aus der Blockchain ausgelagert werden. Anstelle von Betrugsnachweisen verwendet es Gültigkeitsnachweise, die auch in zk-Rollups verwendet werden, für neue Zustandszusagen und beseitigt damit lange Abhebungsverzögerungen, die auf Dispute Time Delays (DTD) basieren und von Betrugsnachweisen bekannt sind. Da die Daten ausserhalb der Blockchain liegen, ist Validium durch die Bündelung von mehr Transaktionen sehr leistungsfähig, aber auch zentraler und weniger sicher.

Abbildung 1 gibt einen Überblick über die verschiedenen Off-Chain-Skalierungslösungen durch den Vergleich wichtiger Kennzahlen wie z. B.:

Sicherheit: Woher kommt die Sicherheit der Skalierungslösung?

Beweise: Art des verwendeten kryptografischen Beweises

Daten: Wo werden die Daten und der Status der Ausführungsaufrufe verarbeitet? Datenverfügbarkeit innerhalb/ausserhalb der Blockchain?

Abbildung 1: Skalierungslandschaft ausserhalb der Blockchain
QUELLE: BITCOIN SUISSE RESEARCH
Rollups, die die Skalierung der Innovation vorantreiben

Die bisher ausgereifteste und vielversprechendste L2-Skalierungstechnologie, die EVM-Code für allgemeine Zwecke unterstützt, ist die des Rollups. Ein Rollup ausserhalb der Blockchain bündelt Transaktionen, was die Gebühren und die Netzwerküberlastung reduziert, und sendet sie an einen Ethereum-Smart-Contract, wo die Benutzer mit Sicherheitsgarantien auf L1 abrechnen. Rollups sind so konzipiert, dass sie genügend Daten auf L1 veröffentlichen, um es jedem zu ermöglichen, den korrekten Zustand zu rekonstruieren. Die Daten werden von Sequencern und Validierern verarbeitet, die Bündel von komprimierten Transaktionsdaten an L1 zurücksenden. Der Vorteil der Skalierbarkeit und der Transaktionskosten wird dadurch erreicht, dass die Transaktionsbündel ausserhalb der Blockchain ausgeführt werden, bevor die komprimierten Daten an L1 übermittelt werden. Wie Abbildung 2 zeigt, sind Transaktionen auf Rollups bereits um eine Grössenordnung günstiger als auf Ethereum L1. In bestimmten Szenarien gelingt es ihnen auch, neuere L1 wie Avalanche oder Cardano zu überflügeln.

Abbildung 2: Automated Market Maker (AMM) Swapkosten für ausgewählte L1- und L2-Protokolle
QUELLE: L2 Transaktionskosten, BITCOIN SUISSE RESEARCH (DATEN VOM 28.03.2022)

Trotz der vielversprechenden Transaktionskosten sind Rollups zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht optimiert, da die meisten der frühen Projekte nur von Ethereum abgezweigt wurden. Aave V3 hat es zum Beispiel geschafft, die Gebühren um das 10-fache zu senken, indem es die Rollup-spezifischen APIs optimiert hat, um eine massive Verringerung der Anrufdatengrösse zu erreichen. Weitere bevorstehende Optimierungen für optimistische Rollups wie die Aggregation oder Komprimierung von Signaturen und eine ausgefeiltere Komprimierung von Aufrufdaten werden zu einer weiteren Steigerung der Skalierbarkeit führen. Aufgrund der höheren Berechnungskomplexität sind zk-Rollups mit höheren Fixkosten verbunden als optimistische Rollups. Derzeit sind sie jedoch immer noch billiger, da die nicht optimierten Anrufdatenkosten bei optimistischen Rollups die Fixkosten übersteigen.

Neben mehreren erfolgreichen anwendungsspezifischen Rollups, die auf einen bestimmten Anwendungsfall ausgerichtet und in der Lage sind, massiv zu skalieren, wie z. B. dYdX, Loopring oder Immutable X, haben einige optimistische Rollups für allgemeine Zwecke, wie z. B. Arbitrum oder Optimism, in jüngster Zeit deutlich an Zugkraft gewonnen. Die TVL sowohl bei optimistischen als auch bei zk-Rollups, wie in Abbildung 3 dargestellt, übertraf ab Ende August 2021 weiterhin andere Off-Chain-Skalierungslösungen und liegt nun bei über $6,7 Mrd. in TVL, $3,58 Mrd. allein bei Arbitrum. Zum Vergleich: Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Berichts hat Fantom 6,34 Mrd. $, Solana 5,88 Mrd. $ und Polygon PoS 5,21 Mrd. $ in TVL eingenommen.

Die Akzeptanz könnte einen weiteren Schub erhalten, da laut Matter Labs das erste EVM-kompatible zk-Rollup auf dem Ethereum-Testnetz zkSync2.0 Ende Februar gestartet wurde. Starkware beteiligt sich mit StarkEx und StarkNet am Rennen um universelle zk-Rollups, die die Vorteile von zk-Rollups zusammen mit EVM-Kompatibilität bieten.

Abbildung 3: TVL nach verschiedenen Off-Chain-Skalierungslösungen
QUELLE: The Block, BITCOIN SUISSE RESEARCH

Neben der wachsenden TVL gibt es auch andere Indikatoren, die auf die Einführung von Rollups hindeuten. Zum Beispiel ist der Arbitrum-Sequencer ständig unter den Top-Gas-Spendern auf Ethereum. Rollups zahlen bereits bis zu 160.000 Dollar pro Tag für die Sicherheit von Ethereum. Bei weiterer Annahme von L2s könnten Sequencer verschiedener Rollups bald die Mieter sein, die die höchste Miete für die Speicherung ihrer Daten auf L1 zahlen.

Aufrollungstypen

Wie bereits erwähnt, gibt es zwei Arten von Rollup-Designs, die derzeit Innovation und Akzeptanz vorantreiben. Werfen wir einen genaueren Blick auf ihre Gestaltungsprinzipien und ihre bekanntesten Vertreter.

Optimistic Rollups bieten Verbesserungen bei der Skalierbarkeit, indem sie davon ausgehen, dass alle Transaktionen standardmässig gültig sind, und einen neuen Zustand vorschlagen, Transaktionen ausserhalb der Blockchain ausführen und Erklärungen einreichen, die durch Betrugsnachweise gesichert sind. Jedes Mal, wenn die Rollups ein Bündel von Zustandsübergängen veröffentlichen, gibt es eine Streitzeitverzögerung (Dispute Time Delay, DTD), in der jede Partei einen Betrugsnachweis veröffentlichen kann, der angibt, dass einer der Zustandsübergänge ungültig war. Infolge dieser DTD haben optimistische Rollups lange Rückzugszeiten. Sequencer müssen ETH für Staking-Belohnungen einsetzen, um Anreize für legitime Transaktionsdaten zu schaffen, und müssen bei betrügerischen Aktivitäten mit Abzügen rechnen. Nur wenn ein ungültiger Zustandsübergang im Rollup-Smart-Contract veröffentlicht wird, kann ein Betrugsnachweis generiert werden, der komprimierte Rollup-Transaktionsdaten, den Pre-State-Root-Hash und den Post-State-Root-Hash enthält. Da die Transaktionen nur verarbeitet werden, wenn sie von den Nutzern angefochten werden, wird die Validierungslast auf die Gemeinschaft und nicht auf die Technologie gelegt. Ein grosser Vorteil von optimistischen Rollups ist, dass sie in der Lage sind, Smart Contracts problemlos auszuführen.

Optimism ein optimistisches Allzweck-Rollup, das ein modifiziertes GETH verwendet, sollte ursprünglich als erstes im Ethereum-Mainnet starten. Eine Verzögerung führte jedoch dazu, dass Arbitrum als erstes gestartet wurde. Das Projekt zieht weiterhin TVL an und hat sich sogar eine Finanzierung durch a16z gesichert. Optimism verwendet einen Smart-Contract, um Transaktionsdaten von L1 an den Rollup weiterzuleiten, wo ein Sequencer Transaktionen zu einem Stapel bündelt und an L1 zurücksendet. In optimistischer Weise führen die Sequencer diese Vorgänge in der Annahme durch, dass alle Transaktionen gültig sind. Die DTD für die Anfechtung beträgt 7 Tage, und ein Betrugsnachweis wird erstellt, indem die Transaktionen auf L1 ausgeführt werden, wenn eine Inkonsistenz festgestellt wird. Optimismus unterstützt nur Solidity und hat keinen eigenen Token, daher werden die Transaktionskosten in ETH abgerechnet.

Arbitrum das derzeit die höchste TVL sperrt, ist dem Optimismus sehr ähnlich, wobei der Hauptunterschied in der Generierung von Betrugsnachweisen besteht. Anstatt die gesamte L2-Transaktion auf L1 auszuführen, wählt Arbitrum einen Mehrrundenansatz, bei dem kleine Pakete ausgeführt werden, bis eine Inkonsistenz gefunden wird. Dies führt zu einer höheren Transaktionskapazität, jedoch können Betrugsnachweisperioden bis zu zwei Wochen dauern. Arbitrum unterstützt alle EVM-Sprachen. Wie Optimism verwendet auch Arbitrum ETH für Zahlungen und hat noch keinen eigenen Token. Optimism und Arbitrum verfügen über eine kampferprobte Codebasis, da sie auf EVM-Clients basieren.

zk Rollups Transaktionen ausserhalb der Blockchain ausführen und Gültigkeitsnachweise einreichen, anstatt sich auf Betrugsnachweise zu verlassen. Um dies zu realisieren, enthalten die zk-Bündel einen zusätzlichen Teil: ein zk-SNARK (prägnantes nicht-interaktives Wissensargument) oder ein zk-STARK (skalierbares transparentes Wissensargument), das kryptografisch beweist, dass die Post-State-Root das korrekte Ergebnis der Ausführung des Transaktionsbündels ist und somit die Transaktionen verifiziert. Durch die Verifizierung des Beweises auf der Blockchain haben zk-Rollups keine DTD-Herausforderungszeiträume und bieten ein grosses Optimierungspotenzial zur weiteren Erhöhung der Skalierbarkeit. Ein Nachteil ist der Gültigkeitsnachweis, der mit einer höheren Rechenkomplexität sowie einer hohen Hürde für die Ausführung von Smart Contracts einhergeht. Gültigkeitsnachweise bieten drei Vorteile gegenüber Betrugsnachweislösungen: Zeit bis zur Finalität, mathematisch erzwungene L1-Sicherheit und Kosteneffizienz für dezentrale Anwendungen mit vielen Daten (dapps).

zkSync ist eine Smart-Contract-Skalierungs- und Datenschutz-Engine, die SNARKs verwendet und Token-Swaps und NFT-Minting unterstützt. ZkSync unterstützt die meisten Opcodes in Ethereum.

StarkEx ist ein von StarkWare entwickeltes Layer-2-Skalierungs- und Zahlungsprotokoll, das STARKs verwendet. STARKs erfordern keine vertrauenswürdige Einrichtung oder eine Mehrparteien-Zeremonie zur Erzeugung von Schlüsseln, um Beweise durch die Nutzung der Turing-kompletten Sprache Cairo zu verifizieren. Ein weiterer Unterschied zwischen diesen Gültigkeitsnachweisen besteht darin, dass SNARKs auf elliptischer Kurvenkryptographie basieren, während STARKs auf Hash-Funktionen beruhen, die Vorteile wie Quantenresistenz bieten, aber mit einer grösseren Beweisgrösse einhergehen und daher teurer sind.

Polygon Polygon bietet ein Portfolio von Lösungen für die Skalierung von Ethereum. Insbesondere verfügt Polygon bereits über 4 öffentliche zk-Lösungen (Nightfall, Hermes, Maiden und Zero) und entwickelt eine modulare Blockchain-Lösung mit dem Namen Avail.

Tabelle 1 zeigt, dass Rollups die Skalierbarkeit verbessern, ohne die Dezentralisierung, Sicherheit und Verallgemeinerbarkeit zu beeinträchtigen, indem sie die Ausführung und Bündelung von Transaktionen auf L1 auslagern.

Tabelle 1: Vergleich zwischen optimistischen und zk-Rollups
QUELLE: Vitalik Buterin, Block360, BITCOIN SUISSE RESEARCH
Herausforderungen und Risiken

Da Rollups die Berechnungen aus der Blockchain auslagern, die Daten aber auf der Blockchain speichern, müssen sie die komprimierten Daten immer noch auf der Blockchain speichern und sind somit mit dem Engpass konfrontiert, der in der Speicherkapazität von Ethereum und dem Blockgas-Limit von 12,5 Millionen Gas besteht. Einigen Berechnungen von Vitalik Buterin zufolge könnte dies einen maximalen Skalierbarkeitsgewinn von 77x für optimistische Rollups und 570x für zk Rollups ergeben, was nicht einmal annähernd dem Durchsatz von z.B. Visa entspricht. Die Aufteilung von Daten zusammen mit zufällig ausgewählten Ausschüssen und dem Data Availability Sampling (DAS) bietet jedoch eine praktikable Lösung für dieses Problem.

Da Rollups noch sehr jung sind, haben sie auch mit einigen Zentralisierungsproblemen und anderen Bedenken zu kämpfen (siehe Tabelle 2). So ist beispielsweise der Sequencer, eine Node, die Transaktionen bündelt und das Ergebnis an den Rollup-Vertrag auf der Blockchain sendet, bei Arbitrum, Optimism, zkSync und StarkNet eine einzige Node, die von der Entwicklungsfirma betrieben wird und daher stark zentralisiert ist. Darüber hinaus können in bestimmten Szenarien, in denen die Aufrüstbarkeit böswillig ausgelöst wird oder der Validator versagt, Gelder gestohlen oder eingefroren werden. Für ausführliche Informationen zu all diesen Aspekten verweisen wir auf L2BEAT.

Tabelle 2: Hauptrisiken für Rollups für allgemeine Zwecke (grössere Risiken in rot, kleinere Risiken in gelb)
QUELLE: L2BEAT, BITCOIN SUISSE RESEARCH

Darüber hinaus sind die wichtigsten Herausforderungen für die weitere Einführung folgende:

Für optimistic Rollups:

  • ein grösseres Volumen führt zu einer geringeren Anzahl von Validatoren, die volle Node betreiben können, und damit zu einer geringeren Sicherheit
  • ideale Parameter für das Zeitfenster vor der Fertigstellung der Blöcke
  • ideale Parameter für die Anforderungen an die Bindung

Für zk-Rollups:

  • die Integration allgemeiner Smart-Contract-Funktionen
  • Berechnungskomplexität von Zero-Knowledge-Proofs
  • Vertrauen in eine vertrauenswürdige Einrichtung von ZK-SNARKs (wird im weiteren Verlauf behandelt)

Abgesehen von den technischen Herausforderungen und Entwicklungen konkurrieren diese Skalierungslösungen auch an der Akzeptanzfront. Die verschiedenen Implementierungen und Nuancen sind aus Nutzersicht schwer zu verstehen, es sind weniger Wallets verfügbar und die Auswahl an Dapps ist geringer als bei anderen L1s. Darüber hinaus bringt dieser Wettbewerb zwischen L2s und insbesondere Rollups Bedenken hinsichtlich der Kompatibilität und Liquiditätsfragmentierung mit sich. Wenn es keinen einzigen Gewinner-Rollup gibt, werden die verschiedenen Rollups zu einer Fragmentierung führen. Kompatibilität bedeutet, dass Protokolle miteinander interagieren und ineinandergreifen, Synergien nutzen und Funktionalitäten verschiedener Dapps kombinieren können. Die Kompositivität ist also deutlich reduziert, da die aus Ethereum bekannten Geldlegos nicht mehr zueinander passen. Um dem entgegenzuwirken, müssen sich die Rollups auf einen Kommunikationsstandard einigen, der noch entwickelt werden muss. Eine Fragmentierung der Liquidität ergibt sich auch aus der Verwendung verschiedener Rollups, da die Liquidität unter verschiedenen Rollup-Implementierungen aufgeteilt wird. Sobald die Kommunikation geklärt ist, sollte sich dieses Problem jedoch lösen lassen, da es bereits Ideen wie DeFi-Pooling oder verteilte AMMs (dAMMs) gibt.

Schlussfolgerung und Ausblick

Begrenzter Blockspace und die beschleunigte Einführung von Kryptowährungen drängen auf On-Chain- und Off-Chain-Skalierungslösungen. Unter den Off-Chain-Skalierungslösungen sind optimistische und zk-Rollups der Nährboden für Innovation und Akzeptanz, da sie einzigartige Vorteile bieten und gleichzeitig die L1-Sicherheit bewahren. Die TVL für Rollups unterstützt ein organisches Wachstum, das durch wirtschaftliche Anreize wie niedrige Transaktionskosten gefördert wird. Die Einführung eines Rollup-spezifischen Tokens als Anreiz für die Nutzer und zur Subventionierung des Ökosystems könnte die Akzeptanz noch weiter steigern. Es bleibt abzuwarten, welche Art von Rollup in einem sehr dynamischen und diversifizierten Lösungsumfeld die meisten TVL- und damit Netzwerkeffekte erzielen wird, da jedes der Rollups seine Vor- und Nachteile mit sich bringt. Während anwendungsspezifische zk-Rollups und allgemeine optimistic Smart-Contract-Rollups bereits gut laufen, wird erwartet, dass relativ komplexe EVM-basierte zk-Rollups bald die Produktionsreife erreichen. Da die Technologie jedoch noch sehr neu ist, gibt es einige Risiken und Vertrauensvorbehalte, wie z. B. die Aufrüstbarkeit, das Versagen des Sequencers oder des Validators, die in Zukunft entschärft werden müssen. Darüber hinaus sind Zusammensetzbarkeit und Liquiditätsfragmentierung Probleme, die bei einer beschleunigten Einführung ernst genommen werden müssen. Abgesehen davon wird der Engpass bei der Datenverfügbarkeit durch Data Sharding zusammen mit DAS angegangen. Insgesamt wird davon ausgegangen, dass Rollups eine Schlüsselrolle bei der weiteren Verbreitung von Kryptowährungen spielen, da sie die Geschwindigkeit und die Kosten erheblich steigern dürften. Dadurch und durch die Abstraktion der Komplexität über verbesserte Benutzeroberflächen wird eine insgesamt bessere Benutzererfahrung erreicht.

Der Autor dankt Marcus Dapp für fruchtbare Diskussionen und wertvolle Anregungen.

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