With ZK-Rollups, Blockchain Scalability Is No Longer a Problem

CoinCodex · 2024-06-03T09:33:02.000Z

Many people believe blockchain can transform industries ranging from finance to supply chains to healthcare and more. Yet despite being around for more than a decade, challenges continue to hinder blockchain’s adoption, with one of the most pressing ones being the problem of how to scale to support millions of transactions. Looking to overcome this challenge once and for all, ZK-Rollups, or Zero-Knowledge Rollups, are an extremely promising concept that aims to dramatically increase the throughput of blockchains. ZK-Rollups are Layer-2 scaling solutions that take advantage of Zero-Knowledge Proofs to enable benefits that go beyond simply increasing throughput, giving users full privacy as well. ZK-Rollups: The Basic Concept Explained Zk-Rollups make use of a Layer-2 network that sits above the main blockchain, where transactions can be offloaded and bundled together before being processed as one, massive transaction, back on the main chain. They make use of ZK proofs to obscure transaction details, verifying their accuracy using a “validity proof” that’s submitted to the main chain. In this way, they reduce the overall load on the main chain, enabling it to process many more transactions. Another benefit is significantly lower gas fees, as these costs are split across all of the transactions bundled together. The secret sauce of ZK-Rollups is the zk-SNARK, or Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge, which is a cryptographic technique that makes it possible for one party to prove to another that a transaction is accurate, without revealing any details of that transaction. In a nutshell, ZK-Rollups work like this: The users submit their transaction to the ZK-Rollup contract The operator process these transactions off-chain before aggregating them into batches It then generates a validity proof for the entire batch using zk-SNARKS This proof, along with the end state of the Rollup after all transactions have been processed, is submitted to the mainnet The mainnet verifies the validity proof and updates all of the wallets involved in that batch of transactions. Finally, users can then withdraw their funds from the rollup smart contract The Advantages Of ZK-Rollups ZK-Rollups provide significant advantages over older scaling techniques such as sidechains and “Optimistic Rollups” that currently lead the way on Ethereum. Just like ZK-Rollups, Optimistic Rollups also process transactions off-chain and bundle them into batches to submit to the relay chain. But rather than using ZK-proofs, they use a fraud-proof mechanism in which transactions are assumed to be valid, unless someone challenges them. This necessitates the use of a “window” or period of time in which anyone is free to check and verify the transactions, and issue a challenge if they discover someone is cheating. Should the challenge be successful, the fraudulent transaction is rolled back, and the challenger earns a reward. Sidechains are an alternative. They are independent blockchain networks that run in parallel with the mainnet, using their own consensus mechanisms that allow them to process transactions by themselves. They connect to the mainnet using a “two-way peg”, which enables the transfer of assets between the two chains. ZK-Rollups provide compelling advantages over Optimistic Rollups and Sidechains: Increased transaction finality compared to Optimistic Rollups, because the use of ZK-proofs means they can be verified instantly upon submission to the mainnet. The challenge period with Optimistic Rollup means that transactions will always be delayed. Greater security compared to Sidechains because they inherit the security of the underlying mainnet through their use of validity proofs. Sidechains rely on their own security models, which are much weaker than established blockchains like Ethereum. Reduced gas fees are another benefit of ZK-Rollups compared to Sidechains. Because many transactions are aggregated into one, which is then processed on the main chain, the gas fee paid to Ethereum can be shared across all of the transactions in the bundle. Sidechains cannot do this. They still process each transaction independently, which means the user pays the entire transaction fee. What’s The State of ZK-Rollups? Several projects are bringing ZK-Rollups to the mainstream. One of the most promising is the modular zkEVM Layer-2 network, Prom ZkEVM, which has created a solution that supports Ethereum, EVM-compatible blockchains and non-EVM blockchains. This extensive support is essential for Prom ZkEVM, as it is on a mission to deliver interoperability across all major blockchains. Its architecture allows it to simultaneously submit validity proofs to two blockchains at once. Prom ZkEVM’s use of recursive STARK technology has proven itself to be both extremely scalable and highly economical, while its high degree of interoperability makes life simple for Web3 developers. What’s more, it also supports “account abstraction” features enabled by the ERC-4337 standard, so dApps can implement user-friendly features such as traditional, email-based account recovery methods. zkSync is another big name in the ZK-Rollup space. As one of the earliest ZK-Rollup implementations, it has a significant first-mover advantage that has helped to propel its adoption, winning over hundreds of dApp developers with its promise of 2,000 transactions per second. These impressive speeds are backed by strong security, which zkSync inherits from Ethereum, and low transaction fees. What’s more, many developers consider zkSync’s mature rollups easier to implement, meaning dApps can support frictionless asset transfers across EVM chains without any latency. More specialized ZK-Rollups such as Immutable X are focused on niche use cases within Ethereum, such as Web3 games. It’s targeted at blockchain games that utilize NFTs as in-game characters, weapons and accessories. In many games, these assets are extremely inexpensive, so there’s a need to keep transaction fees to a minimum. This is why Immutable X is favored by hundreds of blockchain games. It enables players to instantly buy and sell low-cost assets with negligible fees. In addition, blockchain games players need to be able to transact instantaneously. They want to be able to buy a new gun or item and use it immediately in their next game. Immutable X does this, boasting an incredible speed of 9,000 transactions per second. As an added benefit, Immutable X says NFTs on its network are carbon neutral thanks to its highly-efficient, proof-of-stake consensus mechanism. Blockchain Scalability Achieved The progress of projects like Prom ZkEVM, zkSync and Immutable X demonstrates how ZK-Rollups have achieved the level of maturity required for the technology to go mainstream. ZK-Rollups offer more than just promises – they are actively transforming blockchains, allowing them to achieve scale while enhancing the security and privacy of every user. By utilizing the cutting-edge capabilities of ZK-proofs, ZK-Rollups provide dApps with a powerful, versatile, secure and privacy-preserving way to scale on any blockchain.

Viele Menschen glauben, dass Blockchain Branchen wie Finanzen, Lieferketten, Gesundheitswesen und mehr verändern kann. Doch obwohl es Blockchain schon seit mehr als einem Jahrzehnt gibt, gibt es immer noch Hindernisse, die ihre Einführung behindern. Eines der dringendsten Probleme ist die Frage, wie man es skalieren kann, um Millionen von Transaktionen zu unterstützen.
Um diese Herausforderung ein für alle Mal zu überwinden, sind ZK-Rollups oder Zero-Knowledge-Rollups ein äußerst vielversprechendes Konzept, das darauf abzielt, den Durchsatz von Blockchains drastisch zu erhöhen. ZK-Rollups sind Layer-2-Skalierungslösungen, die Zero-Knowledge-Proofs nutzen, um Vorteile zu ermöglichen, die über die bloße Erhöhung des Durchsatzes hinausgehen und den Benutzern auch vollständige Privatsphäre bieten.
ZK-Rollups: Das Grundkonzept erklärt
Zk-Rollups nutzen ein Layer-2-Netzwerk, das über der Hauptblockchain liegt, wo Transaktionen ausgelagert und gebündelt werden können, bevor sie als eine einzige, massive Transaktion wieder auf der Hauptkette verarbeitet werden. Sie nutzen ZK-Beweise, um Transaktionsdetails zu verschleiern, und verifizieren ihre Genauigkeit mithilfe eines „Gültigkeitsnachweises“, der an die Hauptkette übermittelt wird. Auf diese Weise reduzieren sie die Gesamtlast der Hauptkette und ermöglichen ihr die Verarbeitung von viel mehr Transaktionen. Ein weiterer Vorteil sind deutlich niedrigere Gasgebühren, da diese Kosten auf alle gebündelten Transaktionen aufgeteilt werden.
Die Geheimzutat von ZK-Rollups ist zk-SNARK oder Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge, eine kryptografische Technik, die es einer Partei ermöglicht, einer anderen die Richtigkeit einer Transaktion zu beweisen, ohne irgendwelche Details dieser Transaktion preiszugeben.
Kurz gesagt funktionieren ZK-Rollups folgendermaßen:
Die Benutzer übermitteln ihre Transaktion an den ZK-Rollup-Vertrag
Der Betreiber verarbeitet diese Transaktionen außerhalb der Kette, bevor er sie zu Stapeln zusammenfasst
Anschließend wird mithilfe von zk-SNARKS ein Gültigkeitsnachweis für den gesamten Stapel generiert.
Dieser Nachweis wird zusammen mit dem Endzustand des Rollups nach der Verarbeitung aller Transaktionen an das Mainnet übermittelt.
Das Mainnet überprüft den Gültigkeitsnachweis und aktualisiert alle an diesem Transaktionsstapel beteiligten Wallets.
Schließlich können Benutzer dann ihr Geld aus dem Rollup-Smart-Vertrag abheben
Die Vorteile von ZK-Rollups
ZK-Rollups bieten erhebliche Vorteile gegenüber älteren Skalierungstechniken wie Sidechains und „Optimistic Rollups“, die derzeit bei Ethereum führend sind.
Genau wie ZK-Rollups verarbeiten auch Optimistic Rollups Transaktionen außerhalb der Kette und bündeln sie in Stapeln, um sie an die Relay-Kette zu senden. Anstatt jedoch ZK-Proofs zu verwenden, verwenden sie einen betrugssicheren Mechanismus, bei dem Transaktionen als gültig angesehen werden, sofern sie nicht von jemandem angefochten werden. Dies erfordert die Verwendung eines „Fensters“ oder Zeitraums, in dem jeder die Transaktionen überprüfen und verifizieren und eine Anfechtung aussprechen kann, wenn er feststellt, dass jemand betrügt. Sollte die Anfechtung erfolgreich sein, wird die betrügerische Transaktion rückgängig gemacht und der Anfechtende erhält eine Belohnung.
Eine Alternative sind Sidechains. Dabei handelt es sich um unabhängige Blockchain-Netzwerke, die parallel zum Mainnet laufen und eigene Konsensmechanismen verwenden, die es ihnen ermöglichen, Transaktionen selbst abzuwickeln. Sie sind über einen „Two-Way Peg“ mit dem Mainnet verbunden, was den Transfer von Vermögenswerten zwischen den beiden Chains ermöglicht.
ZK-Rollups bieten überzeugende Vorteile gegenüber Optimistic Rollups und Sidechains:
Höhere Transaktionsfinalität im Vergleich zu Optimistic Rollups, da sie durch die Verwendung von ZK-Proofs sofort bei der Übermittlung an das Mainnet verifiziert werden können. Die Challenge-Periode bei Optimistic Rollup bedeutet, dass Transaktionen immer verzögert werden.
Höhere Sicherheit im Vergleich zu Sidechains, da sie durch die Verwendung von Gültigkeitsnachweisen die Sicherheit des zugrunde liegenden Mainnets erben. Sidechains basieren auf ihren eigenen Sicherheitsmodellen, die viel schwächer sind als etablierte Blockchains wie Ethereum.
Ein weiterer Vorteil von ZK-Rollups im Vergleich zu Sidechains sind geringere Gasgebühren. Da viele Transaktionen zu einer zusammengefasst und dann auf der Hauptkette verarbeitet werden, kann die an Ethereum gezahlte Gasgebühr auf alle Transaktionen im Bündel aufgeteilt werden. Sidechains können dies nicht. Sie verarbeiten weiterhin jede Transaktion unabhängig, was bedeutet, dass der Benutzer die gesamte Transaktionsgebühr zahlt.
Wie ist der Stand der ZK-Rollups?
Mehrere Projekte bringen ZK-Rollups in den Mainstream. Eines der vielversprechendsten ist das modulare zkEVM Layer-2-Netzwerk Prom ZkEVM, das eine Lösung geschaffen hat, die Ethereum, EVM-kompatible Blockchains und Nicht-EVM-Blockchains unterstützt.
Diese umfassende Unterstützung ist für Prom ZkEVM von entscheidender Bedeutung, da es sich zum Ziel gesetzt hat, Interoperabilität zwischen allen wichtigen Blockchains zu gewährleisten. Seine Architektur ermöglicht es, Gültigkeitsnachweise gleichzeitig an zwei Blockchains zu übermitteln.
Die Verwendung der rekursiven STARK-Technologie durch Prom ZkEVM hat sich als äußerst skalierbar und äußerst wirtschaftlich erwiesen, während der hohe Grad an Interoperabilität Web3-Entwicklern das Leben erleichtert. Darüber hinaus unterstützt es auch „Kontoabstraktions“-Funktionen, die durch den ERC-4337-Standard ermöglicht werden, sodass dApps benutzerfreundliche Funktionen wie herkömmliche, E-Mail-basierte Kontowiederherstellungsmethoden implementieren können.
zkSync ist ein weiterer großer Name im ZK-Rollup-Bereich. Als eine der frühesten ZK-Rollup-Implementierungen verfügt es über einen erheblichen First-Mover-Vorteil, der zu seiner Verbreitung beigetragen hat und Hunderte von dApp-Entwicklern mit seinem Versprechen von 2.000 Transaktionen pro Sekunde überzeugt hat.
Diese beeindruckenden Geschwindigkeiten werden durch eine starke Sicherheit, die zkSync von Ethereum erbt, und niedrige Transaktionsgebühren unterstützt. Darüber hinaus halten viele Entwickler die ausgereiften Rollups von zkSync für einfacher zu implementieren, was bedeutet, dass dApps reibungslose Asset-Transfers über EVM-Ketten ohne Latenz unterstützen können.
Spezialisiertere ZK-Rollups wie Immutable X konzentrieren sich auf Nischenanwendungsfälle innerhalb von Ethereum, wie etwa Web3-Spiele. Sie zielen auf Blockchain-Spiele ab, die NFTs als Spielfiguren, Waffen und Zubehör verwenden. In vielen Spielen sind diese Assets extrem günstig, sodass die Transaktionsgebühren auf ein Minimum beschränkt werden müssen. Aus diesem Grund wird Immutable X von Hunderten von Blockchain-Spielen bevorzugt. Es ermöglicht Spielern, kostengünstige Assets sofort und ohne nennenswerte Gebühren zu kaufen und zu verkaufen.
Darüber hinaus müssen Spieler von Blockchain-Spielen in der Lage sein, sofort Transaktionen durchzuführen. Sie möchten eine neue Waffe oder einen neuen Gegenstand kaufen und ihn sofort in ihrem nächsten Spiel verwenden können. Immutable X bietet dies mit einer unglaublichen Geschwindigkeit von 9.000 Transaktionen pro Sekunde. Als zusätzlichen Vorteil gibt Immutable X an, dass NFTs in seinem Netzwerk dank seines hocheffizienten Proof-of-Stake-Konsensmechanismus kohlenstoffneutral sind.
Blockchain-Skalierbarkeit erreicht
Der Fortschritt von Projekten wie Prom ZkEVM, zkSync und Immutable X zeigt, dass ZK-Rollups den Reifegrad erreicht haben, der erforderlich ist, damit die Technologie zum Mainstream wird. ZK-Rollups bieten mehr als nur Versprechen – sie transformieren Blockchains aktiv, sodass sie Skalierung erreichen und gleichzeitig die Sicherheit und Privatsphäre jedes Benutzers verbessern können.
Durch die Nutzung der hochmodernen Funktionen von ZK-Proofs bieten ZK-Rollups dApps eine leistungsstarke, vielseitige, sichere und die Privatsphäre wahrende Möglichkeit zur Skalierung auf jeder Blockchain.

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