Что такое роллапы и как они работают? Вся необходимая информация

Что такое rollups? – Обзор

Rollups — это отдельный класс решений для масштабирования второго уровня, направленных на устранение проблем масштабируемости блокчейнов. Эти механизмы группируют транзакции Ethereum вне основной сети и отправляют в нее только доказательства транзакций. Такой подход существенно снижает нагрузку на основной блокчейн Ethereum, повышая эффективность работы сети и пропускную способность.

Главная цель rollup-технологии — снизить нагрузку на основной блокчейн и обеспечить выполнение транзакций по значительно меньшей стоимости. На практике rollups объединяют множество транзакций в один блок, обрабатывают их вне основной цепи и записывают лишь необходимые данные и криптографические доказательства на блокчейн первого уровня Ethereum. Такой принцип пакетирования сохраняет уровень безопасности, значительно увеличивает пропускную способность и снижает комиссии за газ для пользователей.

Перенос вычислений вне блокчейна при сохранении доступности данных на основной сети позволяет rollups достичь баланса между масштабируемостью, безопасностью и децентрализацией. Это делает их одним из наиболее перспективных решений для масштабирования блокчейнов, позволяя обрабатывать тысячи транзакций в секунду и сохранять безопасность базового уровня Ethereum.

Преимущества rollups

Экономия средств

Транзакции в rollups обходятся существенно дешевле, чем операции непосредственно в основной сети Ethereum. В последние годы был внедрен апгрейд Dencun, реализовавший proto-danksharding и позволивший решениям второго уровня эффективнее хранить данные через blob-транзакции. В результате стоимость транзакций в большинстве сетей rollup снизилась примерно на 95 %, что сделало блокчейн-доступ для более широкой аудитории.

Такое снижение издержек объясняется объединением сотен или тысяч транзакций в один пакет, что позволяет распределять фиксированные издержки публикации данных между всеми пользователями. Комиссии за газ часто составляют сотые доли цента, тогда как в основной сети они могут достигать нескольких долларов в периоды пиковой загрузки.

Масштабируемость

Rollups радикально изменяют масштабируемость блокчейна, обрабатывая транзакции вне основной сети и записывая только необходимую информацию на основной уровень. Если Ethereum способен обрабатывать около 15 транзакций в секунду, решения на базе rollup могут обеспечивать пропускную способность более 1 000 транзакций в секунду, а отдельные реализации достигают еще больших показателей.

Эффект масштабируемости достигается переносом вычислительной нагрузки с основной сети при сохранении использования Ethereum для хранения данных и окончательных расчетов. Разделение исполнения и консенсуса позволяет rollups оптимизировать скорость обработки транзакций без ущерба для безопасности, обеспечиваемой первым уровнем блокчейна.

Безопасность

Rollups наследуют модель безопасности Ethereum — это одно из их ключевых преимуществ. Поскольку все данные о транзакциях в итоге фиксируются в основной сети, пользователи и валидаторы могут самостоятельно проверять корректность переходов состояния. Гарантия доступности данных позволяет восстановить состояние rollup и вернуть активы даже при сбоях или недобросовестности операторов.

Модели безопасности различаются в зависимости от типа rollup, однако оба подхода обеспечивают сильные криптографические гарантии. Optimistic rollups используют fraud proofs и экономические стимулы, а ZK-rollups применяют доказательства корректности, математически подтверждающие правильность операций. В любом случае последней инстанцией остается механизм консенсуса Ethereum, что дает пользователям уверенность в защите их транзакций одной из самых надежных блокчейн-сетей.

Совместимость с EVM

Большинство rollup-решений сохраняют совместимость с Ethereum Virtual Machine, что важно для разработчиков и пользователей. Это позволяет децентрализованным приложениям, созданным для Ethereum, развертываться на rollup-цепях практически без изменений смарт-контрактов.

Совместимость с EVM ускоряет развитие экосистемы: разработчики используют привычные инструменты, библиотеки и фреймворки. Проекты легко мигрируют с основной сети на решения второго уровня, перенося пользовательскую базу и ликвидность. Такая совместимость создает единое пространство разработки в экосистеме Ethereum, снижая фрагментацию и обеспечивая компоновку между уровнями.

Пользовательский опыт

Rollup-решения значительно улучшают пользовательский опыт, сочетая высокую производительность с низкими издержками и приближая взаимодействие к стандартам Web2. Пользователь получает практически мгновенное подтверждение транзакций, минимальные комиссии и интеграцию с привычными кошельками и интерфейсами Ethereum.

Улучшение опыта устраняет многие барьеры для массового внедрения блокчейна. Благодаря доступным и быстрым транзакциям становятся возможны микроплатежи, высокочастотный трейдинг и интерактивные игры, которые ранее были недоступны на первом уровне. В результате расширяется доступность блокчейна для массового рынка.

Типы rollups

Optimistic rollups

Optimistic rollups предполагают, что все отправленные транзакции по умолчанию корректны, — отсюда и название. При этом внедрен механизм проверки: если кто-то докажет, что транзакция недействительна, система отклонит её и накажет участника, отправившего мошенническую операцию.

На практике после объединения и отправки транзакций в основную сеть начинается период оспаривания, в течение которого любой участник может оспорить их корректность, предоставив fraud proof. Обычно это окно длится около семи дней, после чего транзакции становятся финальными и необратимо фиксируются в Ethereum. Если за это время не поступило оспариваний, операции считаются корректными и записываются в блокчейн.

Такой подход обеспечивает простую реализацию по сравнению с zero-knowledge-доказательствами и лучшую совместимость со смарт-контрактами Ethereum. Компромисс — увеличение времени вывода: пользователю нужно дождаться окончания периода оспаривания, прежде чем вернуть активы на основную сеть.

Популярные Optimistic rollups:

• Arbitrum: Решение работает на виртуальной машине Arbitrum, полностью совместимой с EVM и оптимизированной для производительности. Arbitrum занимает лидирующие позиции среди Layer 2-сетей, аккумулируя значительный TVL и размещая множество DeFi-протоколов и приложений.

• OP Mainnet: Запущенная на раннем этапе Layer 2, OP Mainnet стала одной из крупнейших экосистем второго уровня. Сеть первой внедрила модель Optimistic rollup и продолжает развивать механизмы управления и развития экосистемы.

• Base: Разработанная крупной криптобиржей, Base быстро вышла на второе место среди Layer 2 по объему TVL после Arbitrum. Интеграция с централизованной биржей упростила привлечение пользователей и перевод ликвидности, что обеспечило быстрый рост.

ZK-rollups (Zero-Knowledge rollups)

ZK-rollups реализуют иной принцип проверки транзакций: все операции считаются недействительными, пока их корректность не подтверждается криптографическим доказательством. Вместо предположения о валидности и последующих оспариваний, ZK-rollups требуют, чтобы валидаторы генерировали zero-knowledge-доказательства, математически подтверждающие корректность переходов состояния перед отправкой на первый уровень.

Такой механизм обеспечивает ряд преимуществ перед оптимистичными rollup. Прежде всего, ZK-rollups дают почти мгновенную финализацию — транзакции проходят криптографическую проверку до отправки в Ethereum. Пользователям не нужно ждать окончания периода оспаривания, что ускоряет вывод средств и повышает эффективность. Криптографическая природа доказательств обеспечивает еще более высокий уровень безопасности, так как недействительные транзакции не могут попасть в сеть.

Компромисс — возросшая сложность. Генерация zero-knowledge-доказательств требует сложных вычислений и специализированного оборудования, что усложняет внедрение и эксплуатацию ZK-rollups. Тем не менее исследования и разработки повышают эффективность генерации доказательств и снижают технические барьеры.

Популярные ZK-rollups:

• zkSync Era: Решение второго уровня на основе ZK-rollup, набравшее популярность в последние годы. Обеспечивает совместимость с EVM через zkEVM, позволяя разрабатывать приложения с минимальными изменениями и пользоваться преимуществами zero-knowledge-доказательств.

• Starknet: Использует собственные технологии, включая STARKs, обеспечивающие эффективную генерацию и проверку доказательств. Архитектура Starknet устраняет посредников в процессе проверки транзакций, повышая масштабируемость.

• Polygon zkEVM: Разработан в рамках экосистемы Polygon, сохраняет полную совместимость с EVM и использует zero-knowledge-доказательства для валидации. Такой подход делает его привлекательным вариантом для миграции с основной сети или других Layer 2-решений.

Fraud proofs и validity proofs

Fraud proofs (Optimistic rollups):

Optimistic rollups используют fraud proofs как основу безопасности. В этой модели все транзакции изначально считаются корректными и публикуются в основной сети без непосредственной проверки. После каждого пакета транзакций следует период оспаривания (примерно семь дней), когда любой участник сети может проверить операции и отправить fraud proof при обнаружении некорректного перехода состояния.

После поступления fraud proof протокол rollup запускает проверку в основной сети. Если доказательство мошенничества подтверждается, rollup удаляет ошибочную операцию и обычно наказывает секвенсора или валидатора. Такая система экономических стимулов сдерживает злоупотребления и поддерживает эффективность обработки транзакций.

Mеханизм fraud proof позволяет optimistic rollups достигать высокой производительности и низких издержек, поскольку не требует сложных вычислений для каждой транзакции. Однако длительный период ожидания создает неудобства для вывода средств: пользователи должны дождаться финализации, чтобы вернуть капитал на первый уровень.

Validity proofs (ZK-rollups):

ZK-rollups используют validity proofs — принципиально иной подход к безопасности. Здесь каждая операция считается недействительной до математического подтверждения с помощью zero-knowledge-криптографии. Перед отправкой любого пакета транзакций на первый уровень операторы ZK-rollup генерируют validity proofs, криптографически подтверждающие корректность всех переходов состояния.

Доказательства верифицируются на основной сети Ethereum, предоставляя мгновенное криптографическое подтверждение правильности операций. Это устраняет необходимость в периодах оспаривания, поскольку недействительные транзакции не могут быть опубликованы. В результате достигаются быстрая финализация, эффективное использование капитала и высокий уровень безопасности.

Validity proofs используют передовые криптографические методы, такие как zk-SNARKs или zk-STARKs. Хотя их генерация требует значительных ресурсов, процесс верификации на первом уровне очень эффективен и требует мало газа. Такая асимметрия позволяет ZK-rollups обеспечивать высокий уровень безопасности без ущерба масштабируемости.

Применение на практике

DeFi

Децентрализованные финансы — одно из главных направлений применения rollup-технологий, где Layer 2-сети занимают значительную долю рынка. Ведущие rollup-решения аккумулируют около двух третей ликвидности DeFi второго уровня, что подтверждает миграцию финансовой активности с основной сети на более эффективные решения.

Крупные DeFi-протоколы быстро расширяются в этих экосистемах, предлагая более эффективный обмен и кредитование. Децентрализованные биржи выигрывают за счет снижения издержек и роста пропускной способности, что позволяет реализовывать сложные торговые стратегии и лимитные ордера. Кредитные протоколы предлагают более выгодные ставки благодаря снижению расходов, а агрегаторы доходности проводят более частое ребалансирование портфелей.

Сочетание низких комиссий и высокой скорости позволило появиться новым DeFi-примитивам: микрокредитованию, высокочастотному арбитражу, автоматическому управлению портфелями. Это стимулирует внедрение и инновации в DeFi-секторе.

NFT-маркетплейсы и игры

Игровые приложения и NFT-платформы — одни из ключевых сфер применения rollup, так как требуют высокой пропускной способности и низких комиссий. Игры генерируют множество микротранзакций — покупки предметов, внутриигровые действия, вознаграждения — которые на основной сети Ethereum слишком дороги.

Появились специализированные rollup-решения для игровых и NFT-секторов, некоторые платформы стали ведущими экосистемами Web3-гейминга. Они размещают десятки игр и обрабатывают миллионы транзакций, что подтверждает эффективность блокчейн-гейминга при наличии масштабируемой инфраструктуры.

Rollups также делают NFT-маркетплейсы более доступными: низкие издержки на выпуск и обмен позволяют создавать и торговать недорогими цифровыми активами. Благодаря этому рынок NFT расширился за пределы дорогого коллекционирования, включив игровые активы, виртуальную недвижимость и социальные токены.

Корпоративные решения

Корпоративные приложения — перспективное направление внедрения rollup, поскольку бизнесу необходима высокая пропускная способность и низкие издержки. Часто речь идет о тысячах или миллионах транзакций в день, что невозможно реализовать на основной сети из-за ограничений стоимости и масштабируемости.

Крупные финансовые компании внедряют rollup-технологии для различных задач. Например, ведущие платежные операторы интегрируют Layer 2-решения для блокчейн-расчетов. Подобные проекты доказывают потенциал rollups для объединения традиционных финансов и блокчейна, обеспечивая преимущества распределенного реестра и требуемую производительность.

Среди других применений — отслеживание поставок, программы лояльности, управление токенизированными активами. Все эти сценарии выигрывают от масштабируемости и экономии, которые обеспечивают rollup-решения.

Проблемы и ограничения rollups

Доступность данных:

Одна из главных проблем rollup — обеспечение надежной доступности данных. Большинство rollup публикуют данные транзакций в основной сети Ethereum, однако некоторые решения используют альтернативные подходы для снижения затрат. Это создает дополнительные доверительные риски, так как пользователи зависят от внешних сервисов для доступа к данным.

Если доступ к данным нарушен, пользователи не могут восстановить состояние rollup или подтвердить права на активы. Этот риск вызывает споры о допустимых компромиссах между снижением издержек и безопасностью. Для решения проблемы развиваются комитеты по доступности и специализированные слои хранения данных.

Задержки вывода в optimistic rollups:

Семидневный обязательный период ожидания вывода средств из optimistic rollups усложняет возврат активов на основную сеть. Такая задержка нужна для проверки fraud proofs, но ухудшает пользовательский опыт и снижает эффективность капитала.

Появились провайдеры ликвидности и быстрые мосты, предлагающие мгновенную ликвидность за комиссию, однако это увеличивает издержки и требует дополнительных доверительных отношений. Проблема задержки вывода остается главным недостатком optimistic rollups по сравнению с ZK-rollup.

Сложность ZK-rollup:

ZK-rollups используют сложные криптографические механизмы, что значительно увеличивает техническую сложность. Генерация zero-knowledge-доказательств требует особых знаний, ПО и иногда специализированного оборудования. Это создает барьеры для разработчиков и операторов, затрудняя децентрализацию сетей ZK-rollup.

Криптографические основы zero-knowledge-доказательств требуют тщательного аудита. Несмотря на теоретическую надежность, ошибки реализации или уязвимости могут поставить под угрозу безопасность. Поскольку технологии сравнительно новы, экосистема продолжает развиваться и выявлять проблемы.

Риски централизации:

Многие rollup используют централизованных секвенсоров для упорядочивания и пакетирования транзакций. Это упрощает архитектуру, но создает риски централизации и точки отказа. Недобросовестный или скомпрометированный секвенсор может блокировать транзакции, манипулировать порядком операций или вызвать сбои.

В отрасли активно работают над децентрализацией: внедряются распределенные сети секвенсоров, протоколы выбора лидера, механизмы устойчивости к цензуре. Однако достижение надежной децентрализации при сохранении производительности остается сложной задачей.

FAQ

Что такое rollups и как они помогают решать проблему масштабирования блокчейна?

Rollups — это решения для масштабирования, которые обрабатывают транзакции вне основной цепи, а данные публикуют в блокчейне. Такой подход значительно увеличивает пропускную способность: rollups объединяют множество транзакций, уменьшая нагрузку на основной блокчейн и снижая комиссии при сохранении безопасности за счет верификации данных на главной цепи.

В чем разница между optimistic rollups и ZK rollups?

Optimistic rollups по умолчанию считают транзакции корректными и оспаривают только подозрительные операции, тогда как ZK rollups используют zero-knowledge-доказательства для проверки каждой транзакции. Optimistic rollups обеспечивают более низкие издержки, но требуют большего времени на вывод, в то время как ZK rollups обеспечивают более высокий уровень безопасности и быстрый вывод при большей вычислительной нагрузке.

Каковы преимущества и недостатки транзакций в rollups по сравнению с основной цепью?

Преимущества: низкие комиссии, высокая пропускная способность, быстрое подтверждение. Недостатки: задержка финализации, зависимость от безопасности основной цепи, меньшая экосистема. Rollups оптимизируют скорость и стоимость при сохранении приемлемого уровня безопасности.

Как обеспечивается безопасность rollups? Какие риски существуют?

Безопасность rollups обеспечивают узлы второго уровня или смарт-контракты-верификаторы на первом уровне. OP rollups требуют честных узлов для публикации fraud proofs. ZK rollups используют криптографическую проверку на первом уровне. Риски: мошенничество, доверие к комитетам, уязвимости смарт-контрактов.

Какие основные проекты rollup: Arbitrum, Optimism, StarkNet?

К основным rollup-проектам относятся Arbitrum, Optimism, Base, Starknet и zkSync. Эти решения повышают эффективность и масштабируемость, обрабатывая транзакции вне основной сети и фиксируя их в Ethereum, что увеличивает пропускную способность и снижает издержки пользователей.

Как rollups взаимодействуют с основной сетью Ethereum и обеспечивают перевод активов?

Rollups осуществляют перевод активов в смарт-контракты, затем обрабатывают транзакции вне цепи и в пакетном виде отправляют их обратно в основную сеть. Такой подход одновременно гарантирует безопасность и обеспечивает масштабируемость и эффективность перевода активов.

Насколько rollups улучшают стоимость и скорость транзакций по сравнению с Layer 1?

Rollups благодаря сжатию данных существенно сокращают издержки и увеличивают скорость транзакций. В сравнении с Layer 1 комиссии могут снижаться в 3–8 раз, а скорость вырастать в десятки раз, что существенно повышает эффективность сети.