zkSync ist eine Layer-2-Skalierungslösung, die Ethereum mithilfe der ZK-Technologie Skalierbarkeit ohne Einbussen bei der Sicherheit oder Dezentralisierung ermöglicht. Anthony Rose, Head of Engineering bei Matter Labs, teilt seine Gedanken über die aktuelle L2-Landschaft und ihre vielversprechende Zukunft.
Bislang stand Ethereum vor dem gleichen Designproblem wie alle Blockchains. Dieses Problem ist als Blockchain-Trilemma bekannt, das ursprünglich von Ethereum-Gründer Vitalik Buterin umrissen wurde. Das Blockchain-Trilemma besagt, dass Blockchains einen Kompromiss zwischen Sicherheit, Dezentralisierung und Skalierbarkeit eingehen müssen. Im Wesentlichen können sie nur für zwei der drei Parameter optimiert werden.
Die Ethereum-Blockchain wurde bewusst für die wichtigsten Parameter optimiert, die jede Layer-1-Blockchain benötigt: Dezentralisierung und Sicherheit. Für ein System, das als Abwicklungsschicht für globale digitale Werte fungieren soll, ist die Priorisierung der Sicherheit ein Muss. Ebenso ist die Dezentralisierung ein wesentliches Merkmal für öffentliche Blockchains, um vertrauenswürdig zu bleiben. Aufgrund dessen verarbeitet Ethereum jedoch im Durchschnitt nur etwa 15 Transaktionen pro Sekunde und kann unmöglich von allen Menschen auf der Welt gleichzeitig genutzt werden. Als eine der führenden Layer-2-Lösungen ist zkSync - entwickelt vom Matter Labs Team - darauf ausgelegt, dieses Problem zu lösen.
CVJ.CH: Wie würden Sie Layer-2-Skalierungslösungen (L2s) beschreiben?
Anthony Rose: Layer-2-Skalierungslösungen, wie ZK-Rollups und optimistische Rollups, dienen der Steigerung der Gesamtkapazität eines Blockchain-Netzwerks. Dies gelingt durch die Verarbeitung und Verifizierung von Transaktionen ausserhalb des Haupt-Blockchain-Netzwerks, die dann gebündelt auf der Kette abgewickelt werden. Dies verringert die Überlastung der Hauptkette, erhöht die Transaktionsgeschwindigkeit und senkt die Transaktionsgebühren.
Skalierung ist ein kritisches Problem für das Blockchain-Ökosystem, das es zu lösen gilt. Aktuell arbeiten mehrere Teams an der Lösung dieses Problems. zkSync, StarkWare und einige Projekte von Polygon-Teams sind Beispiele für ZK-Rollups, während Optimism und Arbitrum zwei der grössten optimistischen Rollups darstellen. Während ZK-Rollups fortschrittliche Kryptographie, so genannte Zero-Knowledge-Proofs, zur Gewährleistung der Gültigkeit von Transaktionen verwenden, stützen sich optimistische Rollups auf wirtschaftliche Anreize und Spieltheorie.
Weshalb sind L2s so wichtig für das Krypto-Ökosystem?
Wir glauben, dass Ethereums Skalierung im Moment das wichtigste Problem ist, das es zu lösen gilt. Wie bereits erwähnt, kann Ethereum nur etwa 15 Transaktionen pro Sekunde verarbeiten, was zu hohen Transaktionsgebühren und langen Bestätigungszeiten führen kann. Diese Limitierung stellt eine grosse Einschränkung für die Abrechnung von Werten auf der ganzen Welt in einem bedeutenden Ausmass dar. L2s bieten zusätzliche Kapazität und ermöglichen die Verarbeitung von mehr Transaktionen pro Sekunde, wodurch das Netzwerk skalierbarer und für die Nutzer zugänglicher wird.
Durch den Einsatz von Layer-2-Lösungen kann Ethereum seine Sicherheit und Dezentralisierung beibehalten und gleichzeitig seine Skalierbarkeit verbessern, was für das weitere Wachstum und die Adoption des Netzwerks unerlässlich ist.
Können Sie sogenannte Zero-Knowledge-Proofs in einfachen Worten erklären?
Im Kern sind Zero-Knowledge-Proofs ("ZK-Proofs") eine Art der fortgeschrittenen Kryptographie, die es einer Person (dem Beweisführer) ermöglicht, einer anderen Person (dem Verifizierer) zu beweisen, dass sie eine bestimmte Information kennt, ohne die eigentliche Information selbst preiszugeben. Das bedeutet, dass der Verifizierer (engl. = Verifier) sicher sein kann, dass der Beweisführer (engl. = Prover) die Information kennt. Er kann aber nicht erfahren, um welche Information es sich handelt. Dies geschieht mit Hilfe von Mathematik, so dass der Verifizierer nicht überlistet oder getäuscht werden kann.
Ein einfaches Beispiel: Stellen Sie sich vor, Alice möchte Bob beweisen, dass sie das geheime Passwort für eine bestimmte Website kennt, aber sie möchte Bob das Passwort nicht verraten. Dazu kann Alica einen ZK-Proof verwenden. In diesem Fall wäre das Passwort die "Information", über die Alice ihre Kenntnis beweist, und Bob wäre der "Verifizierer", der von der Kenntnis des Passworts überzeugt wird - ohne das Passwort selbst zu erfahren.
Ohne zu sehr in die Tiefe zu gehen, verwenden wir einen speziellen Ansatz, der "zk-SNARKs" genannt wird. Diese Abkürzung steht für "Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge". Obwohl wir diese Systeme als ZK-Rollups bezeichnen, verwenden wir sie nicht für den "Zero-Knowledge"-Aspekt dieser Technologie, sondern für den "succinct" (dt. = prägnant) Teil. Diese Prägnanz bezieht sich auf die Beweise selbst. Wir sind in der Lage, diese kleinen Beweise zu generieren, die sich sehr schnell auf ihre Korrektheit hin verifizieren lassen, die aber die viel grössere Rechenarbeit darstellen, die auf der Layer-2-Ebene geleistet wird.
Wie lässt sich ZK-Technologie auf eine Skalierungslösung anwenden?
zkSync verwendet ZK-Proofs, um die Gültigkeit mehrerer Transaktionen zu verifizieren und einen Zero-Knowledge-Proof zu erstellen, dass diese Transaktionen gültig sind. Wie zuvor erwähnt, basiert dieser kryptographische Beweis auf reiner Mathematik und kann nicht gefälscht werden. Das Netzwerk übermittelt diesen Beweis dann über eine L1-Transaktion an Ethereum, zusammen mit den Daten, die zur Wiederherstellung der Transaktionen benötigt werden. Ein Smart Contract, den wir auf Ethereum implementiert haben, verifiziert die Gültigkeit des Beweises und den korrekten Übergang des Zustands unserer Blockchain.
Da viele L2-Transaktionen über eine einzige L1-Transaktion abgewickelt werden, kann ein höheres Transaktionsvolumen pro Sekunde verarbeitet werden, was die Skalierbarkeit und Kosteneffizienz für Endnutzer verbessert. Darüber hinaus ist unsere nächste Version (zkSync 2.0) EVM-kompatibel. Alle Projekte, die auf Ethereum oder anderen EVM-Ketten laufen, können somit problemlos auf unser System umgestellt werden, um von den niedrigen Gasgebühren und der hohen Transaktionsgeschwindigkeit zu profitieren.
Was ist der Unterschied zwischen einem ZK Rollup und einem optimistischen Rollup?
Bei optimistischen Rollups wie Optimism und Arbitrum nimmt der "Validator" eine Reihe von Transaktionen und überträgt sie auf Ethereum. Dabei wird im Wesentlichen davon ausgegangen, dass der Zustandsübergang dieser L2-Systeme gültig ist. Es werden genügend Informationen publiziert, damit Dritte die Gültigkeit der Aktualisierung überprüfen. Innerhalb eines bestimmten Zeitfensters können sie bei der Entdeckung eines Problems beweisen, dass diese Transaktionen ungültig oder betrügerisch waren. Wenn innerhalb dieses Zeitfensters (das in der Regel sieben Tage beträgt) niemand einen solchen Nachweis erbringt, gilt der Status als gültig. Reicht jemand eine zulässige Behauptung ein, dass die Transaktionen betrügerisch sind, wird die Statusaktualisierung abgelehnt.
Optimistische Rollups beruhen auf Vertrauen und Spieltheorie. Man muss darauf vertrauen, dass es Akteure gibt, die angesichts der wirtschaftlichen Belohnung für die Entdeckung eines Problems auf ungültige Aktualisierungen achten. Dieser Ansatz hat jedoch eine langwierige Streitbeilegungsphase (sieben Tage) und verlässt sich darauf, dass Menschen nach finanziellen Anreizen handeln. Ausserdem gibt es noch weitere Umstände, unter denen diese Systeme anfällig sein könnten.
ZK-Rollups wie zkSync verwenden kryptographische Beweise anstelle der Spieltheorie, um die Gültigkeit von Transaktionen auf L2 zu gewährleisten. Da es unmöglich ist, einen ungültigen Beweis zu erstellen, ist das System nicht auf Vertrauen oder Annahmen über die Menschen hinter dem System angewiesen. Es verlässt sich einfach auf die Mathematik, die die rechnerische Integrität des Blocks erzwingt.
Wo lagen die grössten Hürden bei der Entwicklung eines EVM-kompatiblen ZK-Rollups?
ZK-Proofs sind rechenintensiv. Das heisst, man braucht eine Menge Berechnungen, um einen Gültigkeitsnachweis zu erzeugen. Dies ist aber notwendig, um die Integrität des Systems zu gewährleisten und zu verhindern, dass betrügerische Transaktionen aufgenommen werden. Das inzwischen zwei Jahre alte zkSync v1 benötigt durchschnittlich 3 Stunden für die Erstellung des Gültigkeitsnachweises. Manchmal dauert es sogar nur 45-50 Minuten. Wir arbeiten mit Nachdruck daran, unser v2-System deutlich zu verbessern und haben eine enorme Menge an Arbeit geleistet, um auf dem v1-System aufzubauen. Wir möchten die oben genannte Zeitspanne im Laufe des nächsten Jahres auf eine einstellige Zahl von Minuten reduzieren.
Kürzlich hat unser Team eine Auszeichnung von ZPrize gewonnen - einem offenen Wettbewerb, der technologische Fortschritte in der Zero-Knowledge-Kryptographie fördern soll. Ein wesentlicher Bestandteil der ZK-Berechnungen ist die Multiskalarm-Multiplikation (MSM), die sehr schnell sein muss. Unsere Lösung erreichte eine Latenzzeit von nur 2.528 Sekunden und gewann den Preis für die schnellste MSM mit GPUs.
Die besten Artikel der Woche direkt in ihre Mailbox geliefert.Abonnieren Sie unseren Newsletter
Sehen Sie irgendwelche regulatorischen Grenzen für zk-basierte Technologien?
Einige Regulierungsbehörden haben Bedenken geäussert, dass Kriminelle Technologien zur Wahrung der Privatsphäre ausnutzen könnten. ZK-Proofs können zwar zur Wahrung eines sehr hohen Levels an Privatsphäre verwendet werden, aber die Anwendung von ZK-Proofs und anderen ZK-basierten Technologien im Blockchain-Bereich dient heute der Verbesserung der Skalierbarkeit, und wir machen uns eher die Prägnanz der Proofs als die Zero-Knowledge-Eigenschaft zunutze. Unser System ist nicht so anonym wie einige Technologien, die auf der Zero-Knowledge-Kryptographie basieren.
Ich glaube jedoch, dass wir mit der Zeit eine viel stärkere Adoption dieser Technologien erleben werden. Es gibt viele Anwendungsfälle, die man sich für ZK-Systeme in grossem Massstab vorstellen kann, insbesondere für Finanzanwendungen (oder andere Bereiche, in denen es sensible Daten zu verarbeiten gilt). Es besteht wohl kein Interesse daran, alle Finanztransaktionen der Welt öffentlich zu machen und ich rechne mit einem umfassenden Beitrag der ZK-Tools zu Verbesserungen in vielen Bereichen.
Worauf freuen Sie sich am meisten in den nächsten 3-5 Jahren? Wie sehr wird sich das Ökosystem verändern?
In den nächsten 5 Jahren werden sich Ethereum und der ZK-Rollup-Raum wahrscheinlich stark verändern, da sich die Technologie rapide weiterentwickelt und verbessert. Je mehr Entwickler und Unternehmen diese Technologien übernehmen, desto grösser wird die Nachfrage nach schnelleren, billigeren und skalierbareren Lösungen zur effizienteren und kostengünstigeren Abwicklung von Transaktionen. Mit der zunehmenden Verbreitung der Blockchain-Technologie wird auch der Datenschutz und die Sicherheit immer wichtiger. Native Datenschutzlösungen, die zkSync auf dem dritten Layer unterstützt, könnten sich daher durchsetzen.
Anthony Rose ist Head of Engineering bei Matter Labs: das Team, das zkSync entwickelt. Anthony beaufsichtigt alle Entwicklerteams, die an der Layer-2-Lösung arbeiten, während sich Matter Labs auf den Start des "Full Alpha Mainnet" Anfang 2023 vorbereitet. Bevor er zu Matter Labs kam, leitete Anthony mehrere Jahre lang Entwicklerteams bei SpaceX und entwickelte Software für Falcon, Dragon und Starlink. Davor war er als Entwickler und Datenwissenschaftler bei Uber und Expedia tätig. Er hat einen Doktortitel von der University of Sussex. Anthony lebt jetzt mit seiner Familie in Los Angeles.
