Modulare Blockchains und Rollups: Die Zukunft von Ethereum und darüber hinaus

Einführung in modulare Blockchains

Bevor wir näher darauf eingehen, sollten Sie verstehen, warum Blockchain-Rollups und Modularität immer wieder zusammen diskutiert werden. Wichtig ist, dass beide Konzepte die Entschlüsselung verschiedener Blockchain-Funktionalitäten zur Leistungssteigerung ansprechen. Sie werden verstehen, wovon ich spreche – bitte haben Sie noch etwas Geduld.

Beginnen wir mit monolithischen Blockchains wie dem ursprünglichen Ethereum. Diese Blockchains behandeln alle Schlüsselkomponenten – Konsens, Smart Contracts, Datenverfügbarkeit, Transaktionsausführung und Abwicklung – in einem einschichtigen Framework. Dieses integrierte Design funktioniert zwar, bringt aber auch Skalierbarkeitsprobleme mit sich, da alles in einer Schicht adressiert wird und auf denselben Knoten basiert, was zu Engpässen führt.

Vergleichen Sie das mit modernen modularen Blockchains. Diese verwenden einen anderen Mechanismus, indem sie Schlüsselfunktionen in spezialisierte Schichten aufteilen, in denen unterschiedliche Aufgaben auf verschiedenen Knoten ausgeführt werden. Die Abwicklungsschicht beispielsweise finalisiert Transaktionsergebnisse und bildet ein vertrauensminimiertes Ledger, typischerweise in Kombination mit der Ausführung auf Rollups. Sein Hauptzweck ist die Überprüfung von Beweisen und die Beilegung von Streitigkeiten für Rollups. Data Availability Layer und Consensus Layer sorgen dafür, dass Transaktionsdaten für die Validierung und Verarbeitung außerhalb der Blockchain verfügbar sind, da dies für einen Konsens des Netzwerks über den Zustand der Blockchain unerlässlich ist. Smart Contracts sind Code, der auf der Ausführungsebene ausgeführt wird, die Transaktionen für dApps verarbeitet. Die Ausführungsebene verarbeitet die Transaktionen und Smart Contracts und stellt sicher, dass alle Rechenarbeiten effizient ausgeführt werden. Rollups sind eine Skalierungslösung, die Transaktionen außerhalb der Blockchain ausführt und Daten an eine Ausführungsebene innerhalb der Blockchain sendet.

Monolithischer vs. modularer Blockchain-Ansatz

Rollups wie Arbitrum und Optimism haben sich zu einer Skalierungslösung für monolithische Blockchains wie Ethereum entwickelt, indem sie die Ausführung außerhalb der Blockchain durchführen.

Sie sind jedoch für diesen modularen Ansatz unverzichtbar geworden und fungieren oft als separate Schicht, die Transaktionen verarbeitet und Daten an Schicht 1 zurückgibt. Diese enge Beziehung zwischen Rollups und modularer Architektur ist der Grund, warum sie bei der Erforschung der Zukunft der Blockchain-Skalierbarkeit häufig gemeinsam diskutiert werden. Wir werden dieses Thema in den folgenden Abschnitten genauer vertiefen! Bleiben Sie dran. Monolithische vs. modulare Blockchains: Sie wissen bereits, dass monolithische und modulare Blockchains zwei unterschiedliche Architekturformen für den Aufbau von Blockchains sind, die jeweils ihre Vor- und Nachteile haben. Doch anstatt über die Theorie zu sprechen, wollen wir die Unterschiede deutlich machen und einige reale modulare Blockchains mit ihren monolithischen Pendants vergleichen.

Monolithische Blockchains wie Ethereum hatten vor den Ethereum 2.0-Upgrades Probleme mit der Skalierbarkeit, da die Gaskosten zu hoch waren und Transaktionen aufgrund von Netzwerküberlastung langsamer abliefen.

Als Ethereum wuchs, schränkte die Überlastung aufgrund der monolithischen Form, bei der jeder Knoten jede Transaktion verarbeitete und speicherte, den Durchsatz ein und erschwerte die Skalierung.

Seitdem gab es jedoch zahlreiche Updates, um diese Verbesserungen zu realisieren. Mit der Umstellung auf Ethereum 2.0 wurde der Proof-of-Stake (PoS)-Konsensmechanismus eingeführt. Wir haben einen starken Anstieg von Layer-2-Skalierungslösungen wie Optimism, Arbitrum und zkSync erlebt. Das modulare Blockchain-Paradigma ist jedoch relativ neu und zählt seit 2024 zu den neuesten Entwicklungen. Eine modulare Blockchain wie Celestia unterteilt die Blockchain-Funktionalität in Schichten wie Ausführung, Konsens und Datenverfügbarkeit. Dies führt dazu, dass nicht mehr jeder Knoten alles erledigen muss. Knoten können sich eher auf eine Ebene spezialisieren, wodurch die Netzwerklast im Allgemeinen geringer ist.

Rollups verstehen

Rollups bieten im Allgemeinen eine robuste Skalierungslösung, ohne jemals von der primären Blockchain getrennt zu sein, um Sicherheit und Datenverfügbarkeit zu gewährleisten. Im Wesentlichen fassen sie mehrere Transaktionen in einem Batch zusammen und reduzieren so die Belastung der Basisebene, die für Konsens und Datenverfügbarkeit erforderlich ist.

So funktionieren Rollups:

Wenn Sie kleine Kryptowährungsbeträge transferieren und einige Minuten oder Stunden auf die Verifizierung Ihrer Transaktion warten können, benötigen Sie möglicherweise kein Rollup. Wenn Sie jedoch große Transaktionen, schnellere Bestätigungszeiten oder viele Transaktionen benötigen, sind Rollups ein großer Vorteil.

Ab dem 7. Oktober 2024 lagen die Gaspreise für Ethereum-Rollups wie Optimism, Arbitrum und zkSync üblicherweise zwischen 0,001 und 0,02 ETH, 0,0015 und 0,015 ETH bzw. 0,001 und 0,005 ETH.

Wenn Sie also Kryptowährungen auf Ethereum besitzen und Gebühren oder Zeit sparen möchten, ist ein Rollup eine kluge Entscheidung.

Typischerweise läuft Folgendes ab: Sie öffnen Ihre Wallet, z. B. MetaMask oder WalletConnect, und wenn Ihr Guthaben im Ethereum-Mainnet liegt, übertragen Sie es auf ein Rollup wie zkSync.

Sie können dann einfach Transaktionen zwischen zkSync-Konten senden. Einfach und effizient! Aber wie funktioniert das im Hintergrund eines Rollups?

1. Off-Chain-Verarbeitung: In modularen Blockchains wie Celestia erfolgt der Großteil der Off-Chain-Rechenarbeit, wie die Ausführung von Transaktionen und die Verarbeitung von Smart Contracts, auf der Rollup-Ebene. Dadurch werden Engpässe in der Hauptkette vermieden. Anstatt jede einzelne Transaktion direkt in der Hauptkette auszuführen, bündeln Rollups Millionen von Transaktionen zu einem einzigen Paket, was den Rechenaufwand reduziert.
2. Batch-Übermittlung: Nach der Off-Chain-Verarbeitung werden die Transaktionen in einer Batch-Übermittlung an die Hauptkette gesendet. Die Übermittlung ist minimal und enthält nur verifizierungsrelevante Daten. Diese sind deutlich kleiner als bei der separaten Verarbeitung jeder Transaktion in der Basiskette.
3. Datenverfügbarkeit in der Kette: Die Ausführung erfolgt Off-Chain, die Daten müssen jedoch verfügbar sein, um verifiziert und Konsens erzielt werden zu können. Rollups veröffentlichen Nachweise komprimierter Daten, sogenannte Validity- oder Fraud-Proofs, um die Verifizierung offener Transaktionen in der Hauptkette zu ermöglichen. Es gibt zwei Arten von Rollup-Nachweisen: Validity-Proofs (verwendet von ZK-Rollups) und Fraud-Proofs (verwendet von Optimistic Rollups).
4. Abhängigkeit von Layer-1-Sicherheit: Rollups basieren weiterhin auf der Sicherheit und dem Konsens der Layer-1-Chain. Bei optimistischen Rollups kann jeder die Gültigkeit von Transaktionen durch Betrugsnachweise anfechten. Bei ZK-Rollups stellt der Gültigkeitsnachweis sicher, dass nur gültige Transaktionen akzeptiert werden. Wir kommen gleich darauf zurück, also bleiben Sie dran!
5. Transaktionsfinalität: Sobald der Transaktionsstapel auf der Layer-1-Blockchain abgewickelt ist, sind die Transaktionen innerhalb des Stapels endgültig. Je nachdem, ob der Rollup optimistisch oder ZK-basiert ist, kann die Finalität praktisch sofort erfolgen.

Zeit, über verschiedene Arten von Rollups zu sprechen, denn Sie haben sicher Fragen.

Optimistische Rollups erklärt

Optimism und Arbitrum sind sehr beliebte Implementierungen optimistischer Rollups, aber weitere bekannte Lösungen sind Base, Metis und Cartesi.

Weitere bekannte Lösungen sind Base, Metis und Cartesi.

Optimistische Rollups sind eine Kategorie von Layer-2-Skalierungslösungen, die den Durchsatz von Ethereum durch die Ausführung von Transaktionen außerhalb der Blockchain erhöhen sollen.

Optimistische Rollups betrachten Transaktionen standardmäßig als gültig, daher der Name „optimistisch“ für diese Verifizierungsmethode.

Anstatt alle Transaktionen in der Blockchain zu verifizieren, melden optimistische Rollups lediglich eine Batch-Zusammenfassung einer Transaktion an Ethereum Layer 1. Dadurch wird die Rechen- und Speicherlast von Layer 1 entlastet und der Rechen- und Speicheraufwand für Layer 1 reduziert. Dies unterscheidet sich deutlich von zk-Rollups, die auf kryptografischen Beweisen basieren, um die Gültigkeit der Transaktionen zu überprüfen. Das Sicherheitsmodell optimistischer Rollups basiert auf Betrugsnachweisen, wobei Nutzer betrügerische Transaktionen innerhalb einer Anfechtungsfrist anfechten können. Nach der Abwicklung von Transaktionen außerhalb der Blockchain gibt es ein Zeitfenster – in der Regel mehrere Wochen –, in dem jeder eine unklare Transaktion durch Vorlage eines Betrugsnachweises anfechten kann. Wird ein Betrug festgestellt, führt das System die Transaktion erneut aus, um zu prüfen, ob sie legitim war. Es vereint Skalierbarkeit und Sicherheit, indem es die meisten Transaktionen ohne direkte Verifizierung ermöglicht, aber gleichzeitig die Möglichkeit bietet, böswillige Aktivitäten rückgängig zu machen. Optimistische Rollups wie Arbitrum und Optimism bieten Skalierbarkeitsvorteile durch reduzierte Gasgebühren und erhöhte Transaktionskapazität und eignen sich daher ideal für dApps, die auf reduzierte Gasgebühren und erweiterte Transaktionskapazität optimiert sind. Der Nachteil liegt in der längeren Finalitätszeit aufgrund der Challenge-Periode, was sie für zeitkritische Operationen weniger ideal macht.

ZK-Rollups: Ein tiefer Einblick

Zero-Knowledge (ZK)-Rollups bieten eine High-End-Lösung für die Skalierung und nutzen kryptografische Beweise zur Transaktionsvalidierung und -effizienz, insbesondere für Ethereum. Im Gegensatz zu optimistischen Rollups, die Transaktionen bis zur endgültigen Bestätigung als gültig voraussetzen, verwenden ZK-Rollups kryptografische Beweise, um sicherzustellen, dass alle Transaktionen innerhalb eines Batches tatsächlich gültig sind. Die Verwendung kryptografischer Beweise macht ZK-Rollups zu einer robusten und sicheren Wahl, insbesondere für Anwendungen, bei denen Unmittelbarkeit und hohe Vertrauenswürdigkeit wichtig sind. Der Betrieb von ZK-Rollups umfasst eine Reihe wichtiger Schritte. Erstens führen ZK-Rollups, ähnlich wie optimistische Rollups, Transaktionen außerhalb der Blockchain aus. Der Unterschied liegt jedoch im Ansatz, mit dem sie diese Transaktionen authentifizieren: ZK-Rollups generieren Gültigkeitsnachweise (zk-SNARKs) von Transaktionen in Batches ermöglichen die Überprüfung der Integrität vor der Übermittlung an die Hauptkette. Anschließend generieren ZK-Rollups für einen Transaktionsbatch einen kurzen Kryptonachweis, der als zk-SNARK (Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge) bezeichnet wird. Der Nachweis verifiziert die Richtigkeit aller Transaktionen innerhalb eines Batches, ohne zugrunde liegende Informationen preiszugeben und ohne dass die Haupt-Blockchain jede Transaktion validieren muss.

Sobald der zk-SNARK generiert ist, müssen nur noch der Proof und ein kleiner Teil batchspezifischer Daten an die Haupt-Blockchain gesendet werden.

Dies reduziert die Datenmenge und die Gasgebühren für die Transaktionsabwicklung.

Nach der Übermittlung prüft die Haupt-Blockchain den zk-SNARK-Proof anhand der bereitgestellten Daten.

Bei positiver Prüfung gilt der gesamte Batch ohne weitere Prüfungen als gültig, was eine nahezu sofortige Finalität ermöglicht.

Dieser schnelle Verifizierungsmechanismus verbessert die Benutzerfreundlichkeit erheblich, insbesondere in zeitkritischen Anwendungsfällen.

In puncto Sicherheit und Vertrauen übernehmen ZK-Rollups die Sicherheit der Layer-1-Basis-Blockchain (z. B. Ethereum) und genießen dank der kryptografischen Proofs ein hohes Maß an Vertrauen in die Korrektheit der Transaktionen. Dieser Ansatz verringert das Betrugsrisiko, das während der Überprüfungsphase optimistischer Rollups auftreten kann.

Die Vorteile von ZK-Rollups sind beträchtlich. Sie verbessern die Skalierbarkeit erheblich durch einen deutlichen Multiplikator des Transaktionsdurchsatzes bei gleichzeitig geringeren Gaskosten, da sie mehrere Transaktionen effektiv in einem Proof zusammenfassen. Dank der nahezu sofortigen Finalität, die zk-SNARKs ermöglichen, eignen sie sich besonders für Anwendungen, bei denen Transaktionen sofort bestätigt werden müssen, wie z. B. Zahlungen und Handel. ZK-Rollups stärken zudem die Anonymität der Nutzer, da die Details bestimmter Transaktionen in den der Haupt-Blockchain vorgelegten Nachweisen verborgen bleiben. Sie eignen sich daher gut für Anwendungen mit Vertraulichkeitsanforderungen. Beliebte zk-Rollup-Angebote wie zkSync und StarkWare haben sich aufgrund ihrer Effizienz im Ethereum-Ökosystem etabliert. Sie haben dort aufgrund ihrer Effizienz und der Nutzung moderner Zero-Knowledge-Technologie an Bedeutung gewonnen. Die Gasgebühren für zk-Rollups wie zkSync liegen ab Oktober 2024 zwischen 0,001 ETH und 0,005 ETH. Dies ist ein wichtiges Verkaufsargument für Nutzer, die Geld sparen und gleichzeitig schnellere Transaktionen durchführen möchten.

Das L2-MEV-Konzept

MEV (Maximum Extractable Value) bezeichnet den Gewinn aus der Neuordnung von Transaktionen in Blockchain-Netzwerken. Seit seiner formalen Definition im „Flash Boys 2.0“-Artikel von 2019 ist MEV ein brisantes Thema, insbesondere mit dem Aufkommen von L2-Lösungen wie Rollups. MEV ist das, was Arbitrage-Bots in DEX-Transaktionen zu extrahieren versuchen, und Miner und Validierer können durch neu geordnete Transaktionen Gewinne erzielen. Der Sequenzer spielt ebenfalls eine dominante Rolle bei der MEV-Extraktion in Rollups, indem er die Transaktionsreihenfolge und die Blockübermittlung an Layer 1 verwaltet. Das Problem besteht darin, dass die meisten bestehenden Ethereum-L2-Rollups einen einzigen, zentralisierten Sequenzer verwenden, der die Transaktionsreihenfolge dominiert. Der zentralisierte Sequenzer hat große Kontrolle über die MEV-Extraktion, was sich auf die Transaktionsreihenfolge und die Gewinne auswirkt. Die Größe des extrahierbaren MEV variiert jedoch je nach Rollup je nach Sequenzierungsmechanismus. Im First-Come-First-Served-System von Arbitrum erfolgt die Sortierung der Transaktionen in der Reihenfolge des Eingangs, wodurch weniger Spielraum für MEV-Manipulationen besteht.

Der Sequenzer von Optimism verfügt jedoch über ein höheres Maß an Kontrolle über die Transaktionsreihenfolge und ermöglicht so mehr Flexibilität bei der MEV-Extraktion. Optimism verfügt jedoch über Kontrollen, d. h. Zeitfenster für die Buchung von Transaktionen, die den Sequenzer daran hindern, seine Macht maximal auszuschöpfen.

Mit Ethereums Rollup-orientierter Roadmap und im Hinblick auf die Zukunft, in der 99 % aller Vorgänge auf L2s stattfinden werden, während Rollups ihre volle Ausprägung erreichen, ist die Bereitstellung von Rollups mit Mechanismen zur Reduzierung des MEV-Extraktionsrennens entscheidend, um Fairness und Effizienz im Netzwerk zu gewährleisten.

Auswirkungen von L2-MEV auf Ethereum

Die Einführung von Layer 2 hat das Ethereum-Ökosystem verändert, insbesondere die Dynamik des maximal extrahierbaren Werts (MEV). Mit der Skalierung von Ethereum mit Rollups verlagern sich die Transaktionssequenzierung und die MEV-Extraktionsdynamik in diese L2-Netzwerke, wo Sequenzer, ob zentralisiert oder dezentralisiert, die Reihenfolge der Transaktionen steuern. Dies hat eine Reihe von Auswirkungen auf Ethereum als Ganzes:

1. Skalierbarkeit mit Kompromissen

   L2-Lösungen wie Optimism und Arbitrum verbessern die Skalierbarkeit von Ethereum erheblich, indem sie die Layer-1-Blockchain abschaffen. Die Zentralisierung von Sequenzern führt jedoch zu einem Engpass, der das MEV-Extraktionspotenzial erhöhen kann. Ethereums Rollup-zentrierte Roadmap bietet zwar eine höhere Skalierbarkeit, stört aber das Gleichgewicht der fairen Transaktionssequenzierung.

   Ungebundene zentralisierte Sequenzer können die Vorteile der Transaktionsreihenfolge auf Kosten des Dezentralisierungsgedankens von Ethereum ausnutzen und so möglicherweise die Preise in die Höhe treiben oder bestimmte Transaktionen begünstigen – wodurch der dezentrale Geist von Ethereum beeinträchtigt wird.

2. Dezentralisierung von Sequenzern

   Eine der bestehenden Maßnahmen gegen MEV-Extraktion ist die Dezentralisierung der Sequenzerfunktion. Der Einsatz dezentraler Sequenzierungsprotokolle oder wettbewerbsfähiger Sequenzersysteme kann MEV-Angriffe neutralisieren und steht im Einklang mit den Dezentralisierungszielen von Ethereum. Rollups können den MEV-Missbrauch potenziell reduzieren. Dies ist besonders wichtig, da Ethereum zunehmend für L2-Technologien offen ist. Dezentralisierung würde dem langfristigen Ziel von Ethereum entsprechen und die allgemeine Sicherheit des Netzwerks erhöhen.

3. Wirtschaftliche Anreize und MEV-Auktionen

   Mit der zunehmenden Verbreitung von MEV testen einige L2-Netzwerke bereits MEV-Auktionen. Dabei fließt der Gewinn aus der MEV-Extraktion an Validierer oder Endnutzer zurück, anstatt vom Sequenzer eingezogen zu werden. Dieses Protokoll könnte wirtschaftliche Anreize schaffen, um die negativen Auswirkungen von MEV zu reduzieren. So würde der Wert dem gesamten Ethereum-Ökosystem zugutekommen, anstatt sich auf wenige zu konzentrieren.

4. Nutzererfahrung und Gasgebühren

   L2-MEV-Extraktion kann zu höheren Transaktionsgebühren und einer verzögerten Finalität führen, insbesondere bei Rollups mit zentralisierten Sequenzern, die Transaktionen gewinnbringend neu anordnen können. Im Gegensatz dazu können dezentralere oder technisch ausgereiftere Rollups, die die MEV-Extraktion minimieren, kostengünstiger, latenzärmer und sicherer sein.

   Niedrigere Gaspreise auf Layer 2 könnten Ethereum ebenfalls zu einer breiteren Akzeptanz verhelfen. Die Herausforderung besteht jedoch darin, eine faire Reihenfolge der Transaktionen zwischen diesen Lösungen zu gewährleisten.

5. Sicherheitsüberlegungen

   Je mehr Transaktionen auf Layer 2 verarbeitet werden, desto stärker hängt die Sicherheit von Ethereum von den MEV-Management-Techniken in Layer-2-Rollups ab. Böswillig erstellte Rollups, die eine übermäßige MEV-Extraktion ermöglichen, könnten das Vertrauen in das Netzwerk schwächen. Rollups mit Betrugs-/Gültigkeitsnachweisen, dezentralen Sequenzern und MEV-Limits verbessern hingegen die Sicherheit und Dezentralisierung von Ethereum.

Insbesondere L2-Lösungen wie Rollups bieten zwar einen überzeugenden Weg für die Skalierbarkeit von Ethereum, schaffen aber auch neue Probleme für Ethereum L2-MEV. Der Erfolg der auf Rollups basierenden Zukunft von Ethereum hängt von der Lösung dieser Probleme durch Dezentralisierung, Offenheit und wirtschaftliche Neuausrichtung ab, wodurch Ethereum sowohl skalierbar als auch fair wird.