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

Einführung in modulare Blockchains für verbesserte Leistung

Während wir uns in die Welt der Blockchain-Technologie vertiefen, ist es wesentlich, die Synergie zwischen Blockchain-Modularität und Rollups zu verstehen. Diese Konzepte sind entscheidend für die Segmentierung verschiedener Blockchain-Funktionen und optimieren dadurch die Leistung. Bleiben Sie dran, um die vollen Auswirkungen zu erfassen.

Beginnend mit den traditionellen monolithischen Blockchains, wie den frühen Iterationen von Ethereum, verwalten diese Systeme kritische Komponenten—Konsens, Smart Contracts, Datenverfügbarkeit, Transaktionsausführung und Abwicklung—alles innerhalb einer einheitlichen Ein-Schicht-Architektur. Obwohl diese kohärente Struktur ihre Vorteile hat, begrenzt sie aufgrund der Verarbeitung aller Operationen auf derselben Schicht, die dieselbe Gruppe von Knoten nutzt, grundsätzlich die Skalierbarkeit, was zu erheblichen Engpässen führen kann.

Im starken Kontrast dazu adoptieren moderne modulare Blockchains einen radikal anderen Ansatz. Indem sie Kernfunktionen in unterschiedliche, spezialisierte Schichten zerlegen, ermöglichen sie, dass spezifische Aufgaben von dedizierten Knoten gehandhabt werden. Zum Beispiel finalisiert die Abwicklungsschicht die Transaktionsergebnisse und etabliert ein vertrauensminimiertes Ledger, oft in Zusammenarbeit mit Rollup-Ausführungen. Ihre Hauptfunktion ist es, die Überprüfung von Nachweisen zu erleichtern und Streitigkeiten innerhalb der Rollups zu lösen. Die Datenverfügbarkeitsschicht und die Konsensschicht stellen sicher, dass Transaktionsdaten für die Off-Chain-Verarbeitung und Validierung leicht zugänglich sind, ein kritischer Schritt zur Erreichung eines Konsenses über den aktuellen Zustand der Blockchain. Smart Contracts, die Anwendungen auf der Ausführungsschicht sind, verwalten die Verarbeitung von Transaktionen für dezentralisierte Anwendungen (dApps). Die Ausführungsschicht selbst ist mit der Verarbeitung von Transaktionen und Smart Contracts betraut, wobei sichergestellt wird, dass alle rechnerischen Aufgaben effizient ausgeführt werden. In der Zwischenzeit dienen Rollups als eine effektive Skalierungslösung, indem sie Transaktionen Off-Chain ausführen und anschließend die Daten an eine On-Chain-Ausführungsschicht übermitteln.

Das Verständnis dieser fortgeschrittenen Blockchain-Strukturen hebt nicht nur ihre Effizienz hervor, sondern unterstreicht auch die bedeutenden Fortschritte in der Blockchain-Technologie, die darauf abzielen, die Einschränkungen früherer Systeme zu überwinden.

Rollups, einschließlich bemerkenswerter Beispiele wie Arbitrum und Optimism, haben sich als bedeutende Skalierungslösungen herausgestellt, die ursprünglich entwickelt wurden, um monolithische Blockchains wie Ethereum durch die Ausführung von Transaktionen außerhalb der Kette zu unterstützen. Ihre Rolle hat sich jedoch zu einem entscheidenden Element innerhalb des modularen Blockchain-Frameworks entwickelt, wo sie oft als unabhängige Schicht fungieren, die Transaktionen verarbeitet und Daten zurück an die Schicht 1 übermittelt. Diese wesentliche Verbindung zwischen Rollups und modularen Architekturen unterstreicht ihre häufige gemeinsame Diskussion im Kontext der Zukunft der Blockchain-Skalierbarkeit. Wir werden dieses Thema in den kommenden Abschnitten gründlicher erforschen – bleiben Sie dran für weitere Einblicke!

Vergleich von monolithischen und modularen Blockchains

Bis jetzt wissen Sie, dass monolithische und modulare Blockchains zwei unterschiedliche Ansätze der Blockchain-Architektur darstellen, jeder mit seinen eigenen Vorteilen und Einschränkungen. Um über theoretische Diskussionen hinauszugehen, lassen Sie uns in praktische Vergleiche eintauchen, die die Unterschiede veranschaulichen, indem wir reale Beispiele von modularen Blockchains neben ihren monolithischen Gegenstücken betrachten. Dieser Vergleich wird ein klareres Verständnis dafür bieten, wie jeder Architekturstil die Gesamtfunktionalität und Skalierbarkeit von Blockchain-Systemen beeinflusst.

Anfänglich standen Plattformen wie Ethereum vor den Ethereum 2.0-Aktualisierungen vor Skalierbarkeitsproblemen, die sich durch hohe Gas-Gebühren und langsamere Transaktionsgeschwindigkeiten aufgrund von Netzwerküberlastung auszeichneten. Mit der Expansion von Ethereum verstärkte sich diese Überlastung; in monolithischen Systemen ist jeder Knoten für die Verarbeitung und Speicherung aller Transaktionen verantwortlich, was den Durchsatz einschränkt und die Skalierungsbemühungen erschwert. Seitdem wurden wesentliche Verbesserungen implementiert. Der Wechsel zu Ethereum 2.0 brachte die Einführung des Proof-of-Stake (PoS) Konsensmechanismus mit sich. Darüber hinaus gab es einen Anstieg von Layer-2-Skalierungslösungen wie Optimism, Arbitrum und zkSync. Das Konzept einer modularen Blockchain, das 2024 noch relativ neu ist, stellt jedoch einen der neuesten Fortschritte dar. Eine modulare Blockchain wie Celestia teilt die Blockchain-Funktionen in separate Schichten auf, einschließlich Ausführung und Konsens & Datenverfügbarkeit, wodurch sich Knoten auf bestimmte Schichten spezialisieren können, anstatt alle Aufgaben zu bewältigen, was die Netzwerkbelastung reduziert.

Erforschung von Rollups als Skalierungslösung

Rollups haben sich als leistungsstarke Skalierungslösung entwickelt, die wesentliche Verbindungen zur Hauptblockchain für verbesserte Sicherheit und Datenzugänglichkeit aufrechterhält. Im Wesentlichen komprimieren Rollups mehrere Transaktionen in einem einzigen Batch und entlasten damit erheblich die grundlegende Schicht, die für Konsens und Datenverfügbarkeit zuständig ist.

Wie Rollups die Transaktionseffizienz verbessern

Für diejenigen, die kleine Mengen an Kryptowährungen transferieren und einige Minuten oder Stunden auf die Transaktionsbestätigung warten können, sind Rollups möglicherweise nicht erforderlich. Für größere Transaktionen, solche die schnellere Bestätigungen erfordern, oder Situationen mit hohem Transaktionsvolumen bieten Rollups jedoch erhebliche Vorteile durch beschleunigte Transaktionszeiten und reduzierte operative Belastung der Blockchain.

Stand 7. Oktober 2024 zeigen Ethereum-Rollups wie Optimism, Arbitrum und zkSync typischerweise Gasgebühren von 0,001 bis 0,02 ETH, 0,0015 bis 0,015 ETH bzw. 0,001 bis 0,005 ETH. Wenn Sie bei Ihren Ethereum-Assets Gebühren oder Zeit sparen möchten, könnte ein Rollup eine kluge Entscheidung sein. Der übliche Prozess läuft wie folgt ab: Sie greifen auf Ihre Wallet wie MetaMask oder WalletConnect zu, und wenn Ihre Assets sich im Ethereum-Mainnet befinden, überbrücken Sie sie zu einer Rollup-Plattform wie zkSync. Von dort aus können Transaktionen direkt von einer zkSync-Adresse zur anderen gesendet werden, was den Prozess effizient rationalisiert.

Bei der Betrachtung modularer Blockchains wie Celestia ist es wichtig zu verstehen, dass die meisten Berechnungsaufgaben, wie Transaktionsausführung und Smart-Contract-Verarbeitung, außerhalb der Kette in der Rollup-Schicht stattfinden. Dieser Ansatz hilft, die Überlastung der Hauptkette zu reduzieren. Durch die Bündelung zahlreicher Transaktionen in einem einzigen Batch verringern Rollups den Rechenaufwand erheblich.

Nachdem Transaktionen off-chain verarbeitet wurden, werden sie in einem einzelnen Batch gruppiert und an die Hauptblockchain übermittelt. Diese gebündelte Einreichung ist kompakt und enthält nur die für die Verifizierung notwendigen Daten, was deutlich effizienter ist als die individuelle Verarbeitung jeder Transaktion auf der Basisebene.

Obwohl die Ausführung off-chain erfolgt, ist es entscheidend, dass die Daten für Verifizierung und Konsens zugänglich bleiben. Rollups erreichen dies durch die Veröffentlichung kompakter Datenbeweise, entweder Gültigkeits- oder Betrugsbeweise, auf der Hauptkette.

Rollups basieren auf den Sicherheitsprotokollen und Konsensmechanismen der Layer-1-Blockchain. Bei optimistischen Rollups kann die Gültigkeit von Transaktionen durch Betrugsbeweise angefochten werden, während ZK-Rollups Gültigkeitsbeweise verwenden, um nur legitime Transaktionen zu verarbeiten.

Die Endgültigkeit von Transaktionen in einem Rollup tritt ein, sobald der Batch auf der Layer-1-Blockchain bestätigt wird. Je nach Rollup-Typ – optimistisch oder ZK – kann die Endgültigkeit fast sofort erfolgen.

Verschiedene Arten von Rollups

Plattformen wie Arbitrum und Optimism sind prominente Beispiele für optimistische Rollups, die entwickelt wurden, um den Ethereum-Durchsatz durch Off-Chain-Transaktionsverarbeitung zu steigern. Diese Rollups gehen standardmäßig von der Gültigkeit der Transaktionen aus und verifizieren nur Transaktionsbatches auf der Ethereum-Hauptkette.

ZK-Rollups zeichnen sich durch die Verwendung kryptographischer Beweise, speziell zk-SNARKs, aus, um Transaktionen effizient und sicher zu validieren. Im Gegensatz zu optimistischen Rollups überprüfen ZK-Rollups die Gültigkeit jeder Transaktion innerhalb eines Batches vor der Übermittlung an die Hauptkette.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sowohl die sofortige Endgültigkeit von ZK-Rollups als auch der verbesserte Durchsatz von optimistischen Rollups bedeutende Vorteile bei der Reduzierung von Gasgebühren und der Erhöhung der Transaktionsgeschwindigkeiten im Ethereum-Netzwerk bieten.

Nach der Erstellung des zk-SNARKs müssen nur dieser Beweis und eine kleine Menge an Batch-Daten an die Hauptblockchain gesendet werden. Dies reduziert drastisch sowohl die Datenlast als auch die erforderlichen Gasgebühren für die Transaktionsverarbeitung. Nach der Einreichung validiert die Hauptblockchain den zk-SNARK-Beweis gegenüber den bereitgestellten Daten. Wenn der Beweis stichhaltig ist, wird der gesamte Batch ohne weitere Prüfung akzeptiert, was eine nahezu sofortige Finalität erreicht. Dieser schnelle Verifizierungsprozess verbessert das Benutzererlebnis erheblich, insbesondere für Anwendungen, bei denen das Timing entscheidend ist.

Aus Sicherheitsperspektive profitieren ZK-Rollups von der Sicherheit der Layer-1-Blockchain (z.B. Ethereum) und halten aufgrund der kryptografischen Beweise ein hohes Maß an Vertrauen in die Transaktionsvalidität aufrecht. Dieses Design verringert das Betrugsrisiko, das während der Anfechtungsperiode bei optimistischen Rollups auftritt.

ZK-Rollups steigern erheblich die Skalierbarkeit, indem sie den Transaktionsdurchsatz erhöhen und die Gasgebühren senken, da sie mehrere Transaktionen in einem einzigen Beweis komprimieren. Mit zk-SNARKs, die eine nahezu sofortige Finalität ermöglichen, sind sie besonders nützlich für Anwendungen, die eine sofortige Bestätigung benötigen, wie Zahlungen und Handel. ZK-Rollups verbessern auch die Privatsphäre der Nutzer, da die Details einzelner Transaktionen in den Beweisen, die an die Hauptblockchain gesendet werden, verborgen bleiben, was sie ideal für datenschutzorientierte Anwendungen macht.

Führende ZK-Rollup-Lösungen wie zkSync und StarkWare sind aufgrund ihrer Effizienz und der innovativen Nutzung der Zero-Knowledge-Technologie entscheidend für das Ethereum-Ökosystem. Stand Oktober 2024 liegen die Gasgebühren für ZK-Rollups wie zkSync zwischen 0,001 und 0,005 ETH, was sie für Nutzer attraktiv macht, die niedrigere Kosten und schnellere Transaktionen suchen.

Das Konzept von L2-MEV

Maximum Extractable Value (MEV) bezieht sich auf Gewinne, die durch die Manipulation der Transaktionsreihenfolge in Blockchain-Netzwerken erzielt werden. Seit seiner formalen Definition im „Flash Boys 2.0“-Papier im Jahr 2019 ist MEV, insbesondere mit dem Aufkommen von L2-Lösungen wie Rollups, ein bedeutendes Thema geworden. Arbitrage-Bots zielen auf MEV in DEX-Handel ab, und Miner oder Validatoren können die Transaktionsreihenfolge zu ihrem Vorteil umordnen.

Innerhalb von Rollups spielt der Sequenzer eine Schlüsselrolle bei der Extraktion von MEV, indem er die Transaktionsreihenfolge und die Blockeinreichung an Layer 1 verwaltet. Das derzeitige Problem ist, dass viele Ethereum L2-Rollups einen einzelnen, zentralisierten Sequenzer verwenden, der die Transaktionsreihenfolge kontrolliert, was ihm erheblichen Einfluss auf die MEV-Extraktion und die Gewinne gibt.

Verschiedene Rollups variieren in der MEV-Extraktion basierend auf ihren Sequenzierungsmodellen. Zum Beispiel begrenzt das First-Come, First-Served-Sequenzierungsmodell von Arbitrum die Möglichkeiten für MEV-Manipulationen, während der Sequenzer von Optimism mehr Kontrolle über die Transaktionsreihenfolge hat und somit mehr Raum für MEV-Extraktion bietet. Optimism umfasst jedoch Sicherheitsvorkehrungen, wie festgelegte Zeitfenster für Transaktionen, die den Einfluss des Sequenzers einschränken.

Angesichts des rollup-zentrierten Fahrplans von Ethereum, der vorsieht, dass 99% aller Aktivitäten schließlich auf L2s als Rollups ausgereift sind, unterstreicht die Bedeutung der Entwicklung von Rollups mit MEV-Minderungsmechanismen, um die Fairness im Netzwerk zu gewährleisten.

Auswirkungen von L2-MEV auf Ethereum

Die Adoption von Layer 2 verändert das Ökosystem von Ethereum, insbesondere in Bezug auf die Dynamik von MEV. Da Ethereum durch Rollups skaliert, verlagert sich die Verantwortung für die Transaktionssequenzierung und MEV-Extraktion auf diese L2-Netzwerke, wo Sequenzer – zentralisiert oder dezentralisiert – die Transaktionsreihenfolge festlegen. Dies hat mehrere Implikationen für Ethereum:

Skalierbarkeit mit Kompromissen: Rollups wie Optimism und Arbitrum erhöhen erheblich die Skalierbarkeit von Ethereum, indem sie die Belastung von Layer 1 verringern, aber zentralisierte Sequenzer können einen Engpass schaffen, der das Potenzial für MEV-Extraktion erhöht. Obwohl der rollup-zentrierte Fahrplan Skalierbarkeit bietet, ist es entscheidend, dies mit fairer Transaktionssequenzierung auszugleichen. Unkontrollierte Sequenzer könnten die Transaktionsreihenfolge ausnutzen, was die Kosten erhöht oder bestimmte Transaktionen bevorzugt, was die Dezentralisierungsideale von Ethereum herausfordert.

Dezentralisierung von Sequenzern: Bemühungen zur Reduzierung der MEV-Extraktion beinhalten die Dezentralisierung von Sequenzern. Dezentralisierte Sequenzierungsmethoden oder wettbewerbsfähige Sequenzersysteme können MEV-Risiken mindern und sich mit den Dezentralisierungszielen von Ethereum decken, was besonders wichtig ist, da die Adoption von L2 zunimmt.

Wirtschaftliche Anreize und MEV-Auktionen: Einige L2s erforschen die Implementierung von MEV-Auktionen, bei denen die Gewinne aus der MEV-Extraktion an Validatoren oder Nutzer verteilt werden, anstatt sie beim Sequenzer zu zentralisieren. Dieser Ansatz könnte die wirtschaftlichen Anreize neu ausrichten, um die negativen Auswirkungen von MEV zu verringern und sicherzustellen, dass der Wert zurück in das breitere Ethereum-Ökosystem fließt, anstatt in wenigen Händen konzentriert zu werden.

Benutzererfahrung und Gasgebühren: L2-MEV-Extraktion könnte zu höheren Transaktionsgebühren und verzögerter Finalität führen, insbesondere bei Rollups mit zentralisierten Sequenzern, die die Transaktionsreihenfolge zu ihrem Vorteil manipulieren. Im Gegensatz dazu können dezentralisierte oder gut gestaltete Rollups mit MEV-Kontrolle ein erschwinglicheres und sichereres Erlebnis bieten, das eine breitere Adoption von Ethereum fördert und gleichzeitig Fairness in der Transaktionsreihenfolge anstrebt.

Sicherheitsüberlegungen: Da immer mehr Transaktionen auf Layer 2 verlagert werden, wird die Sicherheit von Ethereum zunehmend von den MEV-Managementansätzen innerhalb der Layer-2-Rollups abhängen. Schlecht gestaltete Rollups, die übermäßige MEV-Extraktion zulassen, könnten das Vertrauen in das Netzwerk untergraben, während Rollups mit Betrugs-/Gültigkeitsbeweisen, dezentralisierten Sequenzern und MEV-Kontrollen die Sicherheit und Dezentralisierung von Ethereum stärken werden.

Kurz gesagt, während Rollups einen mächtigen Weg nach vorn für die Skalierbarkeit von Ethereum bieten, bringen sie neue Herausforderungen im Zusammenhang mit L2-MEV mit sich. Die rollup-zentrierte Zukunft von Ethereum hängt davon ab, diese Herausforderungen durch Dezentralisierung, Transparenz und angepasste wirtschaftliche Anreize zu bewältigen, um sowohl skalierbar als auch fair zu bleiben.