Von Echtzeit-Beweisen zu Native Rollups: Die letzte Phase der Ethereum-Skalierung durch ZK

Autor: imToken

Anmerkung des Herausgebers: Ethereum bewegt sich auf eine neue Ära der Skalierbarkeit mit 10.000 TPS zu, und Zero-Knolwedge-Beweis (ZK)-Technologie wird zu einer wichtigen treibenden Kraft. Dieser Artikel ist der zweite in unserer Reihe "Ethereum 10.000 TPS Roadmap" und konzentriert sich auf die technischen Schwierigkeiten von Echtzeit-Beweisen, die Teilnahmelogik des Provers, Sicherheitsherausforderungen während des L1-Wechsels und wie "native Rollup" zur ultimativen Form der ZK-Skalierbarkeit wird.

Wenn die ZK-isierung der Ausgangspunkt für Ethereums technologischen Wiederaufbau ist, dann sind "Echtzeit-Beweis" und "native Rollup" die zentralen Implementierungsverbindungen dieser Expansionsrevolution.

In diesem Artikel werden wir weiterhin eingehend untersuchen, wie ein 12-Sekunden-ZK-Echtzeit-Beweis auf der Ethereum-Blockchain erreicht werden kann, welche Hardware-Schwelle und welcher Anreizmechanismus erforderlich sind, um ein Prover zu werden, und wie native Rollup die Landschaft von Ethereum L2 neu gestalten wird.

01. Echtzeit-Beweis: Das Schlüsselelement der Ethereum-Skalierung

Auf Ethereums Weg zu 10.000 TPS gibt es einen unverzichtbaren technologischen Durchbruch: Echtzeit-Beweisführung.

Succinct-Mitbegründer Uma Roy erklärte: "Echtzeit-Beweis bezieht sich auf die Fähigkeit, den ZK-Beweiserzeugungsprozess für einen Block auf der Ethereum-Blockchain in weniger als 12 Sekunden abzuschließen."

Was bedeutet das? Sobald der Echtzeit-Beweis erreicht ist, kann Ethereum seine Blockverifizierungslogik in das Protokoll selbst integrieren und das Gaslimit fast "beliebig" erhöhen, ohne die Verifizierbarkeit zu beeinträchtigen, wodurch eine massive Erweiterung von L1 erreicht wird (Anmerkung des Herausgebers: Die Erzeugungszeit jedes Blocks auf der Ethereum-Blockchain beträgt 12 Sekunden, daher bedeutet "Echtzeit", dass der Beweis innerhalb jedes Blockzyklus abgeschlossen wird).

Um jedoch Echtzeit-Beweise zu erreichen, reicht die zkVM-Technologie allein nicht aus, und es sind auch Änderungen an der Ethereum-Protokollschicht erforderlich.

Ladislaus von der Ethereum Foundation wies darauf hin, dass im nächsten Jahr im Glamsterdam-Upgrade ein wichtiger Mechanismus eingeführt werden soll - die "Entkopplung von Blockverifizierung und sofortiger Ausführung", die dem Prover (Beweiser) mehr Zeit gibt, zkEVM-Beweise innerhalb eines vollständigen Slots zu generieren und so eine echte Echtzeit-Verarbeitung zu erreichen.

In Bezug auf die technische Implementierung hat Succinct seine neueste SP1 Hypercube zkVM veröffentlicht, die in Echtzeit Beweise für 93% der 10.000 Mainnet-Blöcke auf einem Cluster von 200 GPUs generieren kann.

Roy zeigte sich zuversichtlich, dass sie diese Erfolgsrate bis zum Ende des Jahres auf 99% steigern könnten. Obwohl einige schwierige Blöcke immer noch verhindern könnten, dass Beweise in einer sehr kleinen Anzahl von Blöcken generiert werden, enthält das Protokolldesign Fehlertoleranz-Mechanismen, wie z.B. das Überspringen solcher Blöcke und das Fortfahren mit dem nächsten.

Darüber hinaus erwägt Ethereum, die Blockzeit von 12 Sekunden auf 6 Sekunden zu reduzieren (als weiterer potenzieller Vorschlag für Glamsterdam), was die Benutzererfahrung und die Transaktionsbestätigungsgeschwindigkeit erheblich verbessern würde, aber auch zusätzlichen Druck auf den ZK Prover ausübt - für den Prover verdoppelt sich die Schwierigkeit der Aufgabe.

Roy ist jedoch nicht besorgt. Schließlich kann die Leistung der ZK-Technologie jedes Jahr um das 10-fache verbessert werden, so dass sie damit umgehen kann, selbst wenn die Blockzeit halbiert wird.

Im Juni kündigte Linea auch an, dass 100% der On-Chain-Aktivitäten in seinem Netzwerk durch ZK-Beweise abgedeckt sind. Obwohl Lineas aktueller TPS nur 2 beträgt, ist dies keine Leistungsbeschränkung, sondern wird durch Nutzungsbedürfnisse begrenzt.

Es ist erwähnenswert, dass das Linea-Blockintervall nur 2 Sekunden beträgt und der ZK-Beweis zur Verifizierung über Smart Contracts auf Ethereum L1 hochgeladen wird. Dieses Modell könnte der Vorläufer der "ZKisierung" des zukünftigen Mainnets sein.

02. Ist die Hardware-Schwelle für Ethereum ZK Prover hoch?

Die Generierung von ZK-Beweisen in Echtzeit erfordert leistungsstarke Rechenressourcen.

Die anfänglichen technischen Ziele der Ethereum Foundation für Prover sind, die Hardwarekosten unter 100.000 $ und den Stromverbrauch unter 10 Kilowatt zu halten, was in etwa dem Stromverbrauch einer Tesla Powerwall-Hausbatterie entspricht.

Diese Zahl klingt überhaupt nicht "leicht". Ethereum-Kritiker Justin Bons (Gründer von Cyber Capital) nannte es "verrückte Hardware-Anforderungen, die die Validator-Knoten von Solana bei weitem übertreffen", aber das verwechselt tatsächlich zwei völlig unterschiedliche Rollen.

Ladislaus vom Protokollkoordinationsteam der Ethereum Foundation wies darauf hin, dass Prover und Validator unterschiedliche Verantwortlichkeiten haben und nicht verwechselt werden sollten. Validatoren betreiben Knoten und nehmen am Konsens teil, während die Aufgabe des Provers darin besteht, ZK-Beweise zu generieren. Sobald der ZK-Beweis einer Transaktion korrekt generiert wurde, muss das Netzwerk nur überprüfen, ob der Beweis korrekt ist, ohne die Transaktion erneut ausführen zu müssen.

Aus diesem Grund zeigte sich Ladislaus optimistisch: "Solange ein ehrlicher Prover gefunden werden kann, der die Hardware-Anforderungen erfüllt, kann Ethereum sicher weiter betrieben werden. Wir senken die Schwelle bewusst unter das Niveau eines Rechenzentrums. Selbst wenn es sich nicht um eine große Institution oder ein Rechenzentrum handelt, kann jeder einzelne Entwickler mit technischen Fähigkeiten Prover zu Hause betreiben."

Derzeit ist diese Hardware-Konfiguration für 100.000 $ nur ein anfängliches Ziel. Ethereum Foundation-Forscherin Sophia Gold prognostiziert, dass der Mainstream-Prover den Standard vor der Devconnect Argentina Developer Conference im November dieses Jahres erfüllen wird.

Succinct-Mitbegründer Roy erwartet, dass bis Anfang nächsten Jahres die GPU-Anforderung auf etwa 16 Grafikkarten reduziert werden kann und die Gesamtkosten zwischen 10.000 $ und 30.000 $ kontrolliert werden.

Gleichzeitig hat Succinct ein dezentrales Netzwerk aufgebaut, das aus "Hunderten von Provern" im Testnetzwerk besteht und insgesamt Millionen von Beweisen generiert.

Die Kernlogik dieses Systems ist der Wettbewerbsbeweis, d.h. alle Prover nehmen an der Ausschreibung teil, und in jeder Runde wird ein Gewinner ausgewählt, um den ZK-Beweis auszuführen. Das Ziel ist es, Teilnehmern mit kürzerer Zeit und niedrigeren Kosten den Sieg zu ermöglichen und so einen Mechanismus zur Versteigerung von Rechenleistung zu bilden.

Das bedeutet, dass in der ZK-getriebenen Zukunft von Ethereum der Geist der Miner in einer anderen Form wieder auftauchen wird - nur dass sich ihre Rolle vom Berechnen von Blöcken zum Berechnen von Beweisen geändert hat.

03. Mainnet-Umstellung auf ZK-Architektur: Eine hochgradig schwierige Systemmigration

Die Umstellung des Ethereum L1 Mainnets auf eine Zero-Knolwedge-Beweis (ZK)-Architektur ist eine weitere technische Herausforderung auf fast demselben Niveau wie der Übergang von Proof-of-Work(PoW) zu Proof-of-Stake (PoS) im Jahr 2022. Der gesamte Prozess erfordert nicht nur den Wiederaufbau der Protokollschicht, sondern auch eine sorgfältige Berücksichtigung verschiedener potenzieller Randszenarien und Sicherheitsrisiken, um Netzwerkunterbrechungen zu verhindern.

Auf einer EthProofs-Konferenz im Juli skizzierte der Forscher Justin Drake mehrere potenzielle Risiken. Zum Beispiel könnte ein böswilliger Angreifer einen sogenannten "Prover-Killer" in einen Block einfügen, wodurch der gesamte Verifizierungsmechanismus des Netzwerks unwirksam würde. Alternativ könnte ein plötzlicher Rückgang der Netzwerkaktivität dazu führen, dass die Transaktionsgebühren nicht ausreichen, um die Kosten für die Generierung von ZK-Beweisen zu decken, was die Nachhaltigkeit des Netzwerks beeinträchtigt.

Ladislaus vom Protokollkoordinationsteam der Ethereum Foundation erklärte, dass der gesamte Übergangsprozess mehrere Jahre dauern könnte, wobei besonderes Augenmerk auf Sicherheitsrisiken gelegt wird. Die ZK Virtual Machine (zkVM) ist eine komplexe Technologie, die sich noch in einem frühen Stadium befindet, und verschiedene Schwachstellen sind sehr wahrscheinlich. Mit der Reifung des Ökosystems kann jedoch ihre Machbarkeit und Robustheit auf Ethereums L1 durch die Einführung diverser Beweissysteme (Beweisvielfalt), verbesserte Anreizmechanismen und formale Verifizierung schrittweise verbessert werden.

Gleichzeitig plant Ethereum auch, seine Konsensschicht grundlegend umzustrukturieren, nämlich eine neue Struktur namens "Beam Chain" aufzubauen. Das Ziel ist es, von Beginn des Designs an ZK-optimiert und freundlich zu sein. Drake sagte sogar, dass in Zukunft die gesamte Ethereum-Datenverifizierungsarbeit auf der CPU eines gewöhnlichen Laptops abgeschlossen werden kann.

04. Mainnet "Snarkization": Native Rollup kommt

Während das Ethereum-Mainnet zkEVM integriert, zeichnet sich allmählich eine weitere langfristige Vision ab: Native Rollup.

Aktuelle Rollups (ob Optimistic oder ZK-Typ) verwenden alle ein unabhängiges Beweissystem, dessen Sicherheit auf seinem eigenen Validator- oder Sortiermechanismus beruht, und es gibt bestimmte Vertrauensannahmen zwischen ihnen und dem Ethereum-Mainnet.

Die Vision des "native Rollup" ist völlig anders - durch die Integration von zkEVM in das Mainnet können Ethereum L1-Validatoren den Zustandsübergangsnachweis von Rollup direkt überprüfen und so L2 realisieren, das wirklich vom Mainnet verifiziert und gesichert wird.

Dies erfordert das Hinzufügen eines Schlüsselcodes "execute precompile" zum Ethereum L1-Client, der es Validatoren ermöglicht, den von L2 generierten ZK-Zustandsübertragungsbeweis direkt zu überprüfen. Wie Ladislaus, der Protokollkoordinator der Ethereum Foundation, sagte: "L1-Validatoren werden die Ausführungsbeweise dieser Rollups konsumieren und ihre Korrektheit überprüfen."

Mit anderen Worten, wenn native Rollup Realität wird, dann wird in Zukunft, ob es sich um eine Transaktion auf L1 oder eine Transaktion auf native Rollup handelt, die endgültige Abwicklung und Sicherheit von derselben Gruppe von Ethereum-Validatoren garantiert, und das Vertrauensniveau wird genau dasselbe sein.

Das bedeutet, dass das Einzahlen von 10 Millionen Dollar auf einem native Rollup genauso sicher sein wird wie das direkte Einzahlen auf dem Ethereum-Mainnet.

Declan Fox, Projektleiter von Linea, sagte, dass ihr langfristiges Ziel darin besteht, ein native Rollup zu werden. Er glaubt, dass dies eine "verbesserte Version" der ETH 2.0-Sharding-Lösung ist - nicht mehr starr 64 Shard-Chains mit der gleichen Struktur zu betreiben, sondern ein heterogenes Rollup-System auf hochgradig programmierbare und anpassbare Weise aufzubauen, um verschiedenen Szenarien und Benutzerbedürfnissen zu dienen.

Im Gegensatz zur homogenen Sharding-Architektur von ETH 2.0 in der Vergangenheit kann native Rollup heterogen sein und Endbenutzern eine vielfältigere und differenziertere Anwendungserfahrung bieten.

Obwohl native Rollup noch nicht offiziell in die Ethereum-Roadmap aufgenommen wurde, ist mit dem offiziellen Start von zkEVM und dem schrittweisen Wiederaufbau der L1-Architektur das Voreinrichten von Schnittstellen und vorkompilierter Logik dafür eindeutig zu einem absehbaren technologischen Trend geworden.