Zero-Knowledge Rollup (ZK-Rollup) Börsenlexikon Vorheriger Begriff: Zero-Knowledge (ZK) Nächster Begriff: Zero-Knowledge Proof (ZKP oder ZK-Proof)

Ein Zero-Knowledge Rollup (ZK-Rollup) ist eine spezielle Art von Layer-2-Skalierungslösung für Blockchains wie Ethereum. ZK-Rollups ermöglichen es, eine große Anzahl von Transaktionen außerhalb der Haupt-Blockchain (Layer 1) auszuführen, während deren Korrektheit kryptografisch nachgewiesen wird – durch sogenannte Zero-Knowledge Proofs (ZKPs). Im Gegensatz zu herkömmlichen Blockchain-Transaktionen, bei denen jede einzelne Transaktion on-chain verarbeitet wird, fasst ein ZK-Rollup viele Transaktionen in einem einzigen kryptografischen Beweis zusammen, der dann an Layer 1 übermittelt wird.

ZK-Rollups verbinden damit Skalierbarkeit, Kosteneffizienz und Datensicherheit mit der Sicherheitsgarantie der Basisschicht.

Grundprinzip eines ZK-Rollups

Die Funktionsweise eines ZK-Rollups lässt sich in mehreren Schritten beschreiben:

1. Transaktionen off-chain bündeln
   Eine zentrale oder dezentrale Entität (Sequencer) verarbeitet viele Nutzertransaktionen außerhalb von Layer 1 und fasst sie in sogenannten Batches zusammen.

2. Zero-Knowledge Proof erzeugen
   Für den gesamten Batch wird ein ZK-Beweis (z. B. SNARK oder STARK) erstellt, der nachweist, dass alle enthaltenen Transaktionen korrekt verarbeitet wurden.

3. Proof und Daten an Layer 1 übermitteln
   Der ZK-Beweis sowie ein komprimierter Transaktionszustand (z. B. Wurzel eines Merkle-Trees) werden an die Layer-1-Blockchain übermittelt und dort gespeichert.

4. Verifikation durch Smart Contract
   Ein spezieller Smart Contract auf Layer 1 überprüft den Zero-Knowledge Proof. Ist dieser gültig, gelten alle enthaltenen Transaktionen als bestätigt.

5. Datenspeicherung für Verfügbarkeit
   Je nach Rollup-Design werden die Rohdaten (z. B. Transaktionsdetails) entweder vollständig on-chain gespeichert oder in einem separaten System (z. B. Data Availability Layer).

Eigenschaften von ZK-Rollups

ZK-Rollups zeichnen sich durch mehrere technische und funktionale Eigenschaften aus:

• Hohe Skalierbarkeit: Tausende von Transaktionen können zu einem einzigen Beweis zusammengefasst werden.

• Schnelle Finalität: Die Gültigkeit der Transaktionen wird sofort mit dem Proof sichergestellt – im Gegensatz zu Optimistic Rollups, die auf Challenge-Perioden angewiesen sind.

• Geringe Gasgebühren: Da nur der komprimierte Beweis on-chain gespeichert wird, sind die Kosten pro Transaktion deutlich niedriger.

• Hohe Sicherheit: Die Sicherheit basiert auf der Layer-1-Verankerung und kryptografischer Verifizierbarkeit.

• Datenschutz (optional): Durch geeignete Konstruktionen können auch datenschutzfreundliche Transaktionen ermöglicht werden.

Vergleich zu anderen Layer-2-Lösungen

ZK-Rollups unterscheiden sich in mehreren Aspekten von anderen Layer-2-Technologien:

Anwendungen und Projekte

ZK-Rollups werden bereits in mehreren Projekten produktiv oder im Testbetrieb eingesetzt. Bekannte Beispiele:

• zkSync Era
  EVM-kompatibler ZK-Rollup von Matter Labs mit Fokus auf dApps und Skalierung von Ethereum.

• Starknet
  ZK-Rollup auf Basis von STARKs, entwickelt von StarkWare. Unterstützt eigene Programmiersprache (Cairo) für komplexe Anwendungen.

• Scroll
  ZK-Rollup mit nativer EVM-Kompatibilität, strebt maximale Entwicklerfreundlichkeit und Integration bestehender dApps an.

• Polygon zkEVM
  ZK-Rollup-Lösung von Polygon mit vollständiger Kompatibilität zur Ethereum Virtual Machine.

• Loopring
  ZK-Rollup-Plattform für dezentrale Börsen (DEX) mit Fokus auf hohe Performance und Datenschutz.

Diese Netzwerke arbeiten daran, sowohl einfache Tokenübertragungen als auch komplexe Smart Contracts effizient und sicher abzuwickeln.

Technologische Unterschiede: SNARKs vs. STARKs

ZK-Rollups können auf unterschiedlichen Arten von ZK-Proofs basieren:

• ZK-SNARKs:

  • Kompakte Beweise, schnelle Verifikation

  • Erfordert „Trusted Setup“

  • Beispiel: zkSync Era, Polygon zkEVM

• ZK-STARKs:

  • Transparentes Setup, keine Vertrauensinstanz notwendig

  • Größere Beweisgrößen, aber besser skalierbar

  • Beispiel: Starknet

Die Wahl der Technologie hat Einfluss auf Sicherheit, Performance und regulatorische Akzeptanz.

Herausforderungen und Grenzen

Trotz der vielen Vorteile stehen ZK-Rollups vor einigen Herausforderungen:

1. Komplexe Entwicklung: Die Erstellung, Wartung und Prüfung von ZK-Rollup-Infrastrukturen ist technisch anspruchsvoll.

2. Rechenintensität der Beweiserzeugung: Das Erstellen der Proofs erfordert hohe Rechenleistung und ist nicht trivial.

3. Eingeschränkte EVM-Kompatibilität: Nicht alle ZK-Rollups unterstützen bestehende Ethereum-Smart-Contracts ohne Anpassung.

4. Zentrale Operatoren: Viele ZK-Rollups verwenden derzeit zentrale Sequencer oder Prover, was die Dezentralisierung einschränkt.

Langfristig wird erwartet, dass die Dezentralisierung durch Shared Sequencer, dezentralisierte Prover-Netzwerke und offene Standards verbessert wird.

Zukunftsperspektiven

ZK-Rollups gelten als zukunftsweisende Skalierungslösung für Ethereum und andere Smart-Contract-Plattformen. Ihre Fähigkeit, Sicherheit, Effizienz und (optionalen) Datenschutz miteinander zu verbinden, macht sie besonders attraktiv für:

• Dezentrale Finanzanwendungen (DeFi)

• Massentaugliche Web3-dApps

• Gaming und NFTs

• Institutionelle Anwendungen mit Datenschutzanforderungen

Mit der weiteren Entwicklung von Standards, Tooling und Interoperabilität könnten ZK-Rollups künftig eine führende Rolle im Ethereum-Ökosystem und darüber hinaus einnehmen.

Fazit

Ein ZK-Rollup ist eine leistungsfähige Layer-2-Skalierungstechnologie, die auf Zero-Knowledge-Proofs basiert, um Transaktionen außerhalb der Haupt-Blockchain effizient und sicher zu verarbeiten. Durch die Kombination von hoher Skalierbarkeit, geringer Kosten, schneller Finalität und der Sicherheit von Layer 1 stellen ZK-Rollups eine zentrale Komponente für die Zukunft der Blockchain-Skalierung dar. Während technische und infrastrukturelle Herausforderungen bestehen, ist der Fortschritt in diesem Bereich dynamisch und richtungsweisend für die langfristige Skalierbarkeit und Massentauglichkeit dezentraler Systeme.