Polygon ZK Rollups: tudo o que você precisa saber

Polygon (formerly MATIC Network) é uma startup Web3 que constrói produtos para escalar Ethereum e incentivar a adoção em massa.

O produto principal da empresa, a sidechain Polygon proof of stake (PoS), tornou-se uma alternativa popular ao Ethereum devido às suas taxas baixas e transações mais rápidas.

Atualmente, a Polygon está desenvolvendo um conjunto de zero-knowledge rollups (ZK rollups) para aumentar o throughput no Ethereum sem sacrificar a descentralização ou a segurança. ZK rollups processam transações off-chain e reduzem a computação na camada base para alcançar escalabilidade.

Este guia explicará como os Polygon ZK rollups funcionam e quais benefícios oferecem. Também vamos considerar diferentes soluções de Polygon ZK rollup e compará-las com ZK rollups existentes.

O que é um Polygon ZK rollup?

Um Polygon zero-knowledge rollup é uma solução de escalabilidade que agrega múltiplas transações off-chain em uma única transação on-chain. O esquema Polygon ZK rollup elimina a necessidade de mineradores na Ethereum Mainnet verificarem transações individuais, gerando uma prova de validade (ou prova de conhecimento zero) para cada rollup.

Como as provas de validade são matematicamente comprováveis, a rede Ethereum pode verificar a autenticidade das transações agrupadas de forma trustless. Isso melhora a segurança dos rollups, já que atividades maliciosas se tornam muito mais difíceis de executar.

Mais importante, as provas de validade (ou provas de conhecimento zero) permitem a confirmação imediata das transações do rollup na cadeia principal. Usuários podem mover fundos sem atrito entre o rollup e a blockchain base (Ethereum) sem experimentar fricção ou atrasos.

Em contraste, Optimistic rollups (usados por Optimism e Arbitrum) impõem um período de espera antes que os usuários possam sacar fundos. Isso limita a eficiência dos rollups e reduz o valor para os usuários.

A rede Polygon já reiterou seu compromisso de escalar Ethereum via ZK rollups e planeja investir mais de US$ 1 bilhão em tecnologia de conhecimento zero. Pelo menos quatro produtos no stack da Polygon são baseados em ZK rollups, incluindo Zero, Hermez, Miden e Nightfall.

Na próxima seção, revisamos cada solução de Polygon ZK rollup e explicamos o que ela oferece.

O que é Polygon zero?

Polygon Zero é uma solução de ZK rollup projetada especificamente para reduzir o custo computacional de gerar provas de validade. Embora os ZK rollups possam de fato aumentar a escalabilidade, sua funcionalidade é limitada devido ao processo de geração de provas, que consome tempo e é custoso.

Polygon Zero resolve esse problema usando "provas recursivas", que são mais rápidas que os sistemas de prover existentes. Essas provas recursivas vêm do Plonky2, um mecanismo de prova desenvolvido pela equipe por trás do Mir Protocol.

Mir Protocol era um projeto que explorava provas ZK recursivas para escalar aplicações descentralizadas até a aquisição da equipe pela Polygon. A equipe principal do Mir Protocol continuou trabalhando em provas escaláveis, levando ao lançamento do Plonky2 no início de janeiro de 2022.

Sistemas de provas recursivas funcionam de forma diferente dos mecanismos de prover ZK existentes. Com projetos existentes, a ideia é gerar provas um lote de transações por vez. No entanto, isso pode levar muito tempo.

Polygon Zero adota uma abordagem diferente ao gerar provas simultaneamente para cada transação no lote. Então a máquina agrega múltiplas provas de transação em uma única prova submetida na rede Ethereum.

Esse mecanismo reduz significativamente o esforço necessário para gerar provas de validade confiáveis para rollups de transações. O Plonky2 da Polygon Zero pode gerar uma prova recursiva em 0,17 segundos, tornando-o possivelmente o esquema de geração de provas ZK mais rápido atualmente.

Polygon Zero é projetado para ser compatível com a Ethereum Virtual Machine (EVM) e pode agrupar até 3.000 transações por bloco. Embora Polygon Zero ainda não esteja em produção, novos avanços em pesquisa de criptografia podem posicioná-lo como o projeto de ZK rollup dominante no ecossistema Ethereum.

O que é Polygon hermez?

Polygon Hermez é um projeto de ZK rollup com a descentralização como objetivo principal, sendo reputadamente o único ZK rollup descentralizado operando sobre a rede Ethereum.

A rede Hermez usa um algoritmo de consenso inovador, chamado proof of efficiency (PoE), para garantir descentralização e segurança de rede. Esse sistema consiste em Sequencers e Aggregators, que juntos garantem a funcionalidade do rollup. Sequencers aceitam transações e as incluem em um lote, enquanto Aggregators geram provas ZK a serem submetidas ao Ethereum.

No sistema PoE, qualquer pessoa pode se tornar um Sequencer ou Aggregator, e há incentivos criptoeconômicos embutidos para incentivar comportamento honesto. Isso protege a Polygon Hermez de problemas de centralização que afetam os ZK rollups, e também reduz as chances de atividade maliciosa na rede.

O protocolo Hermez alcança throughput considerável usando tecnologia zero-knowledge testada e comprovada. Ele pode incluir até 2.000 transações em um lote e gera provas SNARK (Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge) para confirmar a validade das transações em cada rollup.

Polygon hermez 2.0

Embora a Polygon Hermez esteja ativa desde 2021, o uso permaneceu baixo. Hermez não tem compatibilidade com EVM, então a funcionalidade é limitada a simples transferências de tokens e atomic swaps.

Mas a Polygon anunciou planos de trazer compatibilidade com EVM para o Hermez no futuro. O projeto, apelidado de "Hermez 2.0", verá a introdução de uma zero-knowledge EVM (zkEVM) que combina o ZK rollup existente com uma implementação de EVM.

Com o Hermez 2.0, a Polygon pode cumprir sua promessa de escalar Ethereum através de ZK rollups. Já a equipe da Polygon Hermez planeja usar instruções de máquina (opcodes) nativas da EVM. Isso facilitará para os projetos portarem aplicativos baseados em Ethereum para a Polygon Hermez ou lançarem aplicativos compatíveis com EVM diretamente no rollup.

O que é Polygon miden?

Polygon Miden é um ZK rollup de propósito geral, baseado em STARK, com compatibilidade EVM. STARK (Scalable Transparent Argument of Knowledge) é um tipo de prova criptográfica com semelhanças ao sistema SNARK, mais popular.

Alguns consideram os ZK-STARKs melhores que os ZK-SNARKs porque o primeiro não precisa de uma configuração confiável (trusted setup) e pode impedir ataques de computação quântica. A desvantagem é que os STARKs exigem provas maiores, tornando-os mais caros de usar.

Como um ZK rollup compatível com EVM, Polygon Miden é bastante único. Outros ZK rollups baseados em STARK (mais notavelmente StarkNet) não conseguem suportar contratos inteligentes Solidity, limitando seu valor para usuários do Ethereum.

Polygon Miden depende da Miden Virtual Machine (VM) para executar lógica arbitrária e rodar contratos inteligentes. Desenvolvedores podem facilmente compilar código escrito em Solidity ou Vyper para Miden Assembly, a linguagem usada para programar instruções de máquina na Miden VM.

Polygon Miden pode processar até 5.000 transações em um único bloco, com novos blocos produzidos a cada cinco segundos. Embora esse ZK rollup exista como um protótipo por enquanto, espera-se que aumente o throughput para mais de 1.000 transações por segundo (TPS) no lançamento.

O que é Polygon nightfall?

Polygon Nightfall é uma solução de rollup empresarial desenvolvida para facilitar transações privadas para instituições, lançada na Ethereum Mainnet em 17 de maio de 2022. O projeto é o resultado de uma colaboração entre a Polygon Technology e a gigante corporativa Ernst & Young (EY).

Polygon Nightfall usa um design de rollup único que combina Optimistic rollups e criptografia de conhecimento zero. O uso de Optimistic rollups reduz os custos de transação, enquanto a tecnologia ZK protege as transações de olhares indiscretos.

Para empresas de grande escala em busca de transações blockchain escaláveis e privadas, a Polygon Nightfall oferece um caso de uso convincente.

Nightfall ainda está em produção, embora a equipe da Polygon tenha anunciado recentemente o lançamento de uma versão beta na Ethereum Mainnet. A arquitetura do ZK rollup depende dos seguintes componentes:

Nightfall contracts

Nightfall Contracts são contratos inteligentes que governam a atividade na cadeia L2. Eles também gerenciam o sistema de Block Proposer e são responsáveis por selecionar, rotacionar e remover Block Proposers.

Block proposers

Esses são nós responsáveis por validar e agrupar transações em lotes e então submetê-los à blockchain L1.

Challengers

Challengers são nós selecionados para garantir comportamento honesto entre os Block Proposers. Challengers podem criar provas de fraude e submetê-las on-chain para contestar blocos inválidos.

Liquidity providers

Liquidity Providers (LPs) monitoram a cadeia L2 e fornecem liquidez para usuários que desejam sacar para Ethereum. LPs são fundamentais para a operação da Polygon Nightfall, pois resolvem o problema de saques atrasados que afetam outros sistemas de Optimistic rollup.

Polygon Nightfall facilita a troca segura e com proteção de privacidade de tokens ERC-20, ERC-1155 e ERC-777. Com uma taxa estimada de 100 TPS, Nightfall funciona bem para clientes empresariais que desejam transacionar rápida e privadamente no Ethereum.

Como os Polygon ZK rollups diferem de outros zero-knowledge rollups?

Os Polygon ZK rollups são diferentes de outros designs de zero-knowledge rollup em termos de velocidade, custo e capacidade de suportar computação compatível com EVM.

Polygon ZK rollups são mais rápidos

Uma desvantagem associada aos ZK rollups tradicionais, como StarkNet ou zkSync, é o custo computacional de gerar provas de validade. Frequentemente, ineficiências nos mecanismos de prover compensam os benefícios dos ZK rollups.

Por outro lado, os Polygon ZK rollups são projetados para reduzir o custo computacional de criar provas. Um dos ZK rollups da Polygon, Polygon Zero (usando Plonky2), pode gerar provas ZK recursivas em 170 milissegundos.

Polygon ZK rollups são compatíveis com EVM

Embora a zkSync tenha recentemente lançado uma implementação de zero-knowledge EVM, a maioria dos ZK rollups é incompatível com Ethereum. Por exemplo, usar StarkNet requer aprender Cairo, uma linguagem Turing-completa para executar programas no StarkNet OS.

A implicação é que esses sistemas não conseguem estender as capacidades do Ethereum como os ZK rollups da Polygon fazem. Usuários não conseguem acessar aplicativos baseados em Ethereum nesses ZK rollups, enquanto desenvolvedores não conseguem aproveitar efetivamente os efeitos de rede do Ethereum.

Polygon ZK rollups são mais baratos de usar

O stack de zero-knowledge rollup da Polygon é projetado para minimizar os custos envolvidos no uso de L2s. ZK rollups frequentemente atraem críticas porque gerar provas de validade requer hardware caro e especializado — com esses custos repassados aos usuários.

Polygon ZK rollups, como o Polygon Zero, visam simplificar esquemas de prova — o que permitiria a participação até de dispositivos mais simples. Por exemplo, os testes para a geração de provas do Plonky2 foram realizados em um PC de nível consumidor.

Além disso, os Polygon ZK rollups oferecem tamanhos de prova menores que outros mecanismos de prover ZK. O Plonky2, mencionado anteriormente, pode gerar provas com apenas 45kb. Isso não só elimina a centralização de hardware, como também reduz os encargos de custo para os usuários finais.

Por que os Polygon ZK rollups são importantes?

Os Polygon ZK rollups são importantes devido à sua escalabilidade, taxas de transação mais baixas e segurança.

1. Escalabilidade

Zero-knowledge rollups são uma grande parte do esforço para escalar Ethereum preservando a descentralização e a segurança. ZK rollups, como Polygon Zero e Polygon Hermez, podem aumentar o throughput para milhares de transações por segundo.

2. Taxas de transação baixas

Taxas de gas exorbitantes têm sido o principal ponto de atrito para os usuários do Ethereum. Ao retirar transações da cadeia principal e descongestionar a rede, os Polygon ZK rollups podem reduzir massivamente as taxas de transação do Ethereum.

3. Segurança

ZK rollups são baseados em criptografia sólida e têm um limiar de segurança mais alto que outros designs de rollup. Em vez de depender de incentivos econômicos ou pressupostos de confiança, como os Optimistic rollups, os ZK rollups dependem de garantias criptográficas para assegurar a segurança da rede.

Os Polygon ZK rollups postam dados de transação no Ethereum, então os usuários podem confiar no Ethereum para fazer valer as transações conduzidas na cadeia Layer 2 (L2). Por essa razão, os ZK rollups estão entre as soluções mais preferidas para os problemas de escalabilidade do Ethereum.

4. Inovação

As limitações do Ethereum em termos de escalabilidade podem limitar o que os desenvolvedores conseguem alcançar. Com ganhos na capacidade de processamento decorrentes da implementação de Polygon ZK rollups, os desenvolvedores do Ethereum provavelmente encontrarão novos casos de uso e se expandirão para novas áreas.

Conclusão

Zero-knowledge rollups estão entre as soluções mais elogiadas para os problemas de escalabilidade do Ethereum. Com o compromisso da Polygon em integrar ZK rollups, a possibilidade de escalar Ethereum aumenta.

Os Polygon ZK rollups têm o potencial de aumentar massivamente as capacidades de processamento do Ethereum e impulsionar a adoção em massa. A Alchemy está comprometida em escalar Ethereum e oferece suporte para desenvolvedores construindo na Polygon.

Perguntas frequentes

O que é um Polygon ZK rollup?

Um Polygon zero-knowledge rollup é uma solução de escalabilidade que agrega múltiplas transações off-chain em uma única transação on-chain, usando provas de validade para permitir verificação trustless sem sacrificar segurança ou descentralização.

Como os Polygon ZK rollups diferem de outros ZK rollups?

Os Polygon ZK rollups oferecem geração de provas mais rápida (cerca de 170 milissegundos), tamanhos de prova menores (45KB), compatibilidade EVM para migração mais fácil de aplicativos Ethereum, e custos mais baixos através de requisitos de hardware de nível consumidor.

O que é Polygon zero e como funciona?

Polygon Zero é uma solução de ZK rollup que usa provas recursivas do Plonky2 para reduzir custos computacionais, gerando provas de validade em 0,17 segundos e agrupando até 3.000 transações por bloco com compatibilidade total com EVM.

O que torna a Polygon hermez única entre os ZK rollups?

Polygon Hermez é o único ZK rollup descentralizado operando no Ethereum, usando um sistema de consenso Proof-of-Efficiency onde qualquer pessoa pode se tornar um Sequencer ou Aggregator, suportando até 2.000 transações por lote.

Como os Polygon ZK rollups se comparam aos optimistic rollups?

Os Polygon ZK rollups fornecem finalidade de transação imediata através de provas de validade criptográficas, enquanto os Optimistic rollups exigem períodos de espera e dependem de incentivos econômicos em vez de garantias matemáticas para a segurança.

O que é Polygon miden?

Polygon Miden é um ZK rollup baseado em STARK, compatível com EVM, que pode processar até 5.000 transações por bloco a cada cinco segundos, visando ultrapassar 1.000 TPS no lançamento usando a Miden Virtual Machine.

Quais benefícios os Polygon ZK rollups oferecem para a escalabilidade do Ethereum?

Eles aumentam o throughput para milhares de transações por segundo, reduzem significativamente as taxas de gas, mantêm alta segurança através de provas criptográficas e postam dados de transação no Ethereum para herdar proteção.

Para que a Polygon nightfall foi projetada?

Polygon Nightfall é uma solução de rollup empresarial que combina Optimistic rollups e criptografia de conhecimento zero para facilitar transações privadas para instituições, suportando tokens ERC-20, ERC-1155 e ERC-777 com aproximadamente 100 TPS.