SCR:Scroll 聯創張燁：Scroll 的設計架構和挑戰是什么？

來源：Scrollh中文社區

近日，Scroll的聯合創始人張燁受邀參加了斯坦佛的區塊鏈研討會，分享了Scroll的架構設計和挑戰。在演講的前半部分，介紹了Scroll的整體架構，并重點介紹其一些特殊的設計選擇。

在后半部分，描述如何了從頭開始構建zkEVM，并使用具體示例來演示該過程。最后，簡要討論了Scroll在密碼學和協議設計領域面臨的各種研究挑戰。

背景和初衷

Scroll是以太坊的Layer2擴容解決方案。為了最大限度地兼容以太坊，Scroll正在構建一個字節碼層面兼容的“zkEVM”，它可以證明EVM計算的有效性。Scroll設計的初衷就是為了開發者友好和最大化的可組合性。而構建zkEVM的挑戰在于構建難度和生成零知識證明的成本極高。幸好近些年的一些技術突破使其慢慢變得可行，例如多項式承諾可以證明任意階數，查找表可以實現存儲讀取約束，硬件加速可以加速證明生成，遞歸證明可以將證明進一步壓縮，降低費用成本。

Layer2解決方案Scroll現已集成OKX Web3錢包:6月20日消息，據Scroll官方，Scroll現已集成OKX Web3錢包，用戶可連接OKX Web3錢包在Scroll Alpha測試網體驗跨鏈交易等。此外，OKX Web3錢包的插件端也已支持Scroll Alpha測試網，用戶可以通過自定義網絡接入Scroll Alpha測試網進行轉賬等。Scroll是一個EVM等效的zkRollup以太坊擴容方案Scroll，其Alpha測試網已經在Goerli上線。[2023/6/20 21:50:02]

具體細節亦可參考Scroll博客系列#1：以太坊原生zkEVMRollup介紹

Scroll架構

Scroll節點是應用和用戶與Scroll交互的主要途徑。它由三個模塊組成，排序器(Sequencer)、協調器(Coordinator)和中繼器(Relayer)。

Aave現已上線Scroll Alpha測試網:5月4日消息，Layer2 網絡 Scroll 官方宣布，Aave 現已上線 Scroll Alpha 測試網。[2023/5/4 14:42:43]

排序器提供JSON-RPC接口并接收L2交易。每隔幾秒鐘，它就會從L2的內存池中取回一批交易并執行它們，以生成新的L2塊和新的狀態根。Scroll的排序器實現基于Go-Ethereum(Geth)，是最主流的以太坊節點實現之一。通過分叉Geth，我們可以實現最佳的兼容性并繼承已經經過時間考驗的安全性。

一旦生成了一個新的塊，協調器就會收到通知，并從排序器接收這個塊的執行蹤跡。然后它將執行蹤跡分派給從Roller池中隨機選擇的Roller以生成證明。

中繼器監視同時部署在以太坊和Scroll上的Rollup和Bridge合約。它有兩個主要職責。首先，它監控Rollup合約以跟蹤L2塊的狀態，包括它們的數據可用性和有效性證明。其次，它監視同時部署在以太坊和Scroll上的Bridge合約的存款和取款事件，并將消息從一層中繼到另一層。

跨Rollup訂單簿DEX Zada Finance宣布上線Scroll測試網:4月4日消息，據官方推特，Zada Finance宣布上線Scroll測試網。ZadaFinance是基于Scroll構建的跨Rollup訂單簿DEX，支持賬戶抽象錢包。并且是Scroll上第一個原生的開源跨RollupDEX。目前，Zada Finance還在Alpha階段，未來將推出Dashboard，與Orbiter的SDK集成，實現cross-Rollup的聚合交易。[2023/4/5 13:44:58]

每個L2區塊將經過如下三個階段，直到最終確認。

Pre-committed表示一個區塊已經被一個排序器提議并發送給Rollers。雖然Precommitted區塊還不是ScrollL2上的正式部分，因為它們還沒有發布在以太坊基礎層上，不過信任排序器的用戶可以按預期進行下一步操作。目前預估Pre-commited階段只需1-2秒。

Lens Protocol已部署至Scroll的pre-alpha測試網:10月28日消息，Web3社交協議Lens Protocol已部署至以太坊擴容項目Scroll的pre-alpha測試網，支持開發人員構建可擴展的Web3社交應用程序。

此前報道，Scroll推出pre-alpha測試網升級版本，新版本已支持開發者使用Hardhat和Foundry等工具部署智能合約。[2022/10/28 11:53:43]

Committed表示該區塊的交易數據已經發布在以太坊的Rollup合約上。這確保了區塊數據可用，但不能證明它是正確執行的。目前預估Committed階段需要數分鐘。

Finalized表示通過驗證以太坊鏈上的有效性證明，已經驗證此區塊中的交易正確性。經過最終確認的區塊被認為是ScrollL2鏈上的正式部分。目前預估Finalized階段需要10分鐘以上

兩筆共10億枚XRP從Ripple?Escrow錢包解鎖 價值約15.9億美元:Whale Alert數據顯示，北京時間5月1日08:00，兩筆共10億枚XRP從Ripple?Escrow錢包解鎖，價值約15.9億美元，交易哈希分別為CADAD2EE7D319B2F59822A1BC4171EE185187E94096FBC3E946F041580D15BEE和2BC260584F241330B5A93FF7B87B9191355041937AA1AD0334052672524DE8DF。 注：按照慣例，Ripple 會在每個月的第一天解鎖10億枚XRP。但這些資金中的大部分通常會在同一天的晚些時候重新鎖定在托管錢包中。[2021/5/1 21:15:35]

Pre-Alpha測試網階段由于證明者的算力不足，因此整體流程的時間要大于所預估的時間。

具體細節亦可參考Scroll博客系列#6：Scroll的架構概覽

zkEVM的本質

zkEVM的本質是對EVM虛擬機計算生成的執行蹤跡生成證明。Scroll的zkEVM中設計中，第一層包括直接證明EVM的邏輯，包括EVM電路，RAM電路，Storage電路及其他電路，例如驗證ECDSA簽名的Signature電路；第二層進行證明第一層證明的聚合證明。出于動態的執行蹤跡的考慮，證明系統的前端部分Scroll采用了目前最新的Plonkish協議，對比標準的Plonk用Permutation關聯前后的約束，Plonkish使用了更低階的Customgate，可以靈活得設定每一步的約束。在硬件加速方面，Scroll擁有獨有的PipeZK加速方案。對于第一層的EVM電路，加速后的GPU可以提升9倍速度，在30秒內完成證明。對于第二層的聚合電路，加速后的GPU可以提升15倍速度，在約2分半內完成證明。由于Pre-Alpha測試網目前只有10個左右的證明者，實際速度可能會略慢于實驗數據。具體細節亦可參考ScrollDevcon6系列#1：zk-Rollups的證明系統選擇

有趣的研究方向

當前，Scroll的研究團隊在協議層和密碼學方向也在進行著有趣的研究探索。

研究的第一個方向，是證明者和排序器的去中心化。Scroll所提出的第一個方案是排序器和證明者的任務交給一個節點，同時處理交易和生成證明，代價是可能會加重節點負擔，產生一定程度的中心化。第二個方案，排序器節點按共識出塊，證明者節點可以自由提交證明，代價是系統將依賴最快的驗證人，其他算力不足的證明者將沒有激勵進一步提交證明，退出系統，證明系統將被最快的驗證者所綁架。針對第二個方案，Scroll所提出的解決方案是設置時間窗口，在規定時間內提交證明的即可獲得證明獎勵。

研究的第二個方向，是L3存在的意義。L3最早由StarkNet所提出，但存在爭議的點在于，如果數據可用性放在L1上，并不能節省太多的成本，如果數據可用性不放在L1上，大可以在L2實現類似的功能。L3更可能適用于應用的自定義需求，例如獨有的排序器，自定義的執行環境，或是更低價的存取款費用，亦或是L3之間所需的可組合性。關于L3的更多探討，可參考Vitalik:什么樣的Layer3是有意義的？

研究的第三個方向，是L2層之間的流動性分配。例如Uniswap可能需要在不同的L2層上都分別部署流動性池。如何將不同的L2層之間的流動性池打通，對于用戶體驗上來說將會是極大的提升。

研究的第四個方向，是zkEVM的資源定價問題。計算的成本主要由驗證和證明交易組成，存儲的成本主要是歷史交易和calldata的數據存儲。最理想的狀態是維持現在以太坊主網的資源定價方案，但是由于Keccak等zk不友好的運算所帶來的成本增加，仍然需要對zkEVM的資源定價方案做相應的調整。

其他的研究方向包括，零知識證明中電路的隨機性，算數化。Scroll的證明系統分為兩層，因此證明者的硬件加速算法也圍繞兩層設計展開。Scroll目前在第一層和第二層證明系統都選擇了Halo2協議，但也在積極探索不同證明系統間的可組合性。

當然目前zk系統仍在開發中，也未經過審計和實踐檢驗，因此在可預見的長期時間內，無法保證這些代碼無懈可擊，代碼層面仍需要大量的審計工作。具體可參考ScrollRollupDay#1:Vitalik介紹用多重證明強化Rollup安全性

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