Scroll 聯創張燁：Scroll 的設計架構和挑戰是什么？_SCR

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。

Scroll聯合創始人Sandy Peng：Scroll將在未來三到四個月上線主網:4月10日消息，在《華人之光|世界矚目的華人Web3項目》圓桌論壇中，基于ZK Rollup的以太坊擴容網絡Scroll聯合創始人Sandy Peng表示，Scroll正在以二層網絡的方式解決以太坊網絡相對擁堵的需求，為開發者提供EVM等效性，在提供以太坊安全的同時確保低成本、高效率和去中心化。

Scroll在發展的過程中把開發者和社區的訴求放至第一位，近期可能會推出激勵生態發展的合作伙伴計劃，未來三到四個月將上線主網。（foresightnews）[2023/4/10 13:54:21]

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)。

Web3智能合約錢包Unipass上線Scrollpre-alpha測試網:12月19日消息，Web3智能合約錢包Unipass現已部署在以太坊擴容項目Scrollpre-alpha測試網上。Unipass是一個建立在MPC密鑰管理之上的智能合約錢包，用戶可以使用電子郵件和密碼注冊，并且支持on-chain Email社交恢復，幫助用戶方便地管理他們的私鑰，而無需使用Web2用戶不熟悉且容易出錯的助記詞等工具。[2022/12/19 21:53:37]

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。

Cosmos生態Web3游戲公鏈Clan Network將向ATOM、LUNA、SCRT質押者空投:5月5日消息，Cosmos生態Web3游戲公鏈Clan Network宣布將發行代幣CLAN，并將初始供應量（3.3425億枚CLAN）的40%用于空投，向TANGO持有者空投初始供應量40%的代幣，ATOM、LUNA、SCRT質押者各空投15%的代幣，剩余15%將通過投票決定分配給Cosmos生態的另一條鏈的代幣質押者。

Clan Network旨在通過利用Cosmos生態技術，如IBC、Starport、SecretNetwork隱私和跨鏈安全性來賦能Web3游戲的開發。[2022/5/5 2:51:22]

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。

社交投資平臺Zignaly與Newscrypto.io達成戰略合作:9月22日消息，社交投資平臺Zignaly宣布與Newscrypto.io建立合作伙伴關系。根據該計劃，Newscrypto將在Zignaly上啟動一項利潤分享服務，Zignaly將為來自Newscrypto社區的用戶提供獎勵和獨家優惠。 合作后，Newscrypto得到一個可以將他們傳播的加密貨幣知識轉化為實際交易的平臺，而Zignaly則獲得一個基礎良好的交易員小組。除此之外，Zignaly將圍繞Newscrypto產品和NWC代幣進行教育和宣傳，Newscrypto還將于早期獲得Zignaly Bridge的跨鏈權限，以便NWC持有者可以在高度可擴展和高效的區塊鏈上交易、挖礦獲利。[2021/9/22 16:58:50]

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。

新一代安全高速主鏈項批露將支持JavaScript開發智能合約:上周獲得李笑來硬幣資本投資的新一代安全高速主鏈項目EON今日進一步披露其特性，表示支持JavaScript開發智能合約。c++開發需要有一定門檻，而且使用上也容易出錯，相比之下，JavaScript就更平易，準確。EON支持javascript意味著很多以太坊的智能合約開發者，web開發者也能參與進來。針對最近區塊鏈公司頻發的各種隱患，漏洞問題，EON表示，因為有前360首席科學家、美國北卡州立大學終身教授蔣旭憲博士領銜的區塊鏈安全團隊PeckShield(派盾科技)保駕護航。[2018/6/12]

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。

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

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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