ROL: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。

LayerZero宣布新增支持Scroll測試網:6月14日消息，跨鏈互操作性協議LayerZero在推特上宣布已在Scroll測試網上線，并在文檔中列出endpoint信息。

此前6月8日消息，LayerZero發推稱已新增支持Arbitrum Nova。[2023/6/15 21:37:24]

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)。

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。

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]

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。

以太坊擴容項目Scroll升級并重置測試網五天內，單一地址數達27萬:1月16日消息，以太坊擴容項目Scroll聯創發推表示，自1月9日Scroll升級并重置其Pre-Alpha測試網以來，單一地址數于五天內達到27萬個，每日處理交易數達11萬筆。[2023/1/16 11:14:14]

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。

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。

動態 | 比特幣核心開發者 Pieter Wuille 發布新的比特幣腳本語言 Miniscript:比特幣核心開發者兼 Blockstream 聯合創始人 Pieter Wuille 發布推文宣布推出一個新的比特幣腳本語言 Miniscript，本質上，這是一種以結構化、可組合的方式編寫（某些）比特幣腳本的方法，允許各種靜態分析、通用簽名和策略編譯。該項目包括一個策略編譯器，當你設置好輸出花費條件和相對概率，它能夠找到最經濟的 Miniscript 兼容腳本。開發者不僅可以在網站上使用策略編譯器，而且，在無需知道腳本策略創建來源的情況下，Miniscript 的算法支持為任何兼容 Miniscript 的腳本構建見證。Pieter Wuille 稱，目前區塊鏈技術重心都放在擴展區塊鏈本身的功能以支持更復雜的應用程序上，然而通過一種可訪問、可組合和可分析的方式實現擴展功能卻被忽略了。Pieter Wuille 希望 Miniscript 和 PSBT 這類方案可以減少軟件之間的一些障礙。[2019/8/20]

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。

動態 | 美國權威辭書出版機構在SCRABBLE中新增單詞bitcoin:據Globe Swire消息，美國權威辭書出版機構Merriam-Webster推出第六版The Official SCRABBLE Players Dictionary，新增300個新單詞，其中包括“bitcoin”。[2018/9/24]

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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