CRO:Scroll 聯創張燁：Scroll 的設計架構和挑戰是什么？_CROCKET

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跨Rollup橋Orbiter Finance新增支持Scroll測試網:11月18日，據官方消息，Layer2 跨 Rollup 橋 Orbiter Finance 新增支持 Scroll 測試網。用戶可通過該跨鏈橋對 Scroll 測試網進行測試體驗。[2022/11/18 13:20:51]

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。

比特幣礦企Stronghold Digital Mining收購Scrubgrass發電廠:9月26日消息，美國賓夕法尼亞的比特幣礦企Stronghold Digital Mining最近收購了陷入財務困境的Scrubgrass發電廠。該工廠將燃燒賓夕法尼亞州的廢煤，為位于工廠旁邊的集裝箱內的現場采礦硬件提供動力。該工廠目前為1800名比特幣礦工提供電力，并計劃到2022年增加產量以支持超過20,000名礦工。（techspot）[2021/9/26 17:08:17]

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。

以太坊JavaScript庫Ethers.js發布v5.4.0 添加EIP-1559支持:官方消息，以太坊JavaScript庫Ethers.js發布v5.4.0，添加EIP-1559支持。TransactionResponse.gasPrice現在可以為空，因此某些應用程序可能需要添加空檢查。

據悉，以太坊兩個最常用JavaScript庫是Ethers.js和Web3.js。[2021/6/27 0:09:59]

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。

Messari Screeners數據：DOT是眾多機構最青睞的加密資產:分析師Mason Nystrom發推稱，據Messari Screeners數據顯示，追蹤了超過35家包括Coinbase Ventures，Pantera，Polychain，a16z等大型風險投資和對沖基金的所有投資組合，最常持有的資產分別為DOT、KEEP、UNI等。[2021/4/27 21:04:44]

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

紐交所財務副總裁Eric Scro加入Coinbase:據了解，紐交所(NYSE)財務副總裁Eric Scro將加入Coinbase，擔任的職位為財務副總裁。[2018/3/9]

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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