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Scroll 联创张烨:Scroll 的设计架构和挑战是什么?

Scroll 是如何从头开始构建 zkEVM 的 ?

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原文作者:Scrollh中文社区

原文来源:Scroller

近日,Scroll 的联合创始人张烨受邀参加了斯坦佛的区块链研讨会,分享了Scroll的架构设计和挑战。在演讲的前半部分,介绍了 Scroll 的整体架构,并重点介绍其一些特殊的设计选择。

在后半部分,描述如何了从头开始构建 zkEVM,并使用具体示例来演示该过程。最后,简要讨论了 Scroll 在密码学和协议设计领域面临的各种研究挑战。

背景和初衷

Scroll 是以太坊的Layer 2扩容解决方案。为了最大限度地兼容以太坊,Scroll 正在构建一个字节码层面兼容的“zkEVM”,它可以证明 EVM 计算的有效性。Scroll设计的初衷就是为了开发者友好和最大化的可组合性。而构建zkEVM的挑战在于构建难度和生成零知识证明的成本极高。幸好近些年的一些技术突破使其慢慢变得可行,例如多项式承诺可以证明任意阶数,查找表可以实现存储读取约束,硬件加速可以加速证明生成,递归证明可以将证明进一步压缩,降低费用成本。

具体细节亦可参考Scroll博客系列#1:以太坊原生zkEVM Rollup介绍

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Scroll 架构

Scroll节点是应用和用户与Scroll交互的主要途径。它由三个模块组成,排序器(Sequencer)、协调器(Coordinator)和中继器(Relayer)。

排序器提供JSON-RPC接口并接收L2交易。每隔几秒钟,它就会从L2的内存池中取回一批交易并执行它们,以生成新的L2 块和新的状态根。Scroll的排序器实现基于Go-Ethereum (Geth),是最主流的以太坊节点实现之一。通过分叉Geth,我们可以实现最佳的兼容性并继承已经经过时间考验的安全性。

一旦生成了一个新的块,协调器就会收到通知,并从排序器接收这个块的执行踪迹。然后它将执行踪迹分派给从Roller池中随机选择的Roller以生成证明。

中继器监视同时部署在以太坊和Scroll上的Rollup和Bridge合约。它有两个主要职责。首先,它监控Rollup合约以跟踪L2块的状态,包括它们的数据可用性和有效性证明。其次,它监视同时部署在以太坊和Scroll上的Bridge合约的存款和取款事件,并将消息从一层中继到另一层。

每个L2区块将经过如下三个阶段,直到最终确认。

  • Pre-committed表示一个区块已经被一个排序器提议并发送给Rollers。虽然 Precommitted区块还不是Scroll L2上的正式部分,因为它们还没有发布在以太坊基础层上,不过信任排序器的用户可以按预期进行下一步操作。目前预估Pre-commited阶段只需1-2秒。
  • Committed表示该区块的交易数据已经发布在以太坊的Rollup合约上。这确保了区块数据可用,但不能证明它是正确执行的。目前预估Committed阶段需要数分钟。
  • Finalized表示通过验证以太坊链上的有效性证明,已经验证此区块中的交易正确性。经过最终确认的区块被认为是Scroll L2链上的正式部分。目前预估Finalized阶段需要10分钟以上

Pre-Alpha测试网阶段由于证明者的算力不足,因此整体流程的时间要大于所预估的时间。

具体细节亦可参考Scroll博客系列#6:Scroll的架构概览

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zkEVM的本质

zkEVM的本质是对EVM虚拟机计算生成的执行踪迹生成证明。Scroll的zkEVM中设计中,第一层包括直接证明EVM的逻辑,包括EVM电路,RAM电路,Storage电路及其他电路,例如验证ECDSA签名的Signature电路;第二层进行证明第一层证明的聚合证明。出于动态的执行踪迹的考虑,证明系统的前端部分Scroll采用了目前最新的Plonkish协议,对比标准的Plonk用Permutation关联前后的约束,Plonkish使用了更低阶的Custom gate,可以灵活得设定每一步的约束。

在硬件加速方面,Scroll拥有独有的PipeZK加速方案。对于第一层的EVM电路,加速后的GPU可以提升9倍速度,在30秒内完成证明。对于第二层的聚合电路,加速后的GPU可以提升15倍速度,在约2分半内完成证明。由于Pre-Alpha测试网目前只有10个左右的证明者,实际速度可能会略慢于实验数据。

关于【Scroll 联创张烨:Scroll 的设计架构和挑战是什么?】的延伸阅读

  • Scroll生态嫡系项目Pencils Protocol:第三轮空投详解(一鱼六吃)

    Pencils Protocol是Scroll生态上的一站式收益聚合器和拍卖平台,提供丰富的链上资产服务。参与第3季空投活动可获得多种积分奖励,其中Scroll Marks是重要指标,持有量决定后期空投分配。为了提高排名,可以通过增加交易量和生态合约交互条数。Pencils Protocol还推出了Pencils积分系统,可用于参与Staking、Vaults、Launch和未来的Shop产品,持有积分可获得福利和优先获得空投。此外,Pencils Protocol还提供类似借贷的杠杆挖矿模式,收益高且风险低。

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具体细节亦可参考Scroll Devcon 6系列#1:zk-Rollups的证明系统选择

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有趣的研究方向(协议和密码学)

当前,Scroll的研究团队在协议层和密码学方向也在进行着有趣的研究探索。

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研究的第一个方向,是证明者和排序器的去中心化。Scroll所提出的第一个方案是排序器和证明者的任务交给一个节点,同时处理交易和生成证明,代价是可能会加重节点负担,产生一定程度的中心化。第二个方案,排序器节点按共识出块,证明者节点可以自由提交证明,代价是系统将依赖最快的验证人,其他算力不足的证明者将没有激励进一步提交证明,退出系统,证明系统将被最快的验证者所绑架。针对第二个方案,Scroll所提出的解决方案是设置时间窗口,在规定时间内提交证明的即可获得证明奖励。

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研究的第二个方向,是L3存在的意义。L3最早由StarkNet所提出,但存在争议的点在于,如果数据可用性放在L1上,并不能节省太多的成本,如果数据可用性不放在L1上,大可以在L2实现类似的功能。L3更可能适用于应用的自定义需求,例如独有的排序器,自定义的执行环境,或是更低价的存取款费用,亦或是L3之间所需的可组合性。关于L3的更多探讨,可参考Vitalik: 什么样的Layer 3是有意义的?

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研究的第三个方向,是L2层之间的流动性分配。例如Uniswap可能需要在不同的L2层上都分别部署流动性池。如何将不同的L2层之间的流动性池打通,对于用户体验上来说将会是极大的提升。

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研究的第四个方向,是zkEVM的资源定价问题。计算的成本主要由验证和证明交易组成,存储的成本主要是历史交易和calldata的数据存储。最理想的状态是维持现在以太坊主网的资源定价方案,但是由于Keccak等zk不友好的运算所带来的成本增加,仍然需要对zkEVM的资源定价方案做相应的调整。

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其他的研究方向包括,零知识证明中电路的随机性,算数化。Scroll的证明系统分为两层,因此证明者的硬件加速算法也围绕两层设计展开。Scroll目前在第一层和第二层证明系统都选择了Halo2协议,但也在积极探索不同证明系统间的可组合性。

当然目前zk系统仍在开发中,也未经过审计和实践检验,因此在可预见的长期时间内,无法保证这些代码无懈可击,代码层面仍需要大量的审计工作。具体可参考Scroll Rollup Day#1: Vitalik介绍用多重证明强化Rollup安全性

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责任编辑:Kate

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