SCR:深度解读Scroll zkEVM方案：如何实现去中心化的愿景？_TROLLBNB

原文作者：Young，Scroll研究员；Babywhale，ForesightNews

今年2月底，基于ZKRollup的以太坊Layer2?网络Scroll正式推出了向所有用户开放的Alpha测试网，并表示将在未来几个月内改进zkEVM性能。就在推出新测试网的一周后，Scroll宣布以18亿美元估值完成了PolychainCapital、红杉中国等参投的5000万美元融资。

2022年6月，笔者在《三分钟读懂Scroll：ZKRollup扩容新锐选手》中简单介绍了Scroll的设计框架。Scroll旨在建立「EVM等效」的zkEVM扩容网络，实现以太坊上应用的无缝迁移。

7月，Scroll推出了需要申请资格的Pre-Alpha测试网，截至Alpha测试网推出时，Pre-Alpha测试网已处理了超1540万笔交易，共确认了超180万个区块，提交了64.1万批有效性证明，且共有超10万名用户参与。而Alpha测试网开放至今，共有约2,?145,?099个钱包地址，处理了约10,?102,?684笔用户交易，生成了886,?701个区块，平均区块时间约为3秒。

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本文中，笔者将介绍Scroll通过怎样的机制实现在去中心化的前提下继承以太坊主网的安全性。

Scroll的架构

Scroll架构主要由3部分组成：节点网络、证明网络和Rollup合约。

节点网络

Scroll的节点网络包含三部分：定序器、协调器和中继器。

定序器

定序器提供JSON-RPC接口并接受L2交易。每隔几秒钟，它就会从L2mempool检索一批交易，并执行它们以生成新的L2区块和一个新的状态根。Scroll的定序器实现是通过fork被广泛使用的以太坊节点GoEthereum，并以此实现更好的兼容性和承经得起时间考验的安全性。

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协调器

一旦生成新的区块，协调器就会收到通知，并从定序器接收该区块的Executiontrace。然后，协调器将Executiontrace分配给一个从去中心化的证明网络中随机选择的证明者生成证明。

中继器

中继器用于观察部署在以太坊和Scroll上的跨链桥和Rollup合约。它主要有两个职责，其一是监视Rollup合约，跟踪L2区块的状态，包括其数据可用性和有效性证明。其二是监视部署以太坊和Scroll上的跨链桥合约的存款和提取活动，并将消息从一方传递到另一方。

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证明网络

Rollers作为网络中的证明者，负责为ZKRollup生成有效性证明。Roller可以利用像GPU、FPGA和ASIC等硬件设备来减少验证时间和验证成本。

下图展示了Roller如何为每个区块生成有效性证明，有以下步骤：

Roller首先将从协调器那里收到的执行Trace，转换为电路witness。

为每个zkEVM电路生成证明。

使用证明聚合，将来自多个zkEVM电路的证明合并为一个单一的区块证明Rollup和跨链合约。

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值得一提的是，Scroll团队成员表示Scroll计划于主网上线前上线证明网络测试网。证明网络的去中心化一方面为以太坊合并后无处安放的GPU矿机找到了暂时的用武之地。另一方面，未来主网对证明者的激励可能可以刺激零知识证明专用芯片的开发，并最终被大量ZK项目广泛采用，形成继PowASIC矿机后的又一实体产业链。

Rollup和跨链桥合约

Scroll通过Rollup和跨链桥合约连接到以太坊。这样确保了L2交易的数据可用性，并允许用户在L1和L2之间传递资产和信息。

Rollup合约

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Rollup合约从定序器接收L2状态根和区块。它将状态根存储在以太坊状态中，L2区块数据作为以太坊calldata。这为Scroll区块提供了数据可用性，并利用以太坊的安全性来确保包括Scroll中继器在内的索引器能够重建L2区块。一旦确定L2区块有效性的证明被Rollup合约验证，相应的区块就被认为在Scroll上已经完成。

跨链桥合约

部署在以太坊和Scroll上的跨链桥合约允许用户在L1和L2之间传递任意的信息。在这个消息传递协议的基础上，我们还建立了一个无需信任的跨链协议，允许用户在两个方向上桥接ERC-20资产。从以太坊向Scroll发送消息或资金，用户需要在跨链桥合约上调用sendMessage交易。中继器将在L1上对该交易进行索引，并将其发送给定序器，将其包含在L2区块中。从Scroll向以太坊发送消息，在L2跨链桥合约的流程和上述过程类似。

Scroll如何实现ZKRollup？

Scroll中的L2区块被生成后提交给以太坊，并按以下步骤顺序最终完成：

定序器的角色是生成区块。对于第i个区块来讲，定序器生成执行Trace：T，并将其发送给协调器。定序器还将交易数据D作为CallData提交到以太坊的合约中，保证数据可用性以及由此生成的状态根和对Rollup合约的交易数据的承诺作为状态。

协调器会随机选择一个证明者为每个Blocktrace生成一个有效性证明。为了加快证明生成过程，不同区块的证明可以由不同的证明者并行生成。

在为第i个块生成区块证明P之后，证明者会将其发送回协调器。每隔K个区块，协调器向另一个证明者分派一个聚合任务，将k个区块证明聚合为一个聚合证明A。

最后，协调器向Rollup合约中提交聚合证明A，通过对先前提交给Rollup合约的状态根和交易数据commitment进行验证，最终可以确定从i?1到ik的L2Block。

上图说明了Scroll区块将在多步骤的过程后在L1上最终完成。每个L2区块将经过以下三个阶段，直到最终确定：

预提交。预提交示block已由定序器提出并发送给证明者。尽管预提交的区块还不是ScrollL2链的规范部分，但是由于它们尚未发布在以太坊上，因此信任定序器的用户可以选择预期对它们采取的行动。

提交。提交表示该区块的交易数据已经发布在以太坊的Rollup合约上。这确保了区块的数据可用性，但不能证明它是以有效的方式执行的。

终结。终结状态表示该区块中的交易已经被正确执行，并且通过了以太坊上的有效性证明验证。最终完成的区块被认为是ScrollL2链的规范部分。?

Scroll与其他ZKRollup方案的区别

总体而言，Scroll与已上线主网的PolygonzkEVM、StarkNet以及zkSyncEra最大的区别在于Scroll更接近原生以太坊实现，对EVM开发者来说更加友好。

ScrollvsPolygonzkEVM

二者在实现方面存在一些技术差异,。一是Scroll直接fork被广泛使用的以太坊节点实现Geth生成Layer?2的区块，接近原生以太坊实现。Scroll设计了不同的子电路来证明Geth执行跟踪中的每个操作码，并且更容易验证电路与原生以太坊具有完全相同的行为。而PolygonzkEVM则使用新的汇编语言重写每个EVM操作码，然后为其底层状态机生成证明。

另一个区别是，Scroll对zkEVM电路和聚合电路都使用SNARK。PolygonzkEVM是使用STARK作为他们的zkEVM电路，并使用SNARK作为聚合电路来聚合STARK证明。

ScrollvsStarkNet

与StarkNet相比，Scroll以EVM等效性为目标，希望原生zkEVM解决方案以实现字节码级兼容性，对以太坊开发者更加友好；而StarkNet是一个对于ZK友好而对开发者不友好的方案。故StarkNet建立开发者和项目生态具有一定的学习成本，也存在不小的挑战。

ScrollvszkSync

相较于Scroll对EVM字节码级的兼容性，zkSync是在语言级别兼容EVM的，故对于智能合约的开发者而言，需要对部署带有BlackBlox的编译器的额外信任，也需要更多的时间来进行安全审计。

Scroll的去中心化梦想

Scroll团队成员张烨曾发表了一篇名为《Scroll背后的理念》的文章。这篇文章详细描述了Scroll的愿景：除了Scroll项目本身，团队更加希望为以太坊的zkEVM研究做出贡献。

文章中提到，相比于「闭门造车」，Scroll从一开始就做出了与社区共同发展的决定，并且也一直在践行这一点，包括由社区驱动开发zkEVM、开展零知识证明方面的公共教育、维护Python版本的zkEVM规范等。

除了上述方面的社区化运作，Scroll还强调了更多方面的去中心化，包括定序器、证明者等等。总体而言，Scroll更希望成为一个类似于以太坊一样，虽然有核心开发团队，但仍然在底层技术和基础设施层面开放的协议，并最终推动zkEVM生态的蓬勃发展以及主网与zkEVM的兼容，乃至以太坊Layer1?本身想要达到的最终目标。

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