ROLL:Scroll聯合創始人張燁：Scroll的設計與架構_UCROWDME

9月22日，在由萬向區塊鏈實驗室主辦的第八屆區塊鏈全球峰會上，以太坊擴容項目Scroll聯合創始人張燁發表《Scroll的設計與架構》主旨演講，Scroll正在建立一個EVM等效的ZKRollup，其設計決策遵循安全性、效率、EVM等效性和去中心化，其架構由Scroll節點、鏈上的智能合約、去中心化的證明器網絡三部分組成。此外，Scroll分享了Scroll路線圖以及當前的開發進度，Scroll已完成第一階段，即完成Pre-Alpha測試網。第二階段，邀請開發者基于其部署一些智能合約，并且開發一些額外的應用。第三階段，將啟動二層證明的外包，也就是證明生成的過程，Scroll希望能夠邀請所有的社區參與，這是無需許可的，任何人都可以參與到證明網絡，成為證明節點。第四個階段，到達zkEVM主網階段，需要經過嚴格的代碼審計以及性能提升之后，將會部署并且上線主網。第五個階段，部署去中心化的排序器。

以下為演講全文：

張燁：大家好，我的名字是張燁，我是Scroll的聯合創始人。今天我想跟各位分享Scroll的設計和架構。

在正式跟各位介紹技術細節之前，我想要簡單給各位介紹一下Scroll項目到底是什么。簡言之，Scroll是一個以太坊的通用型二層擴容方案，和以太坊本身類似，開發者可以在Scroll上部署智能合約，同時，也可以和上面的各種應用進行交互。但是在上面的交易費用更加低，而且吞吐量也更高。

和其他二層的解決方案不一樣，我們雖然是一個擴容方案，但是在Scroll上所有的完整性都會在以太坊進行驗證，要么通過ZK證明，要么通過欺詐性證明來做，所以Scroll的安全保障由于得到了以太坊的支持，所以更加強。

更具體來說，我們現在正在建立一個與EVM等效的ZKRollup，這意味著什么呢？從技術上來說，Scroll是基于ZKRollup，也就是依賴于有效性證明來證明Scroll上所發生的所有加以都是正確的。ZKRollup被認為是完全基于純數據假設的最純粹擴容解決方案。

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在這里以太坊等效性意味著可以在內部支持具有自解碼級別的EVM，對于開發者來說，意味著可以支持VEM上支持的所有內容，不僅僅是Solidity這樣具體的編程語言，同時也可以在字節碼層面支持以太坊虛擬機，以及所有相關的開發工具。

所以對于開發者來說，你并不需要了解ZKRollup就可以部署在Scroll之上，而且在Scroll上的開發體驗和在以太坊一層上是完全一樣的，你可以使用所有已經熟悉的開發工具，再一個類似的環境中進行部署。

再更加深入介紹具體技術細節之前，首先我想跟各位介紹一下為什么說我們做出了這樣的設計決策，背后有哪些原則？

第一，安全性。最重要的任務是安全性，所以在擴容方面最重要的安全形式是保護用戶的資金和數據的安全性。在最安全和去中心化的基礎層上，也就是基于以太坊之上，用戶不需要依賴于Scroll節點的誠實來保證自己的資金安全。向他們可以完全利用底層以太坊一層的安全性，來保證自己的資金安全。哪怕他們實際交易在Scroll上進行的，因為從安全性的角度來說，完全是依賴于底層的以太坊。

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第二，效率。設計第二個重要原則是效率，為了讓用戶能夠在二層上享受更好的用戶體驗，我們認為交易的費用應該要做到極低，至少比在以太坊上交易費用要低幾個數量級。

另外我們認為用戶應該在二層上享受及時的確認，如果你向二層的節點發送交易，可以很快地獲得確認，而且也可以實現非常快的終局性，也就是說，你的證明能夠很快地在一層上得到驗證。

第三，EVM等效性，EVM有個非常活躍的生態，我們相信有效的以太坊擴容方案，意味著用戶和開發者應當擁有無縫的遷移體驗，不管他們現在用哪些DAPP、哪些工具，在遷移過程中應該是完全無縫的。

EVM等效性是實現這一目標的最佳手段，因為對用戶來說，在Scroll上可以擁有完全相同的環境，這也是為什么要始終保持EVM的等效性，這是我們的目標，也是我們的初心。

第四，去中心化。去中心化是區塊鏈的核心特征，但是經常為人們所忽略，或者是為了效率而被不適當的犧牲，尤其是對一些一層的區塊鏈而言，他們經常為了效率而犧牲去中心化。但是我們認為區塊鏈最有價值的方面之一就是去中心化，它也可以確保協議和社區能夠防審查，或者防止一些協同攻擊。我們也考慮了Scroll各個方面的去中心化，包括節點的去中心化、證明器的去中心化、開發者的去中心化、用戶的去中心化，這也是為什么說跨越各層級的去中心化。

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這些原則是我們背后的設計原則，最終使得我們找到了現在的技術設計解決方案。

安全性、效率和EVM等效性，最終使得我們提出了zkEVM的ZK解決方案。正如剛剛提到的，ZK提供的是純數學的數學保證，不是依賴于任何遭受攻擊的經濟博弈，另外也是非常有效的。此外每筆交易的成本在大量的交易之中分攤，所以成本也非常低。與欺詐證明相比，有效性證明有更短的確定/更短的確認，由于欺詐證明是基于樂觀Rollup，大概需要一周的時間才能完成在一層的驗證，但是對于有效性證明來說，如果你能快速地生成證明，就是可以很快地在一層得到終局性的確認。

在我們設計了ZK決策之后，我們也意識到zkEVM是支持EVM等效性最終的勝杯。zkEVM背后的想法、理念就是zkEVM可以用簡潔的ZK證明來證明EVM自解碼的正確執行。因為之前所有的ZKRollup都是特定于應用程序，要么是為了某些DAPP，或者某些專門的交易來設計的。如果你可以證明它為了EVM的執行也是正確的，那么你就可以證明ZK-EVM是非常通用型的虛擬機。

之前大家認為zkEVM不可以實現，因為它的開銷很大，比正常的APP、應用程序開銷高出兩個數量級。但是由于我們利用了整個社區的協同創新，設計也集成了最近的突破，包括最近的證明器系統、證明器聚合，甚至利用到了ZK的硬件加速。

開放式的開發方法，使得我們可以和非常廣泛的社區成員合作，尤其是以太坊基金會的隱私和擴容團隊，以及其他的在社區中參與者，我們在這方面進行了非常密切的協作，利用最新的研究使得zkEVM最終成為可能。

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基于這些研究成果，現在也正在搭建基于zkEVM的ZKRollup，從而滿足我剛才提到的諸多設計原則。接下來是去中心化，對去中心化的要求使得我們最終搭建了去中心化的證明器網絡，在設計整個Scroll系統的時候，尤其是設計zkEVM的時候，我們意識到將EVM放到ZK證明中需要非常大的開銷，主要是由于這些本地字段之間不兼容。為了減少、為了縮短證明時間，因為證明時間會影響到最終在L1上的終局性時間，我們決定建立一個無需許可的去中心化證明器網絡，從而幫助我們在L2層上的區塊生成證明。

通過這樣的方式，我們實現了兩個主要的技術優勢：

證明器更像是并行運行的、可擴展的，這意味著可以通過添加更多的證明器節點大規模擴展證明器池。

社區將獲得激勵，運行這些證明器節點，從而為我們構建更好的、顯著優化的硬件解決方案，因為社區是有激勵的，所以不需要依賴于我們作為中心方搭建這些硬件解決方案。

如果你讓社區參與到開發過程中，就可以給他們提供足夠的激勵，當激勵足夠的時候，甚至社區愿意搭建AECX礦機。

接下來跟各位介紹一下總體的架構和設計，為了給大家更多有關于架構的背景信息，首先必須要回顧一下ZKRollup，以太坊的交易處理非常慢，大家應該耳熟能詳，它生成塊的速度是非常慢的，由于它更加去中心化，而且依賴于某些特定的共識機制，所以以太坊的交易處理非常慢。

但是對于用戶來說，有了Scroll可以直接向Scroll發送交易，而不是將交易發送給以太坊。Scroll可以很快地生成二層區塊，然后我們會運行一些證明算法，生成有效性證明，證明發送給Scroll的這批交易是正確的，然后我們再提供一些必要的塊數據作為可用性數據，將這些數據提交給以太坊的第一層。

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而zkProve則作為提交過程中的公共輸入值，證明在應用、執行這些交易之后，狀態發生了變更。通過這樣的方式，一層只需要驗證提交給他的各種證明，而不需要重新執行所有的交易，也就是最終一層驗證時間會大大減少。

因此對我們來說，我們必須要有一個證明器，同時也需要一些其他的節點，包括出塊的節點。這張幻燈片展示的是Scroll的架構，具體由三部分組成：

Scroll節點。

鏈上的智能合約，主要是用來進行存入資金以及一層交易的智能合約。

去中心化的證明器網絡，證明器網絡由很多證明器節點組成，在我們的系統里將這些證明器節點稱為Roller。

首先是排序器，在Scroll節點中，有一方叫做排序器，它是Gas，也就是GoEthereum的分叉，GOEthereum可以說是以太坊一層上最受歡迎的實現，可以用來接受二層的交易，并且生成二層的區塊。通過這樣的方式，我們可以簡簡單單地利用現有以太坊客戶端的實現，從而確保二層和一層的行為是一致的。同時對于開發者來說，他們可以更熟悉，在部署合約的時候更加方便，而不僅僅只是做RPC的接口。

第二層是中繼器，中繼器主要是做信息中繼，比如說將信息在跨鏈橋協議和Rollup協議間進行中繼。還有一些其他的用戶數據，包括用戶的交易，一層和二層之間中繼器也負責消息的傳遞，總結來說，中繼器就是負責一層和二層之間消息的中繼。

第三層是協調器，協調器主要是將跟蹤的信息發送給Roller，換言之，當排序器生成多個區塊之后，協調器將所有的信息不僅僅是交易信息，從執行里獲得的所有信息收集，稍微我會跟大家具體介紹這一步，因為我們有去中心化的證明器網絡，所以協調器必須去判斷誰負責為哪個區塊進行證明，然后將相關的區塊發送給去中心化的證明器網絡。這些去中心化的證明器會生成證明，然后再將證明發送回協調器，這是整個環路。

zkEVM是整個設計的核心，所以我們現在深入地探索一下Scroll里發生的交易步驟是什么。

首先從協調器那里收到一些執行的追蹤，比如你的執行步驟或者區塊頭、交易的數據、必要的數據、自解碼數據、Merkle證明作為執行的蹤跡，然后再將它轉化成環路，使用這個環路的輸入構建器，從而生成證明。因為它是環路式的，所以必須將這樣的東西轉化成ZK可以使用的，接下來再作為見證者見證來各種。

zkEVM由多個環路組成，每個環路每個循環都有不同的目的，比如說EVM主要是用來做交易的監督，RAM主要是一些內存的操作，而存儲主要是負責存儲讀寫，還有其他的循環，比如簽名等其他的循環。通過這樣的方式，生成了多個證明。最后還有聚合循環，將這些證明聚合成一個證明，最后把它放到鏈上。

比如你有一個區塊或者一個執行的蹤跡，就有一個證明，這就是證明器中，或者在Roller中具體發生的技術過程。

接下來跟各位分享一下Scroll具體的工作流。首先看一下zkRollup的工作流，你需要有區塊鏈數據有效性證明，但這種有效性證明是可以分離的，因為區塊數據可以提前提交。我們在這步可以將它進一步分解成兩步，一個是有效性的證明，之所以這樣做分離，是因為有更強大的確認。因為二層區塊不給你任何信息，你必須要依賴于排序器，所有的數據都來自于排序器，但是你一旦有區塊數據，你可以對交易進行再次執行，從而獲得更強的確認，由于生成證明的時間會更長，可以在后續的階段之中再提交有效性證明，從而使得你很快地做預確認，確認的程度也會增強。

我們也有不同類型的區塊狀態，其中一個狀態是由排序器已經提出或者已經發起的區塊，已經被包含在二層鏈的區塊，就是預Committed，而另外一類區塊叫做Committed，代表區塊的交易數據已經被發送給以太坊上的Rollup合約。最終就是已經終局化的區塊狀態，表明區塊中的正確交易執行已經得到了證明，并且已經獲得了有效性的證明，也就是已經在以太坊鏈上，已經在一層得到了證明，意味著到了這步，你的交易已經得到了終局性的確認。

這張幻燈片展示了在Scroll中交易的工作流，首先交易會被發送給排序器，區塊會變成Pre-Committed。接下來一步是排序器會將區塊數據上傳給一層，也就是上傳到Rollup合約中，這個階段你的區塊成為Committed。到下一個階段區塊會形成執行的蹤跡，你需要這些執行的蹤跡生成證明，協調器就會選擇一個Roller來生成相應的證明。

比如說對于第一個區塊，我選擇了一個證明器。對于第二個區塊協調器，同樣會將這樣的執行蹤跡調度給另外一個證明器，由于這些證明器是并行執行的，所以證明的生成也是并行的。比如說有3個證明器可以同時生成三個不同區塊的證明，證明又被發送回給協調器，協調器對于這些證明進行驗證。接下來要么簽名，要么將這些證明再發送給另外一個Roller，由這個Roller再次執行、再次證明。最后協調器聚合了所有的證明，將聚合好的證明發送給一層做合約的驗證。合約之前已經有一部分區塊數據，再加上證明，兩者相結合，最后實現二層上的交易驗證和確認。

這張幻燈片展示的是區塊狀態，包括三種不同類型的區塊，包括已經完成終局確認的Pre-Committed，以及Committed，不同的顏色代表的是不同的區塊狀態。我們已經有一個Alpha測試網，或者Alpha階段前的測試網，如果大家想要參與測試，或者想要為我們做貢獻的話，可以通過掃描屏幕上的幻燈片。

最后和各位分享一下路線圖以及當前的開發進度，我們已經完成了預Alhpa的測試網，這是需要許可的，而且測試網只能做用戶的交互，你可以在這個版本里做一些鏈上APP的嘗試。

第二階段，我們會邀請開發者基于我們部署一些智能合約，并且開發一些額外的應用。

第三階段，希望啟動二層證明的外包，也就是證明生成的過程，我們希望能夠邀請所有的社區參與，這是無需許可的，任何人都可以參與到證明網絡，成為證明節點。

第四個階段，到達了zkEVM主網階段，需要經過嚴格的代碼審計以及性能提升之后，我們會部署并且上線主網。

第五個階段，部署去中心化的排序器，從而使得zkEVM，包括從設計和技術的角度來說更加高效。

我們有很強大的目標，目標是為以太坊帶來下一個10億的用戶，因為我們認為所有的交互都會發生在二層之上，我們也非常相信開放、開源的社區，我們所做的一切都會開源，尤其是EVM和以太坊社區的貢獻者一道完成的。我們也認為整個社區的協同可以幫助我們整個開發過程更加透明，也需要外部的代碼審計，不斷地追求各個層級的去中心化，包括證明器網絡的去中心化，這是去中心化之路第一步。

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來源：金色財經

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