web3基于zkEVM的L2扩容方案-Scroll

项目简介

Scroll 是2021年由华人创始团队推出的基于zkEVM 的以太坊ZKR扩容方案，不同于zkSync的语言级别兼容，Scroll实现了完全EVM等效，即字节码层级兼容，除了数据结构和状态树等部分，zkEVM看起来与以太坊完全一样，由此，现有的以太坊应用程序和工具可以实现无缝迁徙。

关键时间点	融资
* 2022.7 Scroll 推出 pre-alpha 测试网 * 2023.2 Scroll 改进 v2 桥和 ZK 架构，将 prover 内存需求从 870GB 降低到 275 GB * 2023.2 Scroll 推出 alpha 测试网待推进 * 引入 The Graph 支持 * 推进账户抽象	* 2022年融资 3000 万美元 * 2023年融资5000万美元

核心价值

完全EVM等效
Vitalik将zkEVM类项目划分为5类，类型1---完全以太坊等效（字节码层级兼容，不改变以太坊的任何部分）、类型2---完全EVM等效（字节码层级兼容，仅改变数据结构和状态树等部分）、类型3---EVM等效（增加gas成本以适配难以zk证明的特定操作）、类型4---几乎等同于EVM（过渡态，直至转向前几类）、类型5---编程语言等效（支持Solidity、Vyper等编写的智能合约），显然，前2类更靠近以太坊生态，更适应以太坊的各种升级，而Scroll实现的完全EVM等效，正是做的此类工作。

去中心化的验证网络
Scroll提供去中心化的验证网络，任何用户只要有GPU机器就可以成为证明节点，而且随着节点的增多，算力将越大，成本将越低。

竞品

zkSync ：对比Scroll，zkSync仅实现语言级别的等效。此外，zkSync团队控制了出块、打包和验证过程，存在一定的中心化问题**。**
Polygon Hermez(Polygon zkEVM) ：与Scroll一样，Polygon Hermez提供了字节码层级的EVM等效，实际上Polygon zkEVM引入了一层zkASM(zero knowledge Assembly)，字节码编译为zkASM之后再运行**。**
Starknet：虽然Starknet仅仅提供语言级别的EVM兼容，但基于Cairo构造的新虚拟机非常灵活，能支持多需求的复杂应用。
Taiko ：实现了完全以太坊等效的zkEVM**。**

项目架构及原理

Scroll架构

如上图，Scroll架构包括3部分：

1）Scroll节点

Sequencer 负责 a) 接收用户交易，打包区块，提取区块执行记录（execution trace）并发送给 Coordinator；b) 向 Rollup合约提交区块信息、新的stateRoot作为callData；
Sequencer直接复用了以太坊节点Geth的代码，保证交易在L2和L1上的执行方式完全一致。
Coordinator负责接收执行记录(witness)，从 Roller Pool 中随机拉取 Roller产生zk证明，聚合zk证明；
Relayer 负责 a) 通过Bridge合约监听 L1 上存款、提款事件；b) 通过Rollup合约追踪 L2 上区块状态，包括数据可用性、zk证明等。

2）Roller网络：充当prover的角色，负责产生zk证明。任何用户只要拥有GPU机器都可以成为Roller，因此，Roller实际上构成了去中心化的验证网络，

3）合约

Bridge合约：用于L1-L2之间的资产转移。
Rollup合约：用于L2交易数据可用性，及证明验证。

Scroll工作流

L2区块产生，提交到L1，在L1上确认的流程为：

Sequencer 接收L2用户交易，产生区块。对于区块i，Sequencer产生执行记录T，发送给Coordinator。期间，Sequencer将交易数据D、将更新后的stateRoot和交易承诺提交给Rollup合约作为calldata。
Coordinator 从Roller Pool随机挑选一个Roller为执行记录产生合法性证明。为了加速证明产生过程，不同区块的合法性证明可以并行生成。
为区块i生成合法性证明P后，Roller将证明发回给Coordinator。每获取k个区块证明，Coordinator分配聚合任务给另一个Roller，将k个单独的证明聚合为单个证明A。
最后，Coordinator将聚合证明A提交给Rollup合约，Rollup合约基于前述calldata数据验证A的合法性，验证通过则L2上k个区块在L1完成确认。

核心技术实现

与EVM等效的zkEVM是Scroll的灵魂，在分析zkEVM的实现之前，我们先回顾下EVM执行智能合约的过程。

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| EVM架构 |

新版本的以太坊将 EVM 从节点代码中剥离出来，形成独立的模块。如下图，节点通过 EVMC接口与 EVM 模块交互，Instance接口定义了节点对 EVM 的操作，如创建、销毁、设置等，Callback 接口定义了 EVM 对节点的操作，如 state 读写、区块信息读写等。

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| EVM执行合约 |

接下来，我们看看Scroll的zkEVM构造，重点关注区块记录的证明生成。

Scroll改进了原zcash开源的halo2，结合KZG承诺方案，为区块执行记录生成合法性证明。

执行证明分为两部分，1）State proof状态证明，用于证明State/Memory/Stack等操作正确执行了 ，但不检验读/写位置是否合法；2）EVM proof，用于证明在正确的时间调用了正确的操作码。

1、Sequencer 提取执行记录

Scroll的Sequencer实现fork自Go-Ethereum(Geth)，通过TraceChain api获取EVM在两个块之间(不包括start)执行期间创建的结构化日志，并将它们作为JSON对象返回。

BlockTrace结构体
	* StorageTrace存储电路需要的信息 * ExecutionResults记录结构化日志

2、Roller 产生zk证明

zkEVM通过Bus-Mapping解析EVM执行记录，获取结构化的witness输入，以及收集电路输入。

1）witness构建：

通过block_traces_to_witness_block函数完成，获取.json格式的执行路径后，先通过serde_json解析路径为BlockTrace，再封装为证明电路通用的结构体Block，包含区块上下文，复制约束，MPT初始值及更新后的信息等。

2）circuit构建：使用1）的block信息构建SuperCircuit，包含zkEVM构建的所有电路。

我们看下Repo的描述：

具体地：

电路类型	共享查找表
* StateCircuit → 用于验证RwTable的合法性； * EvmCircuit→ 用于验证RwTable调用的合法性； * TxCircuit→ 用于验证交易的合法性； * BytecodeCircuit → 用于验证字节码的合法性； * CopyCircuit→ 用于验证复制约束； * ExpCircuit→ 用于验证幂次关系； * KeccakCircuit → 用于验证keccak哈希； * PoseidonCircuit → 用于验证poseidon哈希； * MptCircuit→ 用于验证MPT； * PiCircuit → 用于验证公共输入； * RlpCircuit → 用于验证rlp；	1. Copy Table * CopyCircuit * EvmCircuit 2. Exponentiation Table * EvmCircuit 3. Rw Table * StateCircuit * EvmCircuit * CopyCircuit 4. Keccak Table * KeccakCircuit * EvmCircuit * BytecodeCircuit * TxCircuit * MptCircuit	5. Tx Table * TxCircuit * EvmCircuit * CopyCircuit * PiCircuit 6. Bytecode Table * ByteCodeCircuit * EvmCircuit * CopyCircuit 7. Block Table * EvmCircuit * PiCircuit 8. MPT Table * MptCIrcuit * StateCircuit
* StateCircuit → 用于验证RwTable的合法性； * EvmCircuit→ 用于验证RwTable调用的合法性； * TxCircuit→ 用于验证交易的合法性； * BytecodeCircuit → 用于验证字节码的合法性； * CopyCircuit→ 用于验证复制约束； * ExpCircuit→ 用于验证幂次关系； * KeccakCircuit → 用于验证keccak哈希； * PoseidonCircuit → 用于验证poseidon哈希； * MptCircuit→ 用于验证MPT； * PiCircuit → 用于验证公共输入； * RlpCircuit → 用于验证rlp；	1. Copy Table * CopyCircuit * EvmCircuit 2. Exponentiation Table * EvmCircuit 3. Rw Table * StateCircuit * EvmCircuit * CopyCircuit 4. Keccak Table * KeccakCircuit * EvmCircuit * BytecodeCircuit * TxCircuit * MptCircuit

**3）**Plonkish + KZG承诺