web3Scroll原理调研报告-项目简介">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

web3Scroll原理调研报告-核心价值">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。

web3Scroll原理调研报告-竞品">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。

web3Scroll原理调研报告-项目架构及原理">项目架构及原理

web3Scroll原理调研报告-Scroll架构">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。

 

web3Scroll原理调研报告-Scroll工作流">Scroll工作流

L2区块产生，提交到L1，在L1上确认的流程为：

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。

 

web3Scroll原理调研报告-核心技术实现">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。

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。

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。

web3Scroll原理调研报告-1、Sequencer提取执行记录">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

web3Scroll原理调研报告-2、Roller产生zk证明">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

3）Plonkish +  KZG承诺