Что такое блокчейн Scroll и как он устроен?

Видение и ценности Scroll

Обещание Ethereum состоит в том, чтобы построить децентрализованную вычислительную платформу, широко доступную для всех. Несмотря на то, что для достижения этой цели был пройден долгий путь, неоправданно высокая плата за газ и частые перегрузки в существующей сети представляют собой серьезную проблему для реальной доступности. Конечно, сообщество Ethereum знает об этих проблемах и придерживается дорожной карты, ориентированной на объединение, для увеличения пропускной способности. Эта дорожная карта фокусирует Ethereum на том, чтобы стать самым децентрализованным уровнем расчетов, и со временем перевести выполнение на накопительные пакеты на уровне 2.

Долгое время считалось, что накопительные пакеты являются единственным жизнеспособным способом масштабирования блокчейнов без ущерба для децентрализации и безопасности. Однако до недавнего времени из-за технических препятствий их масштабирование было непрактичным, что вынуждало пользователей использовать альтернативные Layer 1 и сайдчейны, где масштабируемость обходится дороже.

«В начале 2021 года, как исследователи, работающие в этой области, мы поняли, что недавние прорывы в системах проверки ZK и аппаратном ускорении означают, что наконец-то стало практичным создание универсального EVM-эквивалентного ZK-свертывания», – пишут разработчики Scroll.

Используя магию ZKP, это устраняет компромисс между безопасностью и масштабируемостью, предлагая лучшее решение для пользователей и разработчиков блокчейна — минимальные доверительные предположения, быстрая финализация и плавная миграция с базового уровня.

«Придя к этим идеям, мы были вдохновлены ориентированными на сообщество, открытыми и совместными ценностями сообщества Ethereum. Помимо технических соображений, мы считаем, что эта культурная и социальная связь создает прочную основу для глобального уровня расчетов и едва ли может сравниться с каким-либо другим криптосообществом», – говорится в статье о ценностях проекта.

Имея это в виду, группа разработчиков решила создать Scroll — ZK-Rollup, эквивалентный EVM, в начале 2021 года как часть динамичной экосистемы Ethereum. Scroll использует zkEVM в качестве основного компонента для проверки собственной трассировки выполнения EVM и использует децентрализованную сеть проверки для решения проблемы эффективности на стороне проверки. И поскольку публичный релиз вот-вот состоится, будет уместным изложить видение и ценности, которые вдохновили разработчиков на этот труд.

Ценности Scroll

«Мы считаем, что децентрализованные вычислительные платформы будут играть настолько важную роль, что они не должны принадлежать какой-либо одной команде или компании, а вместо этого поддерживать и продвигать принципы, представляющие более широкое сообщество», – говорится в статье.

Разработчики Scroll надеются, что сообщество со временем будет формировать Scroll, как сейчас формирует Ethereum, и предлагает начать со следующих основных ценностей:

1. Расширение прав и возможностей человечества — начиная с разработчиков и пользователей блокчейна

Scroll стремится масштабировать блокчейны, чтобы их могли оценить миллиарды пользователей. Это требует, чтобы они были одновременно масштабируемыми и достаточно дешевыми, чтобы быть доступными для всех, а также безопасными и простыми в использовании для обычного пользователя.

Текущее состояние рынка комиссий Ethereum означает, что приложения с высокими ставками, такие как торговля DeFi и NFT, вытесняют нефинансовые варианты использования, а также делают Ethereum недоступным для обычных пользователей с меньшими суммами капитала. Используя магию ZK, Scroll увеличит пропускную способность транзакций и значительно снизит комиссию. Это раскроет потенциал для этих новых приложений и пользователей. Разработчики надеются увидеть инновации прикладного уровня, «которые появятся в должное время».

«Мы считаем, что решения для масштабирования Ethereum должны соответствовать разработчикам и пользователям, где бы они ни находились. Это означает предоставление им преимуществ масштабирования при минимизации любых препятствий для их текущих рабочих процессов и интерфейсов. Начав с решения, эквивалентного EVM, мы позволяем существующим приложениям и инструментам разработчика переходить с Ethereum на Scroll без глубоких модификаций или переписываний», – утверждают разработчики Scroll.

Команда обещает не останавливаться на достигнутом.

«После этого первого шага мы планируем добавить экспериментальные новые функции, расширяющие возможности EVM, чтобы позволить разработчикам создавать более богатые возможности для пользователей в Scroll. Выступая в качестве испытательного полигона для этих изменений на уровне виртуальных машин, Scroll предоставит пользователям доступ к передовым приложениям и в то же время оценит потребность в экспериментальных функциях, которые впоследствии будут реализованы в самой EVM базового уровня», – обещают разработчики Scroll.

2. Разработка программ с открытым кодом вместе с сообществом

Scroll создан, чтобы быть ориентированным на сообщество и полностью открытым исходным кодом «с первого дня».

«Мы считаем, что такая важная технология должна быть открыта для понимания и проверки всеми. Мы используем общедоступные спецификации и репозитории, а также сотрудничаем с членами сообщества из команды Ethereum Foundation Privacy and Scaling Explorations для создания zkEVM под открытым небом», – утверждает команда проекта.

При создании платформы, которая может определять права собственности на финансовые активы, крайне важна возможность открытого аудита и проверки кода. В противном случае, что, если платформа подделывает доказательства или на самом деле не следует протоколу? Будучи ПО с  открытым исходным кодом, Scroll обеспечиваем базовый уровень доверия сообщества к Scroll.

«Даже на этапе разработки любой может проверить наш прогресс, просто просмотрев наши репозитории на Github», – приглашает команда проекта, утверждая, что это заставляет их быть прозрачными и ответственными перед сообществом Scroll.

С точки зрения разработчика, открытый код ведет к более безопасным и лучше спроектированным системам. В силу доступности код Scroll постоянно подвергается как внутренней, так и внешней экспертной оценке. Более того, благодаря внедрению проектов и улучшений от участников сообщества такие открытые системы могут объединять лучшие идеи растущего сообщества разработчиков, ориентированных на ценности, считает команда проекта.

«Мы верим, что ДНК с открытым исходным кодом, лежащая в основе Scroll, сделает его самым безопасным и надежным ZK-ролапом, и мы продолжим сотрудничать с сообществом и делиться своими решениями с Ethereum. Наша конечная цель — достичь конечной цели масштабирования Ethereum — «ZK-SNARK все», – говорят разработчики Scroll.

3. Борьба за децентрализацию и сопротивление цензуре

Стремясь к большей масштабируемости блокчейна, важно сохранить основные свойства децентрализации и сопротивления цензуре, которые делают Ethereum таким мощным. В качестве конечной цели Scroll стремится достичь тех же уровней децентрализации и сопротивления цензуре, что и сам базовый уровень Ethereum, и разработчики Scroll обещают «приближаться к этому шаг за шагом».

«С самого начала мы считаем безопасность пользовательских активов первостепенной задачей и сохраним те же гарантии безопасности, что и на уровне 1. Используя Ethereum как для консенсуса, так и для доступности данных, мы наследуем тот же уровень децентрализации. Даже в случае катастрофического сбоя мы строим принудительный выход в протокол, чтобы пользователи могли вывести свои средства», – обещают разработчики.

Команда Scroll признает, что устойчивость к цензуре сложнее достичь для накопительных пакетов, и предлагает для этого ряд шагов:

«Во-первых, мы разработали децентрализованный протокол проверки, который позволяет передавать доказательства объединения сообществу роллеров. Мы надеемся создать надежную экосистему Roller, конкурирующую за повышение производительности прувера с аппаратным ускорением и, что более важно, дать пользователям возможность запускать прувер самостоятельно и принудительно отправлять свои транзакции в накопительный пакет в случае цензуры. В качестве второго шага мы стремимся достичь полной децентрализации за счет децентрализации секвенсора. К тому времени любой сможет запустить секвенсор, чтобы транзакции не подвергались цензуре. Этот последний шаг является областью активного исследования, и мы надеемся построить его совместно с сообществом».

Технические принципы Scroll

Чтобы масштабировать Ethereum с помощью zkRollup на основе zkEVM, разработчики Scroll взяли за основу набор технических принципов, поддерживающих изложенные выше основные ценности Scroll. Вот эти принципы и то, как они соотносятся с более дизайном Scroll.

1. Обеспечение безопасности пользователей

В контексте решений масштабирования блокчейна наиболее важной формой безопасности является целостность пользовательских средств и данных. Хотя решение для масштабирования может предложить пользователям дополнительные возможности, обеспечение доступа пользователей к их средствам – важнее всего.

Для Scroll это означает, что пользователям не нужно полагаться на честность узлов Layer 2 для обеспечения безопасности, и вместо этого они могут использовать преимущества полной безопасности Layer 1 даже при транзакциях на Layer 2. Создавая Ethereum в соответствии с этим принципом, Scroll укореняет безопасность в наиболее безопасном и децентрализованном консенсусе базового уровня Ethereum.

2. Поддержание EVM-эквивалентности

Помимо предоставления пользователям дополнительных возможностей, эффективное решение для масштабирования Ethereum должно предоставить пользователям и разработчикам беспрепятственный путь миграции с существующих децентрализованных приложений и инструментов разработчика. Разработчики Scroll решили, что сохранение EVM-эквивалентности — лучший способ добиться этого. Среда, эквивалентная EVM, ведет себя точно так же, как и спецификация виртуальной машины Ethereum в желтой книге Ethereum. Это означает, что пользователи и разработчики могут мигрировать без дополнительных изменений кода, дорогостоящих аудитов или разрушительных изменений в рабочем процессе разработки.

Эквивалентность EVM обеспечивает значительно более сильные гарантии, чем простая совместимость с EVM с помощью таких решений, как транспиляция. Сосредоточенность на простой совместимости может вынудить пользователей и разработчиков изменить или даже полностью переделать большую часть поддерживающей инфраструктуры Ethereum. Кроме того, без EVM-эквивалентности поддерживать безопасность становится намного сложнее. В результате, чтобы быть максимально удобным для разработчиков и пользователей, Scroll эквивалентен EVM, а не просто совместим с EVM.

3. Эффективность

Разработчики Scroll считают, что для того, чтобы пользователи могли наслаждаться отличным опытом на Layer 2, нужно обеспечить два условия:

• Комиссии за транзакции должны быть низкими, на несколько порядков дешевле, чем на базовом уровне.
• Пользователи должны получить мгновенное предварительное подтверждение на Layer 2 и достаточно быстрое завершение на базовом уровне (в данном случае Ethereum).

Хотя эти условия легко выполнить с помощью централизованного оператора, для сохранения безопасности они должны сохраняться в децентрализованной среде.

«Мы считаем, что в контексте Layer 2 сеть Scroll должна быть максимально эффективной, сохраняя при этом безопасность пользователей и децентрализацию как на Layer 2, так и на базовом уровне», – пишут разработчики L2.

4. Децентрализация на всех уровнях сообщества

Децентрализация — ключевое свойство блокчейнов, которым часто пренебрегают или неправильно обменивают на эффективность, считают разработчики Scroll.

«Мы считаем, что это один из наиболее ценных аспектов блокчейна, который гарантирует, что протоколы и сообщества будут динамичными и устойчивыми к цензуре или скоординированным атакам. Мы рассматриваем децентрализацию во многих аспектах Scroll, включая операторов узлов, испытателей и сообщество разработчиков и пользователей. Работая открыто с сообществом и прокладывая надежный путь к децентрализации как прувинга, так и секвенирования, Scroll стремится обеспечить децентрализацию во всех измерениях.

Как эти принципы привели к дизайну Scroll

Основные варианты дизайна Scroll, естественно, мотивированы этими техническими принципами.

1. Безопасность и эквивалентность EVM привели разработчиков к решению zkRollup на основе zkEVM.

Разработчики утверждают, что при создании Scroll безопасность была их главным приоритетом.

«В нашем дизайне на основе zkRollup целостность транзакций Layer 2, выполняемых на Scroll, гарантируется краткими доказательствами с нулевым разглашением, проверенными в смарт-контракте на базовом уровне Ethereum. Это делает транзакции Scroll такими же безопасными, как транзакции на самом базовом уровне Ethereum. В результате пользователям не нужно доверять какой-либо третьей стороне для обеспечения безопасности своих средств — она обеспечивается безопасностью базового уровня Ethereum и математическими гарантиями криптографии с нулевым разглашением. Мы считаем, что это минимально возможный набор предположений о доверии, который обеспечивает наилучшую безопасность для наших пользователей», – говорится в описании работы Scroll.

После принятия решения о подходе zkRollup на основе zkEVM команде проекта пришлось значительно потрудиться над тем, чтобы сделать его доступным для пользователей и разработчиков:

«Мы быстро поняли, что достижение EVM-эквивалентности с помощью zkEVM было священным Граалем. Хотя нарушение эквивалентности существенно упростило бы эту задачу, как только мы поняли, что создание zkEVM возможно с использованием недавних прорывов в криптографии с нулевым разглашением, мы решили, что это лучший выбор. Взяв на себя эту технически сложную задачу, Scroll стремится предложить лучший опыт для пользователей и разработчиков. Наш zkEVM доказывает правильное выполнение собственного байт-кода EVM, используя краткие доказательства ZK, предоставляя гарантии функции перехода состояния самой EVM и позволяя Scroll поддерживать собственные инструменты разработчика Ethereum, такие как интерфейс JSON-RPC и формат транзакций».

2. Децентрализация на основе сети пруверов

При разработке собственного zkEVM разработчики быстро поняли, что включение EVM в доказательство ZK приведет к большим затратам на проверку из-за несовместимости между собственными полями.

«Чтобы сократить время до завершения на Layer 1 в результате этого времени проверки, мы решили построить Roller, общедоступную децентрализованную сеть пруверов, которые генерируют доказательства для блоков L2 Scroll», – пишут разработчики.

По их словам у децентрализованной сети пруверов Scroll есть два основных технических преимущества:

1. Испытательная инфраструктура построена с высокой степенью параллелизма. Это означает, что Scroll может значительно масштабировать проверочные вычисления, просто добавляя дополнительные проверочные узлы.
2. Сообщество, по мнению команды проекта, будет заинтересовано в создании значительно более качественных аппаратных решений и самостоятельном запуске пруверов вместо того, чтобы полагаться только на команду Scroll, что было бы централизованно.

«Чтобы запустить начальную фазу сети, мы создаем решения для проверки GPU внутри компании, исходный код которых будет открыт для публичного использования. По мере развития мы изучаем решения ASIC и FPGA с несколькими производителями аппаратного обеспечения. В долгосрочной перспективе мы рассчитываем на серьезную конкуренцию в этой области и твердо верим, что задержки и затраты на создание доказательств будут уменьшаться в геометрической прогрессии», – обосновали второй пункт разработчики.

И, наконец, самое главное, начиная с этого первого шага децентрализации испытателей, команда Scroll твердо привержена принципам участия сообщества и децентрализации.

«По мере того, как Scroll приближается к основной сети, мы планируем также децентрализовать секвенсор вместе с нашей сетью пруверов, обеспечивая большую устойчивость к цензуре и надежность протокола», – обещает команда проекта.

3. Эффективность заставляет сосредоточиться на открытых инновациях, основанных на исследованиях.

Чтобы сделать zkEVM Scroll практичным в условиях жестких ограничений, налагаемых безопасностью и децентрализацией, разработчики Scroll использовали инновационные решения, основанные на исследованиях, от всего сообщества.

«Наш дизайн zkEVM объединяет последние достижения в области систем проверки, агрегации доказательств и аппаратного ускорения ZK, и это лишь некоторые из них. Открытый подход к разработке позволил нам работать с группой PSE (Privacy and Scaling Explorations) в Ethereum Foundation и другими сотрудниками, чтобы найти лучшие идеи, и мы считаем, что этот подход к исследованиям с открытым исходным кодом даст лучшее и наиболее эффективное решение», – пишет команда проекта.

По мере того, как приближается запуск первой производственной версии zkEVM Scroll, команда продолжает фокусироваться на оптимизации и интеграции новейших и лучших технологий. В частности, команда проекта изучает:

• Как большие двоичные объекты данных после данкшардинга могут повысить эффективность Scroll.
• Как совместно оптимизировать zkEVM Scroll с новыми аппаратными алгоритмами ZK
• Как представить новые примитивы ZK разработчикам приложений Layer 2

Суммируя сказанное

Изложенные выше технические принципы привели Scroll к разработке протокола, который соответствует существующему сообществу Ethereum и обеспечивает путь масштабирования для будущих миллиардов пользователей, которые еще не подключены к сети.

Scroll — это zkRollup, эквивалентный EVM, для масштабирования Ethereum. С технической точки зрения Scroll состоит из двух основных частей. Основной частью является zkEVM, который используется для подтверждения правильности выполнения EVM на уровне 2.

«Мы создавали его открыто с группой исследований конфиденциальности и масштабирования в Ethereum Foundation более года. Но чтобы превратить zkEVM в полноценный zkRollup на Ethereum, нам также необходимо построить вокруг него полную архитектуру L2», – пишут разработчики.

Далее изложены некоторые подробности об архитектуре Scroll и соответствующем опыте пользователей и разработчиков. В частности, мы рассмотрим начальную версию Scroll, состоящую из централизованного узла секвенирования и децентрализованной сети проверки. В будущем команда проекта также намерена децентрализовать набор узлов секвенирования.

Архитектура Scroll

Текущая архитектура состоит из трех компонентов инфраструктуры (см. рис. 1):

• Узел Scroll: создает блоки L2 из пользовательских транзакций, фиксирует их на базовом уровне Ethereum и передает сообщения между L1 и L2.
• Roller Network: генерирует доказательства достоверности zkEVM, чтобы доказать, что транзакции выполняются правильно.
• Роллап и бридж-контракты: обеспечивают доступность данных для транзакций Scroll, проверяют доказательства достоверности zkEVM и позволяют пользователям перемещать активы между Ethereum и Scroll.

Далее мы подробно остановимся на роли каждого из этих компонентов.

Рисунок 1. Архитектура Scroll.

Узел Scroll

Узел Scroll — это основной способ взаимодействия приложений и пользователей со Scroll. Он состоит из трех модулей: Sequencer, Coordinator и Relayer.

Sequencer предоставляет интерфейс JSON-RPC и принимает транзакции L2. Каждые несколько секунд он извлекает пакет транзакций из мемпула L2 и выполняет их для создания нового блока L2 и нового корня состояния. Реализация секвенсора Scroll основана на Go-Ethereum (Geth), одной из самых популярных реализаций узлов Ethereum. Используя кодовую базу Geth Scroll стремится добиться наилучшей совместимости и унаследовать безопасность, выдержавшую испытание временем.

Как только новый блок сгенерирован, Координатор уведомляется и получает трассировку выполнения этого блока от Секвенсора. Затем он отправляет трассировку выполнения случайно выбранному роллеру из пула роллеров для создания доказательства.

Relayer наблюдает за мостовыми и накопительными контрактами, развернутыми как на Ethereum, так и на Scroll. У него две основные обязанности:

Во-первых, он отслеживает накопительный контракт, чтобы отслеживать состояние блоков L2, включая доступность их данных и подтверждение достоверности.

Во-вторых, он отслеживает события депозита и вывода из мостовых контрактов, развернутых как на Ethereum, так и на Scroll, и передает сообщения с одной стороны на другую.

Roller Network

Роллеры служат в качестве доказывающих в сети, которые отвечают за создание доказательств достоверности для zkRollup. Ожидается, что роллеры будут использовать ускорители, такие как графические процессоры, FPGA и ASIC, чтобы сократить время и стоимость испытаний. На рис. 2 показано, как Roller генерирует подтверждение достоверности для каждого блока. Процесс состоит из следующих шагов:

• Сперва Роллер преобразует трассировку выполнения, полученную от координатора, в свидетели цепи.
• Затем он генерирует доказательства для каждой из схем zkEVM.
•  Наконец, он использует агрегацию доказательств для объединения доказательств из нескольких операций zkEVM в доказательство одного блока.

Рисунок 2. Рабочий процесс Roller.

Роллап- и бридж-контракты

Scroll подключается к базовому уровню Ethereum через смарт-контракты Rollup и Bridge. Вместе они обеспечивают доступность данных для транзакций L2 и позволяют пользователям передавать активы и сообщения между L1 и L2.

Контракт Rollup получает корни состояния L2 и блоки от Секвенсора. Он хранит корни состояния в состоянии Ethereum и данные блока L2 как данные вызовов Ethereum. Это обеспечивает доступность данных для блоков Scroll и использует безопасность Ethereum, чтобы индексаторы, включая Scroll Relayer, могли реконструировать блоки L2. Как только доказательство блока, устанавливающее действительность блока L2, подтверждено контрактом Rollup, соответствующий блок считается завершенным в блокчейне Scroll.

Контракты Bridge, развернутые в Ethereum и Scroll, позволяют пользователям передавать произвольные сообщения между уровнями L1 и L2. В дополнение к этому протоколу передачи сообщений разработчики также создали не требующий доверия протокол моста, позволяющий пользователям передавать активы ERC-20 в обоих направлениях. Чтобы отправить сообщение или средства из Ethereum в Scroll, пользователи вызывают транзакцию sendMessage в контракте Bridge. Relayer проиндексирует эту транзакцию на L1 и отправит ее в Секвенсор для включения в блок L2. Для отправки сообщений из Scroll обратно в Ethereum используется аналогичный процесс в контракте L2 Bridge.

Как работает zkRollup в Scroll?

Объединив эти три архитектурных элемента, мы теперь можем объяснить рабочий процесс zkRollup в Scroll, показанный на рис. 3 ниже.

Рисунок 3. Рабочий процесс Scroll.

Блоки L2 в Scroll генерируются, фиксируются на базовом уровне Ethereum и завершаются в следующей последовательности шагов:

1. Секвенсор генерирует последовательность блоков. Для i-го блока Секвенсор генерирует трассу выполнения T и отправляет ее Координатору. Между тем, он также отправляет данные транзакции D в качестве данных вызова в контракт Rollup на Ethereum для доступности данных и результирующих корней состояния и обязательств по данным транзакции в контракт Rollup в качестве состояния.
2. Координатор случайным образом выбирает роллера для создания подтверждения достоверности для каждой трассировки блока. Чтобы ускорить процесс генерации доказательств, пруфы для разных блоков могут создаваться параллельно на разных роллерах.
3. После создания доказательства блока P для i-го блока роллер отправляет его обратно координатору. Каждые k блоков координатор отправляет задачу агрегирования другому роллеру для объединения k блоков доказательств в одно совокупное доказательство A.
4. Наконец, координатор отправляет совокупное доказательство A в контракт ролапа, чтобы завершить блоки L2 с i+1 по i+k, сверив совокупное доказательство с корнями состояния и обязательствами по данным транзакций, ранее отправленными в контракт ролапа.

На рисунке 3 показано, что блоки Scroll будут завершены на L1 в многоэтапном процессе. Каждый блок L2 будет проходить следующие три этапа, пока не будет завершен.

• Precommitted указывает, что блок был предложен Секвенсором и отправлен Роллеру. Хотя блоки Precommitted еще не являются канонической частью блокчейна Scroll L2, потому что они не были размещены на базовом уровне Ethereum, пользователи, которые доверяют Секвенсору, могут принять меры в отношении них в ожидании.
• Committed указывает, что данные транзакции этого блока были опубликованы в накопительном контракте на Ethereum. Это гарантирует, что данные блока доступны, но не доказывает, что они были выполнены корректным образом.
• Finalized указывает на то, что правильное выполнение транзакций в этом блоке было подтверждено проверкой подтверждения достоверности в сети Ethereum. Завершенные блоки считаются каноническими частями блокчейна Scroll L2.

Таким образом, Scroll может быстро и с малыми затратами выполнять собственный байт-код EVM на L2, наследуя надежные гарантии безопасности от базового уровня Ethereum.