TCH:详解 Polygon zkEVM 的整体架构和交易执行流程

Author:0xhhh，BinaryDAO

Editor:RedOne

3月27日，PolygonzkEVM主网测试版本正式上线，Vitalik在上面完成了第一笔交易。

本文是PolygonzkEVM系列文章的第一篇，简要阐述了PolygonzkEVM的整体架构和交易执行流程，并且分析了PolygonzkEVM是如何实现计算扩容并同时继承以太坊的安全性的。

同时还会在接下来两篇文章里详细介绍PolygonzkEVM的zkEVMBridge和zkEVM的设计细节，以及PolygonzkEVM接下来的去中心化Sequencer的路线图。

一、Rollup为了给以太坊实现计算扩容

首先，我们需要明确Rollup的大概工作原理。Rollup的出现是为了给Ethereum实现计算扩容，具体的实现方法是将交易的执行外包给Rollup，然后将交易和交易执行后的状态(State)存储在Ethereum的合约内，由于技术路线的不同演变出了两种类型的Rollup：

OptimisticRollup乐观的认为发送到Ethereum的Rollup交易(RollupTransaction)和对应的Rollup状态(RollupState)都是正确的，任何人都可以通过提供欺诈证明(Fraud?Proof)对还处于挑战期的RollupState进行挑战(Challenge)。

Zero-knowledgeRollupZK会为发送到Ethereum的Rollup交易和对应的Rollup状态提供一个有效性证明(由以太坊上的合约验证，来证明Rollup的执行对应交易后的状态是正确的)。

Fineqia与富时罗素合作开发加密ETF功能:金色财经报道，Fineqia国际公司宣布其子公司Fineqia AG正在与全球领先的指数供应商富时罗素合作。这种关系将使Fineqia能够获得富时罗素的指数编制和分析能力，使该公司能够进一步提高其交易所交易产品（ETPs）的透明度、流动性和可及性。

富时罗素数字资产主管Kristen Mierzwa表示，将支持Fineqia为数字资产市场带来更多的透明度和可及性。Fineqia对富时罗素指数的使用预计将大大增强其数字资产投资产品的透明度和流动性。[2023/4/22 14:19:35]

参考以太坊官方定义：https://ethereum.org/en/developers/docs/scaling/#rollupsZero-knowledgeRollup和OptimisticRollup最大的区别就是由于验证状态有效性的不同方式导致达成Finality的时间不同；OptimisticRollup乐观的认为提交到Ethereum上的交易和状态都是正确的，所以存在7天的挑战期，期间任何人发现在Ethereum上的交易对应状态不正确都可以通过提交正确的状态进行挑战。Zero-knowledgeRollup(zk-Rollup)达成Finality的时间，则取决于：交易对应的有效性证明(ValidityProof)提交到以太坊并且验证通过所花费的时间。目前可能在1个小时左右的Finality居多(因为需要考虑到Gas成本问题)。

二、PolygonzkEVM执行流程

接下来我们以一个简单的交易被确认流程来看看PolygonzkEVM是怎么工作的，从而对整体协议有一个具体的理解，它的整个过程可以主要分为三个步骤:

日本加密交易所BitFlyer联创寻求重新任职CEO，并指导公司IPO:2月27日消息，日本加密交易所BitFlyer联合创始人加纳裕三计划在3月下旬母公司股东大会上发布一份股东提案，来恢复自己作为该交易所首席执行官的职位，并指导其进行首次公开??募股（IPO），以寻求结束与现任管理层和其他股东对这家初创公司控制权的纠纷。他指出，自从他辞去总裁一职后，该公司并没有取得与成本相符的成果。他指出其希望在完善公司内部控制和加强合规后，使该公司成为一家能够在世界舞台上竞争的全球创业公司。

据悉，BitFlyer于2014年由加纳裕三和他在高盛的前老板创立。2018年，日本金融厅指出了该公司内部控制系统的缺陷，对其下发了业务改进命令。因此当时加纳裕三辞去总裁一职，负责管理。目前加纳裕三拥有BitFlyer 40%的股份。

此前金色财经报道，新加坡私募股权基金ACA Group放弃收购日本交易所BitFlyer。（彭博社）[2023/2/27 12:31:09]

1.Sequencer将多个用户交易打包成Batch提交到L1的合约上；2.Prover为每笔交易生成有效性证明(ValidityProof)，并将多个交易的有效性证明聚合成一个有效性证明；3.Aggregator提交聚合了多个交易的有效性证明(ValidityProof)到L1的合约中。1.Sequencer将用户交易打包成Batch提交到L1合约上

1)用户将交易发送给Sequencer，Sequencer会在本地按照收到交易的快慢顺序进行处理(FRFS)，当Sequencer在本地将交易执行成功后，如果用户相信Sequencer是诚实的，那么他可以认为这个时候的交易已经达成了Finality。这里需要注意，目前大多数Sequencer内部的Mempool(交易池)都是私有的，所以暂时可以获取的MEV是比较少的。????2)Sequencer会将多笔交易打包进一个Batch里(目前是一个Batch里只包含一个交易)然后在收集到多个Batches之后,通过L1上的PolygonZKEvm.sol的SequenceBatch()函数将多个Batches一起送到L1的交易Calldata上。

Quicksilver在区块高度115000被验证者暂停:金色财经报道，Quicksilver表示，在今天早上10:15(UTC)，Quicksilver在区块高度115000被验证者暂停。链停止是一种先发制人的措施，以解决Cosmos Hub入职时不良行为者的行为。在此过程中，没有用户遭受损失。

目前Quicksilver链尚未恢复，团队将进行紧急升级。本次升级将注册一个新的受托人账户，并以1:1的赎回率恢复资金。[2022/12/25 22:06:12]

(需要注意这里一次性提交多个Batches是为了尽可能减少L1的Gas消耗)

3)当PolygonZkEvm.sol收到Sequencer提供的Batches后，它会依次在合约内计算每个Batch的哈希，然后在后一个Batch里记录前一个Batch的哈希，于是我们就得到了下图的Batch结构。

4)每个Batch里的交易顺序也是确定的，所以当Batch的顺序确定之后，我们认为所有被包含在Batch提交到L1的PolygonzkEVM合约的交易的顺序都被确定了。

以上实际过程也是L1充当RollupDA层需要完成的工作(这个时候并没有完成任何状态检验或推进的工作)。

2.Aggregator为多个Batch的交易生成ValidityProof

1)当Aggregator监听到L1的PolyonZKEVM.sol合约中已经有新的Batch被成功的提交之后，它会把这些Batch同步到自己的节点里，然后给zkProver发送这些交易。2)zkProver接收到这些交易之后会并行为每笔交易生成ValidityProof，再将多个Batch包含的交易的ValidityProof再聚合成一个有效性证明(ValidityProof)。3)zkProver将聚合多个交易的ValidityProof发送给Aggregator。

美国银行报告：去中心化流媒体平台Audius改变了权力平衡:7月25日消息，美国银行（BAC）周四在一份研究报告中表示，Audius 的去中心化音乐流媒体平台为艺术家提供了更大的利润和更多的控制权。报告称，Audius 于 2020 年 10 月启动了其主网，旨在将“权力和利润的平衡从唱片公司和集中式 DSP（数字服务提供商）等中介机构转移到艺术家和平台用户”。

该平台计划通过移除中介将 90% 的收入分配给艺术家，将 10% 的收入分配给节点运营商，从而形成一个“分散的 DSP，将权力、利润、控制和治理从唱片公司和集中的 DSP 转移给艺术家和粉丝”。[2022/7/26 2:37:05]

3.Aggregator提交聚合证明到L1的合约

Aggregator会将这个有效性证明(ValidityProof)以及对应的这些Batch执行后的状态一起提交到L1的PolygonzkEvm.sol合约内，通过调用以下方法：合约内接下来会执行以下操作来验证状态转换是否正确。当这一步在L1合约内执行成功时，这部分batch包含的所有交易也就真正达成了Finality。

三、Ethereum在Polygon-zkEVM中充当的角色

上文我们已经了解了PolygonzkEVM的整体流程,可以回顾下Ethereum为Rollup做了哪些工作:

第一步，Sequencer将Rollup的交易收集起来打包成Batch之后，提交到L1的合约中。L1不仅仅提供了DA层的功能，实际上还完成了一部分交易排序的功能；当你把交易提交到Sequencer时，交易是没有真正被定序的，因为Sequencer有权力可以随便改变交易的顺序，但是当交易被包含在Batch里提交到L1合约上之后，任何人都没有权利再修改其中的交易顺序。

美国OCC代理署长：加密货币行业不健康的“对炒作的依赖”正在加剧:5月25日消息，美国货币监理署代理署长Michael Hsu表示，UST最近的暴跌以及随之而来的更为广泛的戏剧性事件应该为该行业敲响“警钟”，他认为该行业发展得太快了。

Michael Hsu在华盛顿特区区块链峰会上发表讲话，表示加密货币行业存在着不健康的“对炒作的依赖”，他认为这种依赖正在加剧。“最近UST的崩溃以及加密市场的相关抛售表明，炒作驱动的增长可能会导致泡沫，损害消费者，排挤生产性创新。”[2022/5/25 3:39:39]

第二步，Aggregator将ValidityProof提到L1合约上来达成新的状态,Aggregator则是类似Proposer的角色，合约则类似Validator的角色；Aggregator提供了一个ValidityProof来证明一个新的状态是正确的，并告诉Validator我提供的ValidityProof涉及哪些交易Batch，他们都存在了L1的哪个位置。

接着Validator从合约中提取对应的Batch，与ValidityProof结合在一起就可以验证状态转换的合法性了，如果验证成功实际上合约内也会更新到对应ValidityProof的新状态。

四、从模块化的角度结构SmartContractRollup

如果从模块化的角度来看，PolygonzkEVM属于SmartContractRollup类型，我们可以尝试解构下它的各个模块，从Delphi给的图中，我们也可以看出实际上PolygonZkEVM作为SmartContratRollup的ConsensusLayer，DALayer和SettlementLayer其实都是耦合在PolygonZkEVM.sol合约中，并不能很好的区分。但是我们尝试着去解构各个模块:

数据可用层(DataAvailabilityLayer):Rollup交易存放的地方，对于Polygon-zkEVM来说，当Sequencer调用SequenceBatch()方法的时候，实际上就包含了往DA层提交交易数据。

结算层(SettlementLayer):具体指的是Rollup和L1之间的资金流动机制，具体指的是Polygon-zkEVM的官方桥(在下一篇文章会有详细介绍)。

共识层(ConsensusLayer):包含交易排序和如何确定下一个合法状态(分叉选择)，Sequencer调用L1合约中的SequenceBatch()的时候完成了交易排序的工作，当Aggregator调用L1合约中的TustedVerifyBatches()的时候完成了确认下一个合法状态的工作。

执行层(ExecutionLayer):执行交易并且得到新的世界状态，当用户向Sequencer提交交易，并且Sequencer执行完之后得到新状态的过程(所以我们往往说Rollup是计算扩容，因为L1把执行交易得出新状态的这个过程外包给了Rollup，同时Sequencer会通过Aggregator委托zkProver帮忙生成ValidityProof。

五、为什么说Polygon-zkEVM继承了L1的安全性

从上面介绍的整体流程上看，实际上Sequencer做了类似以太坊Proposer的工作，提议了一批交易是有效交易，并且给出了这批交易执行后的新状态；而L1合约的验证逻辑，相当于所有L1的Validator都会在自己的以太坊客户端里执行一遍，实际上是所有的以太坊验证者充当了Rollup的验证者，因此我们认为PolygonzkEVM继承了以太坊的安全性。

从另外一个角度上看，因为Rollup的所有交易以及状态都存储在以太坊上，所以即便PolygonzkEVM这个团队跑路了，任何人都还是有能力依托以太坊上存储的数据，恢复整个Rollup网络。

六、PolygonzkEVM激励机制

Rollup激励机制主要指的是如何让Sequencer和Aggregator有利可图，从而保持持续性的工作的？首先用户需要支付自己在Rollup上的交易手续费，这部分的手续费是采用ETH计价的，用BridgedETH支付。

Sequencer则需要支付这些包含Rollup交易的Batch上传到L1交易的Calldata上的成本(调用SequenceBatch(batches()的成本)，同时需要在上传Batch的同时支付一定的Matic到L1合约中，用于之后支付Aggregator为这些Batches提供ValidityProof的成本。

Aggregator在调用trustedVerifyBatches为L1合约内还没有被Finality的Batches提供ValidityProof的同时，也可以取出Sequencer提前支付在合约内的MATIC代币，作为提供ValidityProof的报酬。

Sequencer的收入=?Rollup所有交易的Gas费用-将Batches上传到L1花费的L1网络Gas费用-支付给Aggregator的证明费用(MATIC计价)。

Aggregator的收入=Sequencer支付的MATIC报酬?-提交到ValidityProof到L1的Gas费用-ValidityProof生成花费的硬件费用。

调整支付给Aggregator的证明费用，同时为了避免Sequencer因为无利可图罢工，提供了以下的机制来调整Sequencer支付给Aggregator的证明费用。

合约中存在这样一个方法用来调整为Batch提供证明的费用:

function_updateBatchFee(uint64newLastVerifiedBatch)internal

它会更改合约中一个名为BatchFee的变量，而这个变量决定了Sequencer为每个Batch支付的MATIC代币数量。

更改机制如下:

合约中维护了这样一个变量VeryBatchTimeTarget，代表每个Batch被Sequencer提交到L1之后期望在这个时间内被验证状态。

合约内会记录所有超过了VeryBatchTimeTarget之后还没有被验证状态的Batches,并且将这些Batches的总数量记为DiffBatches。

于是当有Batches迟到的时候，会用以下公式来调整BatchFee:

MultiplierBatchFee是一个被限制在1000~1024范围的数，可以通过函数setMultiplierBatchFee()由合约管理员更改：

FunctionsetMultiplierBatchFee(uint16newMultiplierBatchFee)publiconlyAdmin

需要注意这里的采用MultiplierBatchFee和10^3是为了实现3个小数点后的调整精度。同理假如Batches提前了也会触发相应的batchFee调整机制:DiffBatches表示提前验证状态的Batches的数量。

总结

在这篇文章里我们梳理了PolygonzkEVM的核心机制，并分析了它实现以太坊计算扩容的可行性。有了一个整体的大纲后，在接下来的文章里我们会深入到协议内部，依次解析zkEVMBridge的设计细节以及Sequencer的去中心化路线，zkProver的实现以及zkEVM的设计原理。

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