zkEVM系列第一篇：Polygon zkEVM的整体架构和交易执行流程

来源：Binary DAO

Author: 0xhhh（Twitter:/img/2023525204459/0.jpg" />

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。

孙宇晨：Tron和BitTorrent正探索整合ZKEVM:4月5日消息，孙宇晨在推特上表示，波场Tron和BitTorrent正在探索将ZK以太坊虚拟机(ZKEVM)整合到其生态系统中的方法。

但这一整合并非明确的计划，孙宇晨表示，“需要注意的是，任何整合计划仍处于探索阶段，无法保证未来一定会实施。”[2023/4/5 13:46:06]

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。

(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 Polygon zkEVM合约的交易的顺序都被确定了。

以上实际过程也是L1充当Rollup DA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 Validity Proof

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。

ConsenSys的zkEVM公共测试网将于3月28日上线:金色财经报道，以太坊基础设施开发公司ConsenSys将于3月28日推出零知识以太坊虚拟机(zkEVM)公共测试网。

此前报道，2月24日，ConsenSys表示其zkEVM测试网封闭测试版已经执行30万笔交易，每天处理超过5万笔交易。[2023/3/4 12:41:30]

2) zkProver 接收到这些交易之后会并行为每笔交易生成 Validity Proof，再将多个Batch包含的交易的 Validity Proof再聚合成一个有效性证明(Validity Proof)。

3) zkProver 将聚合多个交易的Validity Proof发送给 Aggregator。

3. Aggregator 提交聚合证明到 L1 的合约

Aggregator 会将这个有效性证明(Validity Proof)以及对应的这些 Batch 执行后的状态一起提交到 L1 的Polygon zkEvm.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（对应OP的7天挑战期结束）。

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

OffChain Labs联创: zkEVM远未成熟，任何推动这种叙事的团队都在损害社区:10月17日消息，Arbitru m开发公司OffChain Labs联创Steven Goldfeder在其社交平台表示，目前有团队声称首个zkEVM将于本月底上线主网，但其对此持否定态度，并称任何推动这种叙事的团队都在损害社区。

Goldfeder表示，当前推出的zkEVM测试网并没有启用zk-proofs，也没有经过安全审计，这表明我们还没有为黄金时段做好准备。[2022/10/17 17:29:00]

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。

第二步，Aggregator 将Validity Proof 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Validity Proof来证明一个新的状态是正确的，并告诉Validator我提供的Validity Proof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Validity Proof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Validity Proof的新状态。

如果从模块化的角度来看，Polygon zkEVM 属于Smart Contract Rollup 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 Polygon ZkEVM 作为 Smart Contrat Rollup的Consensus Layer，DA Layer 和 Settlement Layer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:

Polygon联合创始人：zkEVM公共测试网上线:金色财经报道，Polygon Technology联合创始人Sandeep Nailwal在社交媒体上表示，zkEVM公共测试网已经上线。[2022/10/11 10:30:27]

数据可用层(Data Availability Layer): 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(Settlement Layer): 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(Consensus Layer): 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(Execution Layer): 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Validity Proof。

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 Polygon zkEVM 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Polygon zkEVM 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。

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Bridged ETH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Validity Proof的成本。

Aggregator 在调用trusted VerifyBatches 为L1合约内还没有被Finality的Batches提供Validity Proof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Validity Proof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Validity Proof到 L1的Gas费用 - Validity Proof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(uint64 newLastVerifiedBatch) 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：

FunctionsetMultiplier BatchFee(uint16newMultiplierBatchFee) public onlyAdmin

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。

在这篇文章里我们梳理了Polygon zkEVM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zkEVM Bridge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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