zkEVM系列第一篇：Polygon zkEVM的整体架构和交易执行流程

来源：BinaryDAO

Author:0xhhh

Editor:RedOne

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。

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(FraudProof)对还处于挑战期的RollupState进行挑战(Challenge)。

Zero-knowledgeRollup

ZK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)。

参考以太坊官方定义：

https://ethereum.org/en/developers/docs/scaling/#rollups

Zero-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；

数据：Polygon zkEVM交易笔数突破100万笔:6月16日消息，Polygon创始人Sandeep Nailwal发推称，Polygon zkEVM交易笔数已突破100万笔。另据L2Beat数据显示，当前Polygon zkEVM锁仓量达到3456万美元，创下新高。[2023/6/16 21:41:42]

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:

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。

Polygon推出Polygon zkEVM跨链桥Polygon Bridge:金色财经报道，Polygon推出Polygon zkEVM跨链桥Polygon Bridge，该跨链桥由零知识技术驱动，由以太坊和Polygon zkEVM上的智能合约管理，支持ERC-20代币和ERC-777代币，用户可在30-60分钟内在以太坊主网上完成资金提取。[2023/4/27 14:30:18]

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)。

Covalent与Polygon zkEVM合作以支持扩展以太坊生态系统:金色财经报道，Covalent发推表示已与Polygon zkEVM合作，从3月27日开始，用户可以通过Covalent访问 Polygon zkEVM数据。 该合作进一步加强了Covalent作为第一个Web3数据聚合器的作用，为zkEVM区块链提供完全的数据透明性。

此前报道，Covalent宣布与zkEVM解决方案Scroll建立合作伙伴关系。[2023/3/10 12:55:00]

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。

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。

ConsenSys zkEVM 测试网已面向外部用户注册:1月10日消息，ConsenSys官方表示，新的EVM等效ConsenSys zk EVM私人Beta测试网现已于去年年底在Infura上面向选定用户开放，未来几周将面向更多用户。目前注册申请系统已经开放。

ConsenSys此前表示，其zkEVM可实现EVM等效性，享受以太坊的安全性以及zkEVM的可扩展性和低费用有所。ConsenSys将从2023年1月份开始将逐步开放许可名单允许外部用户注册。[2023/1/10 11:03:43]

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。

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。

Polygon Hermez正在开发zkEVM，计划2022年Q2上线主网:据官方消息，Polygon Hermez宣布Hermez零知识以太坊虚拟机（zkEVM）正在开发中，并计划2022年Q2上线主网。

据悉，目前，Hermez只代币传输，不支持EVM兼容。根据Hermez的路线图，一个完全兼容EVM的V2版本将支持现有智能合约的透明部署，而无需对其进行调整或编译。[2022/1/9 8:36:19]

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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