ROL: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)。

BTC鲸鱼过去一个月已累积约9万枚BTC:金色财经报道，Twitter用户Ali发文称，BTC鲸鱼过去一个月已累积约90,000枚BTC，价值约25.2亿美元。[2023/7/12 10:49:43]

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:

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

外媒：FTX越南用户亦收到债权人确认邮件，提款详情尚待法院决定:4月4日消息，FTX的越南用户证实他们已收到一封电子邮箱，称他们将可以从FTX提款，内容包括客户代码与索赔资产，越南FTX用户社区表示，邮件提及的余额与他们滞留在交易所的资产完全一致。不过，邮件还指出，这只是对债权人的确认“证明”。退款时间表和相关说明将由法院决定。

此前消息，FTX向被确认为债权人的客户发送邮件，并强调索赔申请截止日期尚未确定。（VNExpress）[2023/4/4 13:43:55]

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。

(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。

银行应用Step完成3亿美元债务轮融资并启动加密投资服务:金色财经报道，Z世代银行应用Step宣布完成3亿美元债务轮融资，TriplePoint Capital领投，Step银行合作伙伴Evolve Bank&Trust参投。同时，Step推出一项投资服务，允许其应用程序上超350万账户进行加密货币投资。（businessinsider）[2022/10/11 10:31:19]

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。

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。

Stonegate Global在亚洲拓展加密货币、Web3和跨境基金管理业务:金色财经报道，总部位于纽约的200亿美元基金管理公司Stonegate Global在香港和新加坡开设办事处，并扩大其加密货币、Web3和跨境基金团队。

Stonegate 全球董事总经理兼数字资产集团全球负责人Skyler Steinke表示：“这是一个前所未有的时代，金融、技术和数字资产是传统对冲基金、风险投资和私募股权社区的完美三重奏。正如我们所见更多传统的基金经理扩展他们的策略，将加密、DeFi、NFT 和 Web3 结合起来，Stonegate Global 在数字资产领域的基金管理、组建和咨询服务方面的十年经验将帮助基金经理完成这一关键的跨界过程。”（prnewswire）[2022/9/22 7:12:08]

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。

比特币挖矿难度上调1.74% 至 28.17T:金色财经消息，据BTC.com数据显示，比特币挖矿难度上调1.74%至28.17T，此前连续3次下调。[2022/8/4 12:02:51]

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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