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詳解 Polygon zkEVM 的整體架構和交易執行流程_atc:ChatCoin

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Author:0xhhh,BinaryDAO

Editor:RedOne

3月27日,PolygonzkEVM主網測試版本正式上線,Vitalik在上面完成了第一筆交易。

本文是PolygonzkEVM系列文章的第一篇,簡要闡述了PolygonzkEVM的整體架構和交易執行流程,并且分析了PolygonzkEVM是如何實現計算擴容并同時繼承以太坊的安全性的。

同時還會在接下來兩篇文章里詳細介紹PolygonzkEVM的zkEVMBridge和zkEVM的設計細節,以及PolygonzkEVM接下來的去中心化Sequencer的路線圖。

一、Rollup為了給以太坊實現計算擴容

首先,我們需要明確Rollup的大概工作原理。Rollup的出現是為了給Ethereum實現計算擴容,具體的實現方法是將交易的執行外包給Rollup,然后將交易和交易執行后的狀態(State)存儲在Ethereum的合約內,由于技術路線的不同演變出了兩種類型的Rollup:

OptimisticRollup樂觀的認為發送到Ethereum的Rollup交易(RollupTransaction)和對應的Rollup狀態(RollupState)都是正確的,任何人都可以通過提供欺詐證明(Fraud?Proof)對還處于挑戰期的RollupState進行挑戰(Challenge)。

Zero-knowledgeRollupZK會為發送到Ethereum的Rollup交易和對應的Rollup狀態提供一個有效性證明(由以太坊上的合約驗證,來證明Rollup的執行對應交易后的狀態是正確的)。

Kraken已正式啟動NFT市場:金色財經報道,加密貨幣交易所Kraken已正式啟動 NFT市場,支持以太坊、Solana 和 Polygon 鏈上的250多種NFT,Kraken NFT市場表示不會向在平臺上買賣 NFT 的客戶收取gas費,但向內、外轉移NFT和其他加密資產時會產生gas費。[2023/6/9 21:24:46]

參考以太坊官方定義:https://ethereum.org/en/developers/docs/scaling/#rollupsZero-knowledgeRollup和OptimisticRollup最大的區別就是由于驗證狀態有效性的不同方式導致達成Finality的時間不同;OptimisticRollup樂觀的認為提交到Ethereum上的交易和狀態都是正確的,所以存在7天的挑戰期,期間任何人發現在Ethereum上的交易對應狀態不正確都可以通過提交正確的狀態進行挑戰。Zero-knowledgeRollup(zk-Rollup)達成Finality的時間,則取決于:交易對應的有效性證明(ValidityProof)提交到以太坊并且驗證通過所花費的時間。目前可能在1個小時左右的Finality居多(因為需要考慮到Gas成本問題)。

二、PolygonzkEVM執行流程

接下來我們以一個簡單的交易被確認流程來看看PolygonzkEVM是怎么工作的,從而對整體協議有一個具體的理解,它的整個過程可以主要分為三個步驟:

1.Sequencer將多個用戶交易打包成Batch提交到L1的合約上;2.Prover為每筆交易生成有效性證明(ValidityProof),并將多個交易的有效性證明聚合成一個有效性證明;3.Aggregator提交聚合了多個交易的有效性證明(ValidityProof)到L1的合約中。1.Sequencer將用戶交易打包成Batch提交到L1合約上

數字資產計價人壽保險提供商Meanwhile宣布分兩輪融資1900萬美元:金色財經報道,數字資產計價人壽保險提供商Meanwhile今天宣布分兩輪融資1900萬美元。第一輪融資由 OpenAI 首席執行官和 Worldcoin 創始人 Sam Altman 以及發行 Lachy Groom 的前負責人領導。谷歌的人工智能基金 Gradient Ventures 領投了第二輪融資。[2023/6/7 21:20:25]

1)用戶將交易發送給Sequencer,Sequencer會在本地按照收到交易的快慢順序進行處理(FRFS),當Sequencer在本地將交易執行成功后,如果用戶相信Sequencer是誠實的,那么他可以認為這個時候的交易已經達成了Finality。這里需要注意,目前大多數Sequencer內部的Mempool(交易池)都是私有的,所以暫時可以獲取的MEV是比較少的。????2)Sequencer會將多筆交易打包進一個Batch里(目前是一個Batch里只包含一個交易)然后在收集到多個Batches之后,通過L1上的PolygonZKEvm.sol的SequenceBatch()函數將多個Batches一起送到L1的交易Calldata上。

(需要注意這里一次性提交多個Batches是為了盡可能減少L1的Gas消耗)

3)當PolygonZkEvm.sol收到Sequencer提供的Batches后,它會依次在合約內計算每個Batch的哈希,然后在后一個Batch里記錄前一個Batch的哈希,于是我們就得到了下圖的Batch結構。

4)每個Batch里的交易順序也是確定的,所以當Batch的順序確定之后,我們認為所有被包含在Batch提交到L1的PolygonzkEVM合約的交易的順序都被確定了。

PancakeSwap提議改進CAKE代幣經濟學,將CAKE年通貨膨脹率定為3%至5%:4月18日消息,PancakeSwap 提議對 CAKE 代幣經濟學進行重大改進,建議將 CAKE 的年通貨膨脹率定為 3% 至 5% 和過渡到一個具有實際收益和效用的低質押通脹 CAKE 質押模型,目前已發布討論提案。

具體建議包括提議質押分配為 0.35 至 1 CAKE/ 區塊,而不是 6.65 CAKE/ 區塊;CAKE 質押者每月從 PancakeSwap V3 0.01% 和 0.05% 的費用等級中分配 5% 的交易費用;增加對長期質押用戶的 CAKE 釋放權重。分配給回購和銷毀的交易費用的百分比將保持不變。[2023/4/18 14:11:34]

以上實際過程也是L1充當RollupDA層需要完成的工作(這個時候并沒有完成任何狀態檢驗或推進的工作)。

2.Aggregator為多個Batch的交易生成ValidityProof

1)當Aggregator監聽到L1的PolyonZKEVM.sol合約中已經有新的Batch被成功的提交之后,它會把這些Batch同步到自己的節點里,然后給zkProver發送這些交易。2)zkProver接收到這些交易之后會并行為每筆交易生成ValidityProof,再將多個Batch包含的交易的ValidityProof再聚合成一個有效性證明(ValidityProof)。3)zkProver將聚合多個交易的ValidityProof發送給Aggregator。

3.Aggregator提交聚合證明到L1的合約

Aggregator會將這個有效性證明(ValidityProof)以及對應的這些Batch執行后的狀態一起提交到L1的PolygonzkEvm.sol合約內,通過調用以下方法:合約內接下來會執行以下操作來驗證狀態轉換是否正確。當這一步在L1合約內執行成功時,這部分batch包含的所有交易也就真正達成了Finality。

Arbitrum:將對核心智能合約進行升級以修復WETH網關出現的“exitNum”未正確遞增問題:金色財經報道,Arbitrum Developers發推稱,WETH網關出現“exitNum”未正確遞增問題,Arbitrum將對核心智能合約進行升級更新,包括在L2WethGateway中增加exitNum并在L1WethGateway中禁用“tradable exit”功能,還添加相關測試用例。

Arbitrum表示,帶有重復“exitNum”的全部提現交易被執行完成后,將會重新激活L1WethGateway中的“tradable exit”功能。[2023/2/12 12:02:02]

三、Ethereum在Polygon-zkEVM中充當的角色

上文我們已經了解了PolygonzkEVM的整體流程,可以回顧下Ethereum為Rollup做了哪些工作:

第一步,Sequencer將Rollup的交易收集起來打包成Batch之后,提交到L1的合約中。L1不僅僅提供了DA層的功能,實際上還完成了一部分交易排序的功能;當你把交易提交到Sequencer時,交易是沒有真正被定序的,因為Sequencer有權力可以隨便改變交易的順序,但是當交易被包含在Batch里提交到L1合約上之后,任何人都沒有權利再修改其中的交易順序。

第二步,Aggregator將ValidityProof提到L1合約上來達成新的狀態,Aggregator則是類似Proposer的角色,合約則類似Validator的角色;Aggregator提供了一個ValidityProof來證明一個新的狀態是正確的,并告訴Validator我提供的ValidityProof涉及哪些交易Batch,他們都存在了L1的哪個位置。

美股開盤,三大股指均上漲:金色財經報道,行情顯示,美股開盤,三大股指均高開上漲,道瓊斯指數7月18日(周一)開盤上漲271.80點,漲幅0.87%,報31560.06點;標普500指數7月18日(周一)開盤上漲30.70點,漲幅0.79%,報3893.86點;納斯達克綜合指數7月18日(周一)開盤上漲102.20點,漲幅0.89%,報11554.62點。[2022/7/18 2:21:09]

接著Validator從合約中提取對應的Batch,與ValidityProof結合在一起就可以驗證狀態轉換的合法性了,如果驗證成功實際上合約內也會更新到對應ValidityProof的新狀態。

四、從模塊化的角度結構SmartContractRollup

如果從模塊化的角度來看,PolygonzkEVM屬于SmartContractRollup類型,我們可以嘗試解構下它的各個模塊,從Delphi給的圖中,我們也可以看出實際上PolygonZkEVM作為SmartContratRollup的ConsensusLayer,DALayer和SettlementLayer其實都是耦合在PolygonZkEVM.sol合約中,并不能很好的區分。但是我們嘗試著去解構各個模塊:

數據可用層(DataAvailabilityLayer):Rollup交易存放的地方,對于Polygon-zkEVM來說,當Sequencer調用SequenceBatch()方法的時候,實際上就包含了往DA層提交交易數據。

結算層(SettlementLayer):具體指的是Rollup和L1之間的資金流動機制,具體指的是Polygon-zkEVM的官方橋(在下一篇文章會有詳細介紹)。

共識層(ConsensusLayer):包含交易排序和如何確定下一個合法狀態(分叉選擇),Sequencer調用L1合約中的SequenceBatch()的時候完成了交易排序的工作,當Aggregator調用L1合約中的TustedVerifyBatches()的時候完成了確認下一個合法狀態的工作。

執行層(ExecutionLayer):執行交易并且得到新的世界狀態,當用戶向Sequencer提交交易,并且Sequencer執行完之后得到新狀態的過程(所以我們往往說Rollup是計算擴容,因為L1把執行交易得出新狀態的這個過程外包給了Rollup,同時Sequencer會通過Aggregator委托zkProver幫忙生成ValidityProof。

五、為什么說Polygon-zkEVM繼承了L1的安全性

從上面介紹的整體流程上看,實際上Sequencer做了類似以太坊Proposer的工作,提議了一批交易是有效交易,并且給出了這批交易執行后的新狀態;而L1合約的驗證邏輯,相當于所有L1的Validator都會在自己的以太坊客戶端里執行一遍,實際上是所有的以太坊驗證者充當了Rollup的驗證者,因此我們認為PolygonzkEVM繼承了以太坊的安全性。

從另外一個角度上看,因為Rollup的所有交易以及狀態都存儲在以太坊上,所以即便PolygonzkEVM這個團隊跑路了,任何人都還是有能力依托以太坊上存儲的數據,恢復整個Rollup網絡。

六、PolygonzkEVM激勵機制

Rollup激勵機制主要指的是如何讓Sequencer和Aggregator有利可圖,從而保持持續性的工作的?首先用戶需要支付自己在Rollup上的交易手續費,這部分的手續費是采用ETH計價的,用BridgedETH支付。

Sequencer則需要支付這些包含Rollup交易的Batch上傳到L1交易的Calldata上的成本(調用SequenceBatch(batches()的成本),同時需要在上傳Batch的同時支付一定的Matic到L1合約中,用于之后支付Aggregator為這些Batches提供ValidityProof的成本。

Aggregator在調用trustedVerifyBatches為L1合約內還沒有被Finality的Batches提供ValidityProof的同時,也可以取出Sequencer提前支付在合約內的MATIC代幣,作為提供ValidityProof的報酬。

Sequencer的收入=?Rollup所有交易的Gas費用-將Batches上傳到L1花費的L1網絡Gas費用-支付給Aggregator的證明費用(MATIC計價)。

Aggregator的收入=Sequencer支付的MATIC報酬?-提交到ValidityProof到L1的Gas費用-ValidityProof生成花費的硬件費用。

調整支付給Aggregator的證明費用,同時為了避免Sequencer因為無利可圖罷工,提供了以下的機制來調整Sequencer支付給Aggregator的證明費用。

合約中存在這樣一個方法用來調整為Batch提供證明的費用:

function_updateBatchFee(uint64newLastVerifiedBatch)internal

它會更改合約中一個名為BatchFee的變量,而這個變量決定了Sequencer為每個Batch支付的MATIC代幣數量。

更改機制如下:

合約中維護了這樣一個變量VeryBatchTimeTarget,代表每個Batch被Sequencer提交到L1之后期望在這個時間內被驗證狀態。

合約內會記錄所有超過了VeryBatchTimeTarget之后還沒有被驗證狀態的Batches,并且將這些Batches的總數量記為DiffBatches。

于是當有Batches遲到的時候,會用以下公式來調整BatchFee:

MultiplierBatchFee是一個被限制在1000~1024范圍的數,可以通過函數setMultiplierBatchFee()由合約管理員更改:

FunctionsetMultiplierBatchFee(uint16newMultiplierBatchFee)publiconlyAdmin

需要注意這里的采用MultiplierBatchFee和10^3是為了實現3個小數點后的調整精度。同理假如Batches提前了也會觸發相應的batchFee調整機制:DiffBatches表示提前驗證狀態的Batches的數量。

總結

在這篇文章里我們梳理了PolygonzkEVM的核心機制,并分析了它實現以太坊計算擴容的可行性。有了一個整體的大綱后,在接下來的文章里我們會深入到協議內部,依次解析zkEVMBridge的設計細節以及Sequencer的去中心化路線,zkProver的實現以及zkEVM的設計原理。

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