Polygon zkEVM的整體架構和交易執行流程

3 月 27 日，Polygon zkEVM 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 Polygon zkEVM 系列文章的第一篇，簡要闡述了 Polygon zkEVM 的整體架構和交易執行流程，並且分析了 Polygon zkEVM 是如何實現計算擴容並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 Polygon zkEVM 的 zkEVM Bridge 和 zkEVM 的設計細節，以及 Polygon zkEVM 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，然後將交易和交易執行後的狀態 (State) 儲存在 Ethereum 的合約內，由於技術路線的不同演變出了兩種類型的 Rollup：

Optimistic Rollup 

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

Zero-knowledge Rollup

ZK 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 的執行對應交易後的狀態是正確的) 。

參考以太坊官方定義

Zero-knowledge Rollup 和 Optimistic Rollup 最大的區別就是由於驗證狀態有效性的不同方式導致達成 Finality 的時間不同；

Optimistic Rollup 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（達成 Finality 的時間是 7 天），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-knowledge Rollup( zk-Rollup ) 達成 Finality 的時間，則取決於：交易對應的有效性證明 ( Validity Proof ) 提交到以太坊並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、Polygon zkEVM 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 Polygon zkEVM 是怎麼工作的，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 (Validity Proof)，並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 (Validity Proof) 到 L1 的合約中。

3) 當 PolygonZkEvm.sol 收到 Sequencer 提供的 Batches 後，它會依次在合約內計算每個 Batch 的哈希，然後在後一個 Batch 里記錄前一個 Batch 的哈希，於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 的順序確定之後，我們認為所有被包含在 Batch 提交到 L1 的 Polygon zkEVM 合約的交易的順序都被確定了。

2. Aggregator 為多個 Batch 的交易生成 Validity Proof

1) 當 Aggregator 監聽到 L1 的 PolyonZKEVM.sol 合約中已經有新的 Batch 被成功的提交之後，它會把這些 Batch 同步到自己的節點裡，然後給 zkProver 發送這些交易。

2) zkProver 接收到這些交易之後會並行為每筆交易生成 Validity Proof，再將多個 Batch 包含的交易的 Validity Proof 再聚合成一個有效性證明 (Validity Proof)。

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（對應 OP 的 7 天挑戰期結束）。

三、 Ethereum 在 Polygon-zkEVM 中充當的角色

上文我們已經了解了 Polygon zkEVM 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 之後，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 合約上之後，任何人都沒有權利再修改其中的交易順序。

第二步，Aggregator 將 Validity Proof 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 Validity Proof 來證明一個新的狀態是正確的，並告訴 Validator 我提供的 Validity Proof 涉及哪些交易 Batch，他們都存在了 L1 的哪個位置。

接着 Validator 從合約中提取對應的 Batch，與 Validity Proof 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 Validity Proof 的新狀態。

五、為什麼說 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，並且給出了這批交易執行後的新狀態；而 L1 合約的驗證邏輯，相當於所有 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 Polygon zkEVM 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儲存在以太坊上，所以即便 Polygon zkEVM 這個團隊跑路了，任何人都還是有能力依託以太坊上儲存的數據，恢復整個 Rollup 網路。

六、Polygon zkEVM 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，這部分的手續費是採用 ETH 計價的，用 Bridged ETH 支付。

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