Polygon zkEVM 整体架构

Polygon zkEVM 是EVM的zkRollup方案，可以提供智能合约支持，用以提升以太坊的可扩展性。

架构

Polygon zkEVM 的架构图如下：

主要包含以下组件：

PoE (Proof of Efficiency) 共识机制
zkNode 节点软件
zkProver
LX-to-LY 桥
序列器 (Sequencers)
聚合器 (Aggregators)
活跃用户

共识机制： PoE

Polygon Hermez 1.0 采用PoD共识，通过竞拍赢得产块机会，2.0则采用更简单的PoE模型，具有去中心化，高效，安全的特征。

数据可用性的混合机制

完全将数据放于链上的成本较高，有两种折中机制：

Validium: 数据链下存储，只有证明发布在链上；
Volition: 对于有些交易，数据和证明都在链上；对于其它一些交易，只有证明上链。

目前，Polygon zkEVM还有确定好最终的实现方案。

PoE 智能合约

zkEVM 使用两种类型的参与者实现批量交易状态转移的证明：

Sequencers: 打包网络中的批量交易，添加到PoE 合约中；
Aggregators: 检查交易的有效性，提供有效性证明。任何公开的Aggregator 都可以提交证明，以验证状态转移的有效性。

PoE 智能合约，有两种基本调用：一方面从Sequencers 获取批量交易，另一方面从Aggregators 获取有效性验证。

Sequencers

序列器从用户获取L2交易，批量提交到PoE 智能合约作为有效的L2交易。

任何人都可以运行zkEVM 节点成为Sequencer；
Sequencer 需要支付费用 (MATIC)，用于获取批量提交交易的权利；
Sequencer 通过用户发起的交易手续费用进行激励；

Aggregators

Aggregator 接收到由Sequencer 提交的批量交易后，将其发给Prover, 通过复杂的多项式计算生成零知识证明，然后提交到智能合约验证证明。

Aggregators 主要是为L2 的交易提供有效性证明；
除了运行zkEVM 节点软件，Aggregators 需要专用的硬件创建有效的零知识证明，也称为zkProver.
对于给定的批量交易，若Aggregator 提交了有效的证明，可以赚取Matic 手续费，由Sequencer 支付；
Aggregators 通过竞争方式获取生机有效性证明的机会。

zkNode

zkNode 是zkEVM 节点软件，用于实现同步和参与者治理的客户端，主要的组成架构为：

Sequencers 和 Aggregators: Polygon zkEVM 参与者可以选择他们的参与方式。或者只同步网络的状态，

或者作为Sequencer 或 Aggregator, Aggregator 运行zkEVM最核心的部分： zkProver.

Synchronizer: 除了同步和验证过程，当批量交易添加到L1上后，还需要进行同步过程，通过Synchronizer 完成，用于从智能合约获取数据，包含Sequencers 提交的交易和Aggreator 提交的证明。所有的数据存在一个数据库中，通过 JSON-RPC 为第三方提供服务。

Synchronizer 负责从以太坊区块链读取事件，包括新提交的批量，保持状态完全同步。读取的事件信息存储在区块链中。Synchronizer 也处理可能的重组，通过检测ethBlockNum 和 ethBlockHash 。

zkNode 的架构是模块化的，并实现的的功能有：

RPC： RPC 能够使zkEVM 和现有各种工具整合，包含Metamask, Etherscan, 和 Infura等；
State: 实现 Merkle Tree 组件，连接DB 后端，检验区块的完整性和交易的有效性，存储智能合约的代码；
zkProver: 实现交易有效性的验证规则，执行复杂的多项式计算和汇编语言，由智能合约验证。zkProver 是最复杂的模块，需要开发新的编程语言。

zkProver

zkEVM 利用高级零知识证明技术创建有效性证明，每个Aggregator 使用zkProver 验证批量的交易，提供有效性证明，zkProver的架构如下所示：，由Main State Machine Executor, a collection of secondary State Machines, a STARK-proof builder, a SNARK-proof builder组成，分别如下：

Main State Machine Executor: 主执行器负责zkEVM的执行，将EVM 字节码转换为ZK 汇编语言（zkASM）。主执行器也设置批量交易的多项式约束，另一种语言PIL (Polynomial Identity Language)，用来编码所有的多项式约束。
Secondary State Machines：zkEVM中的每个计算是一个状态机，例如执行按位运算的功能（XORing, padding等）， hashing (Keccak, Poseidon)等，验证签名（ECDSA）.

状态机主要包含： Binary SM, Memory SM，Storage SM, Poseideon SM, Keccak SM, Arithmetic SM。

STARK Proof Builder: STARK ( Scalable Transparent Argument of Knowledge) 无需要可信设置，生成STARK 证明，以实现所有的多项式约束条件。STARK 采用FRI 实现零知识证明。

**SNARK Proof Builder: ** SNARK (Succint Non-interactive Argument of Knowledge) 用以实现验证证明的系统。由于STARK proof 比较大，zkEVM 使用 SNARK 以证明 STARK proof的正确性， SNARK 证明更容易验证，并且比较小。zkEVM 需要确定是采用PLONK 或者GROTH16 SNARK 证明。

LX-to-LY 桥

LX-LY 桥主要使用户在不同的网络转移资产。L1-L2是zkEVM 去中心化的桥，用于存款和取款，有两个智合约，每层分别部署一个。

L1和L2 合约除了部署的位置，其它是类似的。 Bridge L1 合约部署在以太读主网上，Bridge L2 合约部署在具体的rollups上。 L2互操作机制允许资产在L2网络之间转移。

Bridge L1 Contract

Bridge L1 合约执行两种操作： bridge 和 claim. bridge 用于在rollup 之间转移资产，claim 用于当用户在rollup 发起 claim的时候。

Bridge L1 合约有两个Merkle 树：globalExitTree 和 mainnet exit tree。 globalExitTree 包含所有rollups退出树的信息，mainnet exit tree 主要是用户在主网发起交易的信息。

Bridge L2 合约

Bridge L2 合约部署在L2 上，在创世的时候设置ether, 用于支持原生的ether的minting/burning 操作。Bridge L2合约需要globalExitTree中的所有rollups中exit trees的信息。

**LX-to-LY Brige **

zkEVM 不仅支持L2与主网，也支持L2与L2之间进行资产转移，因为称为LX-to-LY 桥。

zkEVM 设计目标

permissionless: 共识算法允许任何人都有机会成为Sequencer 和 Aggregator；

decentralization: 数据可用性对去中心化至关重要，每个用户需要有充足的数据重建rollup的状态，目前zkEVM项目方还需要确认更好的数据可用性配置策略。

安全性：采用zkRollup 实现与以太坊同等的安全性。

效率

zkEVM 采用多种策略提升效率，如下：

部署PoE，激励最有效的aggregators 参与证明生成过程；
执行链下的计算，只在链上保留必要的数据和 zk-proofs;
采用UTXO 方式实现bridge smart contract，只使用 Exit Tree Roots;
采用专用的密码组件加速计算和减少证明大小，例如：
- 采用zkASM 转换字节码；
- 采用zk-STARK提升证明者速度，采用zk-SNARK 验证zk-STARK证明，缩小证明大小，减少gas花费。

结论

zkEVM要与智能合约无缝衔接，兼容EVM 指令，同时保证安全，高效和去中心化，下一步zkEVM将部署公开的测试网。

参考

https://docs.hermez.io/

https://ethresear.ch/t/proof-of-efficiency-a-new-consensus-mechanism-for-zk-rollups/11988

https://docs.google.com/presentation/d/1gfB6WZMvM9mmDKofFibIgsyYShdf0RV_Y8TLz3k1Ls0/edit#slide=id.p