前序博客有:
近期,Polygon团队开源了其Hermez 2.0 zkEVM代码,公开测试网即将上线:
上图源自 Jordi 2022年10月分享Technical Details of the Opcode Compatible zkEVM by Jordi Baylina | Devcon Bogotá。
使用ZK proofs对以太坊扩容的基本方法是构建ZK rollup,这是一种Layer 2协议,它“rollup”了大量交易,并使用单个ZK validity proof 向以太坊主网证明了所有交易。
采用ZK rollup实现以太坊扩容的优势明显:
Polygon Hermez 2.0 zkEVM与以太坊主网EVM兼容。可将以太坊主网的智能合约部署在Polygon zkEVM中,可共用以太坊现有的开发工具和套件。
Hermez 1.0为以太坊第一个去中心化ZK Rollup,于2021年3月上线,可实现2000tps,足以满足ETH及ERC-20 token转账需求。
Hermez 2.0定位为zero-knowledge Ethereum Virtual Machine(zkEVM)—— 可 以透明方式运行以太坊交易 并 为智能合约附加zero-knowledge-proof validations。为此,需要重建 透明部署现有以太坊智能合约的所有EVM opcodes。
相比于Hermez 1.0,Hermez 2.0的最主要功能是提供智能合约支持。
Polygon Hermez 2.0总体架构为:
Polygon zkEVM中包含的主要元素有:
根据Asif Khan 2023年2月10日twitter,上面Polygon zkEVM架构中主要有四大部分组成:
1)zkNode(Synchronizer、Sequencer&Aggregator角色,以及GRPC):客户端可启用Sequencer角色synchronization,或者是,Aggregator角色synchronization。
1.1)Synchronizer:负责获取Sequencers所提交的所有数据(transactions) + 获取Aggregators所提交的所有数据(validity proofs)。
1.2)Sequencers:以Sequencer模式运行zkEVM节点,可为Trusted或Permissionless模式。
1.3)Aggregators:以Aggregator模式运行zkEVM节点。
1.3.1)Aggregators会:从L1中获取Sequencer提交的L2 batches -》将这些L2 batches发送给zkProver -》生成ZK proof以证明该batch的完整性。
Aggregator会使用特殊的链下EVM解析器来生成ZK proofs。
1.3.2)Aggregators的经济模型为:
2)Consensus Contract(PolygonZkEVM.sol):会将Sequencers提交的L2 batches存储在PolygonZkEVM.sol
合约内,创建a repo of sequences。支持Aggregator公开验证L2 State root的变化。
在向Consensus Contract commit新L2 State root之前,需对validity proof进行验证。verified proof可作为一组batches引起变更到特定L2 State 的不可否认的证据。
3)zkProver:Polygon zkProver是真正的游戏改变者,是区别于其它rollups的关键所在,由Polygon Zero、Polygon Miden、Polygon Hermez共同加持。原因在于:
4)LX-to-LY Bridge:为智能合约,使得用户可在LX与LY层之间进行资产转移。如zkEVM中的(L1-L2)为去中心化bridge,用于安全的存入和取出资产。LX-to-LY Bridge由2个合约组成:
Hermez设计为去中心化的,不同于Hermez 1.0中的Proof-of-Donation(PoD)共识算法,Hermez 2.0将采用Proof of Efficiency(PoE)共识算法。
在zk-rollups中实现去中心化共识是充满挑战的,因为在Layer2中PoS共识存在leader选举的一些问题(如无法硬分叉、少量%质押可能引起的攻击——如恶意一直产空块等)。
Hermez 2.0中的节点需要高效生成zk validity proofs(对于prover来说是计算密集型的),使得整个L2层正常工作,将产batch(L2区块)的权利给随机的validator是无法满足该要求的。
Proof of Donation/Proof of Burn(PoD/PoB)是一种去中心化竞价模式,以获得特定时间段的产块权利。此时,需要设置经济激励以使validators是very efficient的 以 具备竞争力,这是一个很大的改进。
但是Proof of Donation/Proof of Burn(PoD/PoB)共识主要存在以下问题:
L2 zk-rollup共识算法应满足如下要求:
Proof-of-Efficiency(PoE)共识算法分2步实现,可由不同的参与者完成:
为此,PoE智能合约有2个基本的接口:
sendBatch
:用于接收Sequencer的batchesvalidateBatch
:用于接收Aggregator的validity proof,进行validate batchesPoE智能合约对Sequencer的要求为:
PoE智能合约对Aggregator的要求为:
Sequencer负责收集用户的L2交易。
Sequencer在网络中选择并预处理a new L2 batch,然后将所选中的所有L2交易 为data 发送一笔L1 TX。
任何人都可成为Sequencer,这是无需许可的角色,包含了a gateway to the network。
有趣的点在于:
Sequencer提议batches的动机在于:
为向L1网络提议新batch,Sequencer需要发起一笔包含了所有batch transactions data的L1交易并支付相应的gas费,同时,协议中定义了 其必须存入以$MATIC token支付的额外费用。这样,可激励Sequencer提议有效的batches以及有效的交易。
根据网络负载情况,batch fee将是可变的,可根据protocol合约中的某个参数来计算。
L1交易内的batches,是以CALLDATA形式存在的,将用作L2网络的data availability,且任何新的、无许可的节点都可同步和重构该状态。
一旦L1交易被mined,其中定义的L2 TXs的data availability将按指定顺序执行,从而构建了确定性的new state,网络节点可将其计算为a virtual future state。当该new state 的 valid proof(ZKP)生成并在L1 mined时,该new state即settled了。这就是共识协议的第二步。
zk-rollups的主要优势在于,validity proof所提供的交易的快速finality。而PoE中的第二步用于强化这些proof的有效性。
与Sequencer类似,Aggregator也是PoE中任何人都可参与、无需许可的参与方。
第一个为L2 new state 创建validity proof的aggregator即获得了创建validity proof的权利,以及部分交易手续费。
具体为:
aggregator需要自己指定触发proof生成的标准,并基于自己的策略参与竞争。
如,若对于包含了少量TXs的batches,某些aggregator会认为不值得为其生成proof,直到有更多的价值后,才会为 N N N个proposed batches生成proof证明相应的状态改变。而另外一些aggregator可能采用不同的策略。
对于提交晚了的proof,智能合约会执行Revert操作。所以,如果不是第一个提交validity proof的aggregator,其损失的生成proof的开销,但是大部分gas费都可收回。
当然,当且仅当aggregator正确处理了proposed batches时(按顺序处理batch内的所有交易),该validity proof才有效。该机制类似于Polygon Hermez v1.0中的 ”Force tx“,有助于避免审查。
这种机制有助于避免L2被单一方控制,以及可避免许多潜在攻击,尽管任何Sequencer都可提议a batch,但是也要承担相应的费用。
而Aggregator也可 以非许可的方式参与进来,因为总会有某个经济价值点,使得有人有兴趣来生成并提交validity proof。
Polygon Hermez网络会启动一个Boot Aggregator backing up,使得在bootstrapping阶段,可 以特定频率来生成new validity proof。
手续费的分发规则为:
即:
网络中需发布一个客户端,以实现同步并覆盖参与者角色——如Sequencer或Aggregator。zkNode就是相应的客户端,为运行Hermez 2.0 node所必须的软件。
Hermez 2.0参与者可自行决定其参与方式:
Aggregator除运行zkNode之外,还需要使用zkEVM的核心部分来进行验证。zkEVM的该核心部分称为zkProver(又名Prover)。
Hermez 2.0 zkNode模块化架构流程图为:
上图中的:
ethBlockNum
和 last ethBlockHash
是否已同步。Hermez 2.0采用了最先进的零知识技术。它将使用一个称为zkProver的零知识验证程序,该程序旨在在任何服务器上运行,并且正在设计为与大多数消费类硬件兼容。
每个Aggregator将使用zkProver来验证batches并提供validity proofs。
Hermez 2.0 zkProver的总体架构为:
zkProver包含了:
简而言之,zkEVM以多项式形式表示状态变化。因此,每个proposed batches必须满足的约束实际上是多项式约束或多项式恒等式。也就是说,所有有效batches必须满足某些多项式约束。
Main Executor负责处理zkEVM的执行,会:
zkEVM中证明交易正确性的每一步计算都是一个state machine。
zkProver是整个项目中最复杂的部分,包含了多个state machines:
因此,二级状态机的集合是指zkProver中所有状态机的集合。它本身不是一个子组件,而是单个二级状态机的各种执行器的集合。具体的二级状态机有;
根据每个SM负责的具体操作,一些SM同时使用zkASM和PIL,而另一些SM仅使用一种。
Hermez 2.0 state machines之间的依赖关系为:
STARK,为Scalable Transparent ARgument of Knowledge的简称,是一种无需可信设置的proof system。
STARK-proof builder负责生成zero-knowledge STARK-proofs,以证明所有的多项式约束条件都满足。
State machines负责生成多项式约束。
zk-STARKs用于证明batches满足这些多项式约束条件。特别地,zkProver使用Fast Reed-Solomon Interactive Oracle Proofs of Proximity(RS-IOPP),俗称为FRI,来对zk-STARK证明加速。
SNARK,为Succinct Non-interactive ARgument of Knowledge的简称,是一种proof system。
由于STARK-proof的size要大于SNARK-proof的size,Hermez 2.0 zkProver使用SNARK-proof来证明STARK-proof的正确性。结果是,将SNARK-proof做为validity proof,使得可更便宜地在L1上验证该validity proof。
目标是生成CIRCOM circuit,将CIRCOM circuit用于生成SNARK proof 或 用于验证SNARK proof。
最终是采用PLONK SNARK proof还是GROUTH16 SNARK proof还暂未确定。
典型的Bridge智能合约由2个智能合约组成,一个智能合约部署在链A,另一个部署在链B。
Hermez 2.0的L2-to-L1 Bridge智能合约也是由2个合约组成:
除了部署位置不同外,这两个合约实际上是相同的。
通常Bridge智能合约是L2-to-L1 Bridge,但是Hermez 2.0 Bridge更灵活且可互操作。可作为任意2个L2链(L2_A和L2_B)之间的bridge,或者任意L2(如L2_X)与L1(如以太坊)之间的bridge。从而支持资产在多个rollups之间转移,从而将其命名为"LX-to-LY Bridge"。
Bridge L1 Contract负责2个操作:
bridge
:将资产由一个rollup转移到另一个rollup。claim
:当合约从任意rollup claim时,使用claim
操作。为满足以上2种操作,Bridge L1 Contract需要有2棵Merkle tree:
globalExitTree
:包括了所有rollups的exit trees的所有信息。mainnet exit tree
:包含了用户与主网交互的交易信息。名为global exit root manager L1
的合约负责管理跨越多个网络的exit roots。
Bridge L2 Contract部署在L2 with Ether on it。将Ether设置在genesis上是为了实现native Ether的mint或burn。
Bridge L2 Contract还需要包含在globalExitTree
Merkle Tree内的所有rollups的exits trees的所有信息。此时,一个名为global exit root manager L2
的合约负责管理跨越多个网络的exit roots。
注意,当某batch在L1 PoE智能合约内验证通过后,global exit root manager L1内相应的rollup exit root将更新。
Bridge L2 Contract负责:
bridge
和claim
操作globalExitTree
和rollup exit tree
交互以更新exit roots。以上为达成Hermez 2.0设计思想的工程化实现。
Hermez 2.0的设计思想为:
效率是网络性能的关键。Hermez 2.0采用了多个实现策略来保证效率:
在Hermez 2.0系统的特定组件内还实现了多种其它策略,如:
[1] 2022年5月博客 Polygon ZK: Deep Dive Into Polygon Hermez 2.0
[2] 2022年7月博客 The Future is Now for Ethereum Scaling: Introducing Polygon zkEVM