ENC:技術詳解 Polygon zkEVM Bridge 和 Sequencer 框架

在PolygonzkEVM的第一篇文章里，我們總結了PolygonzkEVM的整體框架以及交易執行流程，同時也分析了PolygonzkEVM是如何實現計算擴容的同時繼承了L1的安全性的；在這篇文章里，我們將依托上篇文章建立的框架，深入PolygonzkEVM關于Sequencer和Bridge更多的技術細節，同時也探討未來潛在的去中心化Sequencer架構的不同特點。

一、深入解析zkEVMBridge

在上一篇文章里，我們介紹PloygonzkEVM的過程中，實際上缺失了很重要的一個部分，就是PolygonzkEVM的原生橋。

1.跨鏈數據狀態管理

PolygonzkEVM在L1和L2分別維護了一棵ExitTree,名字分別為L1ExitMerkletree和L2ExitMerkletree。但是為了更好的管理這兩棵樹，PolygonzkEVM很聰明的將這兩棵樹結合在了一起，如下圖:

也就是用分別把L1ExitTreeRoot作為GlobalExitTree的左葉子節點，把L2ExitTreeRoot作為GlobalExitTree的右葉子節點。不過需要注意這里L1TreeRoot和L2TreeRoot是SparseMerkleTree(SMT),而GlobalExitTree是BinaryMerkleTree。

L1/L2ExitTree葉子節點的基本信息如下:

2.跨鏈流程

在PolygonzkEVM的合約設計中，還是盡可能的將Bridge和Consensus合約盡可能的解耦。目前其在L1部署的合約主要分為3個，如下圖所示:

需要注意的是他們之間不是繼承關系，都是獨立的合約，PolygonZkEVMBridge和PolygonZkEVM都會調用PolygonZkEVMGlobalExitRoot來更新或驗證GlobalExitTreeRoot。

1）?L1→L2的跨鏈流程

L1→L2的跨鏈流程對應上圖的橙色標識的三個步驟：

對應以下代碼中的BatchData的結構體中的globalExitRoot：

PolygonZkEVMBridge在L2的合約

https://testnet-zkevm.polygonscan.com/tx/0x2a742f2f8a7b8635a76cc70b4574bebb1a81b2c0c1a618188773a1f8f2283bb8https://testnet-zkevm.polygonscan.com/address/0x39e780d8800f7396e8b7530a8925b14025aedc77#code

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2）L2→L1的跨鏈流程

用戶調用部署在L2的Bridge合約(PolygonZkEVMBridge.sol)中的Bridge()函數發送一筆L2-Bridge-Tx，這會更新添加一個新節點在L2ExitTree中，然后依次更新L2ExitTreeRoot和GlobalExitTreeRoot。

接下來當Sequencer會把這筆L2-Bridge-Tx放到某一個Batch中發送到L1的共識和DA合約(PolygonZkEVM.sol)中。

然后在之后Aggregator調用trustedVerifyBatches()往L1提交validityproof的時候，實際上也會把L2ExitRoot也一并作為Input進行上傳，也就是以下函數的中的NewLocalExitRoot，它代表了L2有新的BridgeToL1的交易，但是這些交易目前在L1還不能提款，需要等待這個新的NewLocalExitRoot被驗證成功。

接下來這個傳入的NewLocalExitRoot也會作為驗證電路的一部分，輸入這個驗證邏輯是我在L2發生的這些新的BridgeToL1的交易是不是導致L2ExitTreeRoot變成當前這個提交的NewLocalExitRoot。

如果這個這個ValidityProof驗證通過，那么L1的GlobalExitRootManager會更新L2ExittrreRoot和GlobalExitTreeRoot：

globalExitRootManager.updateExitRoot(newLocalExitRoot);

這個時候，用戶就可以調用部署在L1的Bridge合約(PolygonZkEVMBridge.sol)的ClaimAsset()函數并給出相應的MerklePath進行提款，跨鏈交易的也就完美結束。

二、PolygonzkEVM如何抗審查

在上篇文章，我們介紹了TrustedSequencer，由官方運行的SingleSequencer，基本上L2網絡的交易都會提交給這個TrustedSequencer，并且可以獲得一個及時SequencerFinality。

而實際上用戶還可以通過另一種方式直接提交交易到L1的合約中，而不需要通過TrustedSequencer，從而保證了整個網絡仍然具備一定的抗審查的特性。

1.執行流程

1）用戶調用L1合約中的ForceBatch函數，通過這個函數可以用戶可以把自己想要執行的L2交易直接送到L1的合約中的。

2）合約中會將這些Transactions打包成一個Batch，并且記錄在合約中一個ForceBatches的Mapping中。

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3）TrustedSequence監聽到ForceBatches中有新的ForceBatch的時候，會將其同步到本地的節點中，然后會在下次往L1提交Batches的時候包含這個ForceBatch。

4）不過這里還存在一種特殊情況，如果TrustedSequence如果宕機了，或者故意不提交某個用戶提交的ForceBatch,那么在五天之后用戶可以自己調用L1合約中的SequenceForceBatches()函數，讓這筆ForceBatch進入到L1合約中的SequencedBatches，也就意味著這筆ForceBatch在Rollup中的交易順序被L1合約最終確定，即便是TrustedSequence也無法再更改這個ForceBatch的交易順序。(實際上所有Rollup都會有這樣的特性來提供抗審查特性比如Arbitrum的SequenceInbox和Inbox)。

不過這里推薦大家盡可能不要通過ForceBatch的方式提交Rollup的交易，因為通過這種方式，你在調用ForceBatch往L1提交自己的交易的時候會暴露你的交易內容，而這個時候交易順序還沒被確認(需要等待Sequence同步ForceBatch并通過SequenceBatch()再一次提交到L1的時候交易順序才被真正確認)同時你已經沒辦法取消你的交易了，這個時候你有很大的可能被搶跑。

這似乎這并不能真正的抗審查，因為ForceBatch的方式存在被搶跑的風險，用戶真的會用這個功能嗎？

2.Sequencer的真正狀態

從上文我們可以得知，Sequence會從L1同步ForceBatch中的交易到本地節點進行執行，于是Sequence的真正狀態如下圖所示:

Bn表示用戶直接提交給Sequence的交易執行后得出的結果；FBn表示Sequence同步ForceBatch的交易進行執行后得出的結果。

https://zkevm.polygon.technology/

三、L2網絡存在的三種不同的Finality

接下來我們回顧下Ploygon的整體架構，為接下來的去中心化Sequencer思考做好鋪墊。

我們需要關注到。對于Sequencer和Aggregator來說，他們的狀態都是通過Syschronizer從一層合約中進行同步的，他們之間并不是直接通信的。

1)三種Finality

因此我們可以認為目前整個網絡存在三種不同程度的Finality，我們給它命名成SequencerFinality,DAFinality和Verified?Finality。

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a.第一種SequecerFinality，在有一些文章中也將這種Finality稱為SoftFinality,但是我覺得叫做SequenecerFinality更為合適，因為這個Finality其實是SingleSequencer給的狀態承諾。

Sequencer接受到用戶交易之后，執行后給出的狀態，這是最不安全的狀態；但是在目前官方SingleSequencer的場景下，卻可以在保證安全的同時帶來極致的用戶體驗。在目前單一Sequencer的Rollup網絡中，基本上都可以體驗到即時確認的快樂。不過，SingleSequencer最大的風險就是Sequencer宕機，這會導致整個L2網絡基本癱瘓，不過由于DA層是位于以太坊上的，依然可以在之后部分恢復L2網絡宕機前的狀態；不過那部分來不及發送到L1的L2交易將無法被恢復。

b.第二種DAFinality，代表這些交易已經被提交到L1的DA層合約上，此時交易順序也被確定了。

TrustedSequencer已經調用SequenceBatch將交易發送到L1上，在這種情況下，交易已經被DA層包含；在Polygon的設計中,由于單一TrustedSequencer的原因，所以可以確保上傳到L1合約上進行DA的交易都是有效交易。我們可以認為當一筆交易被TrustedSequencer上傳到L1合約中的時候,這個時候它已經被Rollup網絡承認了，并且在之后Aggregator會提供ValidityProof讓這筆交易真正無法被Revert(除非L1Reorg)。

c.第三種VerifiedFinality指的是這筆交易已經通過ValidityProof的驗證了，屬于真正的Finality；在一些文章中也把它叫做HardFinality。

當Aggregator為一批上傳到DA層的交易提供的ValidityProof被合約驗證通過的時候，這個時候我們認為這些交易已經無法被Revert了(除非L1Reorg)。我們在上一篇文章里提到過，目前提交到DA層的交易到驗證validityproof的通過的時間是30分鐘，同時Aggregator也可以通過提供ValidityProof從而獲得足夠的Matic報酬。

2)Aggregator同步狀態的取舍

假如我們這里假設提供ValidityProof是有利可圖的，那么對于Aggregator來說，最好的同步交易的方式，不是在L1的DA層合約中同步，而是直接跟TrustedSequencer建立rpc鏈接，直接從TrustedSequencer獲取最新的交易，這樣生成ValidityProof會更快，從而相比其他從DA合約中獲取交易的Aggregator更有競爭優勢，因為提供ValidityProof這件事情是先到先得，對于一批交易來說也僅僅需要一個聚合的validityproof，第一個提交ValidityProof的Aggregator可以拿走對應交易的Matic獎勵，其他Aggregator生成的ValidityProof也無法再獲得任何獎勵。

不過目前實際上Polygon跟TrustedSequencer角色一樣，也有一個TrustedAggregator,來處理生成和提交ValidityProof的工作。

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據了解，2021年9月， Jason Stone訪問了Celsius的0xb1錢包，竊取了價值140萬美元的加密貨幣，然后通過Tornado Cash服務將其轉移。[2022/8/24 12:45:01]

https://zkevm.polygon.technology/

四、Sequencer的未來

接下來，我們繼續是關于去中心化Sequencer的思考。首先第一個問題是我們為什么需要去中心化的Sequencer?因為我們希望Rollup能在擴容以太坊的計算能力的同時，繼承以太坊的安全性和去中心化程度。而當前SingleSequencer的方案顯然達不到繼承以太坊的去中心化程度的目標。再繼續勾畫去中心化Sequencer的未來之前，我們先來回顧Sequencer的工作。以PolygonzkEVM為例，目前TrustedSequencer對交易的處理會遵循FCFS,先到的交易先進行處理，并行Mempool也是私有的，盡可能保護用戶的交易不被MEV。

當收集到一定量的交易之后，會把它們封裝成Batches上傳到L1合約中對應的DA的位置，并且在第一篇文章中我們也提到了這些了Sequencer上傳的Batch中實際上已經通過在后一個Batch包含前一個Batch的哈希的方式確定了交易的順序。因此我們認為Sequencer的工作類似L1Proposer的工作，提議了一批交易，并且確認了交易的順序。

因為我們是從PolygonzkEVM開始介紹去中心化Sequencer的，我們就先介紹PolygonzkEVM的去中心化Sequencer方案ProofOfEfficiency(效率證明)。

1.Proof-0f-Efficiency?

1)方案描述

在POE的設計中，允許任何人成為Sequencer并且向L1提交RollupBlock的，Rollup網絡的交易順序取決于交易被提交到L1的RollupDA合約的順序。

如下圖，用戶都可以自行選擇將交易發送給哪個Sequencer,甚至可以自己成為Sequencer,這些Sequencer在收到足夠的交易之后，會將這些交易打包成Batch，然后往L1上提交。

這些Sequencer需要考慮利潤問題:

Sequencer成本=L1gascost?+generatezkProoffeeSequencer收入=L2gasfee

所以Sequencer需要考量將至少多少筆交易打成一個Batch提交L1才是有利可圖的。但是Sequencer還需要考慮另外一個問題，時效性問題，如果一個Sequencer的提交交易速度過慢，那么它的用戶可能會流失到其他提供更快確認的Sequencer那里。

2)方案可行性

首先這個方案能運轉的核心原因是Polygon的DA部分沒有做任何狀態承諾，僅僅確定了交易順序；狀態承諾(Sequencer承諾交易執行后對應的新的世界狀態，但是這個狀態未被ValidityProof或者FraudProof驗證的狀態)是在提交ValidityProof的時候才會給出,這是這個方案能執行的核心原因。

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實際上像Arbitrum在提交交易到DA合約中的時候也沒有做任何狀態承諾，但是Optimism在提交交易到DA層的時候是攜帶狀態承諾的，所以理論上Arbitrum也可以運用POE來實現去中心化Sequencer，但是Optimism則不行。

3)為什么攜帶狀態承諾就不能運用POE?

因為在多個Sequencer幾乎同時往L1提交Batch的時候，實際上沒有一個Sequencer可以保證最終在DA合約上L2的交易順序到底是怎樣，所以如果攜帶狀態承諾，大概率會導致整個Batch無法通過ValidityProof或者FraudProof的驗證。

4)如何處理無效交易？

無效交易指的是比如賬戶的Nonce過低，賬戶余額不足以支付Gas費用的交易，當這些交易在L1(Geth)是不會被放入到區塊的，因為如果一個區塊中包含一筆無效交易，都會導致整個區塊變成無效區塊，Validator不會給這種區塊投票，Propoer也不會提案這種區塊。

在當前SingleSequencer的情況下，L2網絡是有能力辨別這種無效區塊的，并且可以避免在L1DA合約中避免包含這種交易，這可以避免浪費L1的區塊空間。

但是采用POE之后，Sequencer實際上失去了辨別這種無效交易的能力，因此在L1的驗證交易帶來的狀態變更過程中，也需要將這種情況考慮進去，并且Sequencer提交無效交易是無法獲得用戶的手續費的。

5)PublicMempool(公共交易池)？

采用POE之后，如果這些去中心化的Sequencer之間會存在PublicMempool，那么會導致用戶一筆交易被不同的Sequencer提交多次，當然只有第一次提交的交易是有效交易，也只有這交易最終能獲得用戶的手續費。

6)Sequencer為何無法預測執行結果

在這種PermissonlessSequencer的模型下，一個Sequencer是無法給用戶提供及時的SequencerFinality，因為Sequencer預測的最終上鏈的的交易順序和實際的交易順序會有偏差，這個偏差是由于可能有多個Sequencer在幾乎同個時刻向L1的DA合約提交了交易Batch，在這種情況下很難保證這些交易Batch的實際順序是否跟預測順序相同。

因此Sequencer同步自身狀態的時候，也會從L1的DA合約上同步最新被提交的交易Batch并執行來獲得最新狀態，而不是其他Sequencer那里同步狀態。

7)?L2的MEV流失到L1

由于交易任何人都可以成為Sequencer提交Rollup網絡的交易,并且提交交易Batch的交易實際上跟L1的普通交易無異，因此它實際上還是會經過MEVBoost的整個流程，意味著L2網絡的MEV都會流失到MEVBoost模塊。

8)Aggregator的設計

在POE的設計上，Aggregator同樣也是Permissionless的，但是由于ValidityProof實際上只需要一個正確的交易，也就意味著只有第一個為交易提交正確的ValidityProof的Aggregator才能獲得獎勵。因此作為Aggregator,你需要權衡提交的ValidityProof的證明范圍，提交時間以及提交ValidityProof可以獲得的Matic獎勵之間的關系，最終找出一個最有競爭力的策略。

似乎，利用這種自由市場競爭策略，可以讓交易對應的ValidityProof的生成速度達到最快。

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

8)總結

POE可以帶來完全PermissionLess的網絡，并且整個網絡可能也不會有宕機的風險，但是L1的DA合約中可能包含無效交易(比如相同Nonce的交易)，MEV都被L1網絡獲取,并且只能提供DAFinality和VerifiedFinality。

2.BasedRollup

BasedRollup是期望將Rollup網絡的SingleSequencer的工作委托給以太坊的proposer去完成。它會要求每個Proposer提案L1的區塊需要包含一個有效的Rollup區塊。

因此L1網絡的BlockBuilder需要運行一個Rollup的全節點用來接受L2的交易，并且構建最大價值的RollupBlock。

這樣的方案的好處是可以最大程度的繼承了L1的安全性以及去中心化程度，但是也會導致只能提供SequencerFinality和VerifiedFinality，L2的MEV也會都流失到L1同時也需要對以太坊客戶端的代碼進行修改，這也可能會影響L1的安全性。

3.ShareSequencing

SharedRollup相比BasedRollup將構建和提交RollupBlock的工作交給以太坊的Propoer，則是將這個工作交給ShareSequencers中的委員會。

3.1.具體流程如下:

不同Rollup的用戶都可以直接向SharedSequencers所在的網絡直接發送Rollup的交易SharedSequencers會在內部運行一個BFT共識，在每一輪選出一個SequencerLeader來對交易進行排序并構建對應的RollupBlock.然后將這些RollupBlock提交到不同的Rollup網絡對應在L1上的DA合約不同的Rollup網絡再通過L1的DA合約同步網絡中的最新交易，然后進入到他們自身驗證ValidityProof或者FraudProof的流程。

3.2.SharedSequencer架構的潛在影響

1)多個Rollup網絡共用一個SharedSequencerCommittee

2)從單個Rollup的角度來看，只是把把官方運行的SingleSequencer委托給了這個SharedSequencerCommittee

3)在每一輪從SharedSequencerCommittee中會選出一個SequencerLeader,負責對接入這個SharedSequencers網絡的RollupBlock進行構建，并且依次將這些RollupBlock提交到對應Rollup在以太坊上的DA合約內。

a.比如A需要將Arbitrum上USDC跨鏈到Optimism上，那么正常流程是它會在Arbitrum上先進行Lock，等待Lock成功之后，再去Optimism上提交自己在Arbitrum的LockProof(e.g.MerkleTreePath+TreeRoot)，然后在Optimism上Mint出來對應的USDC資產；

b.當用戶向SharedSequencers提交這樣一個交易的時候，每一輪的SeuqnecerLeader實際上可以將ArbitrumLock的操作+OptimismMint的操作放在同一時刻的RollupBlock進行執行，這樣可以帶來巨大的用戶體驗提升；

c.但是它依舊無法做到像同一個Rollup網絡的用戶體驗，比如Mint的時候你依然需要提供你的LockProof；

d.所以我們可以認為接入到這個SharedSequencers網絡中的Rollup們是一個接近于完全同步的系統；

e.接近完全同步的系統有什么作用呢？

f.可以提供原子跨鏈服務，因為每一輪選出的SequencerLeader擁有排序所有Rollup交易的權力，所以他有能力構建原子跨鏈的交易。

4)跨鏈MEV的角度

因為每一輪的LeaderSequencer擁有所有RollupBlock的排序權力，所以理論上可以捕獲所有的跨鏈MEV，感覺之后SharedSequencer也需要引入或者直接接入MEVBoost這種MEV架構，因為從目前看各個Rollup網絡的區塊間隔都會遠遠快于以太坊的區塊間隔，比如Optimism的2s每一塊，Arbitrum最快是0.25s出一塊。因此作為每一輪的SequencerLeader構造RollupBlock的計算量其實并不小，因此感覺生態成熟起來之后也會有相應的MEV架構來輔助構造最大價值的RollupBlock。

5)從Decentralization和Liveness的角度看SharedSequencers

因為SharedSequencerCommittee內部會用BFT共識來在每一輪選擇出一個SequencerLeader來提案所有的RollupBlock，所以Decentralization和Liveness都要比目前的SingleSequencer方案強大不少。

6)從生態的角度

a.對于不同的Rollup擁有了更好的共存的理由，因為用戶可以很方便的在各個Rollup的網絡中進行資產轉移，也可以更好的對實現以太坊生態的負載均衡。

b.對于不同的正在構造ShreadSequencer的項目而言，可能就是你死我活的競爭，因為從用戶角度和目前各個Rollup都是SignleSequencer的角度而言，似乎在SharedSequencer這條賽道會出現贏家通吃的問題。

7)Finality角度

因為本質上還是SingleSequencer，所以無論是SequencerFinality還是VerifiedFinality都跟原來是一樣的。

3.3.潛在風險

因為Rollup之間不一定是同構Rollup，比如Arbitrum和polygonzkEVM之間的跨鏈，那么意味著跨鏈交易對應在Arbitrum和polygonzkEVM之上交易的VerifiedFinality并不一致，比如我在PolygonzkEVM之上的mint交易已經獲得VerifiedFinality(提交了ValidityProof),但是此時我在Arbitrum上的Lock交易僅獲得了DAFinality(需要等待7天挑戰期)，如果我在這個時候成功Revert了我在Arbiturm的交易,那么也就意味著:我實際上在PolygonzkEVM無成本鑄造了很多跨鏈資產。

3.4總結

優勢:

a.MEV可以被Rollup網絡獲取，并且還可以額外獲取更多的跨鏈MEV；

b.用戶跨Rollup體驗好，并且能讓Rollup之間由競爭關系轉為共生關系，每個Rollup都可以提供自己獨特的價值，然后與其他Rollup網絡組合成可以為用戶提供各種各樣定制化服務的網絡；

c.相比SignleSequencer，網絡的去中心化程度得到了大幅度增強，并且網絡的穩定性大大增強了，在某一個SequencerLeader不出塊的時候，會及時輪換一個新的SequencerLeader進行出塊；

d.網絡的三種Finality都跟原來SingleSequencer保持一致。

劣勢:

本質上還是SingleSequencer的模型，并且也引入了新的攻擊向量。

五、總結

在這篇文章我們詳細結構了PolygonzkEVM的bridge以及Sequencer更多的技術細節，在下篇文章也是最后一篇文章，會繼續解剖zkEVM的技術細節，敬請期待。

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