zkEVM系列（2）｜Polygon zkEVM关于Sequencer和Bridge更多的技术细节

Author:0xhhh｜EthStorage (Twitter:@hhh69251498)

Editor:Red One

在polygon zkEVM的第一篇文章里（），我们总结了Polygon zkEVM 的整体框架以及交易执行流程，同时也分析了Polygon zkEVM是如何实现计算扩容的同时继承了L1的安全性的；在这篇文章里，我们将依托上篇文章建立的框架，深入polygon zkEVM关于Sequencer和Bridge更多的技术细节，同时也探讨未来潜在的去中心化Sequencer架构的不同特点。

一、深入解析zkEVM Bridge

在上一篇文章里，我们介绍Ploygon zkEVM的过程中，实际上缺失了很重要的一个部分，就是Polygon zkEVM 的原生桥。（注：在本文L2特指Rollup, L1特指Ethereum。）

1.跨链数据状态管理

Polygon zkEVM在L1和L2分别维护了一棵Exit Tree,名字分别为L1 Exit Merkle tree和L2 Exit Merkle tree。但是为了更好的管理这两棵树，Polygon zkEVM 很聪明的将这两棵树结合在了一起，如下图:

也就是用分别把L1 Exit Tree Root 作为Global Exit Tree的左叶子节点，把L2 Exit Tree Root 作为Global Exit Tree 的右叶子节点。不过需要注意这里L1 Tree Root 和 L2 Tree Root是Sparse Merkle Tree(SMT),而Global Exit Tree是Binary Merkle Tree。

L1/L2 Exit Tree叶子节点的基本信息如下:

2.跨链流程

在Polygon zkEVM的合约设计中，还是尽可能的将Bridge和Consensus合约尽可能的解耦。目前其在L1部署的合约主要分为3个，如下图所示:

需要注意的是他们之间不是继承关系，都是独立的合约，PolygonZkEVMBridge和PolygonZkEVM都会调用PolygonZkEVMGlobalExitRoot来更新或验证Global Exit Tree Root 。

1） L1 → L2 的跨链流程

L1 → L2的跨链流程对应上图的橙色标识的三个步骤：

 

对应以下代码中的BatchData的结构体中的globalExitRoot:

PolygonZkEVMBridge在L2的合约

2）L2 → L1 的跨链流程

用户调用部署在L2的Bridge合约(PolygonZkEVMBridge.sol)中的Bridge()函数发送一笔L2-Bridge-Tx，这会更新添加一个新节点在L2 Exit Tree中，然后依次更新L2 Exit Tree Root和 Global Exit Tree Root。

接下来当Sequencer会把这笔L2-Bridge-Tx放到某一个Batch中发送到L1的共识和DA合约(PolygonZkEVM.sol)中。

然后在之后Aggregator调用trustedVerifyBatches()往L1提交validity proof的时候，实际上也会把L2 Exit Root也一并作为Input进行上传，也就是以下函数的中的NewLocalExitRoot，它代表了L2有新的BridgeToL1的交易，但是这些交易目前在L1还不能提款，需要等待这个新的NewLocalExitRoot被验证成功。

 

接下来这个传入的New Local ExitRoot也会作为验证电路的一部分，输入这个验证逻辑是我在L2发生的这些新的BridgeToL1的交易是不是导致L2Exit Tree Root变成当前这个提交的New Local ExitRoot。

 

如果这个这个Validity Proof验证通过，那么L1的Global Exit RootManager 会更新L2 Exit trre Root和Global Exit Tree Root：

globalExitRootManager.updateExitRoot(newLocalExitRoot);

这个时候，用户就可以调用部署在L1的Bridge合约(PolygonZkEVMBridge.sol)的ClaimAsset()函数并给出相应的Merkle Path进行提款，跨链交易的也就完美结束。

二、 Polygon zkEVM如何抗审查

在上篇文章，我们介绍了Trusted Sequencer ，由官方运行的Single Sequencer，基本上L2网络的交易都会提交给这个Trusted Sequencer，并且可以获得一个及时Sequencer Finality。

而实际上用户还可以通过另一种方式直接提交交易到L1的合约中，而不需要通过Trusted Sequencer，从而保证了整个网络仍然具备一定的抗审查的特性。

1.执行流程

1）用户调用L1合约中的Force Batch函数，通过这个函数可以用户可以把自己想要执行的L2交易直接送到L1的合约中的。

2）合约中会将这些Transactions打包成一个Batch，并且记录在合约中一个Force Batches的Mapping中。

3）Trusted Sequence 监听到Force Batches中有新的Force Batch的时候，会将其同步到本地的节点中，然后会在下次往L1提交Batches的时候包含这个ForceBatch。

4）不过这里还存在一种特殊情况，如果Trusted Sequence如果宕机了，或者故意不提交某个用户提交的Force Batch, 那么在五天之后用户可以自己调用L1合约中的SequenceForceBatches() 函数，让这笔ForceBatch进入到L1合约中的Sequenced Batches ，也就意味着这笔Force Batch在Rollup中的交易顺序被L1合约最终确定，即便是Trusted Sequence也无法再更改这个Force Batch的交易顺序。(实际上所有Rollup都会有这样的特性来提供抗审查特性比如Arbitrum的Sequence Inbox和Inbox)。

不过这里推荐大家尽可能不要通过Force Batch的方式提交Rollup的交易，因为通过这种方式，你在调用Force Batch往L1提交自己的交易的时候会暴露你的交易内容，而这个时候交易顺序还没被确认(需要等待Sequence同步ForceBatch并通过Sequence Batch()再一次提交到L1的时候交易顺序才被真正确认)同时你已经没办法取消你的交易了，这个时候你有很大的可能被抢跑。

这似乎这并不能真正的抗审查，因为Force Batch的方式存在被抢跑的风险，用户真的会用这个功能吗？

2.Sequencer的真正状态

从上文我们可以得知，Sequence会从L1同步Force Batch中的交易到本地节点进行执行，于是Sequence的真正状态如下图所示:

Bn表示用户直接提交给Sequence的交易执行后得出的结果；

FBn表示Sequence同步Force Batch的交易进行执行后得出的结果。

三、L2网络存在的三种不同的Finality

接下来我们回顾下Ploygon的整体架构，为接下来的去中心化Sequencer思考做好铺垫。

我们需要关注到。对于Sequencer 和 Aggregator来说，他们的状态都是通过Syschronizer从一层合约中进行同步的，他们之间并不是直接通信的。

1 )三种Finality

因此我们可以认为目前整个网络存在三种不同程度的Finality，我们给它命名成Sequencer Finality, DA Finality和Verified Finality。

a. 第一种 Sequecer Finality，在有一些文章中也将这种Finality称为Soft Finality,但是我觉得叫做Sequenecer Finality更为合适，因为这个Finality其实是Single Sequencer 给的状态承诺。

Sequencer接受到用户交易之后，执行后给出的状态，这是最不安全的状态；但是在目前官方Single Sequencer的场景下，却可以在保证安全的同时带来极致的用户体验。在目前单一Sequencer的Rollup网络中，基本上都可以体验到即时确认的快乐。不过，Single Sequencer最大的风险就是Sequencer宕机，这会导致整个L2网络基本瘫痪，不过由于DA层是位于以太坊上的，依然可以在之后部分恢复L2网络宕机前的状态；不过那部分来不及发送到L1的L2交易将无法被恢复。

b. 第二种 DA Finality，代表这些交易已经被提交到L1的DA层合约上，此时交易顺序也被确定了。

Trusted Sequencer已经调用Sequence Batch 将交易发送到L1上，在这种情况下，交易已经被DA层包含；在Polygon的设计中, 由于单一 Trusted Sequencer的原因，所以可以确保上传到L1合约上进行DA的交易都是有效交易。我们可以认为当一笔交易被Trusted Sequencer 上传到L1合约中的时候, 这个时候它已经被Rollup网络承认了，并且在之后Aggregator会提供Validity Proof让这笔交易真正无法被Revert(除非L1 Reorg)。

c. 第三种 Verified Finality指的是这笔交易已经通过Validity Proof的验证了，属于真正的Finality；在一些文章中也把它叫做Hard Finality。

当Aggregator为一批上传到DA层的交易提供的Validity Proof被合约验证通过的时候，这个时候我们认为这些交易已经无法被Revert了(除非L1 Reorg)。我们在上一篇文章里提到过，目前提交到DA层的交易到验证validity proof的通过的时间是30分钟，同时Aggregator也可以通过提供Validity Proof从而获得足够的Matic报酬。

2)Aggregator同步状态的取舍

假如我们这里假设提供Validity Proof是有利可图的，那么对于Aggregator来说，最好的同步交易的方式，不是在L1的DA层合约中同步，而是直接跟Trusted Sequencer建立rpc链接，直接从Trusted Sequencer获取最新的交易，这样生成Validity Proof会更快，从而相比其他从DA合约中获取交易的Aggregator更有竞争优势，因为提供Validity Proof这件事情是先到先得，对于一批交易来说也仅仅需要一个聚合的validity proof，第一个提交Validity Proof的Aggregator可以拿走对应交易的Matic奖励，其他Aggregator生成的Validity Proof也无法再获得任何奖励。

不过目前实际上Polygon跟Trusted Sequencer角色一样，也有一个Trusted Aggregator, 来处理生成和提交Validity Proof的工作。

四、Sequencer 的未来

接下来，我们继续是关于去中心化Sequencer的思考。首先第一个问题是我们为什么需要去中心化的Sequencer?因为我们希望Rollup能在扩容以太坊的计算能力的同时，继承以太坊的安全性和去中心化程度。而当前 Single Sequencer的方案显然达不到继承以太坊的去中心化程度的目标。再继续勾画去中心化Sequencer的未来之前，我们先来回顾Sequencer的工作。以Polygon zkEVM为例，目前Trusted Sequencer对交易的处理会遵循FCFS,先到的交易先进行处理，并行Mempool也是私有的，尽可能保护用户的交易不被MEV。

当收集到一定量的交易之后，会把它们封装成Batches上传到L1合约中对应的DA的位置，并且在第一篇文章中我们也提到了这些了Sequencer上传的Batch中实际上已经通过在后一个Batch包含前一个Batch的哈希的方式确定了交易的顺序。因此我们认为Sequencer的工作类似L1 Proposer的工作，提议了一批交易，并且确认了交易的顺序。

因为我们是从Polygon zkEVM 开始介绍去中心化Sequencer的，我们就先介绍Polygon zkEVM的去中心化Sequencer方案Proof Of Efficiency(效率证明)。

1.Proof-0f-Efficiency

1)方案描述

在POE的设计中，允许任何人成为Sequencer并且向L1提交 Rollup Block的，Rollup网络的交易顺序取决于交易被提交到L1的Rollup DA 合约的顺序。（在Polygon zkEVM 里 Batch 等价于Block。）

如下图，用户都可以自行选择将交易发送给哪个Sequencer,甚至可以自己成为Sequencer, 这些Sequencer在收到足够的交易之后，会将这些交易打包成Batch，然后往L1上提交。

 

这些Sequencer需要考虑利润问题:

Sequencer 成本 = L1 gas cost + generate zkProof fee

Sequencer 收入 = L2 gas fee

所以Sequencer 需要考量将至少多少笔交易打成一个Batch提交L1才是有利可图的。但是Sequencer还需要考虑另外一个问题，时效性问题，如果一个Sequencer的提交交易速度过慢，那么它的用户可能会流失到其他提供更快确认的Sequencer那里。

2) 方案可行性

首先这个方案能运转的核心原因是Polygon的DA部分没有做任何状态承诺，仅仅确定了交易顺序；状态承诺(Sequencer承诺交易执行后对应的新的世界状态，但是这个状态未被Validity Proof或者Fraud Proof验证的状态)是在提交Validity Proof的时候才会给出,这是这个方案能执行的核心原因。

实际上像Arbitrum在提交交易到DA合约中的时候也没有做任何状态承诺，但是Optimism在提交交易到DA层的时候是携带状态承诺的，所以理论上Arbitrum也可以运用POE来实现去中心化Sequencer，但是Optimism则不行。

3) 为什么携带状态承诺就不能运用POE?

因为在多个Sequencer几乎同时往L1提交Batch的时候，实际上没有一个Sequencer可以保证最终在DA合约上L2的交易顺序到底是怎样，所以如果携带状态承诺，大概率会导致整个Batch无法通过Validity Proof或者Fraud Proof的验证。

4) 如何处理无效交易？

无效交易指的是比如账户的Nonce过低，账户余额不足以支付Gas费用的交易，当这些交易在L1(Geth)是不会被放入到区块的，因为如果一个区块中包含一笔无效交易，都会导致整个区块变成无效区块，Validator不会给这种区块投票，Propoer也不会提案这种区块。

在当前Single Sequencer的情况下，L2网络是有能力辨别这种无效区块的，并且可以避免在L1 DA合约中避免包含这种交易，这可以避免浪费L1的区块空间。

但是采用POE之后，Sequencer实际上失去了辨别这种无效交易的能力，因此在L1的验证交易带来的状态变更过程中，也需要将这种情况考虑进去，并且Sequencer提交无效交易是无法获得用户的手续费的。

5) Public Mempool(公共交易池)？

采用POE之后，如果这些去中心化的Sequencer之间会存在Public Mempool，那么会导致用户一笔交易被不同的Sequencer提交多次，当然只有第一次提交的交易是有效交易，也只有这交易最终能获得用户的手续费。

6) Sequencer为何无法预测执行结果

在这种Permissonless Sequencer的模型下，一个Sequencer是无法给用户提供及时的Sequencer Finality，因为Sequencer预测的最终上链的的交易顺序和实际的交易顺序会有偏差，这个偏差是由于可能有多个Sequencer在几乎同个时刻向L1的DA合约提交了交易Batch，在这种情况下很难保证这些交易Batch的实际顺序是否跟预测顺序相同。

因此Sequencer同步自身状态的时候，也会从L1的DA合约上同步最新被提交的交易Batch并执行来获得最新状态，而不是其他Sequencer那里同步状态。

7)L2的MEV流失到L1

由于交易任何人都可以成为Sequencer提交Rollup网络的交易, 并且提交交易Batch的交易实际上跟L1的普通交易无异，因此它实际上还是会经过MEV Boost的整个流程，意味着L2网络的MEV都会流失到MEV Boost模块。

8) Aggregator的设计

在POE的设计上，Aggregator同样也是Permissionless的，但是由于Validity Proof实际上只需要一个正确的交易，也就意味着只有第一个为交易提交正确的Validity Proof的Aggregator才能获得奖励。因此作为Aggregator,你需要权衡提交的Validity Proof的证明范围，提交时间以及提交Validity Proof可以获得的Matic奖励之间的关系，最终找出一个最有竞争力的策略。

似乎，利用这种自由市场竞争策略，可以让交易对应的Validity Proof的生成速度达到最快。

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

9 )总结

POE可以带来完全PermissionLess的网络，并且整个网络可能也不会有宕机的风险，但是L1的DA合约中可能包含无效交易(比如相同Nonce的交易)，MEV都被L1网络获取,并且只能提供DA Finality和Verified Finality。

2. Based Rollup

Based Rollup 是期望将Rollup网络的Single Sequencer的工作委托给以太坊的proposer去完成。它会要求每个Proposer提案L1的区块需要包含一个有效的Rollup 区块。

因此L1 网络的Block Builder需要运行一个Rollup的全节点用来接受L2的交易，并且构建最大价值的Rollup Block。

这样的方案的好处是可以最大程度的继承了L1的安全性以及去中心化程度，但是也会导致只能提供Sequencer Finality和Verified Finality，L2的MEV也会都流失到L1 同时也需要对以太坊客户端的代码进行修改，这也可能会影响L1的安全性。

3.Share Sequencing

Shared Rollup 相比Based Rollup将构建和提交Rollup Block的工作交给以太坊的Propoer，则是将这个工作交给Share Sequencers中的委员会。

3.1.具体流程如下:

a.不同Rollup的用户都可以直接向Shared Sequencers所在的网络直接发送Rollup的交易

b.Shared Sequencers会在内部运行一个BFT共识，在每一轮选出一个Sequencer Leader来对交易进行排序并构建对应的Rollup Block.

c.然后将这些Rollup Block提交到不同的Rollup网络对应在L1上的DA合约

d.不同的Rollup网络再通过L1的DA合约同步网络中的最新交易，然后进入到他们自身验证Validity Proof或者Fraud Proof的流程。

3.2.Shared Sequencer 架构的潜在影响

1)多个Rollup网络共用一个Shared Sequencer Committee

2)从单个Rollup的角度来看，只是把把官方运行的Single Sequencer委托给了这个Shared Sequencer Committee

3)在每一轮从Shared Sequencer Committee中会选出一个Sequencer Leader,负责对接入这个Shared Sequencers网络的Rollup Block进行构建，并且依次将这些Rollup Block提交到对应Rollup 在以太坊上的DA合约内。

a.比如A需要将Arbitrum上USDC跨链到Optimism上，那么正常流程是它会在Arbitrum上先进行Lock，等待Lock成功之后，再去Optimism上提交自己在Arbitrum的Lock Proof(e.g. Merkle Tree Path + Tree Root)，然后在Optimism上Mint出来对应的USDC资产；

b.当用户向Shared Sequencers提交这样一个交易的时候，每一轮的Seuqnecer Leader实际上可以将Arbitrum Lock的操作+Optimism Mint的操作放在同一时刻的Rollup Block进行执行，这样可以带来巨大的用户体验提升；

c.但是它依旧无法做到像同一个Rollup网络的用户体验，比如Mint的时候你依然需要提供你的Lock Proof；

d.所以我们可以认为接入到这个Shared Sequencers网络中的Rollup们是一个接近于完全同步的系统；

e.接近完全同步的系统有什么作用呢？

f.可以提供原子跨链服务，因为每一轮选出的Sequencer Leader拥有排序所有Rollup交易的权力，所以他有能力构建原子跨链的交易。

4)跨链MEV的角度

因为每一轮的Leader Sequencer拥有所有Rollup Block的排序权力，所以理论上可以捕获所有的跨链MEV，感觉之后Shared Sequencer也需要引入或者直接接入MEV Boost这种MEV架构，因为从目前看各个Rollup 网络的区块间隔都会远远快于以太坊的区块间隔，比如Optimism的2s每一块，Arbitrum最快是0.25s出一块。因此作为每一轮的Sequencer Leader构造Rollup Block的计算量其实并不小，因此感觉生态成熟起来之后也会有相应的MEV架构来辅助构造最大价值的Rollup Block。

5)从Decentralization和Liveness的角度看Shared Sequencers

因为Shared Sequencer Committee内部会用BFT共识来在每一轮选择出一个Sequencer Leader来提案所有的Rollup Block，所以Decentralization 和 Liveness 都要比目前的Single Sequencer方案强大不少。

6)从生态的角度

a.对于不同的Rollup拥有了更好的共存的理由，因为用户可以很方便的在各个Rollup的网络中进行资产转移，也可以更好的对实现以太坊生态的负载均衡。

b.对于不同的正在构造Shread Sequencer的项目而言，可能就是你死我活的竞争，因为从用户角度和目前各个Rollup都是Signle Sequencer的角度而言，似乎在Shared Sequencer这条赛道会出现赢家通吃的问题。

7)Finality角度

因为本质上还是Single Sequencer，所以无论是Sequencer Finality还是Verified Finality 都跟原来是一样的。

3.3.潜在风险

因为Rollup之间不一定是同构Rollup，比如Arbitrum和polygon zkEVM之间的跨链，那么意味着跨链交易对应在Arbitrum和polygon zkEVM之上交易的Verified Finality并不一致，比如我在Polygon zkEVM之上的mint交易已经获得Verified Finality(提交了Validity Proof),但是此时我在Arbitrum上的Lock交易仅获得了DA Finality(需要等待7天挑战期)，如果我在这个时候成功Revert了我在Arbiturm的交易,那么也就意味着:我实际上在Polygon zkEVM无成本铸造了很多跨链资产。

3.4总结

优势:

a.MEV可以被Rollup网络获取，并且还可以额外获取更多的跨链MEV；

b.用户跨Rollup体验好，并且能让Rollup之间由竞争关系转为共生关系，每个Rollup都可以提供自己独特的价值，然后与其他Rollup网络组合成可以为用户提供各种各样定制化服务的网络；

c.相比Signle Sequencer，网络的去中心化程度得到了大幅度增强，并且网络的稳定性大大增强了，在某一个Sequencer Leader不出块的时候，会及时轮换一个新的Sequencer Leader进行出块；

d.网络的三种Finality都跟原来Single Sequencer保持一致。

劣势:

本质上还是Single Sequencer的模型，并且也引入了新的攻击向量。

五、总结

在这篇文章我们详细结构了Polygon zkEVM的bridge以及Sequencer更多的技术细节，在下篇文章也是最后一篇文章，会继续解剖zkEVM的技术细节，敬请期待。

——待续——