一文了解Polygon團隊為zkEVM開發的新共識機制PoE

作者：David Schwartz，Polygon Hermez專案負責人；與開發人員Jordi Baylina

編譯：巴比特

我們Polygon Hermez團隊目前正在致力於 zkEVM 的實現，而這一挑戰要求我們為去中心化的 L2 協議研究和開發一種新的共識機制------proof of efficiency（PoE）。

這種共識機制利用了 v1.0 中現有的 Proof-of-Donation（捐贈證明）的經驗，旨在構建第一個去中心化 zk-rollup 並支持多個協調者的無許可參與，以便在 L2 中批量生產。

我們仍在考慮幾個選項並針對 v2.0 (zkEVM) 改進此協議，但我們很高興與社區分享我們的想法並收到反饋。

背景

在 zk-rollups 中，去中心化的挑戰是巨大的，迄今為止很難找到一個好的解決方案。發生這種情況是因為 PoS 等協議在 L2 上存在一些問題，並且需要以高性能生成 zk 有效性證明（這對於證明者來說是非常計算密集的），以便網絡可以保持其服務水平。將生成一個交易批次（batch）（L2 區塊）的權利分配給任何隨機驗證者並不能保證這一點。

捐贈證明/燃燒證明（PoD/PoB）基於去中心化拍賣模型，以獲得在特定時間範圍內生產批次的權利。在這種情況下，設置了經濟激勵措施，因此驗證者需要非常高效才能具有競爭力，這代表了一個很大的進步。

該模型的一個問題是，在特定時間內，網絡由惡意的單個參與者控制，即使有辦法減輕影響，也很難避免對服務級別的零影響，尤其是在自舉階段。

另一方面，拍賣協議對於協調者/驗證者來說是非常昂貴和複雜的，同時只有最有效的才會得到獎勵。他們很難實現自動化，而且預測的複雜性很高，因為拍賣需要提前一段時間出價。

先前協議的另一個問題是選擇收斂到"贏者通吃"模型的"最佳"運營方的有效性。這不允許表現稍差的運營方參與競爭。結果是，由於這種情況產生的抗審查限制，控制網絡的運營方變得非常中心化。

新要求

這個新協議旨在涵蓋此類 L2 zk-rollup 共識模型所需的關鍵屬性：

1. 生產 L2 批次的無許可訪問
2. 效率是網絡性能的關鍵
3. 避免任何一方的控制
4. 防止惡意攻擊
5. 與網絡中的價值成正比的總驗證工作量

效率證明 (PoE) 模型

這個創建批次的協議由一個兩步模型組成，該模型在不同方之間拆分活動。參與的第一方是 Sequencer，第二方是 Aggregator。

排序器（Sequencers）

在此模型中，Sequencers 是從用戶那裡收集 L2 交易的各方，因此他們通過發送包含所有選定 L2 TX 數據的 L1 TX 來選擇和預處理網絡中的新 L2 批次。任何人都可以成為 Sequencers，這是一個無需許可的角色，由通往網絡的網關組成。

有趣的是，這些提議的批次將記錄在 zk-rollup 模型的 L1 交易中（或者在 Validium 的情況下記錄在不同的數據可用性網絡中）。

當基於他們擁有的激勵決定這樣做時，就會發生此批處理提案：

• 一種潛力是其資金池中交易的經濟價值。
• 或他們需要滿足用戶的服務級別（費用可能會相應變化，因為它們將由 Sequencers 要求）。

為了向網絡提議一個新批次，Sequencers 將需要支付 L1 網絡的 gas 費用以生成包含所有批次交易數據的 TX，並且該協議定義了需要存入的 $MATIC 代幣的額外費用。這樣，Sequencers 就有動力提出具有有效交易的有效批次。

批處理費用將根據網絡負載而變化，這將根據協議智能合約自動調用的參數計算。

這些批次，以 L1 交易的格式，帶有 CALLDATA 中的信息，將用作 L2 網絡的數據可用性，並且任何新的無許可節點都將能夠同步狀態，也可以從該信息中重建。

一旦被挖掘，這些數據可用性 L1 交易定義了將被執行的 L2 TX 和特定的順序。這會創建一個確定性的新狀態，可以由網絡節點將其計算為虛擬的未來狀態。

當然，當新狀態（ZKP）的有效性證明在 L1 中生成和挖掘時，這個新狀態將被解決。這對應於協議的第二部分。

聚合器（Aggregators）

當然，zk-rollups 的主要優勢之一是有效性證明提供的交易的快速確定性。該協議試圖提高這些證明的有效性。

Aggregators 是在效率證明共識協議中以無許可方式參與的各方。

在這種機制中，創建 L2 新狀態的有效性證明的權利（當然，在 txs 中收取部分費用）只需成為第一個 Aggregators 即可獲得。

它的工作方式如下：L1 中的 Sequencers 提出的批次按照它們在 L1 中的出現位置進行排序，並包含交易數據。 PoE 智能合約將接受更新到新的有效狀態的第一個有效性證明，包括一個或多個提議的批次。

Aggregators 需要定義他們的目標以觸發證明生成並根據他們自己的策略進行競賽。

例如，如果有包含少量 TX 的批次，一些 Aggregators 可能會發現在有更多價值之前生成證明並生成包含 N 個提議批次的狀態變化的證明並不有趣。其他 Aggregators 可能有不同的策略。

對於比賽遲到的 Aggregators，如果發送的證明沒有提出新狀態，智能合約將使用 Revert 執行，並使用整個狀態數據庫的 merkle 樹哈希進行檢查。因此，不能成為第一個是以生成證明為代價的，但大部分的 gas 費用都被收回了。

當然，只有當 Aggregators 正確處理了提議的批次時，證明才會存在，這意味著它們有一個順序並且所有這些都需要處理。這是一種類似於 Polygon Hermez v1.0 中實現的"Force tx"的機制，在這種情況下有助於避免審查。

這種機制避免了對單方的控制和許多潛在的攻擊，因為任何 Sequencer 都可以提出一個批次，但這是有成本的。Aggregators 也可以選擇以無許可的方式參與，但如果他們不這樣做，那麼早晚會有對經濟價值感興趣的人去做。

在我們的例子中，Polygon Hermez 網絡將啟動一個引導 Aggregators，以支持在引導階段有一個特定頻率的新有效性證明。

費用將按以下方式分配：

• 來自 L2 TX 的費用將由創建有效性證明的同一 aggregator 處理和分配。
• 所有的 TX 費用將發送到每批對應的 Sequencer。
• Sequencers 為創建批次而存入的費用將發送到 aggregator，該 aggregator 將該批次包含在有效性證明中。

結論

PoE 共識機制旨在解決 zk-rollups 的 L2 中去中心化和無許可驗證者的一些挑戰。

它定義了一個兩步模型，它支持：

• 無許可 Sequencer 作為協議的參與者受益，也是網絡可擴展性的來源。
• 與 Volition（zk-rollup 和 Validium）模式完美兼容的數據可用性模型，可以為用戶啟用不同的服務層。
• 從數據可用性和基於有效性證明的"最終"狀態計算"虛擬"狀態。這種架構可以通過基於不同標準設置有效性證明頻率來為去中心化 zk-rollup 節省大量成本，但不是確認交易的唯一解決方案。
• 無需許可的聚合器作為代理執行加密證明生成的專門任務的空間，預計對於 zkEVM 協議來說成本很高。它為他們提供了一個非常簡單直接的模型來管理他們的激勵和回報。
• 針對 L2 網絡問題的本機保護：例如來自惡意行為者的攻擊或選定驗證者的技術問題。
• 激勵模型：以最大化網絡最終性的性能