詳解Polygon全棧zk擴容方案：Hermez、Nightfall、Miden和 Zero

作者：Pedro，Polygon DAO作者

整理：海尔斯曼，鏈捕手

長期以來，以太坊L2之爭的焦點都被ZK Rollup和Optimistic rollup兩者占據。因為OP的EVM兼容性和技術較為成熟等特性，更容易被項目開發者採用，因此，OP在當下更為通用和主流。據L2BAET的數據，僅Arbitrum、Optimism、Metis三個採用OP方案的項目，就佔據了L2市場份額的70.8%。而ZK rollup因開發難度較高、技術進展較慢，目前採用率和市場份額佔比都比較低。

作為目前總鎖倉量最高的以太坊擴容方案，Polygon則堅定地將擴容的未來押注到了zk技術上。去年，Polygon大手筆收購了Hermez、Mir，並為zk擴容做出了10億美元的重金承諾。

現在，Polygon擁有了"一整套"zk擴容方案，分別是Hermez、Nightfall、Miden和Zero。四種擴容方案雖都建立在zk技術之上，但各有千秋，策略不同。那麼，這四種方案具體技術特性與開發進度如何？哪個更有希望先殺出來？

在這篇文章中，我們將詳細討論這四種zk解決方案，包括其開發歷史、運作機制和開發進度等。以下內容整理自Polygon DAO專欄作者Pedro關於Polygon研究的Medium系列文章，鏈捕手在原文基礎上進行了適當的精簡和便於理解的增補。

一、 Polygon Zero

Polygon Zero是一個 ZK L2 解決方案，由最快速、最高效的遞歸證明系統 Plonky2提供支持。前身為Mir協議，是由Brendan Farmer和Daniel Lubarov創辦的Predicate Labs於2019年構建。Mir協議的特色是，執行程序過程中會生成遞歸的 ZKP（zk-proof）驗證。簡而言之，遞歸證明就像生成證明的證明。用於驗證一組交易證明是否有效。

遞歸證明是一項非常年輕的技術，於2014年首次在理論上被引入。2019年，Mir能夠在2分鐘內生成遞歸證明，顯然，這時間不算短，也缺乏擴展性。

2020年，由於Aztec團隊的探索，Mir取得了巨大突破，實現了在60秒內生成遞歸證明。在此基礎上，Mir團隊開發了Plonky，允許Mir協議在15秒內生成遞歸證明。

2021年12月，Polygon以4億美元收購了Mir，協議更名為Polygon Zero。最初Mir正在構建的啟用zk技術的獨立L1鏈的設想，變為在Polygon之上構建一個分佈式的zk-rollup。

今年1月，Polygon Zero發布了Plonky2，這一技術能在Mac-Book Pro上以小於170毫秒的速度生成遞歸證明。這是有史以來最快的遞歸證明。而遞歸證明這項技術的突破，也將為Polygon Zero服務------Plonky2將支持最具可擴展性的zkEVM。

1、Plonky2

Plonky2是Plonky1的迭代，前面也提到它建立在2020年Aztec構建的驗證系統之上。

這三者之間的一個共同點是Plonk，所以我們需要先弄明白Plonk是什麼。

ZKP是指在不透露相關信息的同時生成某個計算的有效性證明。所以沒有信息並不會被泄露，只是生成證據。

兩個主要的ZKP分別是SNARK和STARK（由於下文會反復提到這兩種證明系統，所以鏈捕手在此處增加了對二者的詳細對比）。二者主要區別包括：SNARK依賴椭圓曲線來保證安全性，而STARK依賴散列函數來保證安全，使用散列函數意味著量子抗性。

SNARK 和 STARK 對比，來源： Consensys 官網

SNARK的證明規模更小，這意味著鏈上數據存儲更少，最終用戶支付的gas更少。儘管SNARK對開發人員更加友好，但STARK提供了一些獨特的優勢，例如會更加透明，不需要受信任的設置，而且是"量子安全"的，在未來會有更大的潛力。這些優勢也曾讓Vitalik稱STARK其實是"更新、更耀眼"的技術。

但因為SNARK早在2012年就被提出並投入使用，而STARK則在2018年才被提出。所以，SNARK在採用方面具有很大的先發優勢，目前Z-Cash、路印協議和摩根大通都採用了SNARK技術，而且因為被廣泛採用，SNARK擁有更多已發布的代碼、開發人員庫、項目和開發人員。但STARK作為新星，因其獨特的優勢，也在被更多項目採用。

Plonk是證明系統的名稱，它屬於SNARK證明系統的一種。

接下來，我會分析幾種與Plonk結合的不同類型的方案：

Aztec使用Plonk + KZG的遞歸證明時間為60秒；

Plonky1使用Plonk + Halo，遞歸證明時間為15秒。Halo於2019年由Zcash首次推出，是第一個不需要可信設置的遞歸證明方案。但Halo的缺點是不兼容以太坊，這就是為什麼Mir會在最初想建立獨立的L1鏈；

Plonky2使用Plonk + FRI，遞歸證明時間為170毫秒。2021年，Polygon Zero負責人Daniel Lubarov提出將FRI與Plonk結合。

FRI是用於STARK的方案，這意味著通過使用FRI，Plonk就變成STARK（Plonk最初是SNARK的一種），也意味著增加系統的透明度。當時，只有一個項目（Fractal）實現了遞歸FRI證明，該協議的證明時間約為10分鐘且不可擴展。

為了保證快速，Polygon Zero採用了Plonky的第一個版本，並用FRI替換了Halo。上文圖表可看出，FRI的證明速度是"可變的"，提交的數據越少，獲得的證明就越快。但數據越少，安全性就越低。

2、 Plonky2正在構建什麼？

如前所述，Polygon Zero最終要建設由Plonky2提供支持的最具可擴展性的zkEVM。

即，每個zk-rollup都需要一個zkEVM才能真正處理計算。用於Polygon Zero的zk-rollup的zkEVM將由Plonky2提供支持，這是目前最高效、最快的zk證明系統。

開發人員將能夠在Polygon Zero之上部署智能合約，不僅能利用Polygon的高性能，同時也利用以太坊的安全性。據其中一位創始人的說法，此L2將允許建設具有更多操作和功能的應用程序。

3、 Polygon Zero 和 Starkware 的 區別

大多數rollup，包括Starkware，會將交易打包，並生成該交易包中的每個事務都是有效的證明。

Polygon Zero使用遞歸證明，因此，每筆交易都會同時製作一堆非常快速的證明。然後將這些單獨的交易證明捆綁在一起創建更大的證明，即驗證其他證明有效性的證明。

這意味著Polygon Zero可以進行水平縮放。因此，如果有一堆機器並行生成這些交易證明，那麼添加更多機器（例如Macbook）就可以證明更多交易。通過使用遞歸證明，可以擴展到更多事務，而不用以時間延遲為代價。

Polygon Zero 相關數據

二、Polygon Hermez

五年前，三位共讀MBA的同事Jordi Baylina、David Schwartz和Antoni Martin創辦了一家名為Iden3的公司，他們從事的第一個項目是自主身份解決方案，當時項目被稱為"自我主權身份"（Self Sovereign ID，簡稱SSI），與我們當下比較流行的去中心化身份DID其實是相同的概念。

但這三個人在研發SSI項目的過程中逐漸意識到，要想進一步讓SSI成為主流，就必須先使得現有的區塊鏈具備充分的可擴展性。這之後，三人決定轉向新項目Hermez。

Hermez是基於zk技術的去中心化L2 rollup解決方案。Hermez 1.0是目前正在運行的支付平台，該平台允許用戶通過一個簡單易用的網絡或移動界面將任何已註冊的ERC-20代幣從一個Hermez帳戶轉移到另一個帳戶。去年7月，該團隊宣布開發zkEVM，Hermez 2.0，開發完成後將為以太坊帶來一個完全兼容的zkEVM。

去年8月，Polygon宣布以2.5億美元收購Hermez。新項目將命名為Polygon Hermez，兩個項目的代幣MATIC和HEZ進行合併，Hermez的26名員工也將加入Polygon的80人團隊。

1、 Hermez 1.0

Hermez最初是作為zk-rollup開始的，專注於在以太坊上擴展支付和代幣轉移。

rollup指的是打包一打交易（數千個）並在鏈下一次執行。當這數千筆交易在鏈外執行時，就Hermez而言，會生成一個zk-SNARK。SNARK證明了批次中每筆交易的有效性，隨後再由以太坊驗證證明（SNARK），而不是單個交易。

與Optimistic rollup相比，zk rollup可以立即生效，實現即時提款，而Optimistic rollup必須等待7天。這種能夠在恆定時間內高效驗證證明的能力，是所有zk rollup的核心。

Hermez的處理速度為2000 TPS。據Hermez團隊介紹，在未來處理速度還將大幅提升。

Hermez上可進行三種不同的交易：

存款：將任何已註冊的ERC-20代幣從L1以太坊發送到L2 Hermez。存款需要支付以太坊gas費。

轉帳：將任何已註冊的ERC-20代幣從一個Hermez帳戶發送到另一個Hermez帳戶，此類轉帳交易非常便宜且即時。

取款：將ERC-20代幣從L2 Hermez發送回L1以太坊。提款需要支付以太坊gas費。

在提款時需要注意的一點是，Hermez提供了一種保護機制，即"強制提款"，允許用戶隨時將資金從L2 Hermez轉回L1以太坊，即便是協調員在試圖作惡的情況下。

協調者和捐贈證明

協調者是Hermez版本的區塊生產者。這些人通過生成zk-proof來證明鏈下交易的有效性。

協調者就是將交易捆綁打包的人，他們會將所有的事務請求匯總在一個單元中，每次rollup會執行數千條事務，然後再生成zk-proof，再通過以太坊上的智能合約驗證此zk證明。

Hermez之所以是去中心化的，是因為任何人都可以成為協調者並通過服務來賺取獎勵。網絡上可以同時有任意數量的協調者，但是只有一個能夠實際處理交易並在任何給定的時間段（10分鐘長）內獲得獎勵。

Hermez網絡通過拍賣過程選擇下一個協調者。基本上任何人都可以使用MATIC代幣出價，出價最高的人將贏得在10分鐘內處理儘可能多的交易的權利，直到選擇下一個協調員。這是一個非常有效的過程，因為它要求協調員在這10分鐘內儘可能多地進行交易，以使獲得的回報超過出價。

如果協調者競標失敗，MATIC代幣將被退回原錢包，而那些競標成功的資金，將有以下三個用途：

• 30% 永久銷毀
• 40% 用於由以太坊基金會管理的捐贈賬戶
• 30% 用於網絡激勵，以幫助推動Hermez網絡的進一步採用。

值得一提的是，Hermez支持原子交易。原子交易是一連串不可再分的交易，要麼交易全部發生，要麼全部不發生。例如，Alice想向Bob發送1000 DAI來換取1 ETH，在原子交易的情況下，二者必須都發送代幣給對方之後，交易才可以成功，缺少一個步驟，交易都會失敗。所以，這種交易方式能有效預防詐騙。

2、 Hermez 2 .0

去年7月，在EthCC 4大會期間，Hermez團隊宣布正在開發zkEVM即Hermez 2.0。

我們都知道，目前L2多採用Optimism而ZK還沒真正起飛的關鍵點就在於，zk還無法做到EVM兼容。所以，zkEVM就是要解決這個問題，在zk-rollup上運行智能合約。

目前很多項目也在開發zkEVM，僅在Polygon生態中，就有Polygon Zero和Polygon Hermez這兩種解決方案。然而，每個項目都以不同的方式在解決這個問題，並且每個項目都有自己的權衡。

Hermez的特色在於不論是工具、生態系統還是安全性，均能與以太坊兼容。這就意味著在理想狀態下，在以太坊上運行的智能合約能夠在L2 Hermez上運行。為開發人員提供無摩擦的體驗。Optimism和Arbitrum一推出，就吸引了一批項目和用戶遷移過來。不難想象，等zk-rollup成熟，會產生甚至更強的網絡效應。

Hermez創始人Antoni Martin形容zkEVM說："如果你充分利用每個解決方案的最佳部分，你就可以製造出最好的汽車……"。所以， Hermez 在開發 zkEVM 時同時採用了 SNARKS 和 STARKS 兩種ZKP方案，力求兩全其美。

具體而言，當Hermez處理交易並在鏈下產生新區塊時，將生成一個STARK證明，證明這些交易都是有效的。STARK證明的問題是在鏈上（以太坊）驗證成本很高，而SNARK則在此時就有了用武之地，它需要做的就是在以太坊上驗證STARK證明的有效性。

如果你想進一步深入了解此zkEVM的架構，可點擊此處查看Hermez 2.0開發文檔。

Hermez 2.0 （zkEVM）功能

上圖展示了Hermez zkEVM提供的不同功能。當然，2.0還在開發過程中，據主網發布2.0路線圖顯示，Hermez 2.0計劃於今年第一季度上線公測網，主網預計於第二季度上線。還有一處劃重點，那就是Hermez 2.0正在開發一個無需許可的跨鏈橋，允許用戶將資產從Hermez L2轉移到其他L2。

三、Polygon Nightfall

去年9月，Polygon和全球專業服務和技術公司安永 (EY，Ernest \& Young) 建立合作關係，隨後發布了Polygon Nightfall。

安永在2019年公布了Nightfall的初始版本，和其他zk解決方案最不同的一點是，Nightfall 是以隱私為重點的r ollup，安永將其定位為"以太坊上最突出的隱私解決方案之一"。具體來說，就是Nightfall上每筆交易都包含隱私，意味著如果Alice向Bob發送一筆資產，其他人將無法看到該資產是什麼、包含了多少價值或它去了哪裡。

之所以更注重交易的隱私性，是因為安永瞄準的客戶是企業。最開始，Nightfall試圖直接在以太坊上構建第一個企業級區塊鏈，但最後發現，在以太坊主網擁有隱私過於昂貴，於是轉了L2並最終選擇和Polygon合作。

二者合作發布的Polygon Nightfall是迭代多次後的Nightfall 3.0版本，其最突出的特點是有效地將Optimistic Rollup的主幹概念與ZK-Rollups中常用的零知識(ZK)密碼學相結合，從而實現了可擴展性和隱私性的融合。

Polygon Nightfall目前正在測試網階段，主網預計於今年上線。

1、 Nightfall 如何運作？

Polygon Nightfall本質上是一個利用zk加密保護隱私的Optimistic Rollup。Polygon和安永的合作的重點在於使用Nightfall技術構建產業鏈，使企業能夠以可預測的低費用且在監管指導下鏈接到L1上。

下圖為Nightfall具體運作機制：

我們目前可以把可擴展性的瓶頸歸結為"狀態"，因為在鏈上存儲數據的成本很高。因此，擴展解決方案的目標是不斷降低存儲在鏈上的數據量。Nightfall在降低存儲方面採用了成本更低的Optimistic rollup。

通常使用Optimistic rollup方案都會存在7天的挑戰期，也就是說從L2提現到以太坊主網需要等待7天。但Nightfall改善了這一點，為用戶提供了"即時退出"的選項。其運作方式是，由流動性提供者與用戶該筆交易交換位置，先為用戶墊付即時提款所需的資金，並在7天的等待期內占據該位置。

Nightfall希望交易同時兼具隱私性。所以，在Optimistic Rollup上，Nightfall 添加了一個額外的zk隱私 層 ，來保證交易的私密性。

Nightfall VS Aztec

上圖顯示了兩種不同的啟用隱私的方法。左邊的Polygon Nightfall使用了zk密碼學的Optimistic rollup，右邊的Aztec使用了zk rollup和zk密碼學。我相信，最理想的方案是類似Aztec的zk/zk方法，但在當下，這種解決方法太昂貴了。所以，在一定程度上來說，Nightfall 更像是一種能夠立刻投入使用的折中方案。一旦zk費用得到解決，Nightall團隊會最終切換到zk/zk方案。

下圖為Nightfall的架構：

2、具體 用例

• 金融企業和機構投資者：Nightfall獨特的隱私性為希望將交易和掉期保密的投資組合管理公司創造了一個巨大的機會。
• 為企業提供供應鏈可追溯性：企業可通過Nightfall處理供應、執行銷售訂單、私密支付等。目前，已有一家啤酒廠在使用安永的Nightfall供應鏈進行可追溯性交易，企業可輕鬆追蹤有多少啤酒、它在哪裡、運輸數量等。此外，一家製藥公司通過Nightfall來將生產線上的每一種產品都鑄造成NFT，每天約產生60000個NFT。
• ESG：ESG評級是針對企業在環境（Environmental）、社會（Social）和公司治理（Governance）三個方面進行評分考核，從長遠角度判斷企業是否具備可持續發展的價值。目前已有平台使用Nightfall技術，使用戶可在不透露確切的慈善機構的情況下向某個慈善機構捐款。確保了資金使用上的私密性。而且通過在鏈上添加慈善機構的供應鏈，公眾可以監督慈善機構的進度和資金去向。

四、Polygon Miden

去年11月，Polygon宣布推出基於zk-STARKs的擴容解決方案Miden。這個項目由曾經主導研發了Winterfell技術的Facebook前核心零知識證明技術研究員領導。

Polygon Miden是一個基於STARK的zk rollup。Polygon Miden 的特色是它旨在解決r ollup 很難支持任意邏輯和交易的挑戰。rollup通過打包交易來減少鏈上數據存儲，可以減少擁塞並降低交易費用，但很難支持交易包中的某個任意交易的驗證，影響了它驗證所有鏈下交易的能力。Polygon Miden通過使用Miden VM（虛擬機）來解決這個當今zk rollup的最大難題之一。

Polygon Miden框架的核心組件有兩個：Distaff VM和Winterfell。

Distaff VM是一個zk-EVM。每當在zk-VM中執行程序時，會生成zk執行證明（zk-proof of execution）以驗證程序是否正確運行，而無需實際運行該程序。Distaff是一個基於STARK的虛擬機。

對於在Distaff VM上執行的任何程序，會自動生成基於STARK的執行證明。然後，任何人都可以使用這個證明來驗證程序是否正確執行，而無需重新執行程序，甚至不需要知道程序是什麼。

Miden VM就採用了Distaff VM，並為其添加一個更有效的證明系統------Winterfell。Winterfell是一個功能齊全的多線程STARK證明器和驗證器，用於任意計算。本質上是性能更高的最新版本的STARK證明。

一旦開發完成，任何項目都可以在這個zk-rollup之上部署智能合約。

其他項目不同之處在於，Miden生成STARK證明。儘管使用STARK證明更貴，但它相對要更安全。Miden創始人還計劃進一步研究遞歸STARK證明，來降低其價格。

1、 Miden 的架構

• 交易首先會分發送給Miden的執行節點；
• 這些執行節點一次將5000筆交易捆綁到區塊中，並生成一個STARK證明；
• 每200筆交易捆綁的區塊生成一個STARK證明，證明交易的有效性；
• 最後將最終STARK證明結果上傳到L1以太坊來達成共識和確定性。

2、 Miden VM 的 亮點：

• 對 開發人員友好：Miden的目標是讓開發人員甚至無需學習任何有關密碼學或zk證明的知識，即可在此zkVM之上運行智能合約。
• 支持多種編程 語言：團隊正在努力增加對多種編程語言的支持，但同時保證Solidity優先。
• 以安全為中心：通過zk技術使Miden VM比EVM本身更安全。
• 以隱私為重點：雖然這不是現在的重點，但Miden團隊在路線圖部署了相關開發計劃。

據官網公布的信息，Miden預計於2023年第一季度推出。

總結：

最後，我們再簡單快速對比一下Polygon的四種zk擴容方案：

Polygon Zero開發了一種基於SNARK的遞歸證明系統Plonky2，這一技術能在Mac-Book Pro上以小於170毫秒的速度生成遞歸證明。在如此高效、快速的Plonky2證明系統上，Polygon Zero將最終開發最具可擴展性的zkEVM。

Hermez開發的zk rollup的特點是在交易過程中通過拍賣選擇協調者，競標成功的協調者為了盈利，會在單位時間內儘可能地進行交易，所以這一競爭機制會帶來交易上的高效。此外，Hermez也在開發zkEVM，且同時採用了SNARK和STARK兩種ZKP方案，力求兩全其美。

而Nightfall要更特殊一些，和其他zk解決方案最不同的一點是，Nightfall是以隱私為重點的rollup，他瞄準的客戶是企業。此外，Nightfall有效地將Optimistic Rollup的主幹概念與ZK-Rollups中常用的零知識(ZK)密碼學相結合，從而實現了可擴展性和隱私性的融合。

Miden最核心的產品是Miden VM，和其他rollup不同，它採用較為冷門的STARK證明系統來建設虛擬機，旨在解決rollup很難支持任意邏輯和交易的挑戰，提高驗證所有鏈下交易的能力。

目前，四個方案多處於開發和測試階段，都將於今年或明年正式上線。隨著前述新zk解決方案的投入使用，Layer2將很大程度解決此前技術方案落後的質疑，並在主流Layer2解決方案中佔有一席之地，為加密用戶帶來更多選擇空間。