区块链中文技术社区

Polygon zkEVM bridge技术文档

1. 引言

区块链互操作性是指链A与链B交互数据的能力。近年来区块链生态快速扩张，出现了大量具有不同属性的区块链网络，互操作性是区块链设计时的一个重要考虑指标。不具有互操作性，网络具有孤立于更大生态的风险，为此，激励了项目方研究和开发互操作性解决方案。每种互操作性解决方案具有不同的权衡和底层技术。本文由Polygon团队提供的解决方案，为Polygon zkEVM L2网络提供了原生的互操作性。

bridge为基础设施元素，允许L1与L2之间进行资产迁移和通信。从用户角度来看，bridge可在不改变资产数量或资产功能的情况下，将资产由网络A转移至网络B；bridge也可以在网络间发送data payload（即跨链消息传递）。

Polygon zkEVM这样的L2 rollups，其L2 State Transitions和交易的数据可用性 均由L1合约来保证，因此，若正确设计L2架构，可仅依赖于合约逻辑来同步bridge的两端，而不需要可信的链下relayer来跨网络同步bridge两端。需注意的是，本bridge方案必须在L2层包含相应的设计。

如图1所示，bridging interface为部署在L1和L2网络上的bridge合约，用户可用于：

  1. bridge assets（1）：在“origin”网络lock某资产，在“destination”网络的bridge合约中claim时，会mint出该资产的representative token。
  2. bridge assets的逆操作（2）：burn某资产的representative token，然后在“origin”网络中unlock其原始资产。
  3. 跨链通讯channel（3）：在L1和L2之间相互发送data payload。

2. Exit Merkle trees

bridge中包含了名为Global Exit Merkle Tree（GEMT）的默克尔树。在GEMT树中，每个叶子节点表示了特定网络的Exit Merkle Tree（EMT）.GEMT树中仅包含了2个叶子节点，一个对应为L1 EMT root，另一个对应为L2 EMT root。GEMT树的结构如图2所示：

GEMT为固定只有2个叶子节点的常规默克尔树，而EMT为append only sparse Merkle Trees（SMT）且具有固定的depth（Polygon zkEVM中设计depth为32）。SMT为大量使用的默克尔树，可在链上高效使用——详情见附录A。

特定网络EMT的每个叶子节点，表示了从该网络往外 bridge某资产（或某资产的representative token）或 发送某消息 的意图。EMT每个叶子节点为如下参数的abi encoded packed structure的keccak256哈希值

  1. uint8 leafType：0表示asset，1表示message。
  2. int32 originNetwork：为原始资产所属的Origin Network ID。
  3. address originAddress：若leafType=0，则为Origin network token address，其中“0x000…0000”保留为ether token address；若leafType=1，则为message的msg.sender。
  4. uint32 destinationNetwork：为bridging的destination网络ID。
  5. address destinationAddress：为目标网络中接收bridged asset的收款方地址。
  6. uint256 amount：bridge的token或ether数量。
  7. bytes32 metadataHash：为metadata哈希值。metadata将包含所转移资产信息或所转移message payload信息。

一旦某leaf添加到EMT中，将计算新的EMT root，以及新的GEMT root。GEMT root将在网络间同步，使得可在对方网络中证明leaf inclusion，并完成bridge操作。

3. 合约架构

大多数bridge架构都使用在双方网络上的智能合约来实现。但是，为同步二者的GEMT，有一部分bridge逻辑必须与L2 State管理架构进行集成。因此，为理解本brIdge方案，还需要考虑L2 State管理中涉及到的链下角色——如Sequencer、Aggregator以及PolygonZkEVM.sol合约。
此外，bridge架构中还包含以下元素：

  1. PolygonZkEVMBridge.sol合约：为bridging interface，允许用户与该bridge进行交互，并进行bridgeAsset/bridgeMessage/claimAsset/claimMessage等操作。每个网络都有一个PolygonZkEVMBridge.sol合约，并管理相应的EMT。
  2. PolygonZkEVMGlobalExitRoot.sol合约：管理GEMT树，充当GEMT树的历史存储库，具体为：

2.1 存储GEMT树，
2.2 每次由PolygonZkEVM.sol合约更新新的EMT（实际为更新L2 EMT）时，会计算新的GEMT root，
2.3 每次由L1的PolygonZkEVMBridge.sol合约更新新的EMT（实际为更新L1 EMT）时，会计算新的GEMT root。

  1. PolygonZkEVMGlobalExitRootL2.sol合约：为一种特殊的合约，用于跨网络同步GEMT和L2 EMT roots：

3.1 该合约中有storage slots来存储GEMT roots以及L2 EMT root。
3.2 该合约的特殊性在于：底层的zero-knowledge proving/verification系统可直接访问其storage slots，以确保由L1同步到L2（L1->L2）的GEMT的有效性，以及有L2同步到L1（L2->L1）的L2 EMT的有效性。

3.1 bridging数据流


图3展示了详细的bridge架构，以及为实现bridge操作的finality，双方网络是如何交互的。具体分为2种bridge操作：

  1. 由L1->L2的bridge操作
  2. 由L2->L1的bridge操作

3.1.1 由L1->L2的bridge操作


由L1->L2的bridge操作的基本流程为：

3.1.2 由L2->L1的bridge操作


由L2->L1的bridge操作的基本流程为：

3.2 L1/L2 PolygonZkEVMBridge.sol合约

PolygonZkEVMBridge.sol合约为特定网络用户的bridging interface，因此在每个网络都有一个PolygonZkEVMBridge.sol合约。

PolygonZkEVMBridge.sol合约具有：

PolygonZkEVMBridge.sol合约目前有2种bridge函数：

默认L2网络的账号是没有ether来支付交易手续费的，当claiming源自L1的Asset或Message时，调用L2 bridge合约claiming函数的 L2 claiming交易可以不支付gas费，由polygon zkEVM协议来资助。

PolygonZkEVMBridge.sol合约目前有2种claiming函数

3.2.1 bridgeAsset函数

bridgeAsset函数用于向另一网络转移资产：

function bridgeAsset(
    uint32 destinationNetwork,
     address destinationAddress,
     uint256 amount,
     address token,
     bool forceUpdateGlobalExitRoot,
     bytes calldata permitData
)

bridgeAsset函数参数有：


所bridge的资产类型有3种，对应的bridgeAsset有3条可能的执行流：

对应在bridgeAsset函数中的metadata具体表示为：
```javascript
// Encode metadata
metadata = abi.encode(
    _safeName(token),
    _safeSymbol(token),
    _safeDecimals(token)
);
```

最后的仔细步骤则是相同的，与资产类型无关。剩余的leaf参数有：

bridgeAsset流程中：

3.2.2 bridgeMessage函数

bridgeMessage函数用于向另一网络转移消息：

function bridgeMessage(
    uint32 destinationNetwork,
     address destinationAddress,
     bool forceUpdateGlobalExitRoot,
     bytes calldata metadata
)

bridgeMessage函数的参数有：

bridgeMessage函数将：

bridgeMessage函数与bridgeAsset函数的主要差异在于：

3.2.3 claimAsset函数

claimAsset函数用于claim源自另一网络bridge来的资产：

function claimAsset(
    bytes32[_DEPOSIT_CONTRACT_TREE_DEPTH] calldata smtProof,
     uint32 index,
     bytes32 mainnetExitRoot,
     bytes32 rollupExitRoot,
     uint32 originNetwork,
     address originTokenAddress,
     uint32 destinationNetwork,
     address destinationAddress,
     uint256 amount,
     bytes calldata metadata
)

claimAsset函数参数有：

// 以上数据参数，通过bridge service服务api提供

// Encode metadata，bridgeAsset本网络ERC-20 token
    metadata = abi.encode( 
    _safeName(token),
    _safeSymbol(token),
    _safeDecimals(token)
);

// claimAsset时，基于metadata构建相应的wrap token
// Get ERC20 metadata
(
    string memory name,
    string memory symbol,
    uint8 decimals
) = abi.decode(metadata, (string, string, uint8));

// Create a new wrapped erc20 using create2
TokenWrapped newWrappedToken = (new TokenWrapped){
    salt: tokenInfoHash
}(name, symbol, decimals);

claimAsset函数会根据用户提供的参数来验证相应leaf的有效性。
为避免重放攻击，需确保指定leaf仅能成功验证一次。PolygonZkEVMBridge.sol合约具有claimedBitMap map来存储每个已成功验证leaf index的nullifier bit，具体如图5所示：

为优化storage slots usage，claimedBitMap map中的每个条目会hold 256 nullifier bits for 256 already verified leaves。
认定 某指定leaf的merkle proof是有效的，需满足以下条件：

若该leaf验证成功，与该leaf index相应的claimedBitMap map中的bit将被nullified，后续的流程如图6所示：

与bridgeAsset一致，claimAsset根据资产类型不同，有3种可能的执行流程：

最终，无论是claim的是哪种资产，都会释放ClaimEvent事件。

3.2.4 claimMessage函数

claimMessage函数用于claim源自其它网络的message：

function claimMessage(
bytes32[_DEPOSIT_CONTRACT_TREE_DEPTH] calldata smtProof,
     uint32 index,
     bytes32 mainnetExitRoot,
     bytes32 rollupExitRoot,
     uint32 originNetwork,
     address originAddress,
     uint32 destinationNetwork,
     address destinationAddress,
     uint256 amount,
     bytes calldata metadata
)

与claimAsset函数类似，claimMessage会验证用户给定的leaf，由于二者的leaf格式是一样的，因此这2个函数的参数也是一样的。
与claimAsset函数一样，若leaf验证通过，通过设置相应leaf index对应在claimdBitMap map中的bit，来将相应leaf index nullified。
然后哦，底层会调用destinationAddress参数：

// Execute message
// Transfer ether
/* solhint-disable avoid-low-level-calls */
(bool success, ) = destinationAddress.call{value: amount}(
    abi.encodeCall(
        IBridgeMessageReceiver.onMessageReceived,
        (originAddress, originNetwork, metadata)
    )
);

可看出，为调用onMessageReceived函数设置了originAddress, originNetwork, metadata参数，且若message中包含了ether，相应的call value设置为amount参数。其中metadata参数为message payload。
注意，messaging service可用于将ether转移给Externally owned accounts（EOAs），但是，EOAs无法解析消息，因此message payload对其不可用。

最终，若message发送成功，则会释放ClaimEvent事件。

3.3 L2 PolygonZkEVMGlobalExitRoot.sol合约

PolygonZkEVMGlobalExitRoot.sol合约为L1合约，可计算和存储每个new GEMT root。为确保所添加的每个leaf在未来都可被验证，需要存储每个GEMT root。名为globalExitRootMap的map用来存储所有已计算的GEMT roots。

L1 PolygonZkEVMBridge.sol合约在验证leaf时，会从globalExitRootMap map中获取GEMT roots。

L1 PolygonZkEVMGlobalExitRoot.sol合约中updateExitRoot函数用于更新EMT roots并计算新的GEMT root，updateExitRoot函数会 由L1 PolygonZkEVM.sol合约 或 由L1 PolygonZkEVMBridge.sol合约 调用：

function updateExitRoot(bytes32 newRoot) external

最终，都会释放UpdateGlobalExitRoot事件。

3.4 L2 PolygonZkEVMGlobalExitRootL2.sol合约

L2 PolygonZkEVMGlobalExitRootL2.sol 合约 为部署在L2上的“特殊”合约。
【v1.1版本的bridge文档与当前的实现有出入】
Aggregator zkEVM node软件在执行完transactions batches时，可直接访问L2 PolygonZkEVMGlobalExitRootL2.sol 合约的lastRollupExitRoot storage slots。lastRollupExitRoot storage slots中存储的为L2 EMT root。
随后，该L2 EMT root会和L2 State transition proof一起，提交到L1 PolygonZkEVM.sol合约中。若该proof验证通过，则会更新L1 PolygonZkEVMGlobalExitRoot.sol合约中的new L2 EMT root，并计算new GEMT，从而使得L1 PolygonZkEVMBridge.sol合约可获得有效的GEMT roots来验证包含在aggregated batches中的user claim transactions。

附录A Gas efficient append only sparse Merkle tree

sparse Merkle tree基础只是可参看：
Sparse Merkle Tree
sparse Merkle tree为具有intractable size的Merkle tree，可以以有效的方式处理。假设它几乎是空的，事实上，最初它是空的。当它中的所有叶子都具有相同的零（空）值时，它被认为是空的，由于这种假设，可以通过log ⁡ 2 ( n ) log_2(n)log
2
​
(n)次哈希运算来计算root，其中n nn是树上的叶子数量。请注意，而对于non-sparse tree，需要2 n − 1 2n−12n−1次哈希运算才能计算root。在计算空树根的过程中，在每个level中，所有节点都将取相同的值，因此不需要计算每个level中的所有子树。当树的特定level的节点为空时，该节点的值都被命名为Zero Hash，并将表示具有x xx个零叶子的subtree。

以3层（8个叶子）的empty sparse Merkle tree为例，相应的Zero H按时list为：




参考资料

[1] polygon zkEVM Technical Document Bridge v.1.1

原文链接：https://blog.csdn.net/mutourend/article/details/129986151

当前页面是本站的「Google AMP」版。查看和发表评论请点击：完整版 »