摘要:StarkWare 主要解決了區塊鏈的可擴展性和隱私,主要產品有:StarkNet、StarkEx、Cairo。 StarkWare 簡介StarkWare 主要解決了區塊鏈的可擴展性和隱私. StarkWare 開發了一個完整的解決方案, 使用STARK 技術, 通過zk-Rollups 和…
StarkWare 主要解決了區塊鏈的可擴展性和隱私,主要產品有:StarkNet、StarkEx、Cairo。
StarkWare 簡介
StarkWare 主要解決了區塊鏈的可擴展性和隱私. StarkWare 開發了一個完整的解決方案, 使用STARK 技術, 通過zk-Rollups 和Validium 模式組成Volition 來生成和驗證計算完整性的證明. StarkWare 的密碼證明可以做到零知識、簡潔、透明和後量子安全. StarkWare 所研發的產品主要有: StarkNet, StarkEx, Cairo.
主要特點
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可拓展性
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StarkWare 允許區塊鏈通過依賴在雲中的鏈下證明者生成的加密證明進行大規模擴展, 然後通過鏈上智能合約進行驗證.
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隱私性
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zk-STARK 證明不會透露輸入的私人信息. 結合其他加密工具, zk-STARK 可以完全且可證明地保護用戶數據.
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用戶體驗
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通過Immutable和dYdX 的例子, 我們就可以體驗到StarkWare 所提供方案極強的拓展能力. DiversiFi 的支付TPS 可以達到18k,Immutable 的NFT 鑄造費用僅需0.2 美分, dYdX 的交易費用縮減到了1/50. 秒確認, 費率幾乎為0, 帶來了極佳的用戶體驗.
里程碑
2018: STARK 白皮書發布, 以太坊基金會Grant
2019: 第一個Demo 發布(擴大以太坊效率200倍), StarkEx Alpha 發布測試網, 第二個Demo 發布(擴大以太坊效率700倍)
2020: DeversiFi (StarkEx 1.0) 發布主網, VeeDo (基於Stark的VDF) 發布主網, StarkEx Rollup 發布主網, ethSTARK發布, Cairo (圖靈完備的針對STARK語言) 以及其PlayGround 發布, Ziggy STARK (後量子安全的安全簽名) 發布, StarkEx 2.0 發布主網
2021: StarkNet 公佈, dYdX 與Immutable X (均為StarkWare的客戶) 項目發布主網
不可變與 StarkWare
Immutable是第一個Layer 2 的NFT 交易平台. Tik Tok 在9月份與Immutable開展了合作, 發布了一系列NFT.
由於以太坊的本地吞吐量上限為4交易/秒, 限制了任何希望擴展的DApp. 對於NFT 來說, 吞吐量瓶頸甚至比普通Token 更大: 使用NFT, 一千個Token 實際上消耗區塊鏈資源的千倍於單個Token. iMMUTABLE 希望用以太坊原生解決方案來享受以太坊的安全, 開發工具和網絡效果, 所以採取了StarkWare 提供的解決方案.
StarkWare 提供的解決方案的獨特功能之一是它能夠以多種數據可用性模式進行部署: zk-Rollups 或Validium. 兩者都是基於有效性證明的, 但是在zk-Rollups 中, 所有數據都在鏈上提交, 而在Validium 中, 數據被保存在鏈外, 並且只有對最新狀態的提交, 以及該狀態有效性證明的鏈上提交.Immutable以Validium 模式開始, 提供更低的gas fee. 由於政策法規規定, 數據可用性委員會(DAC) 確保用戶始終可以訪問他們的數據. 所以Immutable切換到了Volition 的新數據可用性模式, 該模式將允許用戶以單一事務粒度選擇數據的存儲位置——鏈上(zk-Rollups) 或鏈下(Validium). 同時這樣的做法也最大化了性能的拓展.
在Tik Tok 與iMMUTABLE 的合作博客文章中, Tik Tok 特別提到了StarkWare 是第一個碳中和的L2 拓展解決方案. 在傳統互聯網公司的視角里, 環保是很重要的, 不環保是很容易受到抨擊的, 因此L2 高性能和節約資源的特性也能吸引傳統互聯網公司的目光, 給他們鋪平道路, 光明正大入局加密貨幣領域.
StarkWare 提供給Immutable的解決方案最終讓Tik Tok 這個目前最熱門的公司找上了iMMUTABLE 進行合作. StarkWare 所提供的兩種部署模式給了客戶數據保存方式的靈活性, 不僅符合法規, 同時也讓性能得以拓展. 更重要的是, 性能的拓展也讓以太坊飽受爭議的能耗問題得到了解決, 這會是Layer 2 的勝利, 更是StarkWare 的勝利. 在未來, 我們一定會看到更多的傳統企業選擇以太坊以及StarkWare 的方式進入區塊鏈領域.
StarkWare 應用為何有如此高的性能?
StarkWare 的Prover 有各種數學優化和StarkWare 首先提出的一些優化算法, 同時開發所用的Cairo 語言有專門數學相關的優化。除此之外交互數據送到Prover 之前會用StarkEx 引擎先協調一遍待證明的數據以及批處理. 整個運行流程都做到了全覆蓋的優化. 具體細節會在後文中詳細探討.
StarkWare 應用的去中心化程度?
StarkWare 的StarkNet 上的共識為zk-STARK. zk-Rollups 不一定是去中心化, 無准入限制的. 但是StarkWare 所使用的zk-STARK 是無准入限制的, 與以太坊等公鏈一樣. 在StarkWare 所做的應用中間過程是會存在一些中心化的服務器來提供一些服務. 但這在一個完整應用的開發中是必要且無法去除的. 就像uniswap 必須得有個中心化的域名和前端一樣. 所以StarkWare 所做的dYdX, StarkNet 等依然是去中心化的.
zkSync 和StarkWare 對比
目前來看, StarkWare 無論是從性能還是目前的運行狀況, 都領先於zkSync. zkSync 和StarkWare 最大的區別還是運作理念. zkSync 的項目都是開源的, 而且團隊說自己被替代掉也無所謂, 只要能推動社區和以太坊的發展. StarkWare 公司是toB 中心化的運作方式, STARK 證明器目前只能StarkWare 公司使用, 而且做Cairo 這個語言其實也是不那麼對以太坊生態有利的做法(對開發者友好的做法應該是和zkSync 或Optimistic 一樣去做EVM 兼容).
zk-Rollups 與STARK 證明
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StarkWare 所使用的技術包含了zk-Rollups 以及zk-STARK. 這兩者不是同一個事物. STARK 即為zk-STARK, 是零知識證明的一種.
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StarkWare 傾向於稱自己的解決方案為Validity Rollups, 因為方案中不一定是用zk-Rollups. Validity Rollups 包含了Validium 和zk-Rollups. 這兩個的區別就是用戶數據是否上鍊.
STARK 通過允許開發人員將計算和存儲移出鏈來提高可伸縮性. 鏈外服務將能夠生成STARK 證明, 證明鏈外計算的完整性. 然後, 這些證據被放回鏈上, 供任何利益相關方驗證計算. 使用STARK 將大部分計算工作移出鏈, 允許現有區塊鏈基礎設施以指數級擴展, 同時保持計算完整性.
以太坊數據上鍊大致流程: 1000筆交易發送給以太坊每個節點→ 每個節點讀取1000筆交易→ 節點更新1000筆交易
zk-STARK 數據上鍊流程: 1000筆交易發送給zk-STARK → zk-STARK 作為證明者, 生成1個證明(*生成階段) → 節點作為驗證者讀取證明, 更新
*生成階段: 通常zk-STARK 證明需要以下過程生成證明. 驗證者的證明過程分為兩步: 第一步為計算完整性聲明經過算術後生成代數中間代碼表示, 第二步為經過測試後生成FRI (StarkWare Co-Founder 2017年所著論文中對證明的優化方法) , 之後經過加密算法後輸出可拓展的公開透明知識論據(也就是STARK). 簡而言之就是通過安全可信的環境以及優化算法生成一個可信並且高性能的證明.
zk-Rollups 與其他L2 方案比較
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根據嚴格定義來說, StarkWare 很多文檔中所使用的詞彙zk-Rollups 並不是一定採用零知識證明, 正確的描述是Validity Proofs (包含zk-Rollups 和Validium, 因為StarkWare 提供兩種模式). 為了避免術語的變動影響理解, 本文依照StarkWare 的文檔均將其相關表述為zk-Rollups.
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側鏈(Polygon 或xDai)
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優點: 即使用戶進行了大量交易, 主鏈上發生的只有兩個, 即存款和取款. 由於側鏈上的交易成本低於以太坊本身, 因此可以得到可擴展性.
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缺點: 授予創建新區塊的權力會帶來停止生產區塊的權力. 側鏈可以有阻止用戶提取資金的權力.
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狀態通道
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優點: 狀態通道的一個例子就是閃電網絡. 當參與者將在長時間內交換大量狀態更新時,狀態通道非常有用. 具有很強的隱私性, 因為之間的狀態只在通道內發生. 具有即時終結性, 只要結束就立馬終結.
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缺點: 狀態通道非常依賴於有效性, 比較適用於有一組確定參與者的應用程序.
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等離子體
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優點: Plasma 非常適合處理NFT, 因為每個NFT 都有一個唯一的ID. 側鏈的問題之一是共識機制可以停止出塊甚至鎖定用戶資金; Plasma 用戶可以調用Block root, 因此如果共識機制停止創建Block, 用戶仍然可以向以太坊索取資金.
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缺點: 如果許多用戶同時退出他們的Plasma 鏈, 他們可能會淹沒根鏈並使網絡擁塞. 諸如欺詐活動或網絡攻擊之類的事情可能會導致如此大規模的外流. 另一個缺點是缺乏複雜性, 用戶無法像在側鏈上那樣執行相同類型的複雜操作, 無法模擬完整以太坊環境.
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zk-匯總
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優點: 每次轉賬的費用很低. 比Plasma 和Optimistic Rollups 更快. 數據量更少帶來更高的吞吐量和可擴展性. 缺點:初始設置不去中心化(STARK 中沒有初始設置), 量子計算可能構成未來的黑客威脅(STARK 可以抗量子計算機)
對比完各個L2 解決方案後, 我們可以發現zk-Rollups 或許是最接近區塊鏈升級擴容的完美解決方案. 同時zk-Rollup 的為數不多的幾個缺點會在StarkWare 採用的zk-STARK 中得到修正.
STARK 與其他ZK 性能比較
ZK 證明中主要有SNARK, STARK, Bulletproof 三種. Bulletproofs 和STARK 不需要可信設置, STARK 使用公開可驗證的隨機性來創建不受信任的可驗證計算系統. 其中STARK 相較於其他兩種, 證明大小大非常多, 但在計算時的大小和證明速度上有很大優勢. 同時STARK 的安全性更高, 可以抗量子攻擊.
上圖是StarkWare 的Co-Founder 在宣講時放出的圖. 他們測試時使用的STARK 證明用圖裡服務器配置運行, 對比其他幾種包括SNARK 算法的性能都高出很多.
斯塔克網
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StarkNet Alpha 會在11 月上線以太坊主網.
區塊鏈瀏覽器: https://voyager.online
簡介
StarkNet 是一個去中心化, 無需許可即可加入且抗審查的L2 zk-Rollups, 支持以太坊上的通用計算. 它基於圖靈完備的Cairo 語言. 開發人員可以構建應用程序來實現App 業務邏輯並部署在StarkNet 上; 用戶可以將交易以與以太坊正常交易相同的方式發送到StarkNet 來執行. StarkNet 節點和參與者將受到經濟激勵, 以確保網絡高效公平運行.
所有StarkNet 交易將定期進行批處理, 交易在STARK 證明中得到證明, 最終在以太坊上進行驗證. 由於驗證STARK 證明所需的計算工作量與以太坊證明的計算量相比, 呈指數級小, 因此StarkNet 可以將以太坊擴展幾個數量級. 由於所有StarkNet 狀態轉換都將經過STARK 驗證,因此以太坊只接受最終有效的狀態轉換.
主要特點: 性能可拓展性, 開發便利, 針對以太坊生態的可組合性.
網絡生態
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編程語言Cairo: Cairo 是一門圖靈完備的高級編程語言和框架, 可以用於生成STARK 證明. 開發人員可以使用Cairo 來定義任何業務邏輯, 將交易送到Shared Prover Service 對邏輯進行鏈下驗證並在鏈上進行驗證. Cairo 已在主網上適合進行正式的項目開發, 可供開發人員使用.
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鏈下驗證服務Shared Prover Service: 在交易上鍊之前, 交易會送到Sharp 進行驗證, 判斷應用程序執行的完整性, 並且計算出分攤證明驗證的gas 費用.
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開源證明器ethSTARK: ethSTARK 提供零知識和後量子安全簽名. ethSTARK 在主網上的一個證明中處理30 萬筆交易, TPS 達到了3000. Rollup gas 效率也突破了世界紀錄達到315 gas/tx, 比以太坊L1 上的交易便宜幾個數量級. 這項技術是StarkNet 去中心化證明層的基石.
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第三方項目: 目前主要的第三方庫有StarkNet.js . StarkNet.js 的作用類似於Web3.js , 是用於前端獲取合約內容時使用的. 以太坊客戶端團隊正在做StarkNet 的完整節點實現. 同時目前StarkNet 網絡審計軟件包括CryptoExperts 和LEAN proof.
使用案例
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DeversiFi: 交易TPS 9k, 支付TPS 18k.
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Immutable: NFT 鑄造gas 0.2美分, 每日L2 交易> 每週L1 交易.
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dYdX: 每筆交易費用縮減50倍.
StarkEx
簡介
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StarkEx 類似一個底層引擎, 構成組件來支持使用STARK 的應用.
StarkEx 是可用於生產環境的L2 可擴展性引擎, 自2020 年6 月起部署在以太坊主網上. StarkEx 利用STARK 技術為DeFi 和遊戲等應用程序提供可擴展的自託管交易. StarkEx 支持廣泛的用例: 現貨交易, 永續交易以及NFT 鑄造和交易. 在主網部署之前,超過5000 萬筆StarkEx 交易在公共和私人以太坊測試網上結算.
StarkEx 目前支持ETH 代幣, ERC-20, ERC-721 代幣和合成資產. 此外, 它可以支持其他兼容EVM 的區塊鏈上的代幣.
特點
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可擴展性和計算完整性應用程序可以依賴StarkEx 和底層STARK 基礎設施來擴展, 同時StarkEx 確保計算完整性. 通過SHARP(共享證明器)技術, gas 成本在所有基於StarkEx 的應用程序中均攤銷.
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多樣化的部署模式StarkEx 可以部署zk-Rollups 模式(在鏈上發布數據) 或Validium 模式(通過側鏈驗證數據可用性). 還有即將推出的模式: Volition, 允許用戶為自己選擇數據可用性模式.
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錢包整合StarkWare 通過Ledger, Authereum 和WalletConnect 提供本地支持. StarkWare 還通過與Web3 兼容的密鑰生成(適用於許多其他現有錢包) 提供MetaMask 集成.
架構與業務邏輯
上圖是一個使用了StarkNet 和StarkEx 的典型應用的架構圖. 假設這個應用是一個叫Starkswap 的DEX.
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最左側黃色框內的應用—— 操作整個應用
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這個鏈下組件接收用戶交易並定義業務邏輯和執行順序. 它將交易傳遞給StarkEx 服務.
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這個組件是應用的中心化前端, 通常為Web 或客戶端.
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淡藍色框內的StarkEx 服務—— 批處理和協調
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一個鏈下組件, 負責批處理一組操作並根據操作更新系統狀態. 對於每個批次, 它會將這批操作(通過Cairo 語言執行, 先把Solidity 的字節碼轉化成Cairo 語言的智能合約, 在到Cairo 語言環境中運行) 發送到SHARP 以證明其有效性. 一旦證明得到驗證, 它就會在鏈上發布新的狀態. 狀態由默克爾樹表示. 每個Vault 的結構和內容根據實現的特定業務邏輯而有所不同. 默克爾樹根代表要提交到鏈上的狀態.
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SHARP —— 共享證明器(由StarkWare 專門為應用定制)
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SHARP 是Cairo 語言的共享證明服務. 它接收來自不同應用程序的證明請求並輸出證明以證明Cairo 代碼執行的有效性. 輸出證明可以在多個證明請求之間共享.
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這個組件此前的名字叫Generic Prover Service. 所以組件本質上是一個後端服務器, 包含了一些特定服務. 推測是部署在StarkWare 的中心化服務器上.
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StarkEx 合約( Verifier 合約) —— 狀態更新、存款和取款
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該合約有兩個主要功能. 第一個功能是在驗證滿足有效性條件後更新系統的狀態, 第二個功能是以非託管方式管理進出StarkEx 的存款和取款(任何情況下, 用戶都可以提取他們的資金).
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這個組件是以太坊上的一個智能合約.
Starkswap 的業務邏輯如下:
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處理請求淡藍色方框內的StarkWare 應用程序處理客戶請求, 將這些交易轉換為可證明的陳述, 並將這些發送給深藍色方框內的SHARP. 所有請求發送與處理都通過圖中第一步的API以及第二步中的批處理語句發送(一個批次可以編譯多個請求).
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SHARP 證明深藍色的SHARP 構造證明.
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登記證明SHARP 將證明傳輸到粉色框中的第三步的鏈上驗證者智能合約.
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註冊狀態轉換第四步中, StarkWare 應用程序在Starkswap 智能合約上進行應用狀態轉換. 第五步中, 為確保轉換的有效性(SHARP 的驗證), Starkswap 的智能合約確認轉換語句已在Verifier 智能合約中註冊.
功能與加密算法
https://docs.starkware.co/starkex-v3/crypto/stark-curve
功能細節:
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鏈下狀態:
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餘額樹和順序樹. 通過默克爾樹, 保證了資金狀態的安全和可信, 以及避免了雙花問題.
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流程說明:
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鏈上賬戶(賬戶的餘額在鏈外存儲和管理, 除非資金移入/移出鏈上賬戶. 從L1 的角度來看, 這些賬戶的資金都存儲在StarkEx 智能合約下.)
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鏈下賬戶(所有餘額指令作為L1 交易到達. 鏈上賬戶的一個特殊屬性是它不需要私鑰(stark 的私鑰), 所以智能合約是此類賬戶的”所有者”. 因此, L1 用戶和應用程序可以通過StarkEx 進行交易並與任何掛單匹配. 鏈上交易模式實現了StarkEx 應用程序和L1 應用程序之間的互操作性,可用於DeFi Pooling 或由流動性聚合器使用).
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StarkEx 特定概念:
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在StarkEx 中有很多概念與以太坊不同, 因此開發需要額外的學習.
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https://docs.starkware.co/starkex-v3/starkex-deep-dive/starkex-specific-concepts
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除此之外, StarkEx 還有信息加密, 批量閃電貸, DeFi pooling 等的特定操作.
加密算法:
STARK Elliptic Curve, Pedersen Hash Function, KDF. 通過使用以上的加密算法以及參考 https://github.com/authereum/starkware-monorepo/tree/starkex-3.0/packages/starkware-provider#walletconnect 的實例, 第三方錢包可以集成StarkEx.
開羅
簡介
Cairo 是第一個生成STARK 證明的生產級平台. 它是圖靈完備的, 而且非常高效. 要在StarkNet 上部署高性能並且低gas 費的Layer 2 應用組件就需要使用Cairo 來編寫應用程序. Cairo 語言不是一門專門的合約語言, 但是可以並且主要用來寫類似合約的內容.
zk-Rollups 當前的缺點是通用計算: 將智能合約邏輯直接移植到rollups 中更具挑戰性,因此只有有限的功能可用,例如轉移和交易. 然而, Cairo 填補了這個空缺, 可以將智能合約邏輯直接移植到rollups 中. zkSync 和Optimistic 的做法分別是讓rollups 做到EVM 兼容和EVM equivalency (更加全面並且進一步的EVM 兼容).
特點
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計算完整性
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計算完整性是代表了在沒有監管的情況下, 能保證計算的公正性. 保證Computational Integrity 的方法有五種: 銀行委託問責制(基於信譽, 審計等), 計算可重放性(例如比特幣和其他L1 公開所有交易), 可信執行環境(例如英特爾的SGX), 欺詐證明(Optimistic rollups, 介於委託問責和計算可重放性之間), 密碼學證明(zk-STARK). Cairo 語言經過多篇論文以及數學證明的驗證, 可以安全可信地生成zk-STARK 的證明來保證計算完整性.
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AIR (代數中間代碼表示)
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在STARK 證明的過程中, 需要用到很多設計代數證明的運算以及符號, Cairo 會通過編譯器把編程語言轉化為Cairo 字節代碼, 生成一個AIR 來包含所有的數學證明步驟, 最終生成結果. Cario 語言有配套的AIR 可視化工具, 來查看證明中的細節.
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語言設計
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Cario 語言的設計遵循Minimal Variable Language 的原則, 講究恰到好處. 同時做到了語言的表達性(便於開發者閱讀) 以及STARK 證明的生成效率. Cario 語言的設計也並非過於復雜, 僅有三個寄存器(PC, 分配指針, 幀指針), 和簡潔的指令集. Cario 語言也支持一些必要的功能, 包括函數, 遞歸, 分支, 判斷等. Cario 語言設計的感覺更加符合數學證明的邏輯, 更加工整.
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工具鏈
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編譯器 (https://github.com/NethermindEth/warp) , 虛擬機, 代碼編輯環境插件(VSCode上的代碼提示插件 https://github.com/ericglau/cairo-ls), 跟踪程序, 代碼示例 (https://github.com/starkware-libs/cairo-examples)。
語言生態
目前Cairo 語言的生態可以說非常全面但年輕. 在工具鏈方面一應俱全, 根據這些工具的GitHub 星數可以判斷出並沒有收穫很大的關注, 但是倉庫的開發者在持續更新, 基本在一到兩週內都有新的提交. 未來Cairo 語言會更加開放, 培養更多開發者後, 在StarkEx 引擎上寫Cairo 代碼的工作很可能從StarkWare 移交到開源開發者手裡, 這樣對StarkWare 應用的去中心化會有很大的意義.
更重要的是OpenZeppelin 正在做Cairo 語言的ERC-20, ERC-721 等基礎模版的實現 (https://github.com/OpenZeppelin/cairo-contracts). 這個實現的意義就是能方便開發者在此實現的基礎上開發, 能讓開發者放心且大膽地拷貝此實現, 迅捷開發並且不用過於擔心安全性. 從倉庫的commit 來看, OpenZeppelin 目前有專人來為Cairo 語言做支持, 證明OpenZeppelin 對StarkWare 生態的重視.
總結
作為一家Layer 2 解決方案提供商, StarkWare 做出了dYdX 和iMMUTABLE 這樣的爆款產品. 在各種解決方案中, StarkWare 的zk-STARK 技術支持了Layer 2 上最大的交易數量. 從Prover 的數學優化, Cairo 語言的數學優化, 到StarkEx 引擎的證明協調, StarkNet 作為一個去中心化zk-STARK 網絡, 提供了極高的性能, 做到完全運行流程的優化. StarkWare 通過前沿的技術和完整的技術服務, 支撐了Layer 2 應用龐大的交易量, 未來也必將擁抱開源, 做到更去中心化, 幫助了以太坊2.0 的建設.
相關鏈接:
不可變: https://www.immutable.com/blog/design-architecture, https://medium.com/starkware/starkex-now-for-nfts-bfdc9f4655a2
第 2 層: https://academy.moralis.io/blog/comparing-layer-2-ethereum-scaling-solutions, https://www.bcskill.com/index.php/archives/965.html, https://l2beat.com/faq/
ZK: https://ethereum.stackexchange.com/questions/59145/zk-snarks-vs-zk-starks-vs-bulletproofs-updated/63778, https://consensys.net/blog/blockchain-explained/zero-knowledge-proofs-starks-vs-snarks/, https://medium.com/unitychain/reveal-mysterious-zk-starks-42d00679c05b
斯塔克網: https://medium.com/starkware/on-the-road-to-starknet-a-permissionless-stark-powered-l2-zk-rollup-83be53640880, https://starkware.co/product/starknet/, https://medium.com/starkware/starknet-alpha-is-coming-to-mainnet-b825829eaf32
斯塔克: https://docs.starkware.co/starkex-v3/architecture/solution-architecture
開羅: https://medium.com/starkware/hello-cairo-3cb43b13b209, https://www.youtube.com/watch?v=QPNp8w9rx7o, https://arxiv.org/abs/2109.14534
zk同步: https://www.reddit.com/r/ethereum/comments/q8q822/ama_were_matter_labs_the_team_behind_zksync_the/, https://members.delphidigital.io/reports/ethereum-layer-2-rollup-debate-optimism-starkware-arbitrum-and-zksync/, https://twitter.com/KyberNetwork/status/1372593913786109953, https://blog.kyber.network/research-trade-offs-in-rollup-solutions-a1084d2b444
一般的: https://academy.moralis.io/blog/what-is-starkware-and-starks