ARK:一文讀懂StarkWare：dYdX 和 Immutable背后的 L2 方案_STA

作者：msfew，ForesightVentures

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、透明和后量子安全。StarkWare所研發的產品主要有：StarkNet、StarkEx、Cairo。

主要特點

可拓展性：StarkWare允許區塊鏈通過依賴在云中的鏈下證明者生成的加密證明進行大規模擴展，然后通過鏈上智能合約進行驗證。

隱私性：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。

用戶體驗：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)，StarkExAlpha發布測試網，第二個Demo發布(擴大以太坊效率700倍)

2020:DeversiFi(StarkEx1.0)發布主網，VeeDo(基于Stark的VDF)發布主網，StarkExRollup發布主網，ethSTARK發布，Cairo(圖靈完備的針對STARK語言)以及其PlayGround發布，ZiggySTARK(后量子安全的安全簽名)發布，StarkEx2.0發布主網

2021:StarkNet公布，dYdX與ImmutableX(均為StarkWare的客戶)項目發布主網

Immutable與StarkWare

iMMUTABLE是第一個Layer2的NFT交易平臺。TikTok在9月份與Immutable開展了合作，發布了一系列NFT。

由于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。對于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于單個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，所以采取了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.兩者都是基于有效性證明的，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，并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gasfee。由于政策法規規定，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。

過去一周主流Layer2中僅dYdX TVL實現增長，增幅為1.11%:7月8日消息，L2BEAT數據顯示，目前以太坊Layer2總鎖倉量為95.2億美元，7日降幅為2.83%。

其中鎖倉量前五分別為：Arbitrum One（鎖倉量57.2億美元，7日降幅2.72%）、Optimism（鎖倉量21.4億美元，7日降幅4.14%）、zkSync Era（鎖倉量6.81億美元，7日漲幅2.16%）、dYdX（鎖倉量3.48億美元，7日增幅1.11%）、Immutable X（鎖倉量9747萬美元，7日降幅3.52%）。[2023/7/8 22:25:33]

在TikTok與Immutable的合作博客文章中，TikTok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TikTok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Layer2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。具體細節會在后文中詳細探討。

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，無準入限制的。但是StarkWare所使用的zk-STARK是無準入限制的，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，都領先于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么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)。

以太坊證明服務EAS在Base區塊鏈上線:金色財經報道，以太坊證明服務Ethereum Attestation Service（EAS）在社交媒體宣布已在Base區塊鏈正式上線，Base鏈上開發者現在可以探索去中心化身份功能，在dApp中構建證明服務，并利用EAS獲得更便捷的第三方信息信任和驗證。[2023/5/26 10:41:07]

zk-Rollups與STARK證明

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。

StarkWare傾向于稱自己的解決方案為ValidityRollups，因為方案中不一定是用zk-Rollups。ValidityRollups包含了Validium和zk-Rollups。這兩個的區別就是用戶數據是否上鏈。

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。然后，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。

以太坊數據上鏈大致流程：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數據上鏈流程：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后生成代數中間代碼表示，第二步為經過測試后生成FRI(StarkWareCo-Founder2017年所著論文中對證明的優化方法)，之后經過加密算法后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并且高性能的證明。

zk-Rollups與其他L2方案比較

根據嚴格定義來說，StarkWare很多文檔中所使用的詞匯zk-Rollups?并不是一定采用零知識證明，正確的描述是ValidityProofs(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。

側鏈(Polygon或xDai)

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。由于側鏈上的交易成本低于以太坊本身，因此可以得到可擴展性。

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。

狀態通道

鄒傳偉：《Web3 經濟與代幣化未來》白皮書將于今日發布，一切價值皆可代幣化:4月15日消息，2023 香港 Web3 嘉年華《代幣化未來》主題論壇中萬向區塊鏈首席經濟學家鄒傳偉發表Web3 新經濟和代幣化主旨演講，其在演講中宣布萬向區塊鏈將于今日發布《Web3 經濟與代幣化未來》白皮書，白皮書將從 Web3 底層邏輯和進化趨勢切入，討論一切價值皆可代幣化的前景，探討代幣經濟學涉及的貨幣政策和機制設計等問題。

鄒傳偉在演講中表示，下一個 15 年 Web3 新經濟中新的發展中心是 Web3 應用，且代幣化范圍會擴大，一切價值皆可代幣化。代幣化的 4 種主要方式包括：代幣代表使用權、NFT 代表身份證明和能力證明等、代幣代表鏈外價值、代幣代表收益權。代幣的真實價值有 5 個方面，包含代幣發行、代幣使用權、代幣流通、代幣股權屬性、代幣治理屬性。[2023/4/15 14:05:45]

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。

缺點：狀態通道非常依賴于有效性，比較適用于有一組確定參與者的應用程序。

Plasma

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Blockroot，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。

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并使網絡擁塞。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。另一個缺點是缺乏復雜性，用戶無法像在側鏈上那樣執行相同類型的復雜操作，無法模擬完整以太坊環境。

zk-Rollups

優點：每次轉賬的費用很低。比Plasma和OptimisticRollups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解決方案后，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采用的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相較于其他兩種，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。

數據：當前比特幣總持幣地址數達5268萬:金色財經報道，當前比特幣全網算力達257.53 EH/s；比特幣全網難度為35.36 T；比特幣24h交易筆數25,023；24h活躍地址數112,270；24h新增地址數49,437；比特幣持幣地址數52,679,706。[2022/12/23 22:03:23]

上圖是StarkWare的Co-Founder在宣講時放出的圖。他們測試時使用的STARK證明用圖里服務器配置運行，對比其他幾種包括SNARK算法的性能都高出很多。

StarkNet

StarkNetAlpha會?在11月上線以太坊主網。(區塊鏈瀏覽器)

簡介

StarkNet是一個去中心化，無需許可即可加入且抗審查的L2zk-Rollups,支持以太坊上的通用計算。它基于圖靈完備的Cairo語言。開發人員可以構建應用程序來實現App業務邏輯并部署在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。由于驗證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。由于所有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

編程語言Cairo:Cairo是一門圖靈完備的高級編程語言和框架，可以用于生成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SharedProverService對邏輯進行鏈下驗證并在鏈上進行驗證。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。

鏈下驗證服務SharedProverService:在交易上鏈之前，交易會送到Sharp進行驗證，判斷應用程序執行的完整性，并且計算出分攤證明驗證的gas費用。

開源證明器ethSTARK:ethSTARK提供零知識和后量子安全簽名。ethSTARK在主網上的一個證明中處理30萬筆交易，TPS達到了3000.Rollupgas效率也突破了世界紀錄達到315gas/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。

第三方項目：目前主要的第三方庫有StarkNet.js。StarkNet.js的作用類似于Web3.js，是用于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LEANproof。

Casa創始人：不能保證比特幣的價值會繼續上升，但法幣的價值將繼續下降:金色財經報道，加密錢包服務Casa創始人Jameson Lopp在社交媒體上稱，不能保證比特幣的價值會繼續上升。然而，可以肯定，法幣的價值將繼續下降。[2022/9/26 7:20:27]

使用案例

DeversiFi:交易TPS9k,支付TPS18k.2.Immutable:NFT鑄造gas0.2美分，每日L2交易>每周L1交易。

dYdX:每筆交易費用縮減50倍。

StarkEx

簡介

StarkEx類似一個底層引擎，構成組件來支持使用STARK的應用。

StarkEx是可用于生產環境的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和游戲等應用程序提供可擴展的自托管交易。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

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技術，gas成本在所有基于StarkEx的應用程序中均攤銷。

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。

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(適用于許多其他現有錢包)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。

最左側黃色框內的應用——操作整個應用：這個鏈下組件接收用戶交易并定義業務邏輯和執行順序。它將交易傳遞給StarkEx服務。這個組件是應用的中心化前端，通常為Web或客戶端。

淡藍色框內的StarkEx服務——批處理和協調：一個鏈下組件，負責批處理一組操作并根據操作更新系統狀態。對于每個批次，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。

SHARP——共享證明器(由StarkWare專門為應用定制)：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并輸出證明以證明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。這個組件此前的名字叫GenericProverService.所以組件本質上是一個后端服務器，包含了一些特定服務。推測是部署在StarkWare的中心化服務器上。

StarkEx合約(Verifier合約)——狀態更新、存款和取款：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后更新系統的狀態，第二個功能是以非托管方式管理進出StarkEx的存款和取款(任何情況下，用戶都可以提取他們的資金)。這個組件是以太坊上的一個智能合約。

Starkswap的業務邏輯如下：

1.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，并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)。

2.SHARP證明：

深藍色的SHARP構造證明。

3.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。

4.注冊狀態轉換：

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智能合約中注冊。

功能與加密算法

https://docs.starkware.co/starkex-v3/crypto/stark-curve

功能細節：

鏈下狀態：余額樹和順序樹。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。

FlowDescription:

鏈上賬戶(賬戶的余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。)

鏈下賬戶(所有余額指令作為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進行交易并與任何掛單匹配。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，可用于DeFiPooling或由流動性聚合器使用).

StarkEx特定概念：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。

除此之外，StarkEx還有信息加密、批量閃電貸、DeFipooling等的特定操作。

加密算法：STARKEllipticCurve、PedersenHashFunction、KDF。通過使用以上的加密算法以及?參考?實例，第三方錢包可以集成StarkEx。

Cairo

簡介

Cairo是第一個生成STARK證明的生產級平臺。它是圖靈完備的，而且非常高效。要在StarkNet上部署高性能并且低gas費的Layer2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，但是可以并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EVMequivalency(更加全面并且進一步的EVM兼容).

特點

1、計算完整性

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ComputationalIntegrity的方法有五種：銀行委托問責制(基于信譽，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(Optimisticrollups,介于委托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。

2、AIR(代數中間代碼表示)

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。

3、語言設計

Cario語言的設計遵循MinimalVariableLanguage的原則，講究恰到好處。同時做到了語言的表達性(便于開發者閱讀)以及STARK證明的生成效率。Cario語言的設計也并非過于復雜，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。

4、工具鏈

編譯器、虛擬機、代碼編輯環境插件(VSCode上的代碼提示?插件)、跟蹤程序、代碼示例。

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星數可以判斷出并沒有收獲很大的關注，但是倉庫的開發者在持續更新，基本在一到兩周內都有新的提交。未來Cairo語言會更加開放，培養更多開發者后，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里，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。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，迅捷開發并且不用過于擔心安全性。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Layer2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Layer2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Layer2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。

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