STA:一文读懂StarkWare：dYdX 和 Immutable背后的 L2 方案

作者：msfew，ForesightVentures

StarkWare简介

StarkWare主要解决了区块链的可扩展性和隐私。StarkWare开发了一个完整的解决方案，使用STARK技术，通过zk-Rollups和Validium模式组成Volition来生成和验证计算完整性的证明。StarkWare的密码证明可以做到零知识、简洁、透明和后量子安全。StarkWare所研发的产品主要有：StarkNet、StarkEx、Cairo。

主要特点

可拓展性：StarkWare允许区块链通过依赖在云中的链下证明者生成的加密证明进行大规模扩展，然后通过链上智能合约进行验证。

隐私性：zk-STARK证明不会透露输入的私人信息。结合其他加密工具，zk-STARK可以完全且可证明地保护用户数据。

用户体验：通过?Immutable?和?dYdX?的例子，我们就可以体验到StarkWare所提供方案极强的拓展能力。DiversiFi的支付TPS可以达到18k，Immutable的NFT铸造费用仅需0.2美分，dYdX的交易费用缩减到了1/50。秒确认，费率几乎为0，带来了极佳的用户体验。

里程碑

2018:STARK白皮书发布，以太坊基金会Grant

2019:第一个Demo发布(扩大以太坊效率200倍)，StarkExAlpha发布测试网，第二个Demo发布(扩大以太坊效率700倍)

2020:DeversiFi(StarkEx1.0)发布主网，VeeDo(基于Stark的VDF)发布主网，StarkExRollup发布主网，ethSTARK发布，Cairo(图灵完备的针对STARK语言)以及其PlayGround发布，ZiggySTARK(后量子安全的安全签名)发布，StarkEx2.0发布主网

2021:StarkNet公布，dYdX与ImmutableX(均为StarkWare的客户)项目发布主网

Immutable与StarkWare

iMMUTABLE是第一个Layer2的NFT交易平台。TikTok在9月份与Immutable开展了合作，发布了一系列NFT。

由于以太坊的本地吞吐量上限为4交易/秒，限制了任何希望扩展的DApp。对于NFT来说，吞吐量瓶颈甚至比普通Token更大：使用NFT,一千个Token实际上消耗区块链资源的千倍于单个Token。Immutable希望用以太坊原生解决方案来享受以太坊的安全，开发工具和网络效果，所以采取了StarkWare提供的解决方案。

StarkWare提供的解决方案的独特功能之一是它能够以多种数据可用性模式进行部署：zk-Rollups或Validium.两者都是基于有效性证明的，但是在zk-Rollups中，所有数据都在链上提交，而在Validium中，数据被保存在链外，并且只有对最新状态的提交，以及该状态有效性证明的链上提交。Immutable以Validium模式开始，提供更低的gasfee。由于政策法规规定，数据可用性委员会(DAC)确保用户始终可以访问他们的数据。所以Immutable切换到了Volition的新数据可用性模式，该模式将允许用户以单一事务粒度选择数据的存储位置——链上(zk-Rollups)或链下(Validium).同时这样的做法也最大化了性能的拓展。

MULTI短时拉升逼近5 USDT，24小时涨幅为43.33%:金色财经报道，行情显示，MULTI短线拉升，最高至4.97 USDT；现报4.73 USDT，24小时涨幅为43.33%。[2023/5/28 9:47:16]

在TikTok与Immutable的合作博客文章中，TikTok特别提到了StarkWare是第一个碳中和的L2拓展解决方案。在传统互联网公司的视角里，环保是很重要的，不环保是很容易受到抨击的，因此L2高性能和节约资源的特性也能吸引传统互联网公司的目光，给他们铺平道路，光明正大入局加密货币领域。

StarkWare提供给Immutable的解决方案最终让TikTok这个目前最热门的公司找上了Immutable进行合作。StarkWare所提供的两种部署模式给了客户数据保存方式的灵活性，不仅符合法规，同时也让性能得以拓展。更重要的是，性能的拓展也让以太坊饱受争议的能耗问题得到了解决，这会是Layer2的胜利，更是StarkWare的胜利。在未来，我们一定会看到更多的传统企业选择以太坊以及StarkWare的方式进入区块链领域。

StarkWare应用为何有如此高的性能？

StarkWare的Prover有各种数学优化和StarkWare首先提出的一些优化算法，同时开发所用的Cairo语言有专门数学相关的优化。除此之外，交互数据送到Prover之前会用StarkEx引擎先协调一遍待证明的数据以及批处理。整个运行流程都做到了全覆盖的优化。具体细节会在后文中详细探讨。

StarkWare应用的去中心化程度？

StarkWare的StarkNet上的共识为zk-STARK.zk-Rollups不一定是去中心化，无准入限制的。但是StarkWare所使用的zk-STARK是无准入限制的，与以太坊等公链一样。在StarkWare所做的应用中间过程是会存在一些中心化的服务器来提供一些服务。但这在一个完整应用的开发中是必要且无法去除的。就像uniswap必须得有个中心化的域名和前端一样。所以StarkWare所做的dYdX,StarkNet等依然是去中心化的。

zkSync和StarkWare对比

目前来看，StarkWare无论是从性能还是目前的运行状况，都领先于zkSync。zkSync和StarkWare最大的区别还是运作理念。zkSync的项目都是开源的，而且团队说自己被替代掉也无所谓，只要能推动社区和以太坊的发展。StarkWare公司是toB中心化的运作方式，STARK证明器目前只能StarkWare公司使用，而且做Cairo这个语言其实也是不那么对以太坊生态有利的做法(对开发者友好的做法应该是和zkSync或Optimistic一样去做EVM兼容)。

zk-Rollups与STARK证明

StarkWare所使用的技术包含了zk-Rollups以及zk-STARK。这两者不是同一个事物。STARK即为zk-STARK,是零知识证明的一种。

NFT借贷平台NFTfi已对所有历史活动进行快照:4月15日消息，NFT借贷平台NFTfi在社交媒体宣布已对其平台上所有历史活动进行了快照，快照时间为美国东部时间4月13日上午11:52（区块17039465）左右，覆盖了平台上所有历史借贷活动，此快照提供了NFTfi平台自成立以来发生的借贷交易的全面视图，数据显示平台有约3,247个借款方和1,603个贷款方。通常拍摄快照被视为一种捕获等待奖励用户的方式（比如实施空投代币或NFT），但截止目前NFTfi尚未披露本次快照的相关细节。[2023/4/15 14:05:21]

StarkWare倾向于称自己的解决方案为ValidityRollups，因为方案中不一定是用zk-Rollups。ValidityRollups包含了Validium和zk-Rollups。这两个的区别就是用户数据是否上链。

STARK通过允许开发人员将计算和存储移出链来提高可伸缩性。链外服务将能够生成STARK证明，证明链外计算的完整性。然后，这些证据被放回链上，供任何利益相关方验证计算。使用STARK将大部分计算工作移出链，允许现有区块链基础设施以指数级扩展，同时保持计算完整性。

以太坊数据上链大致流程：1000笔交易发送给以太坊每个节点→每个节点读取1000笔交易→节点更新1000笔交易

zk-STARK数据上链流程：1000笔交易发送给zk-STARK→zk-STARK作为证明者，生成1个证明(*生成阶段)→节点作为验证者读取证明，更新

生成阶段：通常zk-STARK证明需要以下过程生成证明。验证者的证明过程分为两步：第一步为计算完整性声明经过算术后生成代数中间代码表示，第二步为经过测试后生成FRI(StarkWareCo-Founder2017年所著论文中对证明的优化方法)，之后经过加密算法后输出可拓展的公开透明知识论据(也就是STARK).简而言之就是通过安全可信的环境以及优化算法生成一个可信并且高性能的证明。

zk-Rollups与其他L2方案比较

根据严格定义来说，StarkWare很多文档中所使用的词汇zk-Rollups?并不是一定采用零知识证明，正确的描述是ValidityProofs(包含zk-Rollups和Validium,因为StarkWare提供两种模式).为了避免术语的变动影响理解，本文依照StarkWare的文档均将其相关表述为zk-Rollups。

侧链(Polygon或xDai)

优点：即使用户进行了大量交易，主链上发生的只有两个，即存款和取款。由于侧链上的交易成本低于以太坊本身，因此可以得到可扩展性。

缺点：授予创建新区块的权力会带来停止生产区块的权力。侧链可以有阻止用户提取资金的权力。

状态通道

优点：状态通道的一个例子就是闪电网络。当参与者将在长时间内交换大量状态更新时，状态通道非常有用。具有很强的隐私性，因为之间的状态只在通道内发生。具有即时终结性，只要结束就立马终结。

《纽约邮报》：SBF在被软禁期间与《大空头》作者进行过会谈:金色财经报道，据《纽约邮报》消息，SBF在被软禁期间与《大空头》作者Michael Lewis进行过会谈。

据此前报道，Apple即将与Michael Lewis就其《堕落的加密货币之王SamBankman-Fried&FTX》的图书达成版权交易，有望拍成故事片。Apple击败了Netflix和亚马逊等强力竞争对手，交易金额约在七位数。[2022/12/28 22:11:43]

缺点：状态通道非常依赖于有效性，比较适用于有一组确定参与者的应用程序。

Plasma

优点：Plasma非常适合处理NFT，因为每个NFT都有一个唯一的ID。侧链的问题之一是共识机制可以停止出块甚至锁定用户资金;Plasma用户可以调用Blockroot，因此如果共识机制停止创建Block，用户仍然可以向以太坊索取资金。

缺点：如果许多用户同时退出他们的Plasma链，他们可能会淹没根链并使网络拥塞。诸如欺诈活动或网络攻击之类的事情可能会导致如此大规模的外流。另一个缺点是缺乏复杂性，用户无法像在侧链上那样执行相同类型的复杂操作，无法模拟完整以太坊环境。

zk-Rollups

优点：每次转账的费用很低。比Plasma和OptimisticRollups更快。数据量更少带来更高的吞吐量和可扩展性。

缺点：初始设置不去中心化(STARK中没有初始设置),量子计算可能构成未来的黑客威胁(STARK可以抗量子计算机)

对比完各个L2解决方案后，我们可以发现zk-Rollups或许是最接近区块链升级扩容的完美解决方案。同时zk-Rollup的为数不多的几个缺点会在StarkWare采用的zk-STARK中得到修正。

STARK与其他ZK性能比较

ZK证明中主要有SNARK,STARK,Bulletproof三种。Bulletproofs和STARK不需要可信设置，STARK使用公开可验证的随机性来创建不受信任的可验证计算系统。其中STARK相较于其他两种，证明大小大非常多，但在计算时的大小和证明速度上有很大优势。同时STARK的安全性更高，可以抗量子攻击。

上图是StarkWare的Co-Founder在宣讲时放出的图。他们测试时使用的STARK证明用图里服务器配置运行，对比其他几种包括SNARK算法的性能都高出很多。

StarkNet

StarkNetAlpha会?在11月上线以太坊主网。(区块链浏览器)

简介

StarkNet是一个去中心化，无需许可即可加入且抗审查的L2zk-Rollups,支持以太坊上的通用计算。它基于图灵完备的Cairo语言。开发人员可以构建应用程序来实现App业务逻辑并部署在StarkNet上;用户可以将交易以与以太坊正常交易相同的方式发送到StarkNet来执行。StarkNet节点和参与者将受到经济激励，以确保网络高效公平运行。

Bitstamp USA首席执行官：本周ETH交易量增长由机构主导:9月18日消息，Bitstamp USA首席执行官Bobby Zagotta表示：“就本周ETH的交易量增长而言，它实际上是由机构主导的，这是我们交易所业务的重要组成部分。机构的交易量增加了大约56%，而我认为，散户的交易量增加了35%。”（CoinDesk）[2022/9/19 7:04:41]

所有StarkNet交易将定期进行批处理，交易在STARK证明中得到证明，最终在以太坊上进行验证。由于验证STARK证明所需的计算工作量与以太坊证明的计算量相比，呈指数级小，因此StarkNet可以将以太坊扩展几个数量级。由于所有StarkNet状态转换都将经过STARK验证，因此以太坊只接受最终有效的状态转换。

主要特点：性能可拓展性，开发便利，针对以太坊生态的可组合性。

网络生态

编程语言Cairo:Cairo是一门图灵完备的高级编程语言和框架，可以用于生成STARK证明。开发人员可以使用Cairo来定义任何业务逻辑，将交易送到SharedProverService对逻辑进行链下验证并在链上进行验证。Cairo已在主网上适合进行正式的项目开发，可供开发人员使用。

链下验证服务SharedProverService:在交易上链之前，交易会送到Sharp进行验证，判断应用程序执行的完整性，并且计算出分摊证明验证的gas费用。

开源证明器ethSTARK:ethSTARK提供零知识和后量子安全签名。ethSTARK在主网上的一个证明中处理30万笔交易，TPS达到了3000.Rollupgas效率也突破了世界纪录达到315gas/tx,比以太坊L1上的交易便宜几个数量级。这项技术是StarkNet去中心化证明层的基石。

第三方项目：目前主要的第三方库有StarkNet.js。StarkNet.js的作用类似于Web3.js，是用于前端获取合约内容时使用的。以太坊客户端团队正在做StarkNet的完整节点实现。同时目前StarkNet网络审计软件包括CryptoExperts和LEANproof。

使用案例

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

dYdX:每笔交易费用缩减50倍。

StarkEx

简介

StarkEx类似一个底层引擎，构成组件来支持使用STARK的应用。

StarkEx是可用于生产环境的L2可扩展性引擎，自2020年6月起部署在以太坊主网上。StarkEx利用STARK技术为DeFi和游戏等应用程序提供可扩展的自托管交易。StarkEx支持广泛的用例：现货交易，永续交易以及NFT铸造和交易。在主网部署之前，超过5000万笔StarkEx交易在公共和私人以太坊测试网上结算。

公链项目Aptos激励测试网3将于8月30日上线:金色财经消息，公链项目Aptos激励测试网3将于今日启动注册，开始节点和身份验证，至8月26日注册结束，8月27日公布评选结果。激励测试网3将于8月30日上线，9月9日结束测试。[2022/8/19 12:36:15]

StarkEx目前支持ETH代币，ERC-20,ERC-721代币和合成资产。此外，它可以支持其他兼容EVM的区块链上的代币。

特点

可扩展性和计算完整性：应用程序可以依赖StarkEx和底层STARK基础设施来扩展，同时StarkEx确保计算完整性。通过SHARP技术，gas成本在所有基于StarkEx的应用程序中均摊销。

多样化的部署模式：StarkEx可以部署zk-Rollups模式(在链上发布数据)或Validium模式(通过侧链验证数据可用性).还有即将推出的模式：Volition,允许用户为自己选择数据可用性模式。

钱包整合：StarkWare通过Ledger,Authereum和WalletConnect提供本地支持。StarkWare还通过与Web3兼容的密钥生成(适用于许多其他现有钱包)提供MetaMask集成。

架构与业务逻辑

上图是一个使用了StarkNet和StarkEx的典型应用的架构图。假设这个应用是一个叫Starkswap的DEX。

最左侧黄色框内的应用——操作整个应用：这个链下组件接收用户交易并定义业务逻辑和执行顺序。它将交易传递给StarkEx服务。这个组件是应用的中心化前端，通常为Web或客户端。

淡蓝色框内的StarkEx服务——批处理和协调：一个链下组件，负责批处理一组操作并根据操作更新系统状态。对于每个批次，它会将这批操作(通过Cairo语言执行，先把Solidity的字节码转化成Cairo语言的智能合约，在到Cairo语言环境中运行)发送到SHARP以证明其有效性。一旦证明得到验证，它就会在链上发布新的状态。状态由默克尔树表示。每个Vault的结构和内容根据实现的特定业务逻辑而有所不同。默克尔树根代表要提交到链上的状态。

SHARP——共享证明器(由StarkWare专门为应用定制)：SHARP是Cairo语言的共享证明服务。它接收来自不同应用程序的证明请求并输出证明以证明Cairo代码执行的有效性。输出证明可以在多个证明请求之间共享。这个组件此前的名字叫GenericProverService.所以组件本质上是一个后端服务器，包含了一些特定服务。推测是部署在StarkWare的中心化服务器上。

StarkEx合约(Verifier合约)——状态更新、存款和取款：该合约有两个主要功能。第一个功能是在验证满足有效性条件后更新系统的状态，第二个功能是以非托管方式管理进出StarkEx的存款和取款(任何情况下，用户都可以提取他们的资金)。这个组件是以太坊上的一个智能合约。

Starkswap的业务逻辑如下：

1.处理请求：

淡蓝色方框内的StarkWare应用程序处理客户请求，将这些交易转换为可证明的陈述，并将这些发送给深蓝色方框内的SHARP.所有请求发送与处理都通过图中第一步的API以及第二步中的批处理语句发送(一个批次可以编译多个请求)。

2.SHARP证明：

深蓝色的SHARP构造证明。

3.登记证明：

SHARP将证明传输到粉色框中的第三步的链上验证者智能合约。

4.注册状态转换：

第四步中，StarkWare应用程序在Starkswap智能合约上进行应用状态转换。第五步中，为确保转换的有效性(SHARP的验证),Starkswap的智能合约确认转换语句已在Verifier智能合约中注册。

功能与加密算法

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

功能细节：

链下状态：余额树和顺序树。通过默克尔树，保证了资金状态的安全和可信，以及避免了双花问题。

FlowDescription:

链上账户(账户的余额在链外存储和管理，除非资金移入/移出链上账户。从L1的角度来看，这些账户的资金都存储在StarkEx智能合约下。)

链下账户(所有余额指令作为L1交易到达。链上账户的一个特殊属性是它不需要私钥(stark的私钥),所以智能合约是此类账户的"所有者".因此，L1用户和应用程序可以通过StarkEx进行交易并与任何挂单匹配。链上交易模式实现了StarkEx应用程序和L1应用程序之间的互操作性，可用于DeFiPooling或由流动性聚合器使用).

StarkEx特定概念：在?StarkEx中有很多概念?与以太坊不同，因此开发需要额外的学习。

除此之外，StarkEx还有信息加密、批量闪电贷、DeFipooling等的特定操作。

加密算法：STARKEllipticCurve、PedersenHashFunction、KDF。通过使用以上的加密算法以及?参考?实例，第三方钱包可以集成StarkEx。

Cairo

简介

Cairo是第一个生成STARK证明的生产级平台。它是图灵完备的，而且非常高效。要在StarkNet上部署高性能并且低gas费的Layer2应用组件就需要使用Cairo来编写应用程序。Cairo语言不是一门专门的合约语言，但是可以并且主要用来写类似合约的内容。

zk-Rollups当前的缺点是通用计算：将智能合约逻辑直接移植到rollups中更具挑战性，因此只有有限的功能可用，例如转移和交易。然而，Cairo填补了这个空缺，可以将智能合约逻辑直接移植到rollups中。zkSync和Optimistic的做法分别是让rollups做到EVM兼容和EVMequivalency(更加全面并且进一步的EVM兼容).

特点

1、计算完整性

计算完整性是代表了在没有监管的情况下，能保证计算的公正性。保证ComputationalIntegrity的方法有五种：银行委托问责制(基于信誉，审计等),计算可重放性(例如比特币和其他L1公开所有交易),可信执行环境(例如英特尔的SGX),欺诈证明(Optimisticrollups,介于委托问责和计算可重放性之间),密码学证明(zk-STARK).Cairo语言经过多篇论文以及数学证明的验证，可以安全可信地生成zk-STARK的证明来保证计算完整性。

2、AIR(代数中间代码表示)

在STARK证明的过程中，需要用到很多设计代数证明的运算以及符号，Cairo会通过编译器把编程语言转化为Cairo字节代码，生成一个AIR来包含所有的数学证明步骤，最终生成结果。Cario语言有配套的AIR可视化工具，来查看证明中的细节。

3、语言设计

Cario语言的设计遵循MinimalVariableLanguage的原则，讲究恰到好处。同时做到了语言的表达性(便于开发者阅读)以及STARK证明的生成效率。Cario语言的设计也并非过于复杂，仅有三个寄存器(PC,分配指针，帧指针),和简洁的指令集。Cario语言也支持一些必要的功能，包括函数，递归，分支，判断等。Cario语言设计的感觉更加符合数学证明的逻辑，更加工整。

4、工具链

编译器、虚拟机、代码编辑环境插件(VSCode上的代码提示?插件)、跟踪程序、代码示例。

语言生态

目前Cairo语言的生态可以说非常全面但年轻。在工具链方面一应俱全，根据这些工具的GitHub星数可以判断出并没有收获很大的关注，但是仓库的开发者在持续更新，基本在一到两周内都有新的提交。未来Cairo语言会更加开放，培养更多开发者后，在StarkEx引擎上写Cairo代码的工作很可能从StarkWare移交到开源开发者手里，这样对StarkWare应用的去中心化会有很大的意义。

更重要的是OpenZeppelin正在做Cairo语言的ERC-20、ERC-721等基础模版的?实现。这个实现的意义就是能方便开发者在此实现的基础上开发，能让开发者放心且大胆地拷贝此实现，迅捷开发并且不用过于担心安全性。从仓库的commit来看，OpenZeppelin目前有专人来为Cairo语言做支持，证明OpenZeppelin对StarkWare生态的重视。

总结

作为一家Layer2解决方案提供商，StarkWare做出了dYdX和Immutable这样的爆款产品。在各种解决方案中，StarkWare的zk-STARK技术支持了Layer2上最大的交易数量。从Prover的数学优化，Cairo语言的数学优化，到StarkEx引擎的证明协调，StarkNet作为一个去中心化zk-STARK网络，提供了极高的性能，做到完全运行流程的优化。StarkWare通过前沿的技术和完整的技术服务，支撑了Layer2应用庞大的交易量，未来也必将拥抱开源，做到更去中心化，帮助了以太坊2.0的建设。

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