Starkware技术架构与生态应用梳理

简介

StarkEx和StarkNet均为StarkWare团队开发的项目，前者类似Iaas，类比应用链，StarkWare帮助大型项目开发专有应用Rollup；后者则是可部署通用应用的Rollup。

StarkWare主要由世界顶级密码学家构成，

EliBen-Sasson：Co-Founder&首席科学家，以色列理工学院计算机专业的教授。Zcash的创始科学家，ZK-SNARKs和ZK-STARK的发明者。AlessandroChiesa：Co-Founder&首席科学家，加州大学伯克利分校计算机专业的教授。Zcash的创始科学家，zk-SNARKs的联合发明者，libsnark的核心开发者。UriKolodny：Co-Founder&CEO，Uri是一个商业经验丰富、善于合作的连续创业者。MichaelRiabzev：Co-Founder&首席架构师。以色利理工学院的博士，曾在Intel、IBM工作。OrenKatz：工程副总裁。Hebrew大学计算机专业毕业，TelAvivMBA，20年经验的资深工程师。

截止目前，StarkWare已经完成6轮融资，共计2.73亿美元。尤其是最近一轮融资金额达到1亿美元，使其估值翻了两番，达到80亿，是所有L2项目中估值最高的。Vitalik是种子轮投资者，此外，投资方名单中还包括Paradigm、红杉资本、PanteraCapital、FoundersFund等多轮投资者。

参考链接：https://mp.weixin.qq.com/s/VthPnsONmW8yywna0QzFQg

StarkEx：专有ZKR引擎

简介

在去年和今年上半年，StarkWare通过提供扩容技术解决方案StarkEx创立了扩容即服务的商业模式，建立应用专有网络，服务业内头部客户dYdX、Sorare、ImmutableX、DeversiFi等。

整体架构

工作流包括以下四个环节

打包交易：链下服务器处理客户请求，将多个交易组合成一个“批次”，供StarkEx处理。确认交易和更新状态：链下服务器确认交易合法，并以被压缩后的哈希形式更新系统状态。为交易生成证明：完成上述流程后，SHARP会为交易生成STARK证明以确认交易的有效性。然后将证明和更新发送到链上Verifier智能合约，以确保交易的完整性。链上验证证明：一旦STARK证明被验证，状态更新被提交并结算回以太坊主网。所有交易都是在链外处理和验证的，而其完整性的证明是在链上验证的。SHARP是一个共享证明者，它同时为多个StarkEx客户/应用提供证明生成服务——生成计算完整性声明的证明。

Verifier是部署在以太坊上的智能合约，用于验证来自StarkEx的交易的正确性。

StarkWareApplications

StarkEx应用程序是一系列支持可扩展和自我托管交易的应用程序，区分现货交易和杠杆交易。应用包括两个组件，智能合约和后端。

FTX相关地址将4817万美元转入Alameda，部分已流入币安和Coinbase:金色财经报道，据链上观察员/img/20230515140658511453/4.jpg "/>

前端，StarkEx客户支持两类操作，链上和链下。前者是标准的以太坊交易，用户直接通过StaarkEx合约进行存款取款，后者是通过StarkEx引擎执行的操作，如dydx等。订单验证，由StarkEx客户的后端设置并进行验证。业务逻辑，客制化StarkEx合约来支持客户业务逻辑交易流，传输到StarkEx的所有交易都使用称为tx_ids的连续标识符进行验证和索引，类似nonce的做法，交易发送方，一旦StarkEx网关确认交易正确就会保证执行它，并且将在前端提前显示给用户，而不是等待链上最终确定。错误处理，如果检测到无效交易，StarkEx系统将会向客户的专业端点报告错误，客户将会以另外的要执行的交易列表来代替无效交易，如空列表等。批处理审核，任何批次在链上传输之前可以被客户审核，如果和预期状态转换和不一致，客户可以不批准或者回滚。抗审查，如果客户审查用户请求，StarkEx允许用户直接通过StarkEx合约执行操作，客户必须在规定时间内向用户提供它，否则StarkEx合约将会冻结。参考文档：StarkExPartnerIntegration::StarkExDocumentation

StarkNet：通用ZKR

简介

不同于为不同的应用定制ZKRollup的StarkEx，StarkNet是一个通用的ZKRollup，开发者可在StarkNet上部署应用。

基本介绍

在以太坊上，每提交一笔交易都需要所有节点检查、验证并执行交易来保证计算正确性，并将计算后的状态变化在网络中广播。

巴西经纪商巨头 XP Inc 计划明年推出加密交易所:金色财经消息，巴西经纪商巨头XP Inc计划明年在其平台上推出加密货币交易所，预计将在今年年底前推出数字账户。7月底，据路透社报道，XP Inc预计将于8月份向客户开放其数字资产交易平台，最初会支持比特币和以太坊，今年年底之前会持续进行扩展。（Neofeed）[2022/8/27 12:52:22]

以太坊虚拟机(EVM)|ethereum.org

介绍以太坊虚拟机及其与状态、交易和智能合约的关系。

StarkNet仅在链下执行计算并生成一个ZK证明，然后在链上验证该证明的正确性，最后把多个L2交易打包为以太坊上的一笔交易。因此，StarkNet上发生的交易成本可以被同一打包批次的其他交易所均摊，就像拼车一样，交易越多，成本越低。

除此之外，相比以太坊让每个节点完整执行交易的方法，StarkNet为交易生成ZK证明的方法可以大大提高网络运行速度、减少链上通信量、增加网络吞吐，因此StarkNet相比以太坊具有更高TPS和更低Gas。

简而言之，将验证计算正确性比喻为老师需要检查同学们是不是掌握了知识。以太坊的方法是检查每个同学是否能背诵整本教科书，而StarkNet的方法是让同学们做卷子。后者的效率更高，成本更低，但仍然保证安全。

EVM兼容

StarkNet网络本身不兼容?EVM?，而设计了另外一套?ZK?友好的Cairo?VM?。

StarkNet没有和Hermez和Scroll一样针对以太坊操作码做ZK电路，而是自己做了一套更加ZK友好的汇编语言、AIR以及高级语言Cairo。

StarkNet属于Vitalik定义的type4级别——语言兼容的zkEVM。

https://vitalik.eth.limo/general/2022/08/04/zkevm.html

尽管StarkNet本身不兼容?EVM?，但StarkNet仍然可以通过其他方式兼容以太坊。

1、Warp：将Solidity转译为Cairo语言的转译器

Warp是一个Solidity-Cairo转译器，目前已经由以太坊著名基础设施团队?Nethermind?开发完成。Warp可以把Solidity代码转译为Cairo，但转译后的Cairo程序往往需要修改并增添Cairo特性才能最大化执行效率。

2、Kakarot：一个用Cairo语言编写的zkEVM

Fantom社区发布新提案，提议使用部分交易费用设立资金库来支持生态项目:7月7日消息，Fantom基金会业务发展总监Sam Harcourt在Fantom社区发布新提案，该提案建议将原本销毁的交易费中的1/3用于设立资金库来支持生态项目。此外，Fantom原本用于向网络上的质押者和委托人分配奖励的特殊费用合约（SFC）将用于保管资金，若提案通过，Fantom基金会将通过Llama Pay等链上交易自动化服务支付赠款。Fantom基金会还表示，将为该资金库创建自己的自动支付功能。该提案已于7月5日启动投票，将于10月3日结束投票。[2022/7/7 1:56:35]

Kakarot是一个用Cairo写的智能合约，目前部署在Starknet上，字节码等效EVM。目前处于测试阶段。以太坊应用可以通过部署到Kakarot的方式移植到StarkNet。

Kakarot可以：(a)执行任意EVM字节码，(b)按原样部署EVM智能合约，(c)调用Kakarot部署的EVM智能合约的功能。Kakarot是一个EVM字节码解释器。目前已经支持EVM全部操作码。

https://github.com/sayajin-labs/kakarot

ZK-EVMtype3writteninCairo,leveragingSTARKproofsystem.-GitHub-sayajin-labs/kakarot:ZK-EVMtype3writteninCairo,leveragingSTARKproofsystem.

工作原理

组成部分

StarkNet有五个组成部分。分别是在StarkNet上的Prover，Sequencer和全节点；以及部署在以太坊上的验证者和核心状态合约。

https://david-barreto.com/starknets-architecture-review/#more-4602

1、当我们在StarkNet上发起一个交易，一个链下服务器——排序器将会接收、排序、验证，并将它们打包到区块。执行交易，然后状态转换发送给StarkNetCore合约；

2、证明者将为交易生成证明，并发送给以太坊的验证者合约；

3、验证者将验证结果发送到以太坊上的StarkNetCore合约，并从StarkNetCore合约触发一组新的以太坊交易，以更新链上的全局状态以进行记录保存。状态事务作为“calldata”来发送，以节省L1事务gas。这些“metadata”可被StarkNet全节点解密。

SpaceDoodles系列NFT当前地板价为26.5ETH:金色财经消息，据NFTGo.io数据显示，SpaceDoodles系系列NFT总市值达463.29万美元，在所有NFT项目总市值排名中位列第513；其24小时交易额为42.13万美元，增幅达102.41%。截止发稿时，该系列NFT当前地板价为26.5ETH，涨幅达16.23%。[2022/5/5 2:51:42]

全节点基本发挥存储功能。全节点存储状态改变、元数据、证明以及记录在StarkNet中的已被执行的所有事务，并跟踪系统的当前全局状态。在有必要的时候，全节点将解密“metadata”来重构StarkNet的历史。

参考StarkNet开发倡导者?/img/20230515140658511453/18.jpg "/>

https://community.starknet.io/t/starknet-account-abstraction-model-part-1/781

原生账户抽象为账户可编程打开大门，StarkNet的开发倡导者/img/20230515140658511453/20.jpg "/>

https://github.com/spartucus/nistp256-cairo

简单来讲就是直接调用手机的加密模块来对交易进行“硬签名”。

STARK

目前有许多不同的证明系统，如Halo、PLONK、Groth16、Groth09?、Marlin、Plonky2等，它们都属于SNARK证明系统。证明系统存在一个证明者生成证明，一个验证者验证证明。而不同的ZK项目几乎都会使用不同的证明系统，StarkNet使用的STARK某种意义上属于一种特别的SNARK。

STARK相比SNARK有更多创新。它不需要和SNARK一样依赖“可信设置”。它还带有更简单的密码学假设，避免了对椭圆曲线、配对和指数知识假设的需要，纯粹依赖哈希和信息论，因此抗量子攻击。总体来讲STARK比SNARK更安全。

在扩展性方面，STARK的扩展性更强。证明生成速度具备线性扩展性，验证时间和证明大小具备对数扩展性。但缺点在于生成的证明尺寸更大。但随着证明规模增加，验证成本将会边际递减——这意味证明越大，总成本越低。

Propy与Abra合作允许抵押加密货币获得住房贷款:金色财经消息，区块链房地产平台Propy与加密投资管理公司Abra建立合作关系，Propy的客户现在可以使用加密货币作为抵押获得住房贷款。今年2月份，Propy在拍卖中以65.3万美元（约合210ETH）的价格出售了其首个由NFT支持的房产。（CoinDesk）[2022/4/28 2:37:55]

https://consensys.net/blog/blockchain-explained/zero-knowledge-proofs-starks-vs-snarks/

总结一下，相比SNARK，STARK更安全，平均验证时间和证明大小将随着验证规模扩大而降低，缺点在于初始证明尺寸更大，因此更适合大规模应用。

扩展性详解

证明时间线性扩展：证明人花费的时间与哈希调用的数量呈近似线性关系。

在80比特的安全级，STARK每12288次哈希调用的证明者执行时间为1秒，得12288次/S；而每98304次哈希调用需要10秒，得9830次/S，因此，我们可以知道STARK的证明时间和哈希调用基本呈近似线性关系。如下图所示

Beprint.iacr.org582.pdf

**验证和证明大小对数扩展：验证时间与哈希调用呈现对数关系。**如下图所示：

左图可以看出，当哈希调用从3072增加到49152，验证时间从40毫秒增加到60毫秒。而当哈希调用从49152增加到786432，验证时间仅从60毫秒增加到80毫秒。证明大小同理。因此，我们可得知，哈希调用次数越多，平均验证时间越短，平均证明大小也会更小。

递归证明

任何通用的、简洁的知识系统的证明/论证都可以用来递增地验证计算。这意味着一个计算可以产生一个证明，以证明该计算的前一个实例的正确性，这个概念被非正式地称为“递归证明组合"或者"递归STARKs”。

换句话说，一个递归STARK证明者可为一个陈述生成一个证明，即系统的状态可以从a移到a+1。因为证明者已经验证了一个证实a的计算完整性的(递归)证明，并且忠实地执行了状态a的计算，达到了新的状态a+1。简而言之，你可以理解该过程将a和a+1两个证明合并为了一个证明**。如下图所示：**

https://medium.com/starkware/recursive-starks-78f8dd401025

CairoVM：验证计算正确性

CairoVM概述

有时候也通过StarkNetOS/CairoOS的方式出现，是一个东西，不同于EVM执行计算，CairoVM本身仅为计算生成证明并验证正确性。

CairoVM是一个是一个采用冯诺依曼架构的CPUVM，其编程语言也叫Cairo，Cairo语言基于Cairo汇编，因此编译效率非常高。Cairo是?CPU?Algebraic?Intermediate?Representation的首字母缩写。CairoVM包含单个AIR来验证这个「CPU」的指令集。

关于工作方式，它根据收到的输入的交易来更新系统的L2状态。促进StarkNet合约的执行。操作系统是基于Cairo的，本质上是使用STARK证明系统对其输出进行证明和验证的程序。StarkNet合约可用的具体系统操作和功能可作为对操作系统的调用。

Cairo语言概述

Cairo是StarkNet的智能合约语言，基于STARK设计，Cairo程序可生成STARK证明。

Cairo程序是汇编代码的集合，Cairo开发人员将以高级语言Cairo来编写智能合约而非Cairo汇编。当我们写了一个Cairo程序，Cairo编译器会将Cairo代码编译成Cairo汇编，Cairo汇编器将采用汇编代码生成Cairo字节码以在CairoVM执行，当他最终运行到真实机器上还需要编译为操作码和机器代码。

非确定性计算

Cairo程序的目标是验证某些计算是正确的，因此可以相比那些确定性计算走捷径。它意味着为了证明一个计算，验证者可以做一些不属于计算的额外工作。

例如，证明x=961的平方根y是在0,1,…,100的范围内。直接的方法是写一个复杂的代码，从961开始，计算它的根，并验证这个根是否在所要求的范围内。

伪代码如下：

猜测y的值。计算y2并确保其结果等于x。验证y是否在范围内。

并且，如果我们采取以下的计算方式。

Y=SQRT(X)

我们可以改为计算如下。

Y*Y=X

我们可以看到，有两种可能的解决方案。+Y和-Y，而且有可能只有其中一个能满足其余的指令。

这意味着，如果没有一些额外的信息，一些开罗程序是无法有效执行的。这种信息由我们称之为提示的东西提供。提示是CairoRunner的特殊指令；用于解决不能轻易推导出数值的非确定性问题。理论上，提示可以用任何编程语言编写。在当前的Cairo实现中，提示是用Python写的。

关于确定性和非确定虚拟机，witness

Cairo在这里其实也会涉及到有确定性的CairoVM和非确定性的CairoVM。前者就是正经的zkVM，证明和验证；后者用于非确定性计算。

anacceptinginputtotheCairodeterministicmachine,thatconstitutesthewitnesstothenondeterministicmachine.Cairo确定性VM的一个可接受的输入构成了非确定性VM的witness，ZKP需要将witness作为输入输出proof。

是一个并行状态机。

内存模型：只读非确定性

只读的非确定性内存，这意味着每个内存单元的值由证明者选择，它不能随时间改变，是不可变的。该指令只能从中读取。我们可以将之视为一次写入的存储器：可以向一个单元写一次值，但事后不能改变它。

而且它是连续的，如果有空会被任意值填充。

ROM优点包括

低成本，电路比RAM更简单

永存储，

不可篡改，数据不能修改和删除

内置函数：减少代码编译

开发者直接调用内置函数可以减少计算开销，优化开发体验，而不需要代码转换。添加内置函数不会影响CPU约束。这只是意味着相同的内存在CPU和内置函数之间共享，如图所示。

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总结下StarkNet与AI+ML为何如此登对？ZKP允许AIML链下计算，将生成证明交由他人验证。

应用范围包括：游戏、预言机、交易、反女巫、KYC、数据隐私；AI模型算力挖矿。

标签：ARKSTASTARSTARKARKEVSTA价格KSM StarterStark Chain

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