系统盘点：StarkNet 技术优越性
ZK 证明-验证的方法取代了节点执行全部交易以验证正确性的方法，大大降低链上计算与存储数据量，提高执行效率
原文作者：Maxlion
原文来源：Mirror
TL;DR
- 🛒ZKR 设计：汇总经济学使得交易越多，Gas 越低；ZK 证明-验证的方法取代了节点执行全部交易以验证正确性的方法，大大降低链上计算与存储数据量，提高执行效率；工作流优越性需要等待其他 zkEVM/zkVM 确定设计后再对比优越性；原生账户抽象可以“消灭”助记词，已经实现手机硬钱包，并为更加易用、安全、低成本的链上可编程奠定基础。
- 🏕EVM 兼容：Solidity-Cairo 转译器 Warp 使得 StarkNet 语言级兼容 EVM；用 Cairo 编写的 zkEVM Kakarot 使得 StarkNet 字节码兼容 EVM。
- 🧬STARK 证明系统：纯粹依赖哈希和信息论，不依赖可信设置，抗量子攻击，比 SNARK 更安全；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；缺点在于生成的证明尺寸更大；递归证明可将多个证明验证后合并，理论合并量上限达到 6000 万，也为 L3 奠定技术基础；STARK 友好的哈希函数如 Rescue hash function 等相比以太坊 keccak256 有更高执行效率。
- 🐺Cairo 虚拟机与语言：Cairo VM 是一个 STARK 友好的、图灵完备的 CPU 架构；CPU 架构灵活性高，可通过软件编程无限接近 ASIC 性能，理论上可以复刻任意虚拟机；Cairo 语言基于 Cairo 汇编和 AIR，执行效率非常高，但开发体验类似 Rust 和 C 语言，指针+内存大套餐🥙使得学习难度中上；开发者可使用证明者一侧的“提示”（hints）来创建快捷方式并启用某些计算，降低了开发难度；Cairo 支持通过字节码哈希加载程序，大大提高链上扩展性和隐私性，成为隐私方案的强力替代。
一、🛒ZK-Rollup优越性
在以太坊上，每提交一笔交易都需要所有节点检查、验证并执行交易来验证计算正确性，并将计算后的状态变化在网络中广播。
https://ethereum.org/zh/developers/docs/evm/
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（🚌拼多多）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。
⚙StarkNet工作流程
与大部分 ZKR/ZK 项目一样，StarkNet 存在一类称之为证明者的角色来生成证明。验证者作为 L1（以太坊） 上的合约来验证证明，验证者合约代码都是相同的。
具体而言，StarkNet 有五个组成部分，分别是在 StarkNet 上的 Prover（证明者）、Sequencer（排序器）和全节点，以及部署在以太坊上的验证者（Verifier）和核心状态合约（StarkNet Core）。
系统架构如下图：
https://david-barreto.com/starknets-architecture-review/#more-4602
StarkNet 的工作流程如下：
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 StarkNet Core 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 StarkNet Core 合约，并从 StarkNet Core 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” （EIP-4844后为Blob）来发送，以节省 L1 事务 gas。这些“metadata”可被 StarkNet 全节点解密。
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。
工作流程方面的优越性结论可能需要等待其他 ZKR/Validity Rollup 工作流基本确定后，通过对比得出。
原生账户抽象
不同于以太坊 EOA+CA 的双账户设计，StarkNet 实现了原生账户抽象，只有一种账户设计。
这对合约钱包以及更加低成本、安全、易开发的链上可编程打开了大门，这可以推动 ECDSA 以外的签名验证方式、多签管理、社会恢复、聚合签名、交易限制、隐私保护、gas 优化、gas 代付、异币 gas、应用聚合、自动收益等各个方面的发展。
下图为 StarkNet 交易流程图（仍然借鉴了4337的设计思路）：
https://community.starknet.io/t/starknet-account-abstraction-model-part-1/781
而且 StarkNet 已经实现了“手机硬钱包”。
我总结了 StarkNet 的开发倡导者@barretodavid，提到的在 StarkNet 上实现手机硬钱包的思路。
1.以太坊上的 EOA 仅支持 Secp256k1 椭圆曲线上的签名方案 ECDSA
2.大部分的智能手机都不支持以太坊的椭圆曲线。
3.所以移动钱包需要依靠软件签署交易，移动钱包因此是热钱包。
4.StarkNet 原生账户抽象，支持多种椭圆曲线，签名验证高度可编程，因此基于 StarkNet/Cairo 的手机钱包完全可以变成硬钱包。
StarkNet 上原子化 NFT 协议Briq的开发者@sylvechv在博客中也写到，在实现了原生账户抽象的 StarkNet （编程语言为Cairo）上，可以授权一个mobile_key签署一定数额的交易，和/或只为某些合同，和/或只为某些功能（例如没有transfer()而只有play()）。用户甚至可以在一定时间后撤销它。
在 StarkNet 中的合约钱包，授权手机签名的流程类似于
1）在手机上生成 pub/priv 密钥
2）使用“管理员密钥”在智能钱包上授权 pubkey
3）Cairo 已经有一个nistp256（用于智能手机Secure Enlave）的实现（我们一起学硬钱包叫(●'◡'●)）。
GitHub - spartucus/nistp256-cairo: A cairo implementation of NIST P-256.A cairo implementation of NIST P-256. Contribute to spartucus/nistp256-cairo development by creating an account on GitHub.github.com
二、🏕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（代数中间表示） 以及高级语言 Cairo。
https://www.youtube.com/watch?v=SEp5SFaYQHY&t=6s
不兼容 EVM 的弊端在于无法继承以太坊代码和工具链，因此，**以太坊应用生态没有大规模移植到 StarkNet 的基础。**且 Cairo 语言对开发者存在一定学习门槛，Cairo 语言和 STARK 证明系统相关工具链和库也处于起步阶段。
但独立设计 VM 的好处在于，StarkNet 的 Cairo VM 更 ZK 友好，电路执行效率更高（代码更少），在未来将表现为 TPS 更高，Gas 更低，抛弃 EVM 设计后还能实现许多以太坊不能完成的应用创新，如原生账户抽象的合约钱包。
StarkNet 属于 Vitalik 定义的 type 4 级别——语言兼容的 zkEVM（StarkNet由于定制了虚拟机严格来讲属于zkVM）。
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（如调用内置函数，优化内存等）才能最大化执行效率。
2、Kakarot：一个用 Cairo 语言编写的 zkEVM
Kakarot 是一个用 Cairo 写的 zkEVM，是一个字节码等效 EVM 的 zkEVM，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。
此前以太坊联创 Vitalik 和 StarkWare 联创 Eli Ben-Sasson 参与了 Kakarot 举办的Twitter Space。
三、🧬STARK证明系统
3.1简介
目前有许多不同的证明系统（生成和验证证明） ，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 。
https://medium.com/alliancedao/zkps-in-web-3-now-and-the-future-21b459348f29
SNARK 全称 Succinct Non -interactive Argument of Knowledge（零知识简洁非交互论证），STARK 全称Scalable Transparent Argument of Knowledge（零知识可扩展透明知识论证）。
SATRK 作为一种特殊而创新的 SNARK，S 的含义从简洁（Succinct）变为可扩展（Scalable），T 代表透明，取代了非交互属性。
https://www.altoros.com/blog/zero-knowledge-proof-improving-privacy-for-a-blockchain/
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。
https://research.thetie.io/zero-knowledge-starks-snarks/
3.2扩展性详解
3.2.1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
https://eprint.iacr.org/2021/582.pdf（左图 80 比特安全性右图 100 比特安全性，y轴单位为秒）
3.2.2验证和证明大小对数扩展：验证时间（与证明大小）与哈希调用呈现对数关系。
如下图所示：
https://eprint.iacr.org/2021/582.pdf（y轴单位为毫秒）
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。
上述试验的配置统一如下
1、操作系统：Linux 5.3.0-51-generic x86 64。
2、CPU:英特尔（R）酷睿（TM）i7-7700K @ 4.20GHz（4个核心，每个核心2个线程）。
3、内存：16GB DDR4（8GB × 2，速度：2667 MHz）
4、证明者使用多线程，验证者被限制为单线程。
3.2.3递归证明
关于【系统盘点：StarkNet 技术优越性】的延伸阅读
Coin Metrics：分析以太坊 Blob 与 EIP-4844 的影响
自3月13日起，多个Layer-2解决方案采用blob交易，超过950,000个blob已发布到以太坊，降低了操作成本。EIP-4844升级提高了L2的可伸缩性和降低交易成本，每天约有10,000个blob发布。blob被设计为18天后过期，防止永久存储膨胀。随着rollups使用blob发布大量数据，blob空间利用率将增加。blob费用根据需求动态调整，4月份因铭文blob激增而增加，但随后又降低。Blob的采用是EIP-4844降低数据存储开销和增强L2可伸缩性的积极信号。然而，跨资产、流动性和用户体验碎片化等挑战仍需解决。随着更多L2利用blob，拥塞可能会再次出现。
Stacks Nakamoto 升级，BTC生态的文艺复兴
Stacks是一个跨链共识区块链，旨在将智能合约功能移植到比特币网络中。其共识机制为转移证明，通过燃烧比特币来参与挖矿。Stacks 2.0主网已推出，获得美国证券交易委员会批准的代币销售。Stacks 3.0升级解决了安全性、性能和可扩展性等问题，引入签名者角色，提高链的可扩展性。Nakamoto升级解决了MEV问题，提高了挖矿过程的公平性和稳定性。升级将在4月22日开始，提高Stacks区块链的透明度和信任度。
任何通用的、简洁的知识系统的证明/论证（特别是STARKs） 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
这些陈述各自被平行证明。然后，每对证明都由递归验证器语句（一个验证 STARK 证明的 Cairo 程序）进行验证，并为其生成一个证明。该声明断言两个证明已被验证是正确的。
接下来，这两个证明通过递归验证程序语句再次合并。这导出为证明所有四个原始陈述的一个证明。然后可以最终在链上提交该证明，由 Solidity 验证者智能合约进行验证。
递归证明为 L3 的发展奠定技术基础。类似于 StarkNet 作为 L2 在 L1（以太坊）上工作的方式——StarkNet 将计算证明交给以太坊上用 Solidity 编写的验证者合约验证证明。L3 可以在 StarkNet 上部署一个用 Cairo 编写的验证者合约以验证 L3 中的递归证明。
关于 L3，我将在下一篇关于 StarkNet 生态盘点的文章中更详细地描述。
3.2.4递归证明历史线索
StarkWare 在 2020 年 8 月 31 日发布的文章中提到，能够将 30 万笔交易在 6 分 3 秒内聚合为一个证明。
StarkWare 联合创始人 Eli Ben-Sasson 2022 年 8 月 8 日在韩国首尔会议表示，其新的递归有效性证明理论上可以将以太坊区块链上多达 6000 万笔交易汇总为以太坊上的一笔交易。
60 million NFTs could be minted in a single transaction — StarkWare co-founderStarkWare has launched new recursive zk-Rollup technology that could significantly upscale the Ethereum network, says co-founder Eli Ben-Sasson.cointelegraph.com
不过我没找到相关实现细节。
ZK 友好的哈希函数
哈希函数在以太坊（以太坊使用keccak256）中常用于生成区块、交易、状态哈希，是区块链基础技术。
ZK 友好的哈希函数的意义在于，EVM 本身使用的 keccak256 ZK 不友好，变成电路执行效率非常低（很多行），使用 ZK 友好的哈希函数转为电路的代码量更少，因此可以提高证明效率。
因此，StarkNet 使用 STARK 友好的哈希函数（SFH）可以显著提高执行效率。
STARK 友好的哈希（SFH）函数，如 Rescue hash function（扩展性部分的Hash调用），特点包括以下三点
1、带有证明的算术化电路，能够将10万个哈希值（3.2MB的数据）压缩到 200kB，有 80 比特的安全性。
2、证明者在四核CPU和16GB内存的配置下能够每秒压缩100个哈希值。
3、验证者在单核CPU和4GB内存的情况下，能够在 10ms 内对证明进行验证。
https://twitter.com/Ingo_zk/status/1573033153672921093
四、🐺Cairo虚拟机和语言
4.1简介
Cairo VM 是一个是一个采用冯诺依曼架构的 CPU VM，其编程语言也叫 Cairo。整个 Cairo VM 以及 Cairo 语言基于 STARK 设计。
Cairo 是CPUAlgebraicIntermediateRepresentation （代数中间表达）的首字母缩写。Cairo VM 包含单个 AIR 来验证这个 「CPU」 的指令集。Cairo 语言基于 Cairo 汇编，因此编译效率非常高。
Cairo 语言的编程体验偏汇编（C和Rust，经常会用到指针🎃），它具有以下特性：内存、函数调用、递归和分支条件。它还使用证明者一侧的“提示”（hints）来创建快捷方式并启用某些计算。
https://www.cairo-lang.org/docs/how_cairo_works/index.html#how-cairo-works（我捏🐎）
Cairo VM 和 Cairo 让我有一种 Unix 和 C 语言的感觉🤪。
https://www.cairo-lang.org/docs/hello_cairo/amm.html（AMM代码片段）
接下来将介绍 Cairo 的一些强大特性。
4.2启动加载：从哈希加载程序
程序可以将另一个程序字节码写入内存，并让 Program Counter 指向该内存段，然后运行该程序。
一个从哈希启动加载的用例是，一个被称为启动加载器的程序计算并输出另一个程序的字节码，然后像之前一样开始执行它。这样验证者只需要知道程序的哈希而非完整字节码。
这有两个好处：
- 可扩展性，验证时间和程序大小呈现对数关系，正如 STARK 部分提到的。
- 隐私性，验证者可以验证程序是否正确执行而无需知道计算。
4.3在同一个证明中运行不同程序
正如前文所述，启动加载器可以做一个扩展。比如执行好几个程序。输出每一个程序的字节码hash和程序的输出。而程序可以描述完全不同的计算。
因为proof的大小和验证时间都和计算的大小呈亚线性关系，因此可以使用一个加载器执行多个程序，然后生成一个证明来确保所有程序的有效性。
就像滴滴打车一样
验证的成本在这些程序之间被摊销了。随着更多程序加入批处理，最终的摊销验证成本将越来越接近于0。参考 STARK 部分的“验证和证明大小对数扩展”。
4.4高级优化：即时编译和字节码生成
在程序执行过程中，一些高级优化可以通过字节码的自动生成来实现。
比如，对于一个函数，不同于从内存中预取对应的值，你可以直接拷贝程序的字节码，然后在对应的指令上直接赋予对应的值；考虑一个指令“从内存中读取x和c，然后计算x+c”，一旦c的值是已知的（此时用C表示），我们可以用更高效的指令去替代它，“从内存中读取x，然后计算x+C”，C是指令的立即数。
因此，我们可以进一步提高执行效率
4.5增量可验证计算：很牛的递归证明
类似 STARK 的递归证明recursive proof部分提到的。
基于从hash启动加载的概念，整个验证过程可以编码成一个hash，然后整个验证过程作为参数传递给自己（这也是生成递归证明的一个步骤）。
4.6其他重要优势
内置函数
开发者直接调用内置函数可以减少计算开销，而不需要代码转换。相当于 ASIC 芯片写好的电路或者数学中给定的、验证过的公式。
图灵完备
支持计算（或者验证，因为Cairo VM本身不执行计算，仅验证计算正确性，计算在链下）一切可计算的问题。因此理论上能够复刻其他虚拟机，比如前面提到的用 Cairo 编写的 zkEVM，理论上也可以复刻其他在未来可能开源的 zkEVM/zkVM 如 Scroll、Hermerz、zkSync、Miden、Zero 等。
CPU 架构
更加灵活，可以通过软件编程的方式无限接近 AISC 的性能（所以Cairo会做CPU？）。
提示：关于 CPU 架构、内存、Cairo 语法等方面的更多特性我还在挖掘中（C语言没跑了）……
五、📒参考文献
StarkNet部分
StarkNet 架构回顾
StarkNet’s Architecture Reviewtl;dr StarkNet’s user accounts (wallets) are implemented as smart contracts. The system has 3 off-chain components (Sequencer, Prover and Full Nodes) and 2 on-chain (Verifier and Core). The c…david-barreto.com
账户抽象模型设计
StarkNet Account Abstraction Model - Part 1Overview This post outlines the goals and model of account abstraction to be used in Starknet. We look to collect feedback and implement the model, possibly in phases, in Starknet Alpha. This is the first of two posts describing current thoughts. At a high level, account abstraction refers to the abstraction of the concept of accounts and related mechanisms from the core protocol of the chain. So while identifying users is key to the system’s operation, we look to allow flexibility and extensi...community.starknet.io
Cairo部分
Cairo 白皮书
eprint.iacr.orgeprint.iacr.org
Cairo 白皮书中文翻译
k9onu1bzg3.larksuite.comk9onu1bzg3.larksuite.com
StarkWare: Cairo - 一个zkvm框架从ZRU到ORU，再到侧链，基于以太坊的扩容方案层出不穷；从可组合性的角度讲，人们希望部署在这些扩容方案上的应用是任意的且可以相互调用的，即兼容EVM的，比如ORU和侧链；从安全性角度叫，人们希望，这些部署在扩…zhuanlan.zhihu.com
Hello, Cairo - CairoCairo is the first production-grade platform for generating STARK proofs for general computation. It is Turing Complete, and highly efficient. Everything we’ve been building — starting with our Reddit Bake-off submission — is written in Cairo, including all our upcoming deployments: DeversiFi, Immutable, and dYdX.www.cairo-lang.org
解读 Cairo 白皮书
Demystifying Cairo White Paper — Part IThis article is first part of the series of articles, where we are trying to demystify Cairo White Paper in simple and easy to understand…medium.com
Starknet Cairo AIR 论文 2109.14534.pdf
arxiv.orgarxiv.org
STARK部分
STARK Documentation – Version 1.1 StarkWare Team∗ January, 2021
eprint.iacr.orgeprint.iacr.org
深入理解 zk-STARK 证明系统系列
Cairo 虚拟机与Cairo语言 - 深入理解zk-STARK证明系统trapdoor-tech.github.io
StarkWare 对递归证明的解释
Recursive STARKsThe very first recursive proofs of general computation, now live on Ethereum Mainnetmedium.com
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