ARK:解析 StarkWare 的架構與生態：估值 80 億美元的擴容潛力

作者：echo_z，鏈茶館

在以太坊的擴容路線中，ZKRollup一直被寄予厚望。由于ZKRollup能夠生成極其簡潔的證明，相比OptimisticRollup進一步壓縮了鏈上存儲需求，因此能夠釋放更大的鏈上空間。

按照V神的估算，ZKRollup理論上可以將主網TPS提升~100倍，這也遠遠強過能夠提升TPS~20倍的分片方案。

來源：https://vitalik.ca/general/2021/01/05/rollup.html

ZK系Rollups有兩大龍頭項目，一是StarkWare，二是ZKSync。二者都有較強的技術能力，也在測試網上有不少生態項目，但由于分別采用了不同的ZKRollup技術，產品能力和進度上各有千秋。

其中，StarkWare有著更耀眼的資本背景：近期以80億美元的估值完成1億美元的D輪融資，位居四大主流Rollups項目之首。

主流L2項目一覽，鏈茶館制作

StarkWare為何能夠如此受資本青睞，其技術能力可以實現怎樣的擴容效果呢？鏈茶館將在本文嘗試解析StarkWare的架構和生態，理解其未來前景。

1.產品體系

StarkWare的產品體系分為兩部分。

其一是作為ToB服務的StarkEx，為每一個應用提供專門的Rollup技術服務，自2020年就已正式上線以太坊主網，相對成熟。

其二是作為通用L2的StarkNet，可以部署任意的智能合約、而不像StarkEx那樣需要為特定應用做定制開發，StarkNet已于去年6月上線測試網、去年11月上線以太坊主網，但生態項目仍在測試網上運行。

二者所使用的底層技術是相通的，StarkEx相當于通過單個App中心化運營的方式提前使用了ZKRollup技術，而StarkNet則承擔了建立節點網絡的去中心化任務。

以下將會首先介紹StarkWare所采用的基礎架構，以及在兩種產品體系之下的執行差異；其次，將介紹除了ZKRollup之外，StarkWare有趣的創新點。

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1.1通用工作流

下圖是StarkEx的工作流，和StarkNet相通，我們將以此為概要，梳理StarkWare的技術要點。

來源https://docs.starkware.co/starkex-v4/overview

1）Applications：用戶向App發送交易請求，App將交易請求發送到StarkExService模塊中。圖中的「Executing」，不是很確定指的是什么，可能是指一些前端的處理或預處理。

2）StarkExService：這一模塊會驗證交易的有效性，如確認用戶身份與資產是否相符、用戶賬戶上是否有足夠余額、該筆交易此前是否已經執行過等；確認過后，將會打包足量的有效交易，并運行Cairo程序來執行這些交易。

值得注意的是這其中的「Cairo」編程語言，這是StarkWare對于ZKRollup所面臨的共同挑戰的解決方案：在現存的多數證明系統中，必須首先將計算結果轉化為一個特定域的多項式方程，而困難就在于，智能合約的執行結果有千千萬，如何能夠統一成可以驗證的多項式方程。

StarkWare的一個重大貢獻，就在于通過Cairo這一圖靈完備的語言，將所有的智能合約計算結果轉化成了可證明的多項式方程，由此讓智能合約與ValidityProof相兼容。

浪潮集團王偉兵：標識解析、標識密碼、區塊鏈是構建工業區塊鏈三個技術要素:金色財經現場報道，12月5日，2020世界區塊鏈大會于武漢舉辦，會上浪潮集團區塊鏈技術研究院首席架構師王偉兵演講表示，消費互聯網是實現人和人的連接的，工業互聯網從技術上看更偏重物，工業互聯網數量多，管理難度大，面向物的標識解析和密碼學適合應用。標識解析的本質是提供名稱映射的分布式數據庫，構建工業區塊鏈的三個技術要素是標識解析、標識密碼、區塊鏈。標識解析需要目錄服務、數據共享，標識密碼主要做設備身份認證、設備寫入鏈，區塊鏈則增強安全，完成可信交易。[2020/12/5 14:06:24]

在這一方面，ZKSync也用原創的方案做到了，但是與StarkWare各有取舍。StarkWare采用的證明系統是STARK，這是StarkWare團隊所開創的證明系統，優點是在單位空間內能夠證明的交易更多、且更安全；而ZKSync采用SNARK系統，是一個相對成熟的證明系統，優點在于更容易做到EVM兼容，ZKSync2.0也確實做到了EVM兼容。

StarkWare的原生Cairo語言對STARK證明系統非常友好，可以說是為了運用STARK證明系統而產生的語言，但隨之而來的問題則是對開發者來說學習成本較高，現有的Eth生態難以直接遷移。為此，StarkWare正在與第三方團隊Nethermind合作，開發Solidity到Cairo的編譯器Warp。

3）SHARP：在Cairo程序執行完成后，結果將會發送到SHARP，即「共享驗證者」。這也是StarkWare開發的一套程序，基于STARK證明系統，將Cairo程序的執行結果生成一個證明，并發送到L1上，由L1的礦工節點調用驗證合約來做驗證。

4）STARKVerifier和5）StarkExContract都是部署在L1的智能合約，前者負責驗證SHARP提交的證明，后者負責存儲更新的交易狀態和其他必要信息。只有當L1的礦工節點運行Verifier、驗證通過后，在StarkExService模塊中提交的狀態更新才會被L1接受，更新StarkExContract內存儲的交易狀態，由此完成交易。

總結來說，最核心的模塊在于StarkExService和SHAPR中。StarkExService對交易進行有效性驗證、打包、調用Cairo程序執行，隨后提交到SHARP生產證明，最后再將證明提交到L1的智能合約，以供L1節點驗證。

V神：預測市場的結果解析層和市場層正在分離:V神在推特表示，預測市場正在分離：結果解析層（如果發生某些事件，給1美元的代幣，沒有發生返回0代幣）與市場層（如何交易這些代幣）分離。[2020/9/26]

Cairo程序和SHARP證明體系構成了StarkWare的核心技術，整套技術基于StarkWare自創的STARK證明系統，具有證明量大且更安全的特性，但是為了適應STARK的Cairo語言不天然兼容EVM，對開發者有較高的學習成本。

那么，上述工作流中的環節，分別是由哪些角色來執行的呢？1.2和1.3小節將會對此詳述。

1.2StarkEx架構及數據可用性

在StarkEx中，所有鏈下的工作，即包含交易打包、調用Cairo程序、生成證明，全部都由每個應用自己運行完成，是一個完全中心化的運營方式。此外，由于StarkEx是定制化的ToB服務，針對每個應用有專門的ZK電路，加強了運行性能，因此使用StarkEx引擎的項目能夠做到非常高的TPS。

StarkEx還提供了兩種數據可用性的模式：ZKRollup和Validium，供每個應用取舍。

數據可用性在區塊鏈的場景中至關重要，指的是鏈上節點是否能夠獲取到每一筆交易執行的全部相關數據，如果只能獲取到交易結果、而沒有執行過程數據，那么這筆交易的有效性就無法在鏈上驗證，而只要有任意單一筆交易的數據有效性有問題，那么整條鏈上的交易歷史都存在隱患。多種Layer2所取舍的一個關鍵點，就是存放多少數據在鏈上，由此也形成了不同的安全性。

下圖是四種主流L2模式，所對應的證明系統和數據可用性方案。可以看到，ZKRollup和Vailidium都采用有效性證明，區別在于完整數據放在鏈上還是鏈下。

來源：https://twitter.com/vitalikbuterin/status/1267455602764251138

在Validium模式下，只有更新后的狀態會發送到L1上，L1節點無法通過鏈上數據復原完整交易歷史。在這種模式下，交易的完整執行數據會由SHARP先發送給一個鏈下的「數據可用性委員會」，這是一個由ConsenSys、Infura、Nethermind、Cephalopod、Iqlusion和StarkWare共同組成的中心化的委員會，負責接受鏈下數據并做驗證，隨后將簽名發送到L1上，L1上的節點通過驗證簽名來確認鏈上狀態的更新。Validium模式犧牲了安全性來換取更節約的存儲空間，用戶使用的前提是信任該委員會。

哈勃公鏈CTO全面解析項目技術開發進展:據官方消息，近日，哈勃公鏈（Hubble Chain）首席架構師 Kevin 從美國硅谷視頻連線，對目前項目的技術開發進度，進行詳盡的匯報解讀。

Hubble Chain是一條支持跨鏈交易且擁有去中心化交易系統的公有鏈，通過采用H+POR 共識機制、蟲洞網絡系統，以及底層跨鏈協議等區塊鏈技術，構建全球區塊鏈智能金融新生態。

2020年5月，哈勃GDP（全球數字支付）計劃面向全球正式啟動，通過HB跨境兌換、HB全球結算、HB尊享支付，全面實現以HB為價值流通轉換的全球化數字貨幣支付場景的應用落地。[2020/6/5]

而在ZKRollup模式下，除了新的狀態外，還會將狀態變化前后的區別一同發送到鏈上，L1節點利用鏈上數據就可以復原完整交易歷史，實現了安全級別最高的Rollup。

目前采用StarkEx的四個項目中，只有dydx采用了ZKRollup的數據可用性模式，其余三個項目都采用Validium模式。

來源：https://l2beat.com/

??1.3StarkNet架構及成熟度

StarkNet相對于StarkEx最主要的架構變化，就在于鏈下工作從應用手中移交到了礦工手中。

鏈下工作包含兩部分，一是StarkExService所承擔的驗證交易有效性、打包交易、調用Cairo程序執行的工作，在StarkNet中執行者為Sequencer；二是SHAPR所承擔的生成證明的工作，在StarkNet中有獨立的Prover。

Sequencer+Prover相當于ETH網絡中的礦工，完成了從交易池中挑選交易、執行交易、生成證明的過程，由此也就生成了StarkNet上的區塊。至于Sequencer和Prover的角色會合并還是分開，官方還沒有給出方案。這里有個復雜的問題：Prover給出證明所需要的時間遠遠長于Sequencer生產區塊所需要的時間，所以生成區塊和生成證明之間會有一個長達數小時的時間差，如何利用分工來解決時間差問題，將會是個不小的難題。

來源：https://www.youtube.com/watch?v=wFZ_YIetK1o

動態 | 基于共治鏈的共治根域名解析架構發布:據光明網消息，在日前由國家互聯網信息辦公室指導、中國互聯網絡信息中心（CNNIC）主辦的中國互聯網基礎資源大會上，中國互聯網絡信息中心主任曾宇發布了基于共治鏈的共治根域名解析架構。中國互聯網絡信息中心（CNNIC）作為我國國家頂級域名注冊管理機構，負責國家網絡基礎資源的運行管理和服務，從2016年開始，開展區塊鏈技術在域名領域應用的研究，驗證了運用區塊鏈技術進行域名數據管理的可行性。在此基礎上，聯合多家單位設計了基于共治鏈的共治根新型域名解析系統架構。[2019/7/3]

作為通用L2，StarkNet的應用場景當然比StarkEx廣泛，但是作為產品本身而言，成熟度還不夠高。

其一，StarkNet的性能并不夠好。這是由于，StarkNet要做的是ZK通用電路，而StarkEx做的是針對每個應用定制開發的電路，StarkNet處理的問題復雜度遠遠高于StarkEx。

官方沒有公布過StarkNet的TPS數據，但是從區塊瀏覽器來看，不論是在主網還是測試網上，大概只能實現每小時300~400筆或每分鐘15筆交易，TPS僅為0.1~0.25。當然，這個數字可能也是由于用戶量少造成的，但整體TPS不高應該是現狀。

來源：https://voyager.online/；https://goerli.voyager.online/

其二，StarkNet還沒有做到去中心化。目前，Sequencer和Prover都由StarkWare官方團隊運營，沒有搭建好去中心化的礦工節點。不過在這一點上，其實Optimistic和Arbitrum也都是由中心化的Sequencer節點運營的，是L2所面臨的共同問題。

官方在2月時發布過一篇博客，認為StarkNet目前已經實現了可用性，接下來分別要達到的目標是提升性能并實現去中心化，在性能這一方面，要在2022年的下半部分實現比ETH高一個數量級的TPS。

?1.4未來構想

除了基于STARK證明系統的擴容方案外，StarkWare還構想過不少其他創新，如跨L2的聯合LP池：用戶可以在多個L2的LP池中交換代幣以增強流動性。不過這樣做的代價是會增加無常損失的風險，未必是個理想的方案。

但是，StarkWare有一個設計構想，展現了一個很宏偉的未來：通過L3來實現分形分層。簡單來說，即在StarkNet上用分形的設計層層構造ZKRollups，使得性能翻倍。而且據官方Medium，未來StarkEx也將會遷移到StarkNet上，作為一層L3服務其他協議。

來源：https://medium.com/starkware/dydx-now-on-mainnet-c21c84d8e342

如果Ln的分形分層設計真的能實現，那么TPS的提升將至少以百倍計算，甚至以太坊可能不再需要Sharding。當然，這一構想必定會面臨諸多難題，比如L2生成證明就有延時，分層的延時是否會更嚴重、如何處理，以及每一層的安全性如何保障，等等。分形分層的實現，恐怕還比較遙遠。

2.生態運營

在ToB服務側，StarkEx提供的服務比較成熟，目前TVL~10億美元，其中dYdX占95%以上。

來源：https://starkware.co/starkex/；https://l2beat.com/

在ToC服務L2這一側，目前還沒有TVL等數據，但是可以看到StarkWare具有很強的生態吸引力。官方收集了60多個正在搭建的項目，其中以Defi、Games和NFT為主。

來源：https://starkware.notion.site/Projects-Building-on-StarkNet-a33dee55778a4515a9be9bdae02ee682

值得注意的是，AAVE、Maker這兩個知名項目，也將會部署到StarkNet。兩周前，Maker已經上線了DAI在主網和StarkNet之間的轉賬，AAVE近期也在社區內公告，預期6月會完成第一階段的部署，在StarkNet上線aTokens。

除了成熟的Defi項目外，新項目中較為知名的是Jediswap，聲稱可以實現0手續費的交易，Twiiter上已有~10k粉絲。

團隊似乎也較為重視游戲開發，核心邏輯是認為StarkNet可以承載較大的計算量，對于開發優質游戲非常有利。目前，已經有相對復雜的游戲如@LootRealms、@TheDopeWars等正在籌備上線，也有相對簡單的游戲已經可以使用，如@briqNFT，這是一個用戶可以自由繪制像素圖片并生成NFT的項目。

此外，生態中還包括StarkNet原生錢包ArgentX、將Solidity編譯為Cairo語言的開發工具Warp等。

3.團隊與融資

StarkWare是一個來自以色列的團隊，有很強的學術和技術背景，核心團隊以工程師居多，共有4位合伙人。

聯創及主席EliBen-Sasson，于2001年獲得希伯來大學理論計算機科學博士學位，專攻密碼學和零知識證明。他是STARK證明系統的發明人之一，參與建立過多個加密項目，其中包括Zcash。在聯合創立StarkWare之前，Eli曾在以色列理工學院擔任計算機正教授。

聯創及CEOUriKolodny，在希伯來大學獲得計算機科學學士學位、在MITSloan獲得MBA。Uri是位連續創業者，曾聯合創辦過多家科技公司，包括醫療器械公司OmniGuide、大數據可視化開發工具Mondria等。此前，Uri曾在兩家以色列VC擔任EIR，也做過麥肯錫分析師。

聯創及首席架構師MichaelRiabzev博士，是EliBen-Sasson帶的博士生，也是ZK-STARK協議的共同發明者。

最后一名聯創，也是首席科學家AlessandroChiesa，和EliBen-Sasson聯合創辦了Zcash，在UCBerkeley計算機系任教。

StarkWare也有非常強的資本支撐。就在剛剛過去的5月，StarkWare宣布以80億美元的估值獲得了1億美元D輪融資。截止目前，StarkWare已經累計獲得2.73億美元融資，投資方包括Coatue、GreenoaksCapital、Sequoia、Paradigm、3Arrows、AlamedaResearch、EthereumFoundation等等，不僅受到以太坊社區支持，也大受資本青睞。

4.優勢與挑戰

StarkWare具有非常明顯的優勢：

1）創始團隊繼承自Zcash，既有強大的學術和技術背景、又有成功的加密領域創業經驗，是非常難得的明星團隊；

2）擴容潛力大，基于STARK的證明系統能夠最大化壓縮鏈上信息，在這一點上超過了ZKSync和OP系選手，且核心技術均為自研，對技術的掌控能力強；

3）優秀的聲譽也有利于生態建設，目前已經吸引到了AAVE、Maker這樣的成熟項目部署，可見對開發者具有較強的號召力。

StarkWare面臨的主要挑戰包括：

1）沒有做EVM兼容，對開發者的門檻較高，這也是相對于ZKSync的一個關鍵區別。在這一方面，第三方團隊Nethermind正在開發Solidity到Cairo的編譯器Warp，對于生態發展速度來說會是一個關鍵變量；

2）目前StarkNet上的Sequencer仍由團隊進行中心化運營，如何在做到去中心化的同時保證安全，也將會是一個難題。這個問題也同樣擺在Arbitrum、Optimism等相對成熟的L2項目面前，二者目前的Sequencer也都以中心化的方式運營；而對于StarkNet來說，除了負責挑選交易、產出區塊的Sequencer角色外，還有負責生成證明的Prover角色，且后者相對前者會有延時，這一問題將會更棘手。

StarkWare還沒有發幣，就已經達到了80億美元的高估值，相比之下Optimism目前FDV為~25億美元，在熊市下不排除StarkWare幣價出現倒掛的可能。這也許會讓StarkWare對于發幣更加審慎，畢竟團隊不差錢，且對用戶而言ZKRollup的手續費天然較低，財務問題不如OP系凸出。當然，對于二級市場的散戶投資者而言，或許會創造一個不錯的進入機會。

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