Rollupの争い —— Starkwareの概要

著者：鹿目円、IOBC Capital

現在、イーサリアムの発展傾向はますますモジュール化ブロックチェーンに傾いています。

モジュール化ブロックチェーンのアーキテクチャの下では、イーサリアム上の取引計算と実行はもはやメインネットによって操作されず、この部分の作業はオフチェーンのLayer 2に移されて完了します。このようなソリューションはメインネットの負担を軽減し、イーサリアムの性能を大幅に拡張しました。

将来的にイーサリアムのメインネットは合意形成とデータの可用性を完了する作業のみを担い、すべての計算実行を担うLayer 2は、現在のアマゾンウェブサービスやアリババクラウドのようなクラウドコンピューティングサービスプロバイダーの役割に変わります。

Rollup

Layer 2のスケーリングソリューションの中で、最も有望とされているのがRollupです。

Rollupはイーサリアムのオフチェーンで取引の検証と計算を行い、それらをパッケージ化して圧縮し、取引の更新後の新しい状態ルート（State root）と共にメインネットに返送することで、メインネットのスペースの占有を減少させます。

RollupにはOptimistic Rollupとzk-Rollupの2つの実装方式があります。これらはそれぞれ：

Optimistic Rollupは詐欺証明（Fraud proof）を採用し、最初にメインチェーンにアップロードされたすべての取引が合法であると仮定し、チャレンジ期間を設定して、検証者が問題のある取引に対して証明を提出して挑戦できるようにします。一旦詐欺行為が確認されると、詐欺者に対して罰則が科され、挑戦者には報酬が与えられます。

zk-Rollupは有効性証明（Validity proof）を採用し、オフチェーンで全ての取引の検証とパッケージ化を行い、検証後の取引がメインチェーンに提出される際にゼロ知識証明を添付して取引の有効性を証明します。StarkWareのCEOであるUriの言葉を借りれば、「それは信頼なしに計算の誠実性を提供します。つまり、誰も監視していなくても、その計算が正しく実行されることを確信できる能力です。」これは初期のビットコインの理念に非常に似ています。

Rollupには主に3つの役割があります：

• Sequencer：主にユーザーから取引を収集し、それらを順序付けて新しいMerkleルートをLayer 1のRollupスマートコントラクトに送信する役割を担い、マイナーに似ています。
• Prover：すべての取引の検証を計算し、取引の有効性を証明するためのzk-proofを生成します。
• Verifier：通常Layer 1にデプロイされ、Proverが提出した証明の有効性を検証するために一部の計算を完了し、計算の誠実性に必要なすべての情報を提供します。

Optimistic RollupはEVMと互換性があり、技術的なソリューションが成熟して早期に実装されているため、開発者にとって移行コストが低く、代表的なプロジェクトであるArbitrumとOptimismは現在Rollupの中で市場占有率が最も高いです。一方、zk-RollupsはEVMと互換性がなく、技術的な難易度も高く、開発の進捗が遅いため、現在のところスマートコントラクトに向けたOP系のRollupほど広く適用されていません。

それにもかかわらず、zk-RollupはOptimistic Rollupに比べて多くの利点があります。例えば：

• スケーラビリティが優れています。 これは、zk-RollupsがメインネットにアップロードするデータがOptimistic Rollupsよりも少ないためです。zk-Rollupsがチェーン上に公開する取引情報はすべて検証済みで証明が添付されているため、他の人は証明を検証するだけで取引を検証する必要がありません。そのため、取引関連のデータをアップロードする必要がなくなりますが、Optimistic Rollupsは詐欺証明の挑戦を受け入れる必要があるため、これらのデータもチェーンに上げる必要があります。実際のアプリケーションでは、zk-Rollupの性能向上能力はOptimistic Rollupsの約10倍です。
• 取引の最終確定時間が短い。 zk-Rollupsがチェーン上に公開する取引はすでに検証されており証明が添付されているため、検証が比較的簡単で、通常の検証時間は約10分ですが、Optimistic Rollupsが提出する取引は詐欺リスクがあるため、詐欺証明の挑戦を受け入れる必要があり、この挑戦の時間ウィンドウは約1週間です。そのため、即時出金などの機能を実現できません。
• 安全性が高い。 zk-Rollupsがアップロードする取引はすべて検証されており証明が添付されているため、悪意の可能性が低くなります。Optimistic Rollupsが詐欺的な内容を含む取引をアップロードする可能性があるのに対し、zk-Rollupsのデータの信頼性と安全性は高くなります。

Vitalikは2021年に「短期的には、Optimistic RollupsがそのEVMの互換性により勝利するでしょう。中長期的には、zk-SNARK技術の改善に伴い、zk-Rollupsがすべてのユースケースを獲得するでしょう。」と言っています。長期的には、Vitalikはzk-Rollupsにより期待を寄せています。

zk-SNARKとzk-STARK

zk系の2大プロジェクトはそれぞれzksyncとStarkwareです。zksyncはzk-SNARK技術を採用しており、Starkwareはzk-STARK技術を採用しています。

zk-SNARKは簡潔な非対話型証明の略で、zk-STARKは拡張可能な透明な知識証明の略です。zk-SNARKは早くから誕生し、技術が比較的成熟しており、現在では比較的広範な応用があります。初期のプライバシーコインプロジェクトであるzcashはzk-SNARK技術を使用しています。zk-STARKはzk-SNARKの改良版と見なされており、より高速で便利な実装方法を目指しており、zk-SNARKのいくつかの欠点を補うことを目的としています。

名前からもわかるように、zk-STARKはzk-SNARKに比べてスケーラビリティと透明性の利点を持っています。また、zk-STARKはより高い安全性も持っています。その具体的な理由は：

1. スケーラビリティ。 zk-STARK技術により、証明者の実行時間は計算規模の擬似線形で、検証時間は計算量の多項式対数です。一方、zk-SNARKでは、証明者は複雑で高価な証明プロセスに直面する可能性があり、それに伴い長い検証時間がかかります。
2. 透明性。 zk-STARKは信頼できる初期設定を必要とせず、zk-SNARKのように信頼できる設定の公共参照文字列を必要とせず、ランダムな公共検証を使用するため、パラメータが破壊されたり変更されたりする心配がありません。
3. 安全性。 zk-STARKはハッシュ関数に依存して対称暗号化を行うため、ハッシュ関数の衝突耐性が量子攻撃に対する抵抗能力をもたらします。

技術が成熟し、早期に導入されたため、現在zk分野ではzk-SNARKが主流ですが、zk-STARKは技術的な難易度が高く、開発者が不足しているため、まだ広く採用されていません。しかし、無視できない利点を持っているため、将来的にはzk-STARKがより受け入れられるソリューションになると信じています。

Starkware

Starkwareの共同創設者Eli Ben-Sassonは、世界トップクラスの暗号学者であり、イスラエル工科大学の教授であり、zk-SNARKとzk-STARK技術の共同発明者でもあります。プロジェクトはチューリング完全なCairo言語で開発されています。

動作原理

Starkwareシリーズ製品のワークフローは以下の図のようになります：

StarkExを例にとると、StarkNetのワークフローは大体似ています。

1. ユーザーはまずアプリケーション内で操作を行います。通常はアプリケーションのクライアントまたはウェブフロントエンドで、アプリケーションがこれらのアクションを実行した後、StarkExサービスに取引を送信します。
2. StarkExサービスはこれらの取引をパッケージ化して実行し、そのパッケージをSHARP（Shared prover、共有の証明サービス）に送信します。このプロセスの実行はCairo言語で書かれたプログラムによって行われます。特に、StarkWareはCairoというチューリング完全な言語を通じて、すべてのスマートコントラクトの計算結果を証明可能な多項式方程式に変換し、スマートコントラクトと有効性証明の互換性を持たせています。
3. SHARPはStarkに基づく証明システムであり、このバッチ取引の有効性を証明する証明を生成します。
4. SHARPはStark証明をLayer 1にデプロイされたVerifierに送信し、Verifierが検証を完了します。
5. StarkEx ServiceはLayer 1にデプロイされたStarkNetスマートコントラクトに対してチェーン上の状態更新取引を送信します。このスマートコントラクトはVerifierが証明を完了した後にのみ、この新しい状態変更を受け入れます。

製品

Starkwareには現在2つの製品があります：

• StarkExはアプリケーションにカスタマイズされたToBサービスを提供し、StarkEx上で動作するアプリケーションは自分たちのビジネスロジックをカスタマイズできます。StarkExはDeFiやゲームなどのアプリケーションにサービスを提供し、取引速度を向上させ、取引コストを削減し、ZK-RollupまたはValidiumの2つのソリューションを通じてデータの可用性を実現できます。
• StarkNetは許可不要の分散型、検閲耐性のある汎用Layer 2ネットワークで、すべてのユーザーと開発者がCairo言語で書かれたスマートコントラクトをデプロイして使用できます。

これら2つの製品はそれぞれ異なるビジネスモデルに対応しています。 前者はアプリケーションにカスタマイズサービスを提供して販売し、後者は許可のない汎用サービスを提供してネットワーク上の取引手数料を徴収するか、ノードとして取引手数料優先の原則に基づいてMEVを抽出します。

StarkWareの共同創設者Eli Sabassonは、StarkExとStarkNetの違いをコンピュータとクラウドに例えました。 StarkExを購入することは、自分専用のカスタマイズされたコンピュータを持つことに似ており、各顧客は自分の拡張コンピュータを持っています。一方、StarkNetはネットワークを提供し、汎用サービスを提供し、すべての人が費用を支払い利用できます。

StarkNetの作業プロセスは以下の図のようになります。StarkExとの最大の違いは、StarkNetではSequencerがStarkEx Serviceの役割を引き継ぎ、取引の有効性を検証し、取引をパッケージ化し、Cairoプログラムを実行する作業を行います。一方、SHARPが担う証明生成の作業は、StarkNetではProverが担当します。現在、SequencerとProverはStarkWareの公式チームによって指定されており、これが中央集権化の疑問を引き起こしています。

ロードマップ

StarkNetは以前、彼らのブログでロードマップを発表し、段階的に分散化を実現することを示しました。

想定では、StarkNetの構築プロセスは4つの段階に分かれています：

• Step 0--基盤構築
• Step 1--Planets：単一オペレーター、単一アプリのRollup
• Step 2--Constellations：単一オペレーター、複数アプリのRollup
• Step 3--Universe：分散型オペレーター、複数アプリのRollup

Step 1では、1つのStarkNetインスタンス（1つのRollup）上で1つのアプリケーションのみが実行され、開発者はStarkNetというスケーリングネットワーク上で自分のビジネスロジックを実現する方法に焦点を当てます。

次のステップでは、同じStarkNetインスタンス上で複数のアプリケーションを実行できるようになり、これらのアプリケーションは同じグローバルLayer 2状態を共有できるようになります。これにより、異なるアプリケーション間の相互運用性が実現され、規模の経済によるガスコストの削減が可能になります。この段階で、StarkNetはEthereum上で任意のビジネスロジックを持つ複数のアプリケーションを実行できる完全なフレームワークになります。ユーザーの観点から見ると、StarkNetはEthereumと非常に似ており、スケーラビリティが優れています。

最後の段階は、StarkNetがオペレーターを分散化する段階です。この段階では、チームは主に2つのことを行います：（1）Rollupを使用してより良い合意メカニズムを実現し、（2）経済モデルを利用して貢献者とオペレーターにインセンティブを与え、ネットワークの分散化を実現するためにより多くの参加者を引き付けます。

Cairo言語

Cairo（CPU Algebraic Intermediate Representation、CPU代数中間表現）は、Starkwareが一般的な計算のためにSTARK証明を生成するために使用するチューリング完全なプログラミング言語です。アプリケーション開発者はCairoを使用して任意のビジネスロジックを定義し、オフチェーンで証明を行い、オンチェーンで検証を完了できます。 複雑な回路やAIR（代数中間表現）を手動で生成する必要はありません。

Cairoプログラミング言語を使用することで、任意の計算命題を迅速かつ安全にコーディングして証明できます。Cairoで書かれたアプリケーションは、その対応する実行ロジックを証明でき、Cairoアプリケーションは複数のCairoアプリケーションを統合してSHARPを形成できます。

SHARP（共有証明器）は、いくつかの独立したCairoアプリケーションの取引を集約し、同じSTARK証明で使用できます。 STARK証明を使用することで、証明を提出するために必要な時間は実行文を実行するために必要な時間とほぼ線形の関係にあります。証明を検証するために必要な時間は、証明を提出する時間に対して対数関係です。

検証時間が証明時間よりもはるかに短いため、再帰的な検証を実現できます： 1つのCairoプログラムは複数の取引の正確性を検証でき、同様に複数のStark証明を検証するためのCairoプログラムを作成できます。検証を実現するために対数時間しか必要ないため、このような再帰的な検証は検証時間を大幅に短縮できます。

StarkwareチームはCairoの汎用証明サービス（Generic Proof Service、GPS）を導入し、開発者はこのサービスを使用してCairo言語で自分のアプリケーションを構築できます。彼らは自分のビジネスロジックを含むCairoコードをGPSに送信して証明し、オンチェーンで検証できます。

GPSは、異なる複数のアプリケーションの実行の完全性を主張するために1つの証明を使用することをサポートしており、これによりこれらのアプリケーションは証明検証のガス費用を分担できます。

チームと資金調達

Starkwareのチームはイスラエル出身で、主要メンバーはヘブライ大学やイスラエル工科大学のバックグラウンドを持つコンピュータサイエンスおよび暗号学の開発者であり、ゼロ知識証明分野で最も強力なチームと言えます。

Starkwareの公式ウェブサイトによると、このチームには現在77人のメンバーがいて、7人の学科顧問と5人のその他の顧問がいます。主要メンバーには以下が含まれます：

• Eli Ben-Sasson：共同創設者＆最高科学者、ヘブライ大学の理論計算機科学博士号を持ち、計算の完全性、暗号学、ゼロ知識証明に関する研究を長年行っています。イスラエル工科大学のコンピュータサイエンスの教授。Zcashの創設科学者であり、zkSNARK、zkSTARKの発明者。
• Uri Kolodny：共同創設者＆CEO、ヘブライ大学のコンピュータサイエンス学士で、ビジネス経験が豊富で協力的な連続起業家。
• Alessandro Chiesa：共同創設者＆最高科学者、カリフォルニア大学バークレー校のコンピュータサイエンスの教授。Zcashの創設科学者であり、zk-SNARKsの共同発明者で、簡潔なゼロ知識証明のリーディングオープンソースライブラリlibsnarkのコア開発者。
• Michael Riabzev：共同創設者＆最高アーキテクト。イスラエル工科大学の博士で、IntelやIBMで働いていました。
• Oren Katz：エンジニアリング副社長。ヘブライ大学のコンピュータサイエンスを卒業し、テルアビブ大学でMBAを取得した20年の経験を持つエンジニア。

資金調達に関して、StarkWareは7回の資金調達を公表しており、45件の投資が含まれ、公開された資金調達額は2.73億ドルです。2022年のDラウンドの資金調達時の評価額は79億ドルで、投資家にはParadigm、Sequoia Capital、Pantera Capitalなどの機関やVitalikが含まれています。

経済モデル

Starkwareは今年の7月中旬にブログで彼らのトークン経済モデルを発表しました。元々は9月にトークンを発行する予定でしたが、その後発行時期を延期することを発表し、この記事の公開時点ではまだ公式に発行されていません。

StarkNetトークンは主に3つの使用シナリオを持ちます。すなわち、StarkNetネットワークの手数料の支払い、ネットワーク合意への参加のためのステーキング、コミュニティガバナンス投票です。

• 取引手数料： 現在、StarkNet内の手数料はETHで支払われています。しかし、今後このプロジェクトは手数料を原生StarkNetトークンのみで支払うことを予定しています。良好なユーザー体験をサポートするために、自動化された分散型のオンチェーンメカニズムにより、ユーザーはETHで手数料を支払うことができるようになります。
• ステーキング： StarkNetの活性化と安全性に重要な特定のサービスは、StarkNetトークンのステーキングを必要とする場合があります。これらのサービスには、順序付け、L1の最終性に達する前に一時的なL2合意を達成すること、STARK証明サービス、データの可用性供給が含まれる可能性があります。これらのサービスは2023年に分散化される予定です。
• ガバナンス： StarkNetの改善提案には、最低限のトークン保有閾値が必要です。StarkNetの活性化、安全性、維持に重要なプロトコルのすべての変更は、直接または委任を通じて投票する必要があります。例えば、StarkNetオペレーティングシステムのすべての重大な更新は、トークン保有者の承認を得る必要があります。

StarkNetトークンの初期発行量は100億枚で、17%がStarkWareの投資者に、32.9%がコア貢献者に、50.1%が財団に配分されます。また、このトークンには増発メカニズムがあり、新たに発行されるトークンと取引手数料の一部は、コアインフラ開発者やスマートコントラクト開発者に授与されます。

財団に配分される51%の具体的な用途は以下の通りです：

• 9%  ------エコシステム開発者、ユーザー、コミュニティ。6月1日以前にStarkExと相互作用した一部のユーザーを含みます。
• 9%  ------コミュニティの払い戻し（Rebates）------StarkNetトークンの払い戻しで、EthereumからStarkNetに参加するコストの一部を支払います。
• 12%  ------StarkNetプロトコルの開発、テスト、展開、維持に関する研究者や作業者への資金提供。
• 10% ------戦略的備蓄で、財団の使命に合致するエコシステム活動の資金提供に使用されます。
• 2%  ------大学、非政府組織などの関連分野の優れた機関や組織への寄付で、StarkNetトークン保有者と財団が決定します。
• 8.1%未配分------StarkNetコミュニティをさらに支援するために、具体的な方法はコミュニティが決定します。

分散型エコシステムの慣例的な配分とコミュニティの長期的な利益を考慮し、投資者とコア貢献者に配分される49.9%には4年間のロックアップ期間があり、1年間のクリフ（崖期）と線形の方法でトークンが解放されます。
トークンの配分から見ると、StarkNetトークンの報酬はコアインフラとdAppの開発者を優先し、一般ユーザーにはあまり傾いていないことがわかります。

運営データ

StarkExというtoB製品は早期に導入され、Scale as a serviceのモデルが比較的成熟しているため、いくつかのユーザーを蓄積しています。例えばdYdX（現在は移転）、Immutable X、rhino.fi、celer、Sorareなどです。公式ウェブサイトのデータによると、StarkEx上での累積取引額は7320億ドルに達し、現在のTVLは4.61億ドルです。

もう一つの製品であるStarkNetは、www.starknet-ecosystem.comのデータによると、現在エコシステム内には約100のアプリケーションがあり、その中で最も多いのはDeFi（45件）、NFT（24件）、インフラ（18件）です。

比較的有名なプロジェクトには、AAVEとMakerがStarkNetにデプロイされる予定で、2日前（10月29日）にAaveとStarkWareの第一段階のクロスチェーン協力が開発を完了したことが公式に発表されました。この段階は、Aave v2がEthereum上のaTokenをStarkNetのスマートコントラクト基盤にクロスチェーンするもので、ネットワークユーザーがStarkNetでクロスチェーンaTokenを取得できるようにします。また、6月にはMakerがすでにDAIをメインネットとStarkNet間で転送できるようにしました。

特に注目すべきは、以前StarkExで主要なTVLを占めていたdYdXが6月に移転し、Cosmos SDKに基づく独立したブロックチェーンを選択してv4バージョンの製品を展開したことです。この出来事は、投資家のLayer 2およびStarkwareに対する信頼にある程度影響を与えました。

この移転事件からもわかるように、実際にユーザーと影響力を持つアプリケーションは、基盤インフラの選択においてより多くの発言権と主導権を持っています。彼らは特定の単一の基盤チェーンに依存せず、他の基盤パブリックチェーンを選択したり、自分のニーズに合ったアプリケーションチェーンを構築したりすることができます。

過去の「太ったプロトコル、痩せたアプリケーション」の物語は再定義されるかもしれません。さまざまな基盤インフラのプロジェクトにとって、エコシステム内の優れたアプリケーションをどのように捉え、維持するかは、現在再考する必要がある問題です。結局のところ、より多くの価値を捕らえるためには、より多くのユーザーを捕らえる必要があります。そして、実際にユーザーと対話するのはアプリケーションであり、基盤ではありません。ユーザーは基盤技術の実現原理には関心がなく、アプリケーションの移行に従って移行します。

結論

強力な技術チームを持つStarkwareは、現在彼らの計画に従って製品を段階的に開発しています。10月26日、彼らはSTARK証明プログラミング言語Cairoを使用してZK-EVMを完成させたことを公式に発表しました。

同時に、彼らはいくつかの課題にも直面しています。例えば、zk-STARKは現在技術的難易度が高く、開発速度が遅く、開発者が少ないため、エコシステムアプリケーションの発展と維持に多くの困難をもたらしています。dYdXの移転は、プロジェクトの大部分のTVLを失い、基盤インフラが上層の優れたアプリケーションに結びつく能力が不足していることを露呈させ、優れたアプリケーションが基盤チェーンを選択する際の強力な発言権を示しました。

しかし、技術の優位性により、長期的には私たちは依然としてzk-rollupとSTARKの発展を期待しています。今後、トークンの解放によるインセンティブ効果やネットワークの分散化が進むにつれて、StarkwareはRollupトラックの最も有力な競争者の一つであり続けるでしょう。