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，ZK Rollup一直被寄予厚望。由於ZK Rollup能夠生成極其簡潔的證明，相比Optimistic Rollup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（L2背景知識傳送門：《以太坊將會如何變化：讀懂合併、擴容與L2之爭》）。

按照V神的估算，ZK Rollup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，但由於分別採用了不同的ZK Rollup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，鏈茶館製作

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已於去年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相當於通過單個App中心化運營的方式提前使用了ZK Rollup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所採用的基礎架構，以及在兩種產品體系之下的執行差異；其次，將介紹除了ZK Rollup之外，StarkWare有趣的創新點。

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StarkEx Service模塊中。圖中的「Executing」，不是很確定指的是什麼，可能是指一些前端的處理或預處理。

2）StarkEx Service：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餘額、該筆交易此前是否已經執行過等；確認過後，將會打包足量的有效交易，並運行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對於ZK Rollup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，而困難就在於，智能合約的執行結果有千千萬萬，如何能夠統一成可以驗證的多項式方程[1]。

StarkWare的一個重大貢獻，就在於通過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Validity Proof相兼容。

在這一方面，ZKSync也用原創的方案做到了，但是與StarkWare各有取捨。StarkWare採用的證明系統是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 [2]；而ZKSync採用SNARK系統，是一個相對成熟的證明系統，優點在於更容易做到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]。

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

4）STARK Verifier和5）StarkEx Contract都是部署在L1的智能合約，前者負責驗證SHARP提交的證明，後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、驗證通過後，在StarkEx Service模塊中提交的狀態更新才會被L1接受，更新StarkEx Contract內存儲的交易狀態，由此完成交易。

總結來說，最核心的模塊在於StarkEx Service和SHARP中。StarkEx Service對交易進行有效性驗證、打包、調用Cairo程序執行，隨後提交到SHARP生成證明，最後再將證明提交到L1的智能合約，以供L1節點驗證。

Cairo程序和SHARP證明體系構成了StarkWare的核心技術，整套技術基於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。

那麼，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。

1.2 StarkEx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，由於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：ZK Rollup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（如交易指令），如果只能獲取到交易結果、而沒有執行過程數據，那麼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，那麼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，ZK Rollup和Validium都採用有效性證明（Validity Proof），區別在於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，只有更新後的狀態會發送到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」（The Data Availability Committee），這是一個由ConsenSys、Infura、Nethermind、Cephalopod、Iqlusion和StarkWare共同組成的中心化的委員會，負責接受鏈下數據並做驗證，隨後將簽名發送到L1上，L1上的節點通過驗證簽名來確認鏈上狀態的更新[4]。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。

而在ZK Rollup模式下，除了新的狀態外，還會將狀態變化前後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。

目前採用StarkEx的四個項目中，只有dydx採用了ZK Rollup的數據可用性模式，其餘三個項目都採用Validium模式。

來源：https://l2beat.com/

1.3 StarkNet架構及成熟度

StarkNet相對於StarkEx最主要的架構變化，就在於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StarkEx Service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SHARP所承擔的生成證明的工作，在StarkNet中有獨立的Prover。

Sequencer+Prover相當於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。至於Sequencer和Prover的角色會合併還是分開，官方還沒有給出方案。這裡有個複雜的問題：Prover給出證明所需要的時間遠遠長於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，將會是一個不小的難題[5]。

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

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的性能並不夠好。這是由於，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處理的問題複雜度遠遠高於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（左）還是測試網（右）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於用戶量少造成的，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（Usability），接下來分別要達到的目標是提升性能（Performance）並實現去中心化（Decentralization），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[6]。

1.4 未來構想

除了基於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[7]。

但是，StarkWare有一個設計構想，展現了一個很宏偉的未來：通過L3（或者說Ln）來實現分形分層（Fractal Layering）。簡單來說，即在StarkNet上用分形的設計層層構造ZK Rollups，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，那麼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之間的轉帳，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[8]。

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遊戲開發，核心邏輯是認為StarkNet可以承載較大的計算量，對於開發優質遊戲非常有利[9]。目前，已經有相對複雜的遊戲如@LootRealms、@TheDopeWars等正在籌備上線，也有相對簡單的遊戲已經可以使用，如@briqNFT，這是一個用戶可以自由繪製像素圖片並生成NFT的項目。

此外，生態中還包括StarkNet原生錢包Argent X、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位合夥人。

聯創及主席Eli Ben-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CEO Uri Kolodny，在希伯來大學獲得計算機科學學士學位、在MIT Sloan（麻省理工學院斯隆管理學院）獲得MBA。Uri是一位連續創業者，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（駐場準創業者），也做過麥肯錫分析師。

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

最後一名聯創，也是首席科學家Alessandro Chiesa，和Eli Ben-Sasson聯合創辦了Zcash，在UC Berkeley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、Greenoaks Capital、Sequoia、Paradigm、3Arrows、Alameda Research、Ethereum Foundation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，基於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）優秀的聲譽也有利於生態建設，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，這也是相對於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，對於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；而對於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，且後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對於發幣更加審慎，畢竟團隊不差錢，且對用戶而言ZK Rollup的手續費天然較低，財務問題不如OP系凸出。當然，對於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。