解析 StarkWare 的架构与生态：估值 80 亿美元的扩容潜力

作者：echo_z，链茶馆

在以太坊的扩容路线中，ZK Rollup一直被寄予厚望。由于ZK Rollup能够生成极其简洁的证明，相比Optimistic Rollup进一步压缩了链上存储需求，因此能够释放更大的链上空间（L2背景知识传送门：《以太坊将会如何变化：读懂合并、扩容与L2之争》）。

按照V神的估算，ZK Rollup理论上可以将主网TPS提升~100倍，这也远远强过能够提升TPS~20倍的分片方案。

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

ZK系Rollups有两大龙头项目，一是StarkWare，二是ZKSync。二者都有较强的技术能力，也在测试网上有不少生态项目，但由于分别采用了不同的ZK Rollup技术，产品能力和进度上各有千秋。

其中，StarkWare有着更耀眼的资本背景：近期以80亿美元的估值完成1亿美元的D轮融资，位居四大主流Rollups项目之首。

主流L2项目一览，链茶馆制作

StarkWare为何能够如此受资本青睐，其技术能力可以实现怎样的扩容效果呢？链茶馆将在本文尝试解析StarkWare的架构和生态，理解其未来前景。

1. 产品体系

StarkWare的产品体系分为两部分。

其一是作为ToB服务的StarkEx，为每一个应用提供专门的Rollup技术服务，自2020年就已正式上线以太坊主网，相对成熟。

其二是作为通用L2的StarkNet，可以部署任意的智能合约、而不像StarkEx那样需要为特定应用做定制开发，StarkNet已于去年6月上线测试网、去年11月上线以太坊主网，但生态项目仍在测试网上运行。

二者所使用的底层技术是相通的，StarkEx相当于通过单个App中心化运营的方式提前使用了ZK Rollup技术，而StarkNet则承担了建立节点网络的去中心化任务。

以下将会首先介绍StarkWare所采用的基础架构，以及在两种产品体系之下的执行差异；其次，将介绍除了ZK Rollup之外，StarkWare有趣的创新点。

1.1 通用工作流

下图是StarkEx的工作流，和StarkNet相通，我们将以此为概要，梳理StarkWare的技术要点。

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

1）Applications：用户向App发送交易请求，App将交易请求发送到StarkEx Service模块中。图中的「Executing」，不是很确定指的是什么，可能是指一些前端的处理或预处理。

2）StarkEx Service：这一模块会验证交易的有效性，如确认用户身份与资产是否相符、用户账户上是否有足够余额、该笔交易此前是否已经执行过等；确认过后，将会打包足量的有效交易，并运行Cairo程序来执行这些交易。

值得注意的是这其中的「Cairo」编程语言，这是StarkWare对于ZK Rollup所面临的共同挑战的解决方案：在现存的多数证明系统中，必须首先将计算结果转化为一个特定域的多项式方程，而困难就在于，智能合约的执行结果有千千万，如何能够统一成可以验证的多项式方程[1]。

StarkWare的一个重大贡献，就在于通过Cairo这一图灵完备的语言，将所有的智能合约计算结果转化成了可证明的多项式方程，由此让智能合约与Validity Proof相兼容。

在这一方面，ZKSync也用原创的方案做到了，但是与StarkWare各有取舍。StarkWare采用的证明系统是STARK，这是StarkWare团队所开创的证明系统，优点是在单位空间内能够证明的交易更多、且更安全[2]；而ZKSync采用SNARK系统，是一个相对成熟的证明系统，优点在于更容易做到EVM兼容，ZKSync2.0也确实做到了EVM兼容。

StarkWare的原生Cairo语言对STARK证明系统非常友好，可以说是为了运用STARK证明系统而产生的语言，但随之而来的问题则是对开发者来说学习成本较高，现有的Eth生态难以直接迁移。为此，StarkWare正在与第三方团队Nethermind合作，开发Solidity到Cairo的编译器Warp[3]。

3）SHARP：在Cairo程序执行完成后，结果将会发送到SHARP，即「共享验证者」（Shared Prover）。这也是StarkWare开发的一套程序，基于STARK证明系统，将Cairo程序的执行结果生成一个证明，并发送到L1上，由L1的矿工节点调用验证合约来做验证。

4）STARK Verifier和5）StarkEx Contract都是部署在L1的智能合约，前者负责验证SHARP提交的证明，后者负责存储更新的交易状态和其他必要信息。只有当L1的矿工节点运行Verifier、验证通过后，在StarkEx Service模块中提交的状态更新才会被L1接受，更新StarkEx Contract内存储的交易状态，由此完成交易。

总结来说，最核心的模块在于StarkEx Service和SHAPR中。StarkEx Service对交易进行有效性验证、打包、调用Cairo程序执行，随后提交到SHARP生产证明，最后再将证明提交到L1的智能合约，以供L1节点验证。

Cairo程序和SHARP证明体系构成了StarkWare的核心技术，整套技术基于StarkWare自创的STARK证明系统，具有证明量大且更安全的特性，但是为了适应STARK的Cairo语言不天然兼容EVM，对开发者有较高的学习成本。

那么，上述工作流中的环节，分别是由哪些角色来执行的呢？1.2和1.3小节将会对此详述。

1.2 StarkEx架构及数据可用性

在StarkEx中，所有链下的工作，即包含交易打包、调用Cairo程序、生成证明，全部都由每个应用自己运行完成，是一个完全中心化的运营方式。此外，由于StarkEx是定制化的ToB服务，针对每个应用有专门的ZK电路，加强了运行性能，因此使用StarkEx引擎的项目能够做到非常高的TPS。

StarkEx还提供了两种数据可用性的模式：ZK Rollup和Validium，供每个应用取舍。

数据可用性在区块链的场景中至关重要，指的是链上节点是否能够获取到每一笔交易执行的全部相关数据（如交易指令），如果只能获取到交易结果、而没有执行过程数据，那么这笔交易的有效性就无法在链上验证，而只要有任意单一笔交易的数据有效性有问题，那么整条链上的交易历史都存在隐患。多种Layer2所取舍的一个关键点，就是存放多少数据在链上，由此也形成了不同的安全性。

下图是四种主流L2模式，所对应的证明系统和数据可用性方案。可以看到，ZK Rollup和Vailidium都采用有效性证明（Validity Proof），区别在于完整数据放在链上还是链下。

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

在Validium模式下，只有更新后的状态会发送到L1上，L1节点无法通过链上数据复原完整交易历史。在这种模式下，交易的完整执行数据会由SHARP先发送给一个链下的「数据可用性委员会」（The Data Availability Committee），这是一个由ConsenSys、Infura、Nethermind、Cephalopod、Iqlusion和StarkWare共同组成的中心化的委员会，负责接受链下数据并做验证，随后将签名发送到L1上，L1上的节点通过验证签名来确认链上状态的更新[4]。Validium模式牺牲了安全性来换取更节约的存储空间，用户使用的前提是信任该委员会。

而在ZK Rollup模式下，除了新的状态外，还会将状态变化前后的区别一同发送到链上，L1节点利用链上数据就可以复原完整交易历史，实现了安全级别最高的Rollup。

目前采用StarkEx的四个项目中，只有dydx采用了ZK Rollup的数据可用性模式，其余三个项目都采用Validium模式。

来源：https://l2beat.com/

  1.3 StarkNet架构及成熟度

StarkNet相对于StarkEx最主要的架构变化，就在于链下工作从应用手中移交到了矿工手中。

链下工作包含两部分，一是StarkEx Service所承担的验证交易有效性、打包交易、调用Cairo程序执行的工作，在StarkNet中执行者为Sequencer；二是SHAPR所承担的生成证明的工作，在StarkNet中有独立的Prover。

Sequencer+Prover相当于ETH网络中的矿工，完成了从交易池中挑选交易、执行交易、生成证明的过程，由此也就生成了StarkNet上的区块。至于Sequencer和Prover的角色会合并还是分开，官方还没有给出方案。这里有个复杂的问题：Prover给出证明所需要的时间远远长于Sequencer生产区块所需要的时间，所以生成区块和生成证明之间会有一个长达数小时的时间差，如何利用分工来解决时间差问题，将会是个不小的难题[5]。

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

作为通用L2，StarkNet的应用场景当然比StarkEx广泛，但是作为产品本身而言，成熟度还不够高。

其一，StarkNet的性能并不够好。这是由于，StarkNet要做的是ZK通用电路，而StarkEx做的是针对每个应用定制开发的电路，StarkNet处理的问题复杂度远远高于StarkEx。

官方没有公布过StarkNet的TPS数据，但是从区块浏览器来看，不论是在主网（左）还是测试网（右）上，大概只能实现每小时300~400笔或每分钟15笔交易，TPS仅为0.1~0.25。当然，这个数字可能也是由于用户量少造成的，但整体TPS不高应该是现状。

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

其二，StarkNet还没有做到去中心化。目前，Sequencer和Prover都由StarkWare官方团队运营，没有搭建好去中心化的矿工节点。不过在这一点上，其实Optimistic和Arbitrum也都是由中心化的Sequencer节点运营的，是L2所面临的共同问题。

官方在2月时发布过一篇博客，认为StarkNet目前已经实现了可用性（Usability），接下来分别要达到的目标是提升性能（Performance）并实现去中心化（Decentralization），在性能这一方面，要在2022年的下半部分实现比ETH高一个数量级的TPS[6]。

 1.4 未来构想

除了基于STARK证明系统的扩容方案外，StarkWare还构想过不少其他创新，如跨L2的联合LP池：用户可以在多个L2的LP池中交换代币以增强流动性。不过这样做的代价是会增加无常损失的风险，未必是个理想的方案[7]。

但是，StarkWare有一个设计构想，展现了一个很宏伟的未来：通过L3（或者说Ln）来实现分形分层（Fractal Layering）。简单来说，即在StarkNet上用分形的设计层层构造ZK Rollups，使得性能翻倍。而且据官方Medium，未来StarkEx也将会迁移到StarkNet上，作为一层L3服务其他协议。

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

如果Ln的分形分层设计真的能实现，那么TPS的提升将至少以百倍计算，甚至以太坊可能不再需要Sharding。当然，这一构想必定会面临诸多难题，比如L2生成证明就有延时，分层的延时是否会更严重、如何处理，以及每一层的安全性如何保障，等等。分形分层的实现，恐怕还比较遥远。

2. 生态运营

在ToB服务侧，StarkEx提供的服务比较成熟，目前TVL~10亿美元，其中dYdX占95%以上。

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

在ToC服务L2这一侧，目前还没有TVL等数据，但是可以看到StarkWare具有很强的生态吸引力。官方收集了60多个正在搭建的项目，其中以Defi、Games和NFT为主。

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

值得注意的是，AAVE、Maker这两个知名项目，也将会部署到StarkNet。两周前，Maker已经上线了DAI在主网和StarkNet之间的转账，AAVE近期也在社区内公告，预期6月会完成第一阶段的部署，在StarkNet上线aTokens[8]。

除了成熟的Defi项目外，新项目中较为知名的是Jediswap，声称可以实现0手续费的交易，Twiiter上已有~10k粉丝。

团队似乎也较为重视游戏开发，核心逻辑是认为StarkNet可以承载较大的计算量，对于开发优质游戏非常有利[9]。目前，已经有相对复杂的游戏如@LootRealms、@TheDopeWars等正在筹备上线，也有相对简单的游戏已经可以使用，如@briqNFT，这是一个用户可以自由绘制像素图片并生成NFT的项目。

此外，生态中还包括StarkNet原生钱包Argent X、将Solidity编译为Cairo语言的开发工具Warp等。

3. 团队与融资

StarkWare是一个来自以色列的团队，有很强的学术和技术背景，核心团队以工程师居多，共有4位合伙人。

联创及主席Eli Ben-Sasson，于2001年获得希伯来大学理论计算机科学博士学位，专攻密码学和零知识证明。他是STARK证明系统的发明人之一，参与建立过多个加密项目，其中包括Zcash。在联合创立StarkWare之前，Eli曾在以色列理工学院担任计算机正教授。

联创及CEO Uri Kolodny，在希伯来大学获得计算机科学学士学位、在MIT Sloan（麻省理工学院斯隆管理学院）获得MBA。Uri是位连续创业者，曾联合创办过多家科技公司，包括医疗器械公司OmniGuide、大数据可视化开发工具Mondria等。此前，Uri曾在两家以色列VC担任EIR（驻场准创业者），也做过麦肯锡分析师。

联创及首席架构师 Michael Riabzev博士，是Eli Ben-Sasson带的博士生，也是 ZK-STARK 协议的共同发明者。

最后一名联创，也是首席科学家Alessandro Chiesa，和Eli Ben-Sasson联合创办了Zcash，在UC Berkeley计算机系任教。

StarkWare也有非常强的资本支撑。就在刚刚过去的5月，StarkWare宣布以80亿美元的估值获得了1亿美元D轮融资。截止目前，StarkWare已经累计获得2.73亿美元融资，投资方包括Coatue、Greenoaks Capital、Sequoia、Paradigm、3Arrows、Alameda Research、Ethereum Foundation等等，不仅受到以太坊社区支持，也大受资本青睐。

4. 优势与挑战

StarkWare具有非常明显的优势：

1）创始团队继承自Zcash，既有强大的学术和技术背景、又有成功的加密领域创业经验，是非常难得的明星团队；

2）扩容潜力大，基于STARK的证明系统能够最大化压缩链上信息，在这一点上超过了ZKSync和OP系选手，且核心技术均为自研，对技术的掌控能力强；

3）优秀的声誉也有利于生态建设，目前已经吸引到了AAVE、Maker这样的成熟项目部署，可见对开发者具有较强的号召力。

StarkWare面临的主要挑战包括：

1）没有做EVM兼容，对开发者的门槛较高，这也是相对于ZKSync的一个关键区别。在这一方面，第三方团队Nethermind正在开发Solidity到Cairo的编译器Warp，对于生态发展速度来说会是一个关键变量；

2）目前StarkNet上的Sequencer仍由团队进行中心化运营，如何在做到去中心化的同时保证安全，也将会是一个难题。这个问题也同样摆在Arbitrum、Optimism等相对成熟的L2项目面前，二者目前的Sequencer也都以中心化的方式运营；而对于StarkNet来说，除了负责挑选交易、产出区块的Sequencer角色外，还有负责生成证明的Prover角色，且后者相对前者会有延时，这一问题将会更棘手。

StarkWare还没有发币，就已经达到了80亿美元的高估值，相比之下Optimism目前FDV为~25亿美元，在熊市下不排除StarkWare币价出现倒挂的可能。这也许会让StarkWare对于发币更加审慎，毕竟团队不差钱，且对用户而言ZK Rollup的手续费天然较低，财务问题不如OP系凸出。当然，对于二级市场的散户投资者而言，或许会创造一个不错的进入机会。