STAR:詳解StarkNet性能路線圖：如何優化排序器？

原文作者：StarkWare

原文編譯：DeFi之道

Rollups的有效性不受限于L1的吞吐量，使得L2的TPS可以很高。

在StarkNet的性能路線圖中，解決了系統中的一個關鍵因素——排序器。

性能的改進主要有以下幾點：

排序器的并行化

為Cairo虛擬機提供Rust語境下的實現

在Rust語境下的排序器

證明者并不是瓶頸，他們可以處理比現在更多的東西。

簡介

大約一年前，StarkNetAlpha正式上線了以太坊主網，這時，我們將重心放在了功能的構建上，現在，我們決定將重點轉移到提高性能之上，并計劃通過一系列的步驟來提高StarkNet上的用戶體驗。

在這篇文章中，我將解釋為什么有很多優化措施只適用于有效性匯總，并分享StarkNet實施這些措施的計劃和步驟，其中一些計劃已經在StarkNetAlpha0.10.2中實現，在討論具體的細節之前，讓我們先來回顧一下限制鏈上性能的原因。

美媒：馬斯克曾試圖就推特問題與FTC主席會面，但遭到拒絕:金色財經報道，馬斯克曾要求與美國聯邦貿易委員會（FTC）主席莉娜·可汗（Lina Khan）會面，但遭到了拒絕。該委員會一直在調查推特的隱私和數據操作。一位知情人士表示，馬斯克是在去年年底做出這一嘗試的。馬斯克試圖與FTC聯系，表明了該機構對推特調查的嚴重性。該機構調查的重點是，在馬斯克去年收購這家社交媒體公司并解雇了數千名員工之后，這家公司是否有足夠的資源保護用戶的隱私。據悉該機構曾單獨尋求就調查與馬斯克面談，但一位知情人士說，會談尚未進行。[2023/3/31 13:36:33]

區塊限制：ValidityRollups與L1

提高區塊鏈可擴展性和TPS的方法之一是：在解除區塊的限制同時，保持區塊生成時間的不變。這需要區塊生產者提供更高效的服務，因此就需要更有效地執行這些組件，因此，我們將重點轉移到StarkNet排序器的優化之上，在下文會詳述具體內容。

?IMF：加密貨幣不應被授予法定貨幣地位，需要聯合監管框架:金色財經報道，國際貨幣基金組織提出，為維護貨幣主權和穩定，加密資產不應被授予官方貨幣或法定貨幣地位。當地時間2月23日，國際貨幣基金組織(IMF)官網發布新聞稿稱，國際貨幣基金組織執行董事會評估了一份名為《加密資產有效政策要素》的文件，并同意該文件中擬議的政策框架及要素。[2023/2/24 12:27:11]

這里會有一個問題，為什么對排序器的優化僅僅對ValidityRollups有效，換句話說，為什么我們不能在L1上以相同的方法改進，避免有效性匯總有復雜性？在下一節內容中，對這一問題將進行回答。

為什么L1吞吐量有限

如果L1的區塊限制被解除，會遇到一個很大的問題，因為鏈的高吞吐帶來了鏈上區塊的高增長率，為了確保不同的節點跟上最新的全鏈狀態，就需要增加了更多的全節點。又由于L1全節點必須記錄所有歷史記錄，區塊大小的大幅增加會給全節點運營者帶來巨大壓力，并導致部分全節點因為機器性能落后而退出系統，結果，能夠運營全節點的都是一些比較大的實體，最終就是用戶無法以無信任的姿態驗證狀態并參與網絡。

Andre Cronje：允許fUSD作為鏈上收費系統:1月29日消息，Fantom聯創Andre Cronje發文，將從fUSD v1遷移至fUSD v2，允許fUSD作為鏈上收費系統，這意味著Fantom能夠以FTM或fUSD分配費用，并能夠根據使用情況預測未來成本。

fUSD v1將實施清算，fUSD債務等于或大于FTM或sFTM支持的任何頭寸都將被清算；在sFTM支持的情況下，質押將立即取消質押，并領取所有獎勵。此外，為了允許用戶平倉，還構建了將DAI兌換為fUSD的工具，以方便結清未嘗債務。[2023/1/29 11:35:17]

這也讓我們明白，從某種意義上來說正是L1吞吐量的限制，成就了一個真正去中心化的和相對安全的網絡系統。

上述問題為什么不會出現在ValidityRollups之上？

只有在考慮全節點的問題時，我們才能看到有效性匯總的優勢。正常情況下，一個L1全節點需要重新執行整個鏈的歷史以確保當前狀態的正確性，而StarkNet節點只需要驗證STARK證明，而且這種驗證需要的計算資源呈指數級下降。重點是，鏈上全節點狀態的驗證同步沒有涉及到執行；一個節點可以從另一個全節點那里接受當前狀態的轉儲，只需通過STARK證明來驗證這個狀態是否有效即可。這讓我們在增加網絡的吞吐量的同時，不用增加全節點的數量。

數據：BAYC巨鯨n0b0dy.eth APE質押量位居第一:金色財經報道，據歐科云鏈OKLink 多鏈瀏覽器數據顯示，從12月5日22:48開始各地址開始陸續質押APE，截至目前 BAYC巨鯨n0b0dy.eth (0x7eb開頭的地址)質押量位居榜首，質押 APE 共計 169975.7 個，價值 67 萬美元。

此前消息，APE質押池已質押290萬枚APE，價值約1150萬美元。[2022/12/6 21:25:32]

因此，在L2上，通過對排序器的優化可以對整個系統的性能進行提升，但這在L1上不能實現的。

StarkNet的未來性能路線圖

這一部分，我們將討論目前有哪些計劃用于對StarkNet排序器的優化。

排序器并行化

性能路線圖的第一步是為交易執行引入并行化。這個提議是在StarkNetalpha0.10.2中正式引入的，該版本于11月29日在以太坊主網上發布，我們現在來深入探討下什么是并行化。

Tether：過去24小時內處理了約7億美元USDT贖回:金色財經報道，TetherCTOPaoloArdoino表示，過去24小時，Tether處理約7億贖回。目前Binance平臺內，BUSD兌USDT為1:1.014。據Curve官方數據顯示，當前3pool中USDT占比已達80.43%(742,416,062枚)，而DAI和USDC的占比分別為9.79%（90,368,486枚）和9.77%（90,255,001）。[2022/11/10 12:45:08]

一般來說，并行執行多個交易區塊是不可以的，因為不同的交易可能是相互依賴的。以下方示例中進行說明，我們假設有一個包含來自同一用戶的三筆交易的區塊：

TxA：將USDC兌換ETH

TxB：為某款NFT支付ETH費用

TxC：將USDT兌換BTC

顯然，交易A必須發生在交易B之前，但交易C完全獨立于兩者，是可以并行執行的。如果每個交易需要1秒執行，那么通過引入并行化處理之后，區塊生產時間可以從3秒減少到2秒。

問題的關鍵在于，我們事先并不知道不同交易之間的依賴性。在實踐中，只有當我們執行到示例中的TxB時，我們才會發現它是依賴于TxA所做的改變。更準確地說，這種依賴性源于TxB從TxA寫入的存儲單元中讀取這一動作。我們可以把不同的Tx看成是一個依賴圖，其中存在從交易A到交易B的一條邊，當且僅當A寫入一個由B讀取的存儲單元時，B才可能執行。下圖顯示了這種依賴之間的關系：

在上面的示例中，每一列都可以并行執行。

為了克服事先無法確定不同交易事件之間的依賴關系，我們根據AptosLabs推出的BLOCK-STM，將OP并行化引入到StarkNet排序器中。在這種模式下，會以樂觀地方式并行地處理事務，并在發現碰撞時重新執行。比如在上述示例圖中，我們可以并行執行TX?1-4?，但事后發現Tx4依賴于Tx?1?，因此這次執行是無效的，在這種情況下，將重新執行Tx?4?。

請注意，在上述這種樂觀并行化的基礎上我們也增加一些優化措施。例如，與其等待每個執行的結束，可以在發現一個使之運行結果無效的依賴關系時就中止執行。

另一個優化的例子是選擇哪些事務來重新執行。假設由上述示例圖的所有事務組成的區塊被送入一個擁有五核CPU的排序器。首先，我們嘗試并行執行tx1-5?，如果完成的順序是Tx?2、Tx?3、Tx?4、Tx?1?，最后是Tx?5?，那么我們將在Tx?4已經執行后才發現依賴關系Tx?1?→Tx?4?，這表明它應該被重新執行。直觀地說，考慮到Tx?4的重新執行，Tx?5也需要重新執行，然而，我們可以遍歷由執行已經結束的事務構建的依賴圖，只重新執行依賴于Tx?4的事務，而不是將失效Tx?4之后的事務都重新執。

Rust語境下的Cairo-VM實現

StarkNet中的智能合約是通過Cairo語言編寫的，并在Cairo-VM虛擬機中執行。目前，排序器正在使用python語言在Cairo-VM上運行。為了優化虛擬機的實現性能，我們之前發起了用Rust重寫Cairo-VM虛擬機的工作。

目前，cairo-rs可以執行原生Cairo代碼，下一步是處理智能合約的執行和與pythonic排序器的集成，一旦與cairo-rs集成，排序器的性能有望進一步提高。

Rust語境下的排序器

通過python到rust的轉變以提高網絡性能，不僅限于Cairo-VM，StarkNet用Rust重寫了排序器相關的代碼。除了Rust的內部優勢之外，這還為排序器的其他優化提供了可能，比如，可以集合cairo-rs的優勢，而無需python-rust通信的開銷，也可以完全重新設計狀態的存儲和訪問方式。

證明者

在整篇文章中，沒有提到有效性匯總中核心元素之一——證明者。作為可以說是架構中最復雜的組件，證明者算是瓶頸，也是優化的重點。但現在，StarkNet的瓶頸是更加「標準」的組件，特別是對于遞歸證明，可以將當前測試網/主網上的更多交易放入證明中。事實上，StarkNet區塊與StarkEx交易一起得到有效的市場證明，后者有時會有數十萬NFT的鑄造事件。

總之，并行化、Rust等改進，都是為接下來StarkNet提升TPS所做的準備。

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