ARK:StarkNet性能路線圖：如何攻克排序器難題？

原文：《StarkNet Performance Roadmap》

編譯：wesely

路線圖中的并行化、Rust 等改進，都是為接下來 StarkNet 提升 TPS 所做的準備。

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（Sequencer）的并行化

為 Cairo 虛擬機（Cairo-VM）提供 Rust 語境下的實現

在 Rust 語境下的排序器

證明者（Provers）并不是瓶頸，他們可以處理比現在更多的東西。

大約一年前，StarkNet Alpha 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。

StarkNet已啟動治理第一階段的“協議變更投票”:12月15日消息，StarkWare旗下L2解決方案StarkNet已啟動治理的第一階段“協議變更投票”，投票過程為：基金會向Goerli部署StarkNet更新版本；選民有6天的時間來檢查在Goerli上運行的升級版本；如果提案被選民批準，那么在將升級應用于主網之前將有24小時以上的延遲。

此外第一次對StarkNet協議的修改提議將很快進行表決，將涉及是否將StarkNet Alpha升級到0.11版本。投票的參與者為：代幣持有者、愿意委托其投票權的代幣持有者選擇的代表、StarkNet基金會選出行使部分表決權的代表、StarkNet基金會設立的專業建設者委員會。[2022/12/15 21:45:52]

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（Validity Rollups），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 StarkNet Alpha 0.10.2 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。

Web3Auth啟動Sign-in With StarkWare，允許用戶用其StarkWare賬戶登陸Web2應用:5月24日消息，錢包身份驗證基礎設施Web3Auth宣布正式啟動Sign-in With StarkWare，旨在為Web2帶來鏈上身份驗證的無需信任的安全性。通過該功能，Web2應用現在可以實現用戶使用StarkWare身份作為身份驗證機制進行登錄。[2022/5/24 3:38:25]

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（比如GAS和區塊大小的限制）同時，保持區塊生成時間的不變。這需要區塊生產者（L1 上的驗證器，L2 上的排序器）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。

這里會有一個問題，為什么對排序器的優化僅僅對 Validity Rollups 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（Validity Rollups） 有復雜性？在下一節內容中，對這一問題將進行回答。

收益協議Stablegains在未披露情況下將客戶資產投入Anchor，致4878名客戶損失共4200萬美元資金:5月19日消息，來自Terra研究論壇的FatMan在社交媒體上發文表示，收益協議Stablegains在未提前披露的情況下將客戶的USDC和USD投入到Anchor，損失了4878名客戶的共約4200萬美元的資金，并且可能無法償還。Stablegains已將其應用中的計價方式（denomination）從USD更改為 UST，還更改了其條款內容。根據截圖，律師事務所Erickson Kramer Osborne已代表其客戶向Stablegains發出信函。

Stablegains官網目前顯示，已不對新用戶開放。Stablegains在兩天前發布的公告表示，當用戶通過Stablegains存入資金時，資金將轉換為UST，并存入Anchor協議，所有用戶在Stablegains中的余額都會受到影響，用戶可以選擇提取資金或繼續持有。[2022/5/20 3:29:04]

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。

Compound創始人建議孫宇晨在波場上搭建Compound Chain Starport:12月23日消息，Compound創始人Leshner在推特上建議波場創始人孫宇晨在波場上搭建Compound Chain Starport。“這將允許你試用波場資產借入以太坊資產，反之亦然。”[2020/12/23 16:14:06]

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。

只有在考慮全節點的問題時，我們才能看到有效性匯總（Validity Rollups）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。

Gate.io Startup項目FAR認購成功，將于明日11點上線交易:據官方公告，Gate.io Startup首發項目Farmland(FAR)于今日認購成功，期間共1,150人下單，下單總價值超過2,00萬美金，認購系數約為0.07。Gate.io將于12月23日（明日）上午11:00開通FAR交易并隨后開通提現服務。[2020/12/22 16:07:04]

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。

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。

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 StarkNet alpha 0.10.2 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。

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：

Tx A（交易A，下同）：將USDC兌換ETH

Tx B：為某款NFT支付ETH費用

Tx C：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 Tx B 時，我們才會發現它是依賴于 Tx A所做的改變。更準確地說，這種依賴性源于Tx B 從Tx A 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 Aptos Labs 推出的BLOCK-STM，將 OP 并行化（optimistic parallelization）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 TX1-4，但事后發現 Tx 4 依賴于 Tx1，因此這次執行是無效的（應該在 Tx1 執行后運行 Tx 4 ），在這種情況下，將重新執行Tx4。

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 tx 1-5，如果完成的順序是Tx2、Tx3、Tx4、Tx1，最后是Tx5，那么我們將在 Tx4 已經執行后才發現依賴關系Tx1→Tx4，這表明它應該被重新執行。直觀地說，考慮到Tx4的重新執行，Tx5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Tx4的事務，而不是將失效Tx4之后的事務都重新執。

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。

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。

在整篇文章中，沒有提到有效性匯總（Validity Rollups）中核心元素之一——證明者（Provers）。作為可以說是架構中最復雜的組件，證明者（Provers）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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