STARK:StarkNet性能路線圖：如何攻克排序器難題？

原文：《StarkNetPerformanceRoadmap》

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。

StarkWare發布新的Stark Net開源全節點Papyrus:1月12日消息，以太坊Layer2開發公司Stark Ware發布新的Stark Net開源全節點Papyrus，它基于Rust實現，是第三個加入StarkNet生態系統的完整節點，將跟蹤StarkNet，允許用戶和開發人員通過Stark Net的JSON-RPC查詢狀態，Papyrus還將為新的StarkNet定序器提供基礎，以提高StarkNet的吞吐量。[2023/1/12 11:07:27]

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。

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。

LayerZero與歐元Stablecoin Angle Protocol集成:8月11日消息，多鏈互操作性協議LayerZero宣布與歐元Stablecoin協議Angle Protocol實現集成，agEUR目前已經可以在以太坊、Polygon、Optimism和Arbitrum之間轉移，且所有流動性池已經實現統一。[2022/8/11 12:19:10]

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。

B2B支付公司Paystand將加密貨幣納入其資產負債表:金色財經報道，區塊鏈B2B支付公司Paystand宣布將加密貨幣納入其資產負債表，已購買BTC和ETH。此前消息，Paystand完成5000萬美元C輪融資，NewView Capital領投，軟銀的SB Opportunity Fund和King River Capital跟投。[2021/12/11 7:31:46]

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。

DeversiFi正在升級至StarkEx 2.0，將添加快速取款的新功能:零知識證明研發機構StarkWare發推稱，去中心化交易所DeversiFi正在升級至StarkEx 2.0，后者運行在Cairo上，這是STARKs的圖靈完備框架。此次升級的一個新功能是快速取款，可在區塊鏈時間內將資金從L2提取到任何L1地址。[2020/10/26]

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。

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：

2500枚BTC轉入Bitstamp交易所價值2428.61萬美元:WhaleAlert數據顯示，北京時間06月06日6:26，2500枚BTC從未知錢包轉入Bitstamp交易所，按當前價格計算，價值約2428.61萬美元，交易哈希為：9fbc48b285850bce6b339d165328517a12ddb852f3acd32c6622e2b96ba619e1。[2020/6/6]

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TX1-4，但事后發現Tx4依賴于Tx1，因此這次執行是無效的，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tx1-5，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。

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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