Membongkar StarkNet: Memahami Cairo

Pengantar StarkNet dan Cairo

Sejak mainnet StarkNet diluncurkan pada akhir 2021 dan dengan komitmen berkelanjutan untuk mendesentralisasi infrastrukturnya, StarkNet telah menempatkan diri sebagai pemimpin utama dalam ekosistem pengembangan blockchain serta lanskap teknologi ZK (zero-knowledge) Rollup. Platform ini bertujuan menawarkan peningkatan kecepatan transaksi dan penurunan biaya secara eksponensial dalam lingkungan yang aman dan kompatibel dengan Ethereum, menjadikan StarkNet sebagai salah satu solusi Layer 2 (L2) paling menonjol di pasar saat ini.

Namun, terdapat satu hal penting yang perlu diperhatikan bagi pengembang yang ingin membangun di jaringan ini. StarkNet secara khusus menggunakan Cairo sebagai bahasa pemrograman utama, berbeda dengan solusi ZK-Rollup lain seperti zkSync 2.0. Berbeda dengan zkSync yang memungkinkan pengembang mengompilasi ulang smart contract atau aplikasi Layer 1 yang ditulis dalam bahasa seperti Vyper dan Solidity ke lingkungan eksekusi Layer 2 tanpa mengubah kode dasarnya, StarkNet mewajibkan pengembang bekerja langsung dengan Cairo.

Meski memerlukan proses pembelajaran khusus, Cairo telah membuktikan tingkat adopsi dan utilitas yang tinggi. Data StarkNet menunjukkan Cairo menduduki peringkat keempat dalam hal TVL (total value locked) di antara bahasa smart contract. Aplikasi yang dikembangkan dengan Cairo telah memproses lebih dari 300 juta transaksi, menghasilkan 90 juta NFT, dan mendukung perdagangan senilai $790 juta di jaringan Ethereum. Fakta ini menegaskan bahwa membangun dengan Cairo menawarkan keunggulan dan peluang tersendiri, yang akan dibahas lebih lanjut dalam artikel ini.

Apa itu Cairo?

Cairo merupakan bahasa pemrograman tingkat tinggi yang dirancang agar mudah diakses dan digunakan oleh pengembang yang telah familiar dengan bahasa mainstream seperti Python dan JavaScript. Bahasa ini dikembangkan khusus untuk StarkNet, dengan fitur-fitur spesifik yang memungkinkan pengembang memanfaatkan kemampuan unik StarkNet.

Keunggulan tersebut mencakup skalabilitas luar biasa yang melampaui solusi Layer 1 tradisional, serta kemampuan menjalankan komputasi rumit secara off-chain dengan tetap menjaga jaminan keamanan kriptografi. Desain Cairo berfokus pada kemudahan pembuatan proof zero-knowledge untuk komunitas pengembang yang lebih luas, tanpa perlu keahlian mendalam dalam matematika kriptografi. Dengan pendekatan ini, pengembang dapat fokus pada logika aplikasi, sementara sistem STARK yang mendasari menangani operasi kriptografi kompleks demi integritas dan keamanan komputasi.

Arsitektur Von Neumann

Sebagai implementasi pertama arsitektur Von Neumann STARK universal pada blockchain di mainnet Ethereum, Cairo merupakan pencapaian teknis penting dan kerap disebut sebagai MVL (minimum viable language) untuk sistem STARK. Pendekatan arsitektur Von Neumann memberikan Cairo fleksibilitas tinggi, karena memori digunakan bersama antara instruksi dan data. Model memori bersama ini memungkinkan alokasi untuk setiap komponen berubah secara dinamis sesuai dengan kebutuhan komputasi yang dijalankan.

Pilihan arsitektur ini sangat berbeda dari arsitektur Harvard, tandingan struktural Cairo. Arsitektur Harvard memiliki ruang memori terpisah untuk data dan instruksi, sehingga fleksibilitasnya cenderung terbatas. Memori untuk data dan instruksi pada arsitektur Harvard bersifat tetap dan tidak dapat dialokasikan ulang sesuai kebutuhan komputasi.

Pendekatan Von Neumann pada Cairo memungkinkan penggunaan memori yang lebih efisien, terutama saat menghasilkan proof STARK dengan kebutuhan komputasi yang sangat bervariasi sesuai kompleksitas operasi yang diverifikasi. Fleksibilitas ini membuat Cairo mampu mengoptimalkan alokasi sumber daya secara dinamis, sehingga proses pembuatan dan verifikasi proof menjadi lebih efisien.

Prinsip Goldilocks

Cairo menerapkan "prinsip Goldilocks" untuk mencapai keseimbangan optimal antara ekspresibilitas kode dan efisiensi prover STARK. Prinsip ini diambil dari kisah dongeng tentang karakter yang mencari sesuatu yang "pas" – tidak berlebihan maupun kekurangan.

Di satu sisi, Cairo "tidak-terlalu-panas" karena memiliki daftar register minimal, yaitu hanya Program Counter (PC), allocation pointer, dan frame pointer. Bahasa ini menggunakan set instruksi minimal yang dipilih dengan cermat untuk menjalankan operasi tingkat rendah secara efisien. Dengan set instruksi yang kecil, kebutuhan memori untuk menyimpan, mengeksekusi, dan membaca instruksi program menjadi jauh lebih rendah, sehingga waktu pembuatan proof lebih cepat dan overhead komputasi berkurang.

Di sisi lain, Cairo "tidak-terlalu-dingin" karena tetap menyediakan fitur tingkat tinggi yang cukup untuk pengembangan aplikasi. Bahasa ini mendukung konstruksi pemrograman penting seperti fungsi, rekursi, akses memori acak, dan pola kontrol alur yang kompleks. Keseimbangan ini membuat Cairo tetap efisien dalam pembuatan proof, namun tetap ekspresif untuk membangun aplikasi desentralisasi yang kompleks.

Selain itu, Cairo telah siap produksi, bukan sekadar spesifikasi bahasa, melainkan didukung ekosistem tool chain yang matang untuk pengembangan. Ekosistem ini meliputi compiler untuk mengubah kode Cairo menjadi bytecode, virtual machine untuk eksekusi, tracer untuk debugging, ekstensi IDE untuk lingkungan pengembangan populer, dan contoh kode aplikasi yang lengkap. Sebagai bahasa utama StarkNet, semua aplikasi desentralisasi (DApp) yang ingin melakukan scaling melalui StarkNet wajib ditulis dalam Cairo, sehingga ekosistem tooling yang solid sangat vital untuk adopsi dan produktivitas pengembang.

Integritas Komputasi

Salah satu keunggulan utama Cairo sebagai bahasa pemrograman adalah pendekatannya terhadap Integritas Komputasi (CI). Integritas komputasi merupakan jaminan bahwa proses komputasi berlangsung secara benar, yang dapat dicapai melalui berbagai mekanisme.

Pada sistem tradisional, integritas komputasi kerap didasarkan pada reputasi dan akuntabilitas terdelegasi, seperti pada institusi keuangan atau bank besar yang telah lama dipercaya. Alternatif lain adalah fraud proof, seperti pada Optimistic Rollups, di mana terdapat "challenge period" yang memungkinkan publik untuk mengajukan sanggahan atas transaksi yang mencurigakan atau berpotensi merugikan. Pada periode ini, validator dapat mengirimkan bukti bahwa transaksi dijalankan tidak benar, sehingga memicu proses penyelesaian sengketa.

Cairo mengambil pendekatan berbeda dengan menghasilkan pernyataan integritas komputasi melalui proof kriptografi, khususnya proof STARK (Scalable Transparent ARgument of Knowledge). Dalam sistem ini, prover menghasilkan proof kriptografi berupa bukti matematis untuk mengonsolidasi dan memverifikasi kebenaran banyak transaksi atau komputasi. Proof tersebut kemudian dikirim ke verifier, yang dapat memeriksa validitas proof secara efisien demi tercapainya integritas komputasi.

Kelebihan pendekatan kriptografi ini adalah memberikan kepastian matematis, bukan sekadar insentif ekonomi atau asumsi kepercayaan. Verifier dapat memastikan komputasi dilakukan dengan benar tanpa harus menjalankan ulang keseluruhan proses secara mandiri. Karakteristik ini menjadi dasar scalability StarkNet dengan tetap menjaga jaminan keamanan setara lapisan dasar Ethereum.

Cairo 1.0

Pada awal 2023, Co-Founder StarkWare Eli Ben-Sasson mengumumkan re-genesis Cairo di StarkNet, yaitu Cairo 1.0. Peningkatan ini merupakan pembaruan besar yang mendesain ulang Cairo agar menyerupai bahasa pemrograman sistem populer, Rust. Tujuan utama redesign ini adalah supaya pengembang dengan pengalaman coding umum dan pemahaman paradigma pemrograman modern dapat membangun aplikasi desentralisasi di Layer 2 Ethereum StarkNet lebih mudah.

Cairo 1.0 menghadirkan berbagai peningkatan dalam desain dan fungsi bahasa. Perbaikan tersebut meliputi sintaks dan konstruksi bahasa yang lebih modern, sistem tipe yang komprehensif untuk mendeteksi kesalahan saat kompilasi, library yang mudah digunakan untuk fungsi umum, optimasi proses pembuatan kode, serta penetapan spesifikasi tipe data secara eksplisit agar strong typing yang mendukung keamanan dan pemeliharaan kode.

Salah satu fitur utama dari pembaruan Cairo adalah hadirnya Sierra, yaitu Safe Intermediate Representation. Sierra menjadi lapisan representasi intermediate antara source code Cairo 1.0 dan bytecode Cairo. Lapisan ini memudahkan upgrade yang aman, mencegah berbagai jenis kerentanan, dan membuka peluang optimasi yang lebih baik dalam proses kompilasi.

Dengan pembaruan komprehensif ini, tim StarkNet berharap Cairo semakin mudah diadopsi oleh komunitas pengembang mainstream, sehingga semakin banyak inovator membawa proyeknya ke StarkNet. Proses belajar yang lebih sederhana dan pengalaman pengembang yang lebih baik diharapkan mempercepat pertumbuhan ekosistem dan keragaman aplikasi.

Pengembang kini dapat mulai menulis, mengompilasi, dan menguji program dengan Cairo 1.0 melalui tools dan dokumentasi yang tersedia. Cairo 1.0 juga terus diperbarui dengan fitur dan optimasi baru seiring kematangan bahasa. Informasi terbaru, dokumentasi, dan kontribusi komunitas dapat diakses melalui repository resmi Cairo, yang menjadi pusat aktivitas pengembangan dan komunitas bahasa Cairo.

FAQ

Apa itu StarkNet? Apa bedanya dengan solusi Ethereum Layer 2 lainnya?

StarkNet merupakan solusi scaling Ethereum Layer 2 yang menggunakan teknologi ZK-Rollup. Berbeda dari solusi Layer 2 lain, StarkNet menonjolkan zero-knowledge proof untuk keamanan privasi dan efisiensi komputasi yang optimal, sekaligus tetap kompatibel dengan Ethereum.

Apa karakteristik bahasa pemrograman Cairo? Bagaimana pemula memulai belajar Cairo?

Cairo adalah bahasa low-level milik StarkNet yang efisien dengan sintaks ringkas. Pemula dianjurkan untuk memulai dari dokumentasi resmi dan tutorial video agar memahami konsep inti serta alur pengembangan secara efektif.

Bagaimana cara mengembangkan serta mendistribusikan smart contract di StarkNet?

Tulis smart contract menggunakan bahasa Cairo, kompilasi kode, lalu distribusikan melalui CLI atau SDK StarkNet untuk deployment kontrak secara efisien di jaringan.

Apa keunggulan StarkNet dengan teknologi zero-knowledge proof?

StarkNet memanfaatkan zero-knowledge proof untuk meningkatkan skalabilitas dan throughput transaksi, menjaga keamanan dan privasi. Teknologi ini memungkinkan komputasi off-chain yang efisien dengan verifikasi on-chain, sehingga mengurangi biaya dan mempercepat proses tanpa kompromi desentralisasi.

Seberapa besar peningkatan biaya dan kecepatan transaksi StarkNet dibandingkan mainnet Ethereum?

StarkNet mampu menurunkan biaya transaksi sekitar 95% dibandingkan mainnet Ethereum, serta meningkatkan kecepatan dan kapasitas throughput sehingga pemrosesan transaksi menjadi jauh lebih efisien.

Apa perbedaan utama Cairo dan Solidity?

Cairo dirancang untuk StarkNet dengan skalabilitas optimal lewat validity proof, serta mendukung in-memory hash map yang tidak tersedia di Solidity. Cairo memberikan performa lebih baik untuk komputasi kompleks dan menawarkan paradigma sintaks yang dioptimalkan untuk verifikasi zero-knowledge proof, berbeda dengan pendekatan Solidity yang fokus pada Ethereum.

Bagaimana cara menyiapkan lingkungan pengembangan StarkNet lokal?

Instal Python dan Rust, clone repository Protostar, konfigurasikan variabel lingkungan, lalu jalankan skrip setup untuk menginisialisasi node StarkNet lokal guna mendukung pengembangan.

Apa saja proyek ekosistem StarkNet? Aplikasi apa yang sudah berjalan?

Ekosistem StarkNet memiliki 105 proyek dalam pengembangan, mencakup DeFi, tools, GameFi, dan NFT. Saat ini, beberapa aplikasi DeFi dan NFT telah beroperasi di jaringan.