StarkNetの全貌：Cairoの仕組みを理解する

StarkNetとCairoの概要

StarkNetは2021年末のメインネット開始以降、インフラの分散化を継続的に進め、ブロックチェーン開発エコシステムやZK（ゼロ知識）Rollup技術領域でトップクラスの存在として認識されています。このプラットフォームは、安全なEthereum互換環境で取引速度を大幅に向上させ、コストを劇的に削減することを目指しており、現在最も注目されるLayer 2（L2）スケーリングソリューションの一つです。

ただし、このチェーン上で開発を検討する場合、重要な点があります。StarkNetはCairoを主要プログラミング言語として採用しており、zkSync 2.0など他のZK-Rollup系とは異なります。zkSyncでは、VyperやSolidityなどで記述したスマートコントラクトやLayer 1アプリケーションをベースコードを変更せずにLayer 2環境へ再コンパイルできますが、StarkNetではCairoを直接扱う必要があります。

こうした学習の壁があるものの、Cairoは高い普及と実用性を示しています。StarkNetによると、Cairoはスマートコントラクト言語のTVL（総預かり資産）で第4位となっています。Cairoベースのアプリケーションは、3億件以上の取引、9,000万個以上のNFT、Ethereumネットワーク上で7億9,000万ドル相当の取引を実現しています。これらの実績は、Cairoによる開発が独自のメリットと機会をもたらすことを明確に示しており、本記事で詳しく解説します。

Cairoとは？

Cairoは、PythonやJavaScriptなど主要言語に慣れた開発者が扱いやすく設計された高水準プログラミング言語です。StarkNet専用に設計され、独自の機能によってStarkNetの強みを最大限に活かせます。

主な特徴は、従来のLayer 1と比較して圧倒的なスケーラビリティや、暗号的安全性を維持した複雑なオフチェーン計算の実現です。Cairoはゼロ知識証明の生成を、暗号数理の専門知識がなくても幅広い開発者が利用できるよう設計されています。これにより、開発者はアプリケーションロジックに集中でき、基礎となるSTARK証明システムが計算の完全性とセキュリティを担保します。

フォン・ノイマンアーキテクチャ

CairoはEthereumメインネットで初めて導入されたユニバーサルなフォン・ノイマンSTARKアーキテクチャであり、STARKシステムのMVL（最小実用言語）とも評価されています。フォン・ノイマン方式では、命令とデータが同じメモリを共有するため、各要素の割り当てが計算タスクに応じて動的に変化し、高い柔軟性を実現します。

この設計は、Cairoの構造的対となるハーバードアーキテクチャと対照的です。ハーバード方式では、データと命令のメモリ空間が分離されており、柔軟性が制限されます。固定されたメモリしか割り当てられず、計算ニーズに応じた再割り当てができません。

Cairoのフォン・ノイマン方式は、特にSTARK証明生成時のメモリ効率を向上させます。証明の計算負荷が複雑さに応じて大きく異なるため、柔軟なリソース最適化によって証明生成・検証プロセスが効率化されます。

ゴルディロックス原則

Cairoは「ゴルディロックス原則」に従い、コードの表現力とSTARKプローバー効率の最適バランスを実現しています。この原則は「ちょうど良いものを求める」童話に由来します。

一方でCairoは「熱すぎない」設計として、PC（プログラムカウンター）、アロケーションポインタ、フレームポインタだけの最小限レジスタリストを持ち、効率的な低レベル処理ができる厳選された命令セットを採用しています。命令コードの保存に必要なメモリが少なく済むため、証明生成の高速化と計算コストの削減につながります。

またCairoは「冷たすぎない」設計として、関数や再帰、ランダムメモリアクセス、高度な制御フローなどの高水準機能も十分に備え、効率性を維持しつつ複雑な分散型アプリケーションの開発を可能にしています。

さらにCairoは実運用に対応しており、言語仕様だけでなく、コンパイラや仮想マシン、デバッガ、IDE拡張、豊富なコード例など、開発者の生産性を支える充実したツールチェーンが揃っています。StarkNetでDAppをスケールさせるにはCairoが必須であり、この堅牢なツール群が導入と生産性向上の鍵となっています。

計算の完全性（Computational Integrity）

Cairoの最大の特徴の一つが、計算の完全性（CI）への独自アプローチです。計算の完全性は、処理が正しく実行されたことを保証する仕組みです。

従来は、金融機関や銀行などの信用や委任責任、Optimistic Rollupの「チャレンジ期間」での公開検証など、経済的インセンティブや信頼に依存した方法が一般的でした。

Cairoは、STARK（Scalable Transparent ARgument of Knowledge）証明による暗号学的手法で計算の完全性を担保します。プローバーが複数の取引や計算の正当性を数学的に証明し、バリファイアがその証明を効率的に検証することで、計算結果の正当性を保証します。

この暗号学的手法の最大の利点は、経済的動機や信頼に頼ることなく、数学的な確証を得られる点です。バリファイアは計算を再実行せずとも正当性を確信でき、StarkNetはEthereumベースレイヤーと同等のセキュリティを維持しながら高いスケーラビリティを実現しています。

Cairo 1.0

2023年初、StarkWare共同創業者Eli Ben-Sassonにより、StarkNet上でCairoの再構築となるCairo 1.0が発表されました。このアップグレードはCairo言語の根本的な再設計を意味し、Rustの設計思想を取り入れています。主な狙いは、現代のコーディング経験やプログラミングパラダイムに慣れた開発者がEthereum Layer 2上でDAppをより簡単に構築できるようにすることです。

Cairo 1.0では、最新の言語設計に近い構文や言語構造、コンパイル時のエラー検出を可能にする堅牢な型システム、便利なライブラリ、性能向上のための最適化されたコード生成、強い型付けによる安全性・保守性向上など、多くの機能強化が導入されました。

特に注目すべきは、Sierra（Safe Intermediate Representation）の導入です。SierraはCairo 1.0ソースコードとバイトコードの間に位置する中間表現であり、安全なアップグレードや脆弱性防止、コンパイル最適化などで重要な役割を果たします。

このアップグレードにより、StarkNetチームはCairoがより広く一般開発者に採用され、革新的なプロジェクトが続々とStarkNetに集まることを期待しています。学習ハードルの低減や開発体験の向上で、エコシステムの成長とアプリケーションの多様化が加速すると見込まれます。

開発者は既にCairo 1.0対応ツールやドキュメントを利用してプログラムの記述・コンパイル・テストが可能です。Cairo 1.0は継続的に機能追加や最適化が進められており、最新情報やコミュニティ活動は公式Cairoリポジトリが中心となっています。

FAQ

StarkNetとは？他のEthereum Layer 2ソリューションとの違いは？

StarkNetはEthereum Layer 2スケーリングにZK-Rollup技術を利用しています。他のLayer 2と異なり、StarkNetはゼロ知識証明による高いプライバシーと計算効率を重視し、Ethereum互換性を保ちます。

Cairoプログラミング言語の特徴と初心者向け学習方法は？

CairoはStarkNet向けの効率的な低水準言語で、簡潔な構文が特徴です。初心者は公式ドキュメントや動画チュートリアルで基本概念や開発手順を体系的に学習することが効果的です。

StarkNetでスマートコントラクトを開発・デプロイする方法は？

Cairo言語でスマートコントラクトを記述・コンパイルし、StarkNetのCLIまたはSDKを用いてネットワーク上にデプロイします。

StarkNetがゼロ知識証明技術を使うメリットは？

StarkNetはゼロ知識証明によってスケーラビリティと処理速度を高めつつ、セキュリティとプライバシーも維持します。効率的なオフチェーン計算とオンチェーン検証によるコスト削減、分散性を損なわず高速な処理が可能です。

StarkNetはEthereumメインネットと比べて取引コストと速度にどれほどの改善がありますか？

StarkNetはEthereumメインネット比で約95%の取引コスト削減と、取引速度・処理能力の大幅な向上を実現し、効率的な大量処理が可能です。

CairoとSolidityの主な違いは？

CairoはStarkNet向けに設計され、バリディティ証明を活用した高いスケーラビリティやインメモリハッシュマップ対応など、Solidityと異なる機能を持ちます。複雑な計算処理でも高性能を発揮し、ゼロ知識証明検証に最適化された独自構文を採用しています。

StarkNetのローカル開発環境構築方法は？

PythonとRustをインストールし、Protostarリポジトリをクローン、環境変数を設定してセットアップスクリプトを実行すれば、ローカルStarkNetノードを初期化できます。

StarkNetのエコシステムプロジェクトと現在稼働中のアプリケーションは？

StarkNetエコシステムには105件の開発プロジェクトがあり、DeFi、ツール、GameFi、NFTなどが含まれます。現在、複数のDeFiやNFTアプリケーションが稼働しています。