Aprofundar na StarkNet: Entender o Cairo

Introdução ao StarkNet e Cairo

Com a entrada em funcionamento do mainnet do StarkNet no final de 2021 e os planos contínuos para ampliar a descentralização da sua infraestrutura, o StarkNet consolidou-se como líder de referência no ecossistema de desenvolvimento blockchain e no segmento da tecnologia ZK (zero-knowledge) Rollup. A plataforma procura garantir velocidades de transação significativamente superiores e uma redução exponencial dos custos, tudo num ambiente seguro e compatível com Ethereum, o que posiciona o StarkNet entre as soluções Layer 2 (L2) mais relevantes no mercado atual.

Para os programadores que pretendem desenvolver nesta rede, há um fator importante a considerar: o StarkNet utiliza o Cairo como principal linguagem de programação, distinguindo-se de outras soluções ZK-Rollup como zkSync 2.0. Ao contrário do zkSync, que permite recompilar contratos inteligentes ou aplicações Layer 1 escritos em Vyper ou Solidity para o ambiente Layer 2 sem alterações ao código base, StarkNet exige que os programadores trabalhem diretamente em Cairo.

Apesar da curva de aprendizagem, o Cairo tem evidenciado uma adoção e utilidade notáveis. O StarkNet indica que o Cairo ocupa a quarta posição em TVL (total value locked) entre as linguagens de contratos inteligentes. Aplicações desenvolvidas em Cairo terão permitido processar mais de 300 milhões de transações, criar 90 milhões de tokens não fungíveis (NFTs) e gerar transações avaliadas em 790 milhões $ na rede Ethereum. Estes dados demonstram inequivocamente que construir em Cairo oferece vantagens e oportunidades exclusivas, que serão abordadas ao longo deste artigo.

O que é o Cairo?

Cairo é uma linguagem de programação de alto nível, desenhada para ser acessível e intuitiva para programadores com experiência em linguagens mainstream como Python e JavaScript. Foi concebida para funcionar com a plataforma StarkNet, integrando funcionalidades especializadas que permitem explorar as capacidades únicas do StarkNet.

Entre estas características, destaca-se a escalabilidade extraordinária — muito superior às soluções Layer 1 convencionais — e a possibilidade de realizar cálculos complexos fora da cadeia, mantendo garantias de segurança criptográfica. O Cairo foi idealizado para tornar a geração de provas zero-knowledge acessível a um maior número de programadores, sem exigir conhecimentos avançados de matemática criptográfica. Assim, os programadores podem focar-se na lógica da aplicação, enquanto o sistema de provas STARK assegura as operações criptográficas complexas, garantindo integridade e segurança computacional.

Arquitetura Von Neumann

O Cairo representa a primeira arquitetura universal Von Neumann STARK implementada numa blockchain no mainnet Ethereum — um marco técnico relevante e frequentemente designado como MVL (minimum viable language) para a produção de sistemas STARK. A arquitetura Von Neumann confere ao Cairo uma grande flexibilidade, pois a memória é partilhada entre instruções e dados. Este modelo permite que a alocação de memória atribuída a cada componente seja ajustada dinamicamente conforme a tarefa computacional a executar.

Esta abordagem contrasta com a arquitetura Harvard, contraparte estrutural do Cairo, caracterizada pela separação dos espaços de memória para dados e instruções, o que resulta numa flexibilidade mais limitada. Na arquitetura Harvard, a memória disponível para dados e instruções é fixa e não pode ser realocada em função das exigências computacionais.

A opção Von Neumann no Cairo permite uma gestão mais eficiente da memória, sendo especialmente relevante na geração de provas STARK, onde os requisitos computacionais variam de acordo com a complexidade das operações a validar. Esta flexibilidade permite ao Cairo otimizar dinamicamente a alocação de recursos, tornando os processos de geração e verificação de provas mais eficientes.

Princípio Goldilocks

O Cairo segue o chamado "princípio Goldilocks", procurando o equilíbrio ideal entre a expressividade do código e a eficiência do provador STARK. O princípio remete para a personagem do conto que procurava tudo "no ponto" — nem demasiado, nem insuficiente.

Por um lado, o Cairo é "não demasiado quente", pois dispõe de uma lista mínima de registos — Program Counter (PC), ponteiro de alocação e ponteiro de frame — e um conjunto de instruções restrito e selecionado, capaz de executar operações de baixo nível com elevada eficiência. Com este conjunto minimalista, o custo computacional de guardar, executar e ler instruções é reduzido, exigindo menos memória para armazenar o código das instruções. Esta filosofia traduz-se em tempos de geração de provas mais rápidos e menor sobrecarga computacional.

Por outro lado, o Cairo é "não demasiado frio", já que oferece funcionalidades avançadas suficientes para o desenvolvimento prático de aplicações, como funções, recursividade, acesso aleatório à memória e padrões de controlo de fluxo sofisticados. Este equilíbrio garante que, apesar de eficiente na geração de provas, o Cairo não sacrifica a expressividade necessária para criar aplicações descentralizadas complexas.

Além disso, o Cairo está preparado para produção. Não se limita à especificação da linguagem: existe um ecossistema completo e maduro de ferramentas, incluindo compilador para traduzir o código Cairo em bytecode, máquina virtual para execução, tracer para debugging, extensões IDE para ambientes populares de desenvolvimento e exemplos de aplicações. Sendo a principal linguagem do StarkNet, todas as aplicações descentralizadas (DApps) que pretendam escalar nesta infraestrutura devem ser escritas em Cairo, fazendo deste ecossistema de ferramentas um fator fundamental para a adoção e produtividade dos programadores.

Integridade Computacional

Uma das principais características diferenciadoras do Cairo enquanto linguagem de programação reside na sua abordagem à Integridade Computacional (CI). Este conceito refere-se à garantia da correta execução de um cálculo, passível de ser assegurada por diversos mecanismos.

Os sistemas tradicionais recorrem, muitas vezes, à reputação e à responsabilidade delegada, como sucede em grandes instituições financeiras, onde a confiança é atribuída a entidades estabelecidas. Outra solução são as provas de fraude, comuns nas Optimistic Rollups, em que existem "períodos de contestação" para o público poder contestar transações suspeitas ou maliciosas. Durante estes períodos, validadores podem apresentar provas de execução incorreta, iniciando um processo de resolução de disputas.

O Cairo segue um caminho distinto, procurando gerar declarações de integridade computacional através de provas criptográficas, nomeadamente as STARK (Scalable Transparent ARgument of Knowledge). Neste sistema, o provador gera uma prova criptográfica — uma atestação matemática que consolida e valida múltiplas transações ou cálculos. A prova é transmitida ao verificador, que pode confirmar rapidamente a sua validade, garantindo a integridade computacional.

A principal vantagem desta abordagem reside na certeza matemática, eliminando a dependência de incentivos económicos ou pressupostos de confiança. O verificador pode assegurar-se de que o cálculo foi corretamente executado, sem necessidade de repetir todo o processo. Esta propriedade é crucial para a forma como o StarkNet garante escalabilidade e mantém níveis de segurança equivalentes à camada base do Ethereum.

Cairo 1.0

No início de 2023, o Co-Fundador da StarkWare, Eli Ben-Sasson, anunciou a reformulação profunda do Cairo no StarkNet, denominada Cairo 1.0. Esta atualização representa uma reinvenção da linguagem, desenhada para aproximar o Cairo do estilo da linguagem de sistemas Rust. O objetivo é permitir que programadores com experiência geral e familiaridade com paradigmas modernos possam criar aplicações descentralizadas na rede Layer 2 Ethereum do StarkNet de forma simplificada.

O Cairo 1.0 introduz múltiplas melhorias ao nível da linguagem: sintaxe refinada e estruturas mais próximas do design contemporâneo, um sistema de tipos abrangente e robusto para deteção de erros em tempo de compilação, bibliotecas intuitivas com funcionalidades de base, geração de código otimizada para melhor desempenho e necessidade de especificação explícita dos tipos de dados para garantir tipagem forte, melhorando a segurança e a manutenção do código.

Destaca-se particularmente a introdução da Sierra — Safe Intermediate Representation — uma camada intermédia entre o código fonte Cairo 1.0 e o bytecode. Esta camada permite atualizações mais seguras, previne vulnerabilidades e potencia melhores oportunidades de otimização durante a compilação.

Com esta atualização, espera-se que o Cairo seja mais facilmente adotado pela comunidade generalista de programadores, incentivando o desenvolvimento de projetos inovadores na plataforma StarkNet. A curva de aprendizagem reduzida e a experiência aprimorada do programador deverão impulsionar o crescimento do ecossistema e diversificar as aplicações disponíveis.

Os programadores já podem escrever, compilar e testar programas em Cairo 1.0 com as ferramentas e documentação disponíveis. É importante salientar que o Cairo 1.0 continua a evoluir, recebendo novas funcionalidades e otimizações. Quem quiser acompanhar as últimas novidades poderá consultar o repositório oficial do Cairo, o centro de desenvolvimento e comunidade da linguagem.

FAQ

O que é o StarkNet? Em que se diferencia das restantes soluções Layer 2 Ethereum?

O StarkNet é uma solução de escalabilidade Layer 2 para Ethereum baseada em tecnologia ZK-Rollups. Ao contrário de outras soluções Layer 2, o StarkNet aposta nas provas de conhecimento zero para garantir privacidade superior e eficiência computacional, mantendo compatibilidade total com Ethereum.

Quais são as características da linguagem Cairo? Como iniciar a aprendizagem?

Cairo é a linguagem eficiente de baixo nível do StarkNet, com sintaxe concisa. Quem começa deve recorrer à documentação oficial e tutoriais em vídeo para apreender os conceitos fundamentais e o fluxo de desenvolvimento.

Como desenvolver e implementar contratos inteligentes no StarkNet?

Escreva contratos inteligentes em Cairo, compile o código e utilize as ferramentas CLI ou SDK do StarkNet para implementar facilmente os contratos na rede.

Quais as vantagens do StarkNet ao recorrer à tecnologia zero-knowledge proof?

O StarkNet utiliza provas de conhecimento zero para melhorar a escalabilidade e o processamento de transações, assegurando segurança e privacidade. Permite cálculos fora da cadeia com validação na cadeia, reduzindo custos e acelerando o processamento sem comprometer a descentralização.

Qual o ganho nos custos e velocidade de transação face ao mainnet Ethereum?

O StarkNet reduz os custos de transação em cerca de 95 % face ao mainnet Ethereum e aumenta de forma significativa a velocidade e capacidade de processamento, tornando a gestão de transações mais eficiente.

Quais as principais diferenças entre Cairo e Solidity?

Cairo foi desenhada para o StarkNet, proporciona escalabilidade superior através de provas de validade e suporta hash maps em memória, ao contrário da Solidity. Oferece desempenho superior para cálculos complexos e paradigmas de sintaxe otimizados para verificação de provas de conhecimento zero, enquanto a Solidity está focada na Ethereum.

Como configurar um ambiente de desenvolvimento local para StarkNet?

Instale Python e Rust, clone o repositório Protostar, configure as variáveis de ambiente e execute os scripts de instalação para lançar um nó local StarkNet para desenvolvimento.

Quais são os projetos do ecossistema StarkNet e que aplicações estão operacionais?

O ecossistema StarkNet inclui 105 projetos em desenvolvimento, abrangendo DeFi, ferramentas, GameFi e NFT. De momento, várias aplicações DeFi e NFT encontram-se já funcionais na rede.