Дослідження StarkNet: аналіз Cairo

Вступ до StarkNet та Cairo

Основна мережа StarkNet запущена наприкінці 2021 року. Проєкт поступово децентралізує інфраструктуру. StarkNet посідає провідні позиції у сфері розробки блокчейн-рішень і технологій ZK (zero-knowledge) Rollup. Платформа забезпечує значне збільшення швидкості транзакцій і суттєве зниження витрат у захищеному середовищі, сумісному з Ethereum. Завдяки цьому StarkNet є однією з найбільш помітних Layer 2 (L2) масштабувальних платформ на ринку.

Розробникам, які планують працювати з цією мережею, слід врахувати важливу особливість. StarkNet використовує Cairo як основну мову програмування. Це відрізняє мережу від інших рішень ZK-Rollup, наприклад, zkSync 2.0. У zkSync можна компілювати смартконтракти чи застосунки Layer 1, написані на Vyper та Solidity, для виконання у Layer 2 без зміни базового коду. StarkNet вимагає роботи саме з Cairo.

Попри необхідність освоїти нову мову, Cairo активно впроваджується та демонструє високу ефективність. За даними StarkNet, Cairo займає четверте місце за TVL (total value locked) серед мов для смартконтрактів. На Cairo вже проведено понад 300 мільйонів транзакцій, створено 90 мільйонів NFT, а обсяг торгів на Ethereum перевищив $790 мільйонів. Ці показники підтверджують унікальні переваги та можливості розробки на Cairo, які буде розглянуто у цій статті.

Що таке Cairo?

Cairo — мова програмування високого рівня. Вона створена для розробників, які знайомі з Python та JavaScript. Мову спеціально розробили для StarkNet. Cairo містить особливі можливості, які дозволяють використовувати переваги платформи StarkNet.

Серед ключових можливостей — висока масштабованість, що перевищує традиційні Layer 1 рішення, та виконання складних позамережевих обчислень із збереженням криптографічних гарантій. Головна ідея Cairo — зробити генерацію zero-knowledge доказів доступною для широкого кола розробників без потреби у глибоких знаннях криптографії. Розробники можуть зосередитися на логіці застосунків, а STARK-система виконує складні криптографічні операції для забезпечення цілісності та безпеки обчислень.

Архітектура фон Неймана

Cairo — перша універсальна архітектура фон Неймана для STARK, реалізована на блокчейні в основній мережі Ethereum. Це значне технічне досягнення. Cairo часто називають MVL (minimum viable language) для створення STARK-систем. Архітектура фон Неймана забезпечує гнучкість за рахунок спільної памʼяті для інструкцій і даних. Ресурси розподіляються між компонентами динамічно відповідно до завдань.

Цей підхід відрізняється від Harvard-архітектури — структурного аналога Cairo. Harvard-архітектура має окремі області памʼяті для даних і команд, що знижує гнучкість. У Harvard-архітектурі доступний лише фіксований обсяг памʼяті для даних і команд, який не можна перерозподіляти відповідно до обчислювальних потреб.

Архітектура фон Неймана в Cairo дозволяє ефективно використовувати памʼять. Це важливо для генерації STARK-доказів, коли обчислювальні потреби змінюються залежно від складності операцій. Така гнучкість забезпечує оптимальний розподіл ресурсів, підвищує ефективність створення та перевірки доказів.

Принцип "Золотоволоски"

Cairo дотримується "принципу Золотоволоски" — оптимального балансу між виразністю коду і ефективністю STARK-перевірки. Назва походить від казкової героїні, яка шукала "якраз правильно" — ні забагато, ні замало.

З одного боку, Cairo "не надто гаряча": у мові мінімальний перелік регістрів — лічильник команд (PC), покажчик виділення та покажчик кадру. Мінімальний набір інструкцій дозволяє виконувати низькорівневі операції з високою ефективністю. Це зменшує витрати памʼяті на інструкції, прискорює генерацію доказів і скорочує обчислювальні витрати.

З іншого боку, Cairo "не надто холодна": мова містить достатньо високорівневих функцій для практичної розробки — підтримує функції, рекурсії, випадковий доступ до памʼяті й складні шаблони керування потоком. Такий баланс дозволяє зберігати ефективність генерації доказів, не обмежуючи можливості створення складних децентралізованих застосунків.

Cairo є готовою до промислового використання. Доступний інструментарій для розробки: компілятор для трансляції коду у байткод, віртуальна машина для виконання, трасувальник для дебагу, IDE-розширення і велика база прикладів. Оскільки Cairo — основна мова для StarkNet, всі DApps, що масштабуються в цій мережі, повинні бути написані на Cairo. Розвинуте середовище розробки критично важливе для залучення розробників і підвищення продуктивності.

Обчислювальна цілісність

Важливою особливістю Cairo є її підхід до обчислювальної цілісності (CI). Це гарантія правильності виконання обчислень, яку забезпечують різними методами.

Традиційні системи забезпечують обчислювальну цілісність через репутацію та делеговану відповідальність — як у великих фінансових установах і банках, де довіра базується на статусі. Інший метод — fraud proofs, що використовуються в Optimistic Rollups. Під час "challenge periods" (періодів оскарження) користувачі можуть ставити під сумнів підозрілі транзакції. Валідатори мають змогу подати докази некоректного виконання, що запускає процедуру врегулювання.

Cairo застосовує інший підхід: генерує заяви про обчислювальну цілісність через криптографічні докази — STARK (Scalable Transparent ARgument of Knowledge). Провайдер створює математичний доказ, який підтверджує правильність виконання транзакцій чи обчислень. Доказ передають верифікатору, який швидко перевіряє його дійсність та забезпечує цілісність обчислень.

Перевага криптографічного підходу — математична достовірність, що не залежить від економічних стимулів чи довіри. Верифікатор отримує гарантію правильності обчислення без повторного виконання. Це основа масштабованості StarkNet із гарантіями безпеки, еквівалентними основному шару Ethereum.

Cairo 1.0

На початку 2023 року співзасновник StarkWare Елі Бен-Сассон анонсував оновлення Cairo на StarkNet — Cairo 1.0. Це фундаментальне вдосконалення мови, що наближає Cairo до популярної системної мови Rust. Мета — залучити розробників із загальним досвідом і сучасними підходами для створення децентралізованих застосунків на Ethereum Layer 2 мережі StarkNet.

Оновлення Cairo 1.0 містить численні покращення дизайну й функціональності. Вдосконалено синтаксис і конструкції, типова система дозволяє знаходити помилки при компіляції, доступні бібліотеки для базових функцій, оптимізовано генерацію коду, запроваджено чітке визначення типів для сильного типування, що підвищує безпеку й підтримку коду.

Важливе вдосконалення — впровадження Sierra (Safe Intermediate Representation), проміжного шару між вихідним кодом Cairo 1.0 та байткодом. Sierra дозволяє безпечніше оновлювати систему, усувати певні класі вразливостей і розширювати можливості оптимізації під час компіляції.

Завдяки оновленню команда StarkNet очікує ширше впровадження Cairo серед розробників і зростання кількості нових проєктів на платформі. Зменшення порогу входу та покращення досвіду розробки прискорюють розвиток екосистеми й різноманіття застосунків.

Розробники можуть вже писати, компілювати та тестувати програми на Cairo 1.0 з використанням доступних інструментів і документації. Cairo 1.0 постійно вдосконалюється й отримує нові функції. Останні оновлення, документацію та внески спільноти слід шукати в офіційному репозиторії Cairo — основному центрі розвитку мови та спільноти.

FAQ

Що таке StarkNet? Чим він відрізняється від інших Layer 2-рішень Ethereum?

StarkNet — Layer 2 масштабувальна платформа для Ethereum, яка використовує ZK-Rollup технологію. На відміну від інших Layer 2-рішень, StarkNet акцентує zero-knowledge докази для підвищення приватності й ефективності, зберігаючи сумісність з Ethereum.

Які особливості мови програмування Cairo? Як новачки можуть почати її вивчати?

Cairo — ефективна низькорівнева мова StarkNet із лаконічним синтаксисом. Новачкам слід почати з офіційної документації та відеоуроків для швидкого освоєння основних концепцій і процесу розробки.

Як розробити й розгорнути смартконтракти у StarkNet?

Пишіть смартконтракти на Cairo, компілюйте код, розгортаючи його через CLI або SDK StarkNet для швидкого запуску в мережі.

Які переваги StarkNet завдяки використанню zero-knowledge proof?

StarkNet використовує zero-knowledge докази для масштабування й підвищення пропускної здатності, зберігаючи безпеку та приватність. Платформа дозволяє виконувати позамережеві обчислення з верифікацією на блокчейні, знижуючи витрати та прискорюючи обробку без шкоди для децентралізації.

Яких змін досягає StarkNet у вартості й швидкості транзакцій порівняно з основною мережею Ethereum?

StarkNet зменшує витрати на транзакції приблизно на 95% у порівнянні з мережею Ethereum, істотно підвищуючи швидкість і пропускну здатність для ефективної обробки великої кількості транзакцій.

У чому основні відмінності між Cairo та Solidity?

Cairo створено для StarkNet, підтримує масштабування за допомогою validity proof і in-memory хеш-мапи, чого немає в Solidity. Cairo оптимізована для складних обчислень і має синтаксис, пристосований для zero-knowledge proof, на відміну від Ethereum-орієнтованої Solidity.

Як локально налаштувати середовище розробки StarkNet?

Встановіть Python та Rust, клонувати репозиторій Protostar, налаштуйте змінні середовища й запустіть скрипти для ініціалізації локального вузла StarkNet.

Які проєкти належать до екосистеми StarkNet? Які застосунки вже працюють?

В екосистемі StarkNet розробляється 105 проєктів: DeFi, інструменти, GameFi та NFT. В мережі вже працюють окремі DeFi й NFT-застосунки.