Tìm hiểu về StarkNet: Nắm bắt cơ chế hoạt động của Cairo

Tổng quan về StarkNet và Cairo

Kể từ khi StarkNet chính thức vận hành mainnet cuối năm 2021 cùng định hướng đẩy mạnh phi tập trung hóa hạ tầng, StarkNet đã trở thành nền tảng dẫn đầu trong lĩnh vực phát triển blockchain và công nghệ ZK (zero-knowledge) Rollup. Nền tảng này tập trung nâng cao tốc độ giao dịch và tối ưu hóa chi phí trong môi trường bảo mật, tương thích Ethereum, đưa StarkNet trở thành giải pháp mở rộng Layer 2 (L2) nổi bật trên thị trường hiện nay.

Dù vậy, các nhà phát triển cần lưu ý: StarkNet sử dụng Cairo làm ngôn ngữ lập trình chủ đạo, khác biệt so với những giải pháp ZK-Rollup như zkSync 2.0. zkSync cho phép biên dịch lại các hợp đồng thông minh hoặc ứng dụng Layer 1 viết bằng Vyper, Solidity sang Layer 2 mà không chỉnh sửa mã gốc; còn StarkNet yêu cầu lập trình trực tiếp trên Cairo.

Dù có độ khó nhất định, Cairo nhanh chóng chứng minh được sức hút và tính ứng dụng rộng rãi. Theo StarkNet, Cairo xếp thứ tư về TVL (tổng giá trị khóa) trong các ngôn ngữ hợp đồng thông minh. Các ứng dụng xây dựng bằng Cairo đã xử lý hơn 300 triệu giao dịch, phát hành 90 triệu NFT và ghi nhận tổng giá trị giao dịch đạt 790 triệu USD trên mạng Ethereum. Các số liệu này minh chứng rằng xây dựng trên Cairo mang lại những lợi thế và tiềm năng riêng biệt sẽ được phân tích trong bài viết.

Cairo là gì?

Cairo là ngôn ngữ lập trình cấp cao, thiết kế chuyên biệt để thân thiện với nhà phát triển có nền tảng các ngôn ngữ phổ biến như Python, JavaScript. Ngôn ngữ này tối ưu cho StarkNet, tích hợp các tính năng đặc thù giúp lập trình viên tận dụng tối đa lợi thế của StarkNet.

Những lợi thế đó bao gồm khả năng mở rộng vượt trội so với giải pháp Layer 1 truyền thống, đồng thời thực hiện các phép tính phức tạp ngoài chuỗi mà vẫn đảm bảo an toàn mật mã. Cairo hướng đến đơn giản hóa việc tạo bằng chứng zero-knowledge cho cộng đồng lập trình viên, loại bỏ yêu cầu chuyên sâu về toán học mật mã. Nhờ đó, lập trình viên chỉ cần tập trung xây dựng logic ứng dụng, còn hệ thống bằng chứng STARK sẽ xử lý các tác vụ mật mã đảm bảo tính toàn vẹn và bảo mật cho mọi phép tính.

Kiến trúc Von Neumann

Cairo là kiến trúc Von Neumann STARK phổ quát đầu tiên được triển khai trên blockchain tại mainnet Ethereum, đánh dấu bước tiến kỹ thuật quan trọng và được xem là MVL (minimum viable language) cho hệ thống STARK. Kiến trúc Von Neumann giúp Cairo linh hoạt tối đa nhờ bộ nhớ chia sẻ giữa lệnh và dữ liệu, cho phép phân bổ tài nguyên thay đổi linh hoạt theo từng tác vụ tính toán cụ thể.

Khác với kiến trúc Harvard—đối trọng cấu trúc của Cairo—bộ nhớ Harvard phân tách riêng biệt cho dữ liệu và lệnh, dẫn đến khả năng điều chỉnh tài nguyên kém linh hoạt. Trong kiến trúc Harvard, bộ nhớ dành cho dữ liệu và lệnh đều cố định, không thể tái phân bổ khi nhu cầu tính toán thay đổi.

Kiến trúc Von Neumann giúp Cairo tận dụng bộ nhớ hiệu quả hơn, đặc biệt khi cần tạo bằng chứng STARK với yêu cầu tính toán biến đổi tùy từng mức độ phức tạp. Nhờ đó, Cairo tối ưu hóa phân bổ tài nguyên, đẩy nhanh quá trình tạo và xác thực bằng chứng.

Nguyên tắc Goldilocks

Cairo vận hành theo "nguyên tắc Goldilocks" nhằm cân bằng tối ưu giữa khả năng biểu đạt mã nguồn và hiệu quả của trình tạo bằng chứng STARK. Nguyên tắc này lấy cảm hứng từ nhân vật cổ tích luôn tìm điều "vừa đủ"—không thừa, không thiếu.

Về mặt tối giản, Cairo "không quá nóng" khi chỉ sử dụng các thanh ghi tối thiểu gồm Program Counter (PC), con trỏ phân bổ và con trỏ khung. Bộ lệnh nhỏ gọn, được chọn lọc cẩn thận, giúp thực thi thao tác cấp thấp với hiệu suất cao, giảm chi phí lưu trữ và thực thi, tiết kiệm bộ nhớ. Chủ nghĩa tối giản này giúp quá trình tạo bằng chứng nhanh hơn và giảm tải tài nguyên đáng kể.

Đồng thời, Cairo "không quá lạnh" khi cung cấp đủ tính năng cấp cao cho phát triển ứng dụng thực tiễn. Ngôn ngữ hỗ trợ hàm, đệ quy, truy cập bộ nhớ ngẫu nhiên và điều khiển luồng phức tạp, đảm bảo vừa hiệu quả vừa linh hoạt để xây dựng ứng dụng phi tập trung đa dạng.

Cairo đã sẵn sàng cho sản xuất với hệ sinh thái công cụ trưởng thành: trình biên dịch chuyển đổi mã Cairo sang bytecode, máy ảo thực thi, công cụ tracer gỡ lỗi, phần mở rộng IDE cùng nhiều ví dụ ứng dụng. Với vai trò ngôn ngữ chính của StarkNet, mọi DApp muốn mở rộng trên hạ tầng StarkNet đều phải viết bằng Cairo, khiến hệ sinh thái công cụ trở thành yếu tố quyết định thu hút và nâng cao năng suất cho nhà phát triển.

Tính toàn vẹn tính toán

Đặc điểm nổi bật của Cairo là tiếp cận Tính toàn vẹn tính toán (Computational Integrity - CI) theo hướng bảo mật mật mã. CI đảm bảo mọi phép tính đều thực hiện chính xác, có thể xác minh bằng nhiều cơ chế khác nhau.

Hệ thống truyền thống dựa vào uy tín, trách nhiệm ủy thác như các ngân hàng, tổ chức tài chính lớn. Một hướng khác là dùng bằng chứng gian lận (fraud proofs), như Optimistic Rollups, nơi cộng đồng có thể khiếu nại giao dịch đáng ngờ và trình bằng chứng để xử lý tranh chấp.

Cairo áp dụng giải pháp khác biệt: tạo tuyên bố toàn vẹn tính toán bằng chứng mật mã STARK (Scalable Transparent ARgument of Knowledge). Theo đó, bên xác minh tạo ra bằng chứng toán học xác nhận và kiểm chứng nhiều giao dịch/phép tính. Bằng chứng này được gửi cho bên xác thực để kiểm tra hiệu quả tính hợp lệ, đảm bảo tính toàn vẹn cho mọi phép tính.

Ưu điểm của giải pháp mật mã là mang lại sự chắc chắn tuyệt đối về mặt toán học, không phụ thuộc vào động lực kinh tế hay giả định về niềm tin. Bên xác thực hoàn toàn yên tâm phép tính đã thực hiện đúng mà không cần lặp lại quá trình. Đây là nền tảng giúp StarkNet mở rộng quy mô, đồng thời duy trì bảo mật tương đương lớp cơ sở Ethereum.

Cairo 1.0

Đầu năm 2023, đồng sáng lập StarkWare Eli Ben-Sasson công bố tái sinh ngôn ngữ Cairo trên StarkNet với phiên bản Cairo 1.0. Nâng cấp này là bước cải tiến toàn diện, hướng tới mô phỏng ngôn ngữ Rust nổi tiếng trong lập trình hệ thống. Mục tiêu là giúp lập trình viên với kinh nghiệm phổ thông, quen thuộc các mô hình hiện đại, dễ dàng phát triển ứng dụng phi tập trung trên mạng Ethereum Layer 2 của StarkNet.

Cairo 1.0 mang đến cải tiến mạnh về cú pháp, cấu trúc ngôn ngữ, hệ thống kiểu dữ liệu toàn diện giúp phát hiện lỗi sớm, thư viện tích hợp sẵn chức năng phổ biến, tối ưu sinh mã nâng cao hiệu năng, yêu cầu khai báo kiểu dữ liệu rõ ràng tăng an toàn và dễ bảo trì.

Điểm nhấn trong lần cải tiến này là Sierra—Safe Intermediate Representation—lớp trung gian giữa mã nguồn Cairo 1.0 và bytecode Cairo. Sierra giúp nâng cấp an toàn, giảm thiểu lỗ hổng bảo mật và tối ưu hóa quá trình biên dịch.

StarkNet kỳ vọng Cairo sẽ được cộng đồng phát triển rộng rãi, thúc đẩy thêm nhiều dự án mới trên nền tảng. Trải nghiệm lập trình dễ dàng hơn giúp tăng tốc tăng trưởng hệ sinh thái và đa dạng hóa ứng dụng.

Nhà phát triển đã có thể viết, biên dịch, kiểm thử chương trình bằng Cairo 1.0 qua các công cụ và tài liệu hướng dẫn. Cairo 1.0 liên tục cập nhật, cải tiến chức năng mới. Để cập nhật thông tin, tài liệu và đóng góp cộng đồng, lập trình viên truy cập kho lưu trữ chính thức Cairo—trung tâm phát triển ngôn ngữ và kết nối cộng đồng.

Hỏi đáp

StarkNet là gì? Có gì khác biệt so với các giải pháp Ethereum Layer 2 khác?

StarkNet là giải pháp mở rộng Layer 2 cho Ethereum sử dụng công nghệ ZK-Rollup. Khác với các giải pháp Layer 2 khác, StarkNet tập trung vào bằng chứng zero-knowledge, tối ưu riêng tư và hiệu suất tính toán, vẫn giữ nguyên khả năng tương thích với Ethereum.

Đặc điểm nổi bật của ngôn ngữ Cairo là gì? Người mới bắt đầu học Cairo như thế nào?

Cairo là ngôn ngữ cấp thấp hiệu quả của StarkNet với cú pháp ngắn gọn. Người mới nên bắt đầu bằng việc đọc tài liệu chính thức và xem video hướng dẫn để làm quen khái niệm cốt lõi và quy trình phát triển Cairo.

Cách phát triển và triển khai hợp đồng thông minh trên StarkNet?

Viết hợp đồng thông minh bằng Cairo, biên dịch mã nguồn, sau đó triển khai bằng CLI hoặc SDK của StarkNet để đưa hợp đồng lên mạng lưới.

StarkNet sử dụng zero-knowledge proof có ưu điểm gì?

StarkNet ứng dụng bằng chứng zero-knowledge giúp tăng khả năng mở rộng, xử lý giao dịch nhanh, giữ vững bảo mật và riêng tư. Giải pháp cho phép tính toán ngoài chuỗi, xác minh trên chuỗi, giảm chi phí và tăng tốc xử lý mà vẫn bảo toàn tính phi tập trung.

Chi phí và tốc độ giao dịch của StarkNet cải thiện thế nào so với Ethereum mainnet?

StarkNet giảm chi phí giao dịch khoảng 95% so với Ethereum mainnet, đồng thời tăng tốc độ và năng lực xử lý, cho phép thực hiện nhiều giao dịch hiệu quả hơn.

Cairo khác biệt gì so với Solidity?

Cairo thiết kế tối ưu cho StarkNet, mở rộng quy mô nhờ xác minh tính hợp lệ, hỗ trợ hash map trong bộ nhớ—Solidity không có. Cairo cho hiệu suất vượt trội với phép tính phức tạp và cú pháp tối ưu hóa cho xác minh bằng chứng zero-knowledge, khác biệt hoàn toàn với thiết kế tập trung cho Ethereum của Solidity.

Cách thiết lập môi trường phát triển StarkNet trên máy cá nhân?

Cài đặt Python và Rust, clone kho Protostar, thiết lập biến môi trường, chạy script khởi tạo node StarkNet cục bộ để phát triển ứng dụng.

Các dự án hệ sinh thái StarkNet gồm những gì? Ứng dụng nào đang vận hành?

Hệ sinh thái StarkNet hiện có 105 dự án đang phát triển: DeFi, công cụ, GameFi, NFT. Nhiều ứng dụng DeFi và NFT đã hoạt động trên mạng lưới.