詳解StarkNet性能路線圖：如何優化排序器？_STA

原文作者：StarkWare

原文編譯：DeFi之道

Rollups的有效性不受限于L1的吞吐量，使得L2的TPS可以很高。

在StarkNet的性能路線圖中，解決了系統中的一個關鍵因素——排序器。

性能的改進主要有以下幾點：

排序器的并行化

為Cairo虛擬機提供Rust語境下的實現

在Rust語境下的排序器

證明者并不是瓶頸，他們可以處理比現在更多的東西。

簡介

大約一年前，StarkNetAlpha正式上線了以太坊主網，這時，我們將重心放在了功能的構建上，現在，我們決定將重點轉移到提高性能之上，并計劃通過一系列的步驟來提高StarkNet上的用戶體驗。

在這篇文章中，我將解釋為什么有很多優化措施只適用于有效性匯總，并分享StarkNet實施這些措施的計劃和步驟，其中一些計劃已經在StarkNetAlpha0.10.2中實現，在討論具體的細節之前，讓我們先來回顧一下限制鏈上性能的原因。

Dragonfly Capital向交易所轉入1200萬枚1INCH:7月19日消息，據余燼監測數據，Dragonfly Capital向交易所轉入1200萬枚1INCH，21年其投資所得5000萬枚代幣已全部轉入交易所。[2023/7/19 11:05:04]

區塊限制：ValidityRollups與L1

提高區塊鏈可擴展性和TPS的方法之一是：在解除區塊的限制同時，保持區塊生成時間的不變。這需要區塊生產者提供更高效的服務，因此就需要更有效地執行這些組件，因此，我們將重點轉移到StarkNet排序器的優化之上，在下文會詳述具體內容。

這里會有一個問題，為什么對排序器的優化僅僅對ValidityRollups有效，換句話說，為什么我們不能在L1上以相同的方法改進，避免有效性匯總有復雜性？在下一節內容中，對這一問題將進行回答。

為什么L1吞吐量有限

灰度發布數字資產透明度和安全聲明:12月14日消息，灰度在其官網發布聲明稱，由于近期各類風險事件頻發，投資者對其在灰度的加密投資資產的安全性和透明度愈發關注。灰度表示，其數字資產不受近期風險事件影響，產品安全有保障。

其確認，截至2022年11月18日：灰度數字資產產品的持倉安全有保障。余額反映在歷史公開文件中，并已由第三方審計師評估；灰度的每個數字資產產品都設置為獨立的法人實體；灰度數字資產產品均由CoinbaseCustody作為托管人持有；灰度禁止借出、借入或以其他方式抵押其所有的數字資產。（grayscale.com）[2022/12/14 21:43:49]

如果L1的區塊限制被解除，會遇到一個很大的問題，因為鏈的高吞吐帶來了鏈上區塊的高增長率，為了確保不同的節點跟上最新的全鏈狀態，就需要增加了更多的全節點。又由于L1全節點必須記錄所有歷史記錄，區塊大小的大幅增加會給全節點運營者帶來巨大壓力，并導致部分全節點因為機器性能落后而退出系統，結果，能夠運營全節點的都是一些比較大的實體，最終就是用戶無法以無信任的姿態驗證狀態并參與網絡。

數據：296,396,865枚XRP從未知錢包轉移到未知錢包:金色財經報道，據Whale Alert數據顯示，296,396,865枚XRP（價值約113,756,355美元）從未知錢包轉移到未知錢包。[2022/11/20 22:08:45]

這也讓我們明白，從某種意義上來說正是L1吞吐量的限制，成就了一個真正去中心化的和相對安全的網絡系統。

上述問題為什么不會出現在ValidityRollups之上？

只有在考慮全節點的問題時，我們才能看到有效性匯總的優勢。正常情況下，一個L1全節點需要重新執行整個鏈的歷史以確保當前狀態的正確性，而StarkNet節點只需要驗證STARK證明，而且這種驗證需要的計算資源呈指數級下降。重點是，鏈上全節點狀態的驗證同步沒有涉及到執行；一個節點可以從另一個全節點那里接受當前狀態的轉儲，只需通過STARK證明來驗證這個狀態是否有效即可。這讓我們在增加網絡的吞吐量的同時，不用增加全節點的數量。

ENS 24小時交易額增幅達161%:8月21日消息，OpenSea數據顯示，以太坊域名服務（ENS）24小時交易額為335 ETH，位列OpenSea第六，24小時交易額增幅達161%。[2022/8/21 12:38:07]

因此，在L2上，通過對排序器的優化可以對整個系統的性能進行提升，但這在L1上不能實現的。

StarkNet的未來性能路線圖

這一部分，我們將討論目前有哪些計劃用于對StarkNet排序器的優化。

排序器并行化

性能路線圖的第一步是為交易執行引入并行化。這個提議是在StarkNetalpha0.10.2中正式引入的，該版本于11月29日在以太坊主網上發布，我們現在來深入探討下什么是并行化。

一般來說，并行執行多個交易區塊是不可以的，因為不同的交易可能是相互依賴的。以下方示例中進行說明，我們假設有一個包含來自同一用戶的三筆交易的區塊：

去中心化無線網絡 Helium 將新的 MOBILE 和 IOT 代幣，以激勵 5G 網絡與 LoRaWAN 網絡:6月12日消息，去中心化無線網絡 Helium 將新的 MOBILE 和 IOT 代幣。本月，該項目計劃推出 MOBILE 代幣以獎勵運營 5G 節點并為Helium 最新網絡做出貢獻的用戶，8 月，該網絡計劃推出一種新的 IOT 代幣，節點運營商將為最初為物聯網 (IoT) 設備（如傳感器和跟蹤器）設計的 LoRaWAN 網絡賺取該代幣。同時，現有的 HNT 代幣將繼續存在，并作為不斷擴大的 Helium 生態系統的“儲備貨幣” 。（Decrypt）[2022/6/12 4:20:03]

TxA：將USDC兌換ETH

TxB：為某款NFT支付ETH費用

TxC：將USDT兌換BTC

顯然，交易A必須發生在交易B之前，但交易C完全獨立于兩者，是可以并行執行的。如果每個交易需要1秒執行，那么通過引入并行化處理之后，區塊生產時間可以從3秒減少到2秒。

問題的關鍵在于，我們事先并不知道不同交易之間的依賴性。在實踐中，只有當我們執行到示例中的TxB時，我們才會發現它是依賴于TxA所做的改變。更準確地說，這種依賴性源于TxB從TxA寫入的存儲單元中讀取這一動作。我們可以把不同的Tx看成是一個依賴圖，其中存在從交易A到交易B的一條邊，當且僅當A寫入一個由B讀取的存儲單元時，B才可能執行。下圖顯示了這種依賴之間的關系：

在上面的示例中，每一列都可以并行執行。

為了克服事先無法確定不同交易事件之間的依賴關系，我們根據AptosLabs推出的BLOCK-STM，將OP并行化引入到StarkNet排序器中。在這種模式下，會以樂觀地方式并行地處理事務，并在發現碰撞時重新執行。比如在上述示例圖中，我們可以并行執行TX?1-4?，但事后發現Tx4依賴于Tx?1?，因此這次執行是無效的，在這種情況下，將重新執行Tx?4?。

請注意，在上述這種樂觀并行化的基礎上我們也增加一些優化措施。例如，與其等待每個執行的結束，可以在發現一個使之運行結果無效的依賴關系時就中止執行。

另一個優化的例子是選擇哪些事務來重新執行。假設由上述示例圖的所有事務組成的區塊被送入一個擁有五核CPU的排序器。首先，我們嘗試并行執行tx1-5?，如果完成的順序是Tx?2、Tx?3、Tx?4、Tx?1?，最后是Tx?5?，那么我們將在Tx?4已經執行后才發現依賴關系Tx?1?→Tx?4?，這表明它應該被重新執行。直觀地說，考慮到Tx?4的重新執行，Tx?5也需要重新執行，然而，我們可以遍歷由執行已經結束的事務構建的依賴圖，只重新執行依賴于Tx?4的事務，而不是將失效Tx?4之后的事務都重新執。

Rust語境下的Cairo-VM實現

StarkNet中的智能合約是通過Cairo語言編寫的，并在Cairo-VM虛擬機中執行。目前，排序器正在使用python語言在Cairo-VM上運行。為了優化虛擬機的實現性能，我們之前發起了用Rust重寫Cairo-VM虛擬機的工作。

目前，cairo-rs可以執行原生Cairo代碼，下一步是處理智能合約的執行和與pythonic排序器的集成，一旦與cairo-rs集成，排序器的性能有望進一步提高。

Rust語境下的排序器

通過python到rust的轉變以提高網絡性能，不僅限于Cairo-VM，StarkNet用Rust重寫了排序器相關的代碼。除了Rust的內部優勢之外，這還為排序器的其他優化提供了可能，比如，可以集合cairo-rs的優勢，而無需python-rust通信的開銷，也可以完全重新設計狀態的存儲和訪問方式。

證明者

在整篇文章中，沒有提到有效性匯總中核心元素之一——證明者。作為可以說是架構中最復雜的組件，證明者算是瓶頸，也是優化的重點。但現在，StarkNet的瓶頸是更加「標準」的組件，特別是對于遞歸證明，可以將當前測試網/主網上的更多交易放入證明中。事實上，StarkNet區塊與StarkEx交易一起得到有效的市場證明，后者有時會有數十萬NFT的鑄造事件。

總之，并行化、Rust等改進，都是為接下來StarkNet提升TPS所做的準備。

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