TL;DR
ZKR 設計：彙總經濟學使得交易越多，Gas 越低；ZK 證明-驗證的方法取代了節點執行全部交易以驗證正確性的方法，大大降低鏈上計算與儲存資料量，提高執行效率；工作流優越性需要等待其他 zkEVM/zkVM 確定設計後再對比優越性；原生賬戶抽象可以“消滅”助記詞，已經實現手機硬錢包，併為更加易用、安全、低成本的鏈上可程式設計奠定基礎。
EVM 相容：Solidity-Cairo 轉譯器 Warp 使得 StarkNet 語言級相容 EVM；用 Cairo 編寫的 zkEVM Kakarot 使得 StarkNet 位元組碼相容 EVM。
STARK 證明系統：純粹依賴雜湊和資訊理論，不依賴可信設定，抗量子攻擊，比 SNARK 更安全；證明生成速度具備線性擴充套件性，驗證時間和證明大小具備對數擴充套件性；缺點在於生成的證明尺寸更大；遞迴證明可將多個證明驗證後合併，理論合併量上限達到 6000 萬，也為 L3 奠定技術基礎；STARK 友好的雜湊函式如 Rescue hash function 等相比以太坊 keccak256 有更高執行效率。
Cairo 虛擬機器與語言：Cairo VM 是一個 STARK 友好的、圖靈完備的 CPU 架構；CPU 架構靈活性高，可透過軟體程式設計無限接近 ASIC 效能，理論上可以復刻任意虛擬機器；Cairo 語言基於 Cairo 彙編和 AIR，執行效率非常高，但開發體驗類似 Rust 和 C 語言，指標+記憶體大套餐使得學習難度中上；開發者可使用證明者一側的“提示”（hints）來建立快捷方式並啟用某些計算，降低了開發難度；Cairo 支援透過位元組碼雜湊載入程式，大大提高鏈上擴充套件性和隱私性，成為隱私方案的強力替代。
一
、ZK-Rollup優越性
在以太坊上，每提交一筆交易都需要所有節點檢查、驗證並執行交易來驗證計算正確性，並將計算後的狀態變化在網路中廣播。
https：//ethereum。org/zh/developers/docs/evm/
StarkNet 僅在鏈下執行計算並生成一個 ZK 證明，然後在鏈上驗證該證明的正確性，最後把多個 L2 交易打包為以太坊上的一筆交易。因此，StarkNet 上發生的交易成本可以被同一打包批次的其他交易所均攤，就像拼車（拼多多）一樣，交易越多，成本越低。
除此之外，相比以太坊讓每個節點完整執行交易的方法，StarkNet 為交易生成 ZK 證明的方法可以大大提高網路執行速度、減少鏈上通訊量、增加網路吞吐，因此 StarkNet 相比以太坊具有更高 TPS 和更低 Gas。
簡而言之，將驗證計算正確性比喻為老師需要檢查同學們是不是掌握了知識。以太坊的方法是檢查每個同學是否能背誦整本教科書，而 StarkNet 的方法是讓同學們做卷子。後者的效率更高，成本更低，但仍然保證安全
。
StarkNet工作流程
與大部分 ZKR/ZK 專案一樣，StarkNet 存在一類稱之為證明者的角色來生成證明。驗證者作為 L1（以太坊） 上的合約來驗證證明，驗證者合約程式碼都是相同的。
具體而言，StarkNet 有五個組成部分，分別是在 StarkNet 上的 Prover（證明者）、Sequencer（排序器）和全節點，以及部署在以太坊上的驗證者（Verifier）和核心狀態合約（StarkNet Core）。
系統架構如下圖：
https：//david-barreto。com/starknets-architecture-review/#more-4602
StarkNet 的工作流程如下：
1、當我們在 StarkNet 上發起一個交易，一個鏈下伺服器——排序器將會接收、排序、驗證，並將它們打包到區塊。執行交易，然後狀態轉換髮送給 StarkNet Core 合約；
2、證明者將為交易生成證明，併發送給以太坊的驗證者合約；
3、驗證者將驗證結果傳送到以太坊上的 StarkNet Core 合約，並從 StarkNet Core 合約觸發一組新的以太坊交易，以更新鏈上的全域性狀態以進行記錄儲存。狀態事務作為“calldata” （EIP-4844後為Blob）來發送，以節省 L1 事務 gas。這些“metadata”可被 StarkNet 全節點解密。
全節點基本發揮儲存功能。全節點儲存狀態改變、元資料、證明以及記錄在 StarkNet 中的已被執行的所有事務，並跟蹤系統的當前全域性狀態。在有必要的時候，全節點將解密“metadata”來重構 StarkNet 的歷史。
工作流程方面的優越性結論可能需要等待其他 ZKR/Validity Rollup 工作流基本確定後，透過對比得出。
原生賬戶抽象
不同於以太坊 EOA+CA 的雙賬戶設計，StarkNet 實現了原生賬戶抽象，只有一種賬戶設計。
這對合約錢包以及更加低成本、安全、易開發的鏈上可程式設計打開了大門，這可以推動 ECDSA 以外的簽名驗證方式、多籤管理、社會恢復、聚合簽名、交易限制、隱私保護、gas 最佳化、gas 代付、異幣 gas、應用聚合、自動收益等各個方面的發展。
下圖為 StarkNet 交易流程圖（仍然借鑑了4337的設計思路）：
https：//community。starknet。io/t/starknet-account-abstraction-model-part-1/781
而且 StarkNet 已經實現了“手機硬錢包”。
1。以太坊上的 EOA 僅支援 Secp256k1 橢圓曲線上的簽名方案 ECDSA
2。大部分的智慧手機都不支援以太坊的橢圓曲線。
3。所以移動錢包需要依靠軟體簽署交易，移動錢包因此是熱錢包。
4。StarkNet 原生賬戶抽象，支援多種橢圓曲線，簽名驗證高度可程式設計，因此基於 StarkNet/Cairo 的手機錢包完全可以變成硬錢包。
StarkNet 上原子化 NFT 協議 Briq 的開發者 @sylvechv 在部落格中也寫到，在實現了原生賬戶抽象的 StarkNet （程式語言為Cairo）上，可以授權一個 mobile_key 簽署一定數額的交易，和/或只為某些合同，和/或只為某些功能（例如沒有transfer（）而只有play（））。使用者甚至可以在一定時間後撤銷它。
在 StarkNet 中的合約錢包，授權手機簽名的流程類似於
1）在手機上生成 pub/priv 金鑰
2）使用“管理員金鑰”在智慧錢包上授權 pubkey
二、EVM相容
StarkNet 網路本身不相容 EVM，而設計了另外一套 ZK 友好的 Cairo VM。
StarkNet 沒有針對以太坊操作碼做 ZK 電路，而是自己做了一套更加 ZK 友好的組合語言、AIR（代數中間表示） 以及高階語言 Cairo。
https：//www。youtube。com/watch？v=SEp5SFaYQHY&t=6s
不相容 EVM 的弊端在於無法繼承以太坊程式碼和工具鏈，因此，**以太坊應用生態沒有大規模移植到 StarkNet 的基礎。**且 Cairo 語言對開發者存在一定學習門檻，Cairo 語言和 STARK 證明系統相關工具鏈和庫也處於起步階段。
但獨立設計 VM 的好處在於，StarkNet 的 Cairo VM 更 ZK 友好，電路執行效率更高（程式碼更少），在未來將表現為 TPS 更高，Gas 更低，拋棄 EVM 設計後還能實現許多以太坊不能完成的應用創新，如原生賬戶抽象的合約錢包。
StarkNet 屬於 Vitalik 定義的 type 4 級別——語言相容的 zkEVM（StarkNet由於定製了虛擬機器嚴格來講屬於zkVM）。
https：//vitalik。eth。limo/general/2022/08/04/zkevm。html
儘管 StarkNet 本身不相容 EVM，但 StarkNet 仍然可以透過其他方式相容以太坊。
1、Warp：將 Solidity 轉譯為 Cairo 語言的轉譯器
Warp 是一個 Solidity-Cairo 轉譯器，目前已經由以太坊著名基礎設施團隊 Nethermind 開發完成。Warp 可以把 Solidity 程式碼轉譯為 Cairo，但轉譯後的 Cairo 程式往往需要修改並增添 Cairo 特性（如呼叫內建函式，最佳化記憶體等）才能最大化執行效率。
2、Kakarot：一個用 Cairo 語言編寫的 zkEVM
Kakarot 是一個用 Cairo 寫的 zkEVM，是一個位元組碼等效 EVM 的 zkEVM，目前處於測試階段。以太坊應用可以透過部署到 Kakarot 的方式移植到 StarkNet。
此前以太坊聯創 Vitalik 和 StarkWare 聯創 Eli Ben-Sasson 參與了 Kakarot 舉辦的 Twitter Space。
三、STARK證明系統
3.1簡介
目前有許多不同的證明系統（生成和驗證證明） ，如 Halo、PLONK、Groth16、Groth09 、Marlin、Plonky2 等，它們都屬於 SNARK 證明系統。證明系統存在一個證明者生成證明，一個驗證者驗證證明。而不同的 ZK 專案幾乎都會使用不同的證明系統，StarkNet 使用的 STARK 某種意義上屬於一種特別的 SNARK 。
https：//medium。com/alliancedao/zkps-in-web-3-now-and-the-future-21b459348f29
SNARK 全稱 Succinct Non -interactive Argument of Knowledge（零知識簡潔非互動論證），STARK 全稱
S
calable Transparent Argument of K
nowledge（零知識可擴充套件透明知識論證）。
SATRK 作為一種特殊而創新的 SNARK，S 的含義從簡潔（Succinct）變為可擴充套件（Scalable），T 代表透明，取代了非互動屬性。
https：//www。altoros。com/blog/zero-knowledge-proof-improving-privacy-for-a-blockchain/
STARK 相比 SNARK 有更多創新。它不需要和 SNARK 一樣依賴“可信設定”。
它還帶有更簡單的密碼學假設，避免了對橢圓曲線、配對和指數知識假設的需要，純粹依賴雜湊和資訊理論，因此抗量子攻擊。總體來講 STARK 比 SNARK 更安全。
在擴充套件性方面，STARK 的擴充套件性更強。證明生成速度具備線性擴充套件性，驗證時間和證明大小具備對數擴充套件性。
但缺點在於生成的證明尺寸更大。但隨著證明規模增加，驗證成本將會邊際遞減——這意味證明越大，總成本越低。
https：//research。thetie。io/zero-knowledge-starks-snarks/
3.2擴充套件性詳解
3.2.1證明時間線性擴充套件：證明人花費的時間與雜湊呼叫的數量呈近似線性關係。
在 80 位元的安全級，STARK 每 12288 次雜湊呼叫的證明者執行時間為 1 秒，得 12288次/S；而每 98304 次雜湊呼叫需要 10 秒，得 9830次/S，因此，我們可以知道 STARK 的證明時間和雜湊呼叫基本呈近似線性關係。如下圖所示
ttps：//eprint。iacr。org/2021/582。pdf（左圖 80 位元安全性右圖 100 位元安全性，y軸單位為秒）
3.2.2驗證和證明大小對數擴充套件：驗證時間（與證明大小）與雜湊呼叫呈現對數關係。
如下圖所示：
https：//eprint。iacr。org/2021/582。pdf（y軸單位為毫秒）
左圖可以看出，當雜湊呼叫從 3072 增加到 49152，驗證時間從 40 毫秒增加到 60 毫秒。而當雜湊呼叫從 49152 增加到 786432，驗證時間僅從 60 毫秒增加到 80 毫秒。 證明大小同理。因此，我們可得知，
雜湊呼叫次數越多，平均驗證時間越短，平均證明大小也會更小。
上述試驗的配置統一如下
1、作業系統：Linux 5。3。0-51-generic x86 64。
2、CPU：英特爾（R）酷睿（TM）i7-7700K @ 4。20GHz（4個核心，每個核心2個執行緒）。
3、記憶體：16GB DDR4（8GB × 2，速度：2667 MHz）
4、證明者使用多執行緒，驗證者被限制為單執行緒。
3.2.3遞迴證明
任何通用的、簡潔的知識系統的證明/論證（特別是STARKs） 都可以用來遞增地驗證計算。這意味著一個計算可以產生一個證明，以證明該計算的前一個例項的正確性，這個概念被非正式地稱為 “遞迴證明組合”或者“遞迴STARKs”。
換句話說，一個遞迴 STARK 證明者可為一個陳述生成一個證明，即系統的狀態可以從 a 移到 a+1。因為證明者已經驗證了一個證實 a 的計算完整性的（遞迴）證明，並且忠實地執行了狀態 a 的計算，達到了新的狀態 a+1。
簡而言之，你可以理解該過程將 a 和 a+1 兩個證明合併為了一個證明。如下圖所示：
https：//medium。com/starkware/recursive-starks-78f8dd401025
這些陳述各自被平行證明。然後，每對證明都由遞迴驗證器語句（一個驗證 STARK 證明的 Cairo 程式）進行驗證，併為其生成一個證明。該宣告斷言兩個證明已被驗證是正確的。
接下來，這兩個證明透過遞迴驗證程式語句再次合併。這匯出為證明所有四個原始陳述的一個證明。然後可以最終在鏈上提交該證明，由 Solidity 驗證者智慧合約進行驗證。
遞迴證明為 L3 的發展奠定技術基礎。類似於 StarkNet 作為 L2 在 L1（以太坊）上工作的方式——StarkNet 將計算證明交給以太坊上用 Solidity 編寫的驗證者合約驗證證明。L3 可以在 StarkNet 上部署一個用 Cairo 編寫的驗證者合約以驗證 L3 中的遞迴證明。
3.2.4遞迴證明歷史線索
StarkWare 在 2020 年 8 月 31 日釋出的文章中提到，能夠將 30 萬筆交易在 6 分 3 秒內聚合為一個證明。
ZK 友好的雜湊函式
雜湊函式在以太坊（以太坊使用keccak256）中常用於生成區塊、交易、狀態雜湊，是區塊鏈基礎技術。
ZK 友好的雜湊函式的意義在於，EVM 本身使用的 keccak256 ZK 不友好，變成電路執行效率非常低（很多行），
使用 ZK 友好的雜湊函式轉為電路的程式碼量更少，因此可以提高證明效率。
因此，StarkNet 使用 STARK 友好的雜湊函式（SFH）可以顯著提高執行效率。
STARK 友好的雜湊（SFH）函式，如 Rescue hash function（擴充套件性部分的Hash呼叫），特點包括以下三點
1、帶有證明的算術化電路，能夠將10萬個雜湊值（3。2MB的資料）壓縮到 200kB，有 80 位元的安全性。
2、證明者在四核CPU和16GB記憶體的配置下能夠每秒壓縮100個雜湊值。
3、驗證者在單核CPU和4GB記憶體的情況下，能夠在 10ms 內對證明進行驗證。
https：//twitter。com/Ingo_zk/status/1573033153672921093
四、Cairo虛擬機器和語言
4.1簡介
Cairo VM 是一個是一個採用馮諾依曼架構的 CPU VM，其程式語言也叫 Cairo。整個 Cairo VM 以及 Cairo 語言基於 STARK 設計。
Cairo 是
C
PU
A
lgebraic
I
ntermediate
R
epresentation （代數中間表達）的首字母縮寫。Cairo VM 包含單個 AIR 來驗證這個 「CPU」 的指令集。Cairo 語言基於 Cairo 彙編，因此編譯效率非常高。
Cairo 語言的程式設計體驗偏彙編（C和Rust，經常會用到指標），它具有以下特性：記憶體、函式呼叫、遞迴和分支條件。它還使用證明者一側的“提示”（hints）來建立快捷方式並啟用某些計算。
https：//www。cairo-lang。org/docs/how_cairo_works/index。html#how-cairo-works（我捏）
Cairo VM 和 Cairo 讓我有一種 Unix 和 C 語言的感覺。
https：//www。cairo-lang。org/docs/hello_cairo/amm。html（AMM程式碼片段）
接下來將介紹 Cairo 的一些強大特性。
4.2啟動載入：從雜湊載入程式
程式可以將另一個程式位元組碼寫入記憶體，並讓 Program Counter 指向該記憶體段，然後執行該程式。
一個從雜湊啟動載入的用例是，一個被稱為啟動載入器的程式計算並輸出另一個程式的位元組碼，然後像之前一樣開始執行它。這樣驗證者只需要知道程式的雜湊而非完整位元組碼。
這有兩個好處：
可擴充套件性，驗證時間和程式大小呈現對數關係，正如 STARK 部分提到的。
隱私性，驗證者可以驗證程式是否正確執行而無需知道計算。
4.3在同一個證明中執行不同程式
正如前文所述，啟動載入器可以做一個擴充套件。比如執行好幾個程式。輸出每一個程式的位元組碼hash和程式的輸出。而程式可以描述完全不同的計算。
因為proof的大小和驗證時間都和計算的大小呈亞線性關係，因此可以使用一個載入器執行多個程式，然後生成一個證明來確保所有程式的有效性。
就像滴滴打車一樣
驗證的成本在這些程式之間被攤銷了。隨著更多程式加入批處理，最終的攤銷驗證成本將越來越接近於0。參考 STARK 部分的“驗證和證明大小對數擴充套件”。
4.4高階最佳化：即時編譯和位元組碼生成
在程式執行過程中，一些高階最佳化可以透過位元組碼的自動生成來實現。
比如，對於一個函式，不同於從記憶體中預取對應的值，你可以直接複製程式的位元組碼，然後在對應的指令上直接賦予對應的值；考慮一個指令“從記憶體中讀取x和c，然後計算x+c”，一旦c的值是已知的（此時用C表示），我們可以用更高效的指令去替代它，“從記憶體中讀取x，然後計算x+C”，C是指令的立即數。
因此，我們可以進一步提高執行效率
4.5增量可驗證計算：很牛的遞迴證明
類似 STARK 的遞迴證明recursive proof部分提到的。
基於從hash啟動載入的概念，整個驗證過程可以編碼成一個hash，然後整個驗證過程作為引數傳遞給自己（這也是生成遞迴證明的一個步驟）。
4.6其他重要優勢
內建函式
開發者直接呼叫內建函式可以減少計算開銷，而不需要程式碼轉換。相當於 ASIC 晶片寫好的電路或者數學中給定的、驗證過的公式。
圖靈完備
支援計算（或者驗證，因為Cairo VM本身不執行計算，僅驗證計算正確性，計算在鏈下）一切可計算的問題。因此理論上能夠復刻其他虛擬機器，比如前面提到的用 Cairo 編寫的 zkEVM，理論上也可以復刻其他在未來可能開源的 zkEVM/zkVM 如 Scroll、Hermerz、zkSync、Miden、Zero 等。
CPU 架構
更加靈活，可以透過軟體程式設計的方式無限接近 AISC 的效能（所以Cairo會做CPU？）。
提示：關於 CPU 架構、記憶體、Cairo 語法等方面的更多特性我還在挖掘中（C語言沒跑了）……
