Cairo-native исполнение Starknet использует собственный язык программирования Cairo для повышения масштабируемости, сокращения расходов и улучшения производительности смарт-контрактов. Однако возникают проблемы из-за необходимости более широкого внедрения разработчиками, совместимости инструментов и баланса между инновациями и доступностью в экосистеме.

Введение: Starknet и казнь в Каире

Starknet — это протокол Ethereum Layer 2 (L2), который использует криптографические доказательства STARK (Succinct Transparent Arguments of Knowledge) для обеспечения проверяемых вычислений в масштабе. Как и другие блокчейны L2, Starknet способен предложить значимую масштабируемость и безопасность для транзакций L2, сохраняя при этом децентрализацию.

В основе Starknet лежит виртуальная машина Cairo (VM), специально созданная среда выполнения, разработанная для использования возможностей криптографических доказательств STARK. В отличие от других виртуальных машин, Cairo VM от Starknet предназначена для запуска доказуемых программ, что снижает накладные расходы, связанные с генерацией доказательств для проверки вычислений. Это позволяет Starknet обрабатывать огромное количество транзакций, поддерживая при этом не требующую доверия проверку.

Тем не менее, истинная мера производительности Starknet — с точки зрения конечных пользователей — зависит от скорости, с которой его секвенсор обрабатывает транзакции и подтверждает результаты выполнения. Также известные как «мягкие подтверждения», подтверждения секвенсора об успешности (или неудаче) транзакции полезны для чувствительных ко времени пользователей, которые хотят избежать ожидания завершения транзакций на Ethereum L1, прежде чем узнать статус транзакции.

На сегодняшний день пропускная способность транзакций Starknet во многом зависит от эффективности секвенсора. Секвенсор отвечает за прием, организацию и подтверждение транзакций перед отправкой их в Ethereum для окончательной проверки. Хотя в настоящее время Starknet использует один секвенсор, он планирует децентрализовать секвенсор для лучшей устойчивости к цензуре и более высокой отказоустойчивости (один офлайн-секвенсор не может вывести сеть из строя).

29 октября Starknet зафиксировал в среднем 127 транзакций в секунду (TPS) в течение непрерывного 24-часового периода. Это был не просто разовый пик, а устойчивая веха пропускной способности, достигнутая в ходе обычных операций, демонстрирующая способность свертки обрабатывать большие объемы транзакций в реальных условиях. Наряду с этим достижением производительность Starknet выделяется молниеносными подтверждениями транзакций (в среднем менее двух секунд) и сверхнизкими комиссиями (0,002 доллара за транзакцию), что делает его экономически эффективным и действенным решением для масштабирования Ethereum.

Однако поддержание этого уровня производительности требует постоянных инноваций, особенно по мере роста спроса со стороны пользователей. Именно здесь в игру вступают предстоящие усовершенствования Starknet в его модели выполнения, внедряющие оптимизации, которые обещают не только более быструю обработку транзакций, но и более эффективное использование ресурсов. Эти разработки знаменуют собой важный шаг к повышению уровня среды выполнения Starknet для удовлетворения потребностей быстро развивающейся экосистемы.

Starknet уже ввел преобразующие обновления своей архитектуры для повышения производительности и поддержки UX (например, параллельное выполнение и упаковка блоков через обновление Bolt). Эти инновации радикально сократили время обработки транзакций и затраты на газ, позволив секвенсору обрабатывать транзакции более эффективно. Чтобы узнать больше об обновлении Bolt и о том, как оно улучшает масштабируемость Starknet, прочитайте наше объяснение Starknet Bolt .

Основываясь на этой основе, Starknet теперь фокусируется на дальнейшей оптимизации своей среды выполнения с Cairo-Native. Предстоящие усовершенствования переопределят способ обработки транзакций, переходя от эмуляции на основе виртуальной машины к собственному выполнению. Эти изменения обещают значительные улучшения в скорости обработки и эффективности ресурсов, гарантируя, что Starknet сможет удовлетворить растущие потребности пользователей.

В следующем разделе мы более подробно рассмотрим среду выполнения Starknet и углубимся в то, как Cairo VM и более широкая архитектура переосмысливаются для поддержки следующего этапа масштабируемости и эффективности. Давайте погрузимся!

Небольшое введение в казнь по-каирски

Среда выполнения Starknet со временем значительно развилась, чтобы улучшить производительность и обеспечить безопасность. Первоначально Starknet полагался на простой конвейер, где высокоуровневый код Cairo компилировался непосредственно в CASM (Cairo Assembly) для выполнения. Хотя этот подход работал, он делал сеть уязвимой к неэффективности и рискам безопасности. Например, недействительный код не мог быть доказан, а секвенсор был подвержен потенциальным DoS-атакам из-за отсутствия мер безопасности в учете газа.

Для решения этих проблем обновление Cairo 1.0 представило Sierra, промежуточное представление (IR), которое обеспечивает безопасность по замыслу. Вдохновленная такими языками, как Rust, Sierra гарантирует разработчикам соблюдение более строгих шаблонов кодирования, эффективно устраняя ошибки времени выполнения и обеспечивая точный учет газа. Это обновление уже запущено в сети Starknet и знаменует собой важный шаг к более надежной и безопасной среде выполнения.

Cairo-Native основывается на этом прогрессе и еще больше повышает производительность Starknet, позволяя использовать собственное выполнение. Собственное выполнение — это отход от предыдущей модели выполнения программ в Cairo VM и представляет собой следующий шаг вперед в плане производительности для Starknet.

Как работает исполнение Cairo-Native?

Ранее секвенсор Starknet исполнял программы с помощью виртуальной машины, которая эмулировала код, что приводило к значительным накладным расходам и замедляло обработку транзакций. Эмуляция в этом контексте подразумевает программирование ЦП для ведения себя как теоретического ЦП Cairo, интерпретируя инструкции шаг за шагом. Несмотря на свою функциональность, этот процесс по своей сути неэффективен, поскольку не позволяет ЦП в полной мере использовать свои собственные возможности и стили выполнения.

Напротив, собственное выполнение устраняет эту неловкость, позволяя программам работать непосредственно в операционной системе в собственном наборе инструкций ЦП. Это изменение значительно повышает скорость выполнения и эффективность ресурсов, позволяя Starknet обрабатывать транзакции быстрее, чем когда-либо.

Для достижения этого Cairo-Native execution интегрирует передовые технологии компиляции, такие как MLIR ( Multi-Level Intermediate Representation ) и LLVM ( Low Level Virtual Machine ). Эти инструменты широко используются в современной разработке программного обеспечения для компиляции кода в оптимизированные инструкции машинного уровня.

Cairo-Native берет программы Sierra и организует их в промежуточную форму, MLIR, которая также допускает сложные оптимизации, в то время как LLVM далее компилирует это в собственные исполняемые файлы, адаптированные для базовой операционной системы. Этот двухслойный процесс компиляции гарантирует, что сгенерированные исполняемые файлы быстры, эффективны и готовы к прямому выполнению без дополнительных накладных расходов.

Влияние этого обновления на производительность секвенсора (и сети в целом) огромно:

• Повышенная скорость: благодаря отсутствию необходимости в эмуляции виртуальной машины собственное выполнение позволяет секвенсору обрабатывать транзакции значительно быстрее, сокращая задержку в сети.
• Более эффективное использование ресурсов: оптимизированные исполняемые файлы, созданные LLVM, эффективнее используют системные ресурсы, позволяя секвенсору обрабатывать большие объемы транзакций.
• Более низкие затраты: хотя более быстрое выполнение само по себе не приводит к немедленному снижению комиссий за газ из-за отсутствия механизма комиссий, Starknet продолжает демонстрировать экономическую эффективность. Например, во время рекордной производительности Starknet средние комиссии за газ составляли около 0,002 долл. США за транзакцию. Обновление 0.13.4, которое представляет Cairo-Native, также включает улучшения, связанные с ценообразованием. Однако эти улучшения не связаны напрямую с самим Cairo-Native. Хотя весь потенциал масштабируемости Cairo-Native по комиссиям за транзакции еще предстоит реализовать, объединение этой масштабируемости с будущими улучшениями, связанными с комиссиями, позиционирует Starknet как очень доступное и масштабируемое решение для Ethereum.
• Расширенные инновации: рост производительности за счет собственного выполнения позволяет более сложным и динамичным приложениям успешно работать на Starknet, открывая двери инновационным вариантам использования и возможностям для разработчиков.

Хотя собственное выполнение обеспечивает значительное повышение скорости, у разработчиков возникает естественное беспокойство относительно рабочего процесса двойного выполнения между секвенсором и доказывающим. В то время как секвенсор выигрывает от выполнения транзакций с использованием собственных артефактов для скорости, доказывающий по-прежнему полагается на Cairo VM для пошагового выполнения транзакций, гарантируя, что они могут быть доказаны верификатором Ethereum STARK.

CASM все еще используется в этом процессе, поскольку это представление, проверенное верификатором STARK на Ethereum. Эта двойственность — выполнение одних и тех же транзакций через две разные системы — может вызвать обоснованные вопросы о согласованности и корректности. В частности, как мы можем быть уверены, что результаты собственного выполнения и выполнения Cairo VM всегда будут совпадать?

Короткий ответ заключается в тщательном тестировании и проверке. В частности, команда LambdaClass провела обширные тесты воспроизведения, процесс, в котором исторические блоки Starknet повторно выполняются в новой системе, чтобы гарантировать, что каждая транзакция дает те же результаты.

Тесты воспроизведения являются критически важным методом проверки того, что даже при двух различных путях выполнения выходные данные остаются согласованными. Таким образом, разработчики могут быть уверены, что этот обширный процесс проверки значительно минимизирует риск несоответствий.

Кроме того, стоит отметить, что Starknet всегда работал с двумя отдельными потоками выполнения. Даже до Cairo-Native секвенсор не полностью полагался на Cairo VM для таких задач, как системные вызовы или доступ к состоянию. Они уже обрабатывались по-другому, а доказывающий фокусировался на создании криптографических доказательств для обновления состояния Starknet на Ethereum.

В этом смысле введение собственного исполнения представляет собой эволюцию — а не отход — от устоявшейся архитектуры Starknet. Это также означает, что у разработчиков не должно возникнуть проблем с проектированием приложений для работы с новой моделью исполнения Starknet.

В целом, Cairo-Native открывает новый уровень масштабируемости и скорости для Starknet. Переходя от эмуляции на основе VM к собственному выполнению, сеть может поддерживать больше пользователей, обрабатывать большие объемы транзакций и предоставлять бесперебойный опыт как разработчикам, так и конечным пользователям. Эта трансформация укрепляет позицию Starknet как ведущего решения L2 и прокладывает путь для больших инноваций в экосистеме Ethereum.

Cairo-Native против Cairo: сравнение моделей исполнения Starknet

Cairo-Native знаменует собой новаторское улучшение в среде выполнения Starknet, которое обеспечивает значительное ускорение по сравнению с традиционной Cairo VM. Благодаря обширным бенчмаркам, проведенным LambdaClass и Nethermind, был количественно определен прирост производительности от собственного выполнения, что подчеркивает способность Cairo-Native радикально повышать скорость обработки транзакций и контрактов.

Показатели выполнения

Тесты показали, что Cairo-Native достигает среднего ускорения в 5 раз по сравнению с Cairo VM, с ростом производительности от 1,5x до 20x в зависимости от конкретного контракта. Эти результаты — больше, чем просто цифры — они иллюстрируют, как нативное выполнение напрямую приносит пользу пользователям и разработчикам.

Например, простой перевод STRK между двумя счетами Argent не только завершился в 2,3 раза быстрее, но и показал ускорение в 4,8 раза в логике контракта ERC-20. Для пользователей это означает меньшее время ожидания транзакций и более плавное взаимодействие с децентрализованными приложениями (dApps). Для разработчиков эти улучшения гарантируют, что их приложения будут работать быстрее и надежнее даже при большой сетевой нагрузке.

В более требовательных сценариях, таких как обмены STRK/ETH или игровые приложения, такие как Influenceth , преимущества становятся еще более очевидными. Транзакции Influenceth зафиксировали ускорение транзакций в 10,5 раз, а некоторые исполнения контрактов улучшились до 70 раз. Эти достижения позволяют разработчикам создавать сложные, высокопроизводительные децентрализованные приложения, прокладывая путь для более насыщенных игровых впечатлений, расширенных протоколов DeFi и других вычислительно интенсивных вариантов использования.

Переход от эмуляции к машинному исполнению лежит в основе этих достижений. Компилируя программы непосредственно в машинный машинный код, Cairo-Native устраняет неэффективность эмуляции инструкций Cairo, где ЦП по сути имитирует другой виртуальный ЦП. Машинное исполнение позволяет оборудованию работать на полную мощность, обеспечивая непревзойденные улучшения производительности для всех типов транзакций.

Тесты компиляции

Cairo-Native представляет более продвинутый конвейер компиляции, добавляя несколько шагов для перевода кода Sierra в собственные исполняемые файлы. Это включает такие процессы, как преобразование Sierra в MLIR, оптимизацию кода и, наконец, компиляцию его в машинно-родные инструкции. Хотя интуитивно может показаться, что этот более сложный конвейер увеличит общее время компиляции, тесты показывают, что дополнительные шаги составляют менее 15% от общего времени компиляции, демонстрируя, что процесс остается эффективным.

Также стоит отметить, что собственные исполняемые файлы больше по размеру по сравнению с артефактами CASM. Это увеличение отражает дополнительную детализацию и оптимизацию, необходимые для машинного кода, но не влияет на производительность сети. Важно, что компиляция выполняется только один раз, во время развертывания контракта в сети, что гарантирует, что этот шаг не повлияет на производительность секвенсора в реальном времени.

Каковы последствия казни в Каире для Starknet?

Последствия Cairo-Native для экосистемы Starknet имеют далеко идущие последствия. Обеспечивая более быстрое и эффективное выполнение транзакций, это обновление призвано значительно улучшить пользовательский опыт для всех приложений в сети. Поскольку к концу 2024 года сеть, как ожидается, будет обрабатывать около 1000 транзакций в секунду (TPS), Starknet станет одной из самых масштабируемых и отзывчивых цепочек L2 в экосистеме Ethereum.

Для пользователей обновление Cairo-Native означает более быстрое подтверждение транзакций и еще более низкие затраты. Во время рекордных показателей Starknet в начале этого года средняя стоимость газа составляла около $0,002 за транзакцию. С Cairo-Native эти затраты, как ожидается, снизятся еще больше, что укрепит Starknet как одну из самых доступных сетей Layer-2.

Внедрение исполнения Cairo-Native также расширит возможности следующих вариантов использования:

Приложения для сетевых игр

Starknet уже завоевал популярность как платформа для игр на основе блокчейна, а Cairo-Native выводит ее на новый уровень. Такие игры, как Influenceth , которые полагаются на сложную логику и быстрое взаимодействие, значительно выиграют от повышения скорости. Более быстрое время выполнения сокращает задержку в игре, обеспечивая более плавный опыт для игроков.

Разработчики также могут внедрять более сложную игровую механику, например, многопользовательские возможности в реальном времени и динамические взаимодействия NFT, не беспокоясь об узких местах производительности. Это может привести к появлению нового класса игровых приложений onchain, чей игровой процесс может соперничать с играми традиционных конкурентов.

Социальные медиа-платформы

Децентрализованные платформы социальных сетей требуют высокой пропускной способности транзакций и низкой задержки для обеспечения бесперебойного взаимодействия пользователей, такого как размещение сообщений, комментирование и голосование. С Cairo-Native эти платформы могут масштабироваться для поддержки миллионов пользователей, предлагая каналы в реальном времени и мгновенные реакции, соперничая по производительности с традиционными аналогами Web2. Более низкие затраты на газ еще больше повышают доступность, делая децентрализованные социальные сети более жизнеспособной альтернативой централизованным платформам и готовя их к массовому принятию.

Децентрализованные финансы (DeFi)

Экосистема DeFi на Starknet также получит преимущества от Cairo-Native. Сложные финансовые операции, такие как свопы, кредитование и выращивание урожая, требуют высокой пропускной способности и точности. Более быстрое выполнение гарантирует, что сделки и ликвидации происходят в режиме реального времени, минимизируя проскальзывание и предоставляя пользователям лучшие результаты. Кроме того, более низкие комиссии за газ позволяют проводить микротранзакции, делая протоколы DeFi более доступными для более широкой аудитории.

Заключение

Cairo-Native выполнение является важнейшей вехой в дорожной карте Starknet . Представляя новый уровень выполнения, Starknet не только укрепляет свои позиции в качестве ведущей платформы уровня 2, но и создает прецедент для более широкой экосистемы Ethereum rollup. Инновация Starknet демонстрирует, как rollup могут достигать непревзойденной масштабируемости и эффективности, помогая Ethereum приблизиться к своему видению массового принятия, сохраняя при этом свои принципы децентрализации и безопасности.

Cairo-Native предоставляет разработчикам надежную, высокопроизводительную среду, которая поддерживает более динамичные и инновационные приложения. Сокращая время выполнения и накладные расходы ресурсов, разработчики могут сосредоточиться на создании более насыщенных, более интерактивных впечатлений, которые ранее были ограничены сетевыми ограничениями.

Как отмечено в твите , все еще есть потенциал для дальнейшей оптимизации, а это значит, что производительность Cairo-Native может продолжать улучшаться с течением времени. В этом смысле обновление до исполнения Cairo-Native представляет собой важный шаг к реализации полного потенциала Starknet как быстрой, масштабируемой и удобной для разработчиков платформы и расширению возможностей технологии роллапа в экосистеме Ethereum.

Первоначально версия этой статьи была опубликована здесь .