StarkNet最新进展报告

作者: 雪落无留痕 | 来源:发表于2023-09-10 16:38 被阅读0次

StarkNet
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StarkNet 主网仍处于Alpha 阶段，核心的代码（Prover, StarkNet OS, L1 core Contract）尚未开源。

基本概念

区块结构

区块头的结构为：

交易结构

StarkNet 支持两种交易类型：

invoke 交易：主要用来调用合约函数；
declare 交易：主要用来引入新的classes；

deploy 交易目前从StarkNet移除，部署合约可以采用syscall 调用。

invoke 交易的结构为：

declare 交易的结构为：

合约

合约ABI

合约ABI 为JSON 格式：

starknet-compile contract.cairo \
    --output contract_compiled.json \
    --abi contract_abi.json

合约地址

采用pedersen hash计算：

contract_address := pedersen(
    “STARKNET_CONTRACT_ADDRESS”,
    caller_address,
    salt,
    pedersen(contract_code),
    pedersen(constructor_calldata))

合约类（Classes）

类似于面向对象编程，StarkNet 将合约的实现分为类（Class）和实例（Instance）.

合约类由Cairo 字节码定义，通过类hash识别；合约实例对应着合约类，有相应的存储空间，能被交易和其它合约调用。

合约类并非特别需要部署合约实例；

合约类通过declare 交易添加；合约实例通过deploy 系统调用实现。

可以使用library_call调用合约类代码，类似于以太坊的deletgatecall.

合约存储

合约有 $2^{251}$ 个存储slots, 初始值为0；

存储值的读取：

let (value) = storage_read(key)

存储什的写入：

storage_write(key, value);

系统调用

合约调用的方法为：

func call_contract{syscall_ptr : felt*}(
    contract_address : felt, function_selector : felt, calldata_size : felt, calldata : felt*
) -> (retdata_size : felt, retdata : felt*)

合约部署的语法为：

func deploy{syscall_ptr : felt*}(
    class_hash : felt,   // 合约类的Hash
    contract_address_salt : felt,
    constructor_calldata_size : felt,
    constructor_calldata : felt*,
) -> (contract_address : felt)

抛出事件为：

func emit_event{syscall_ptr : felt*}(keys_len : felt, keys : felt*, data_len : felt, data : felt*)

获取区块号：

func get_block_number{syscall_ptr : felt*}() -> (block_number : felt)

获取区块的时间戳

func get_block_timestamp{syscall_ptr : felt*}() -> (block_timestamp : felt)

获取调用者的地址：

func get_caller_address{syscall_ptr : felt*}() -> (caller_address : felt)

获取合约的地址：

func get_contract_address{syscall_ptr : felt*}() -> (contract_address : felt)

获取sequencer的地址

func get_sequencer_address{syscall_ptr : felt*}() -> (sequencer_address : felt)

获取原始交易的信息

func get_tx_info{syscall_ptr : felt*}() -> (tx_info : TxInfo*)

调用合约类方法，类似于delegatecall 方法：

func library_call{syscall_ptr : felt*}(
    class_hash : felt, function_selector : felt, calldata_size : felt, calldata : felt*
) -> (retdata_size : felt, retdata : felt*)

调用L1 handler

func library_call_l1_handler{syscall_ptr : felt*}(
    class_hash : felt, function_selector : felt, calldata_size : felt, calldata : felt*
) -> (retdata_size : felt, retdata : felt*)

向L1 发送消息

func send_message_to_l1{syscall_ptr : felt*}(
    to_address : felt, payload_size : felt, payload : felt*
)

读取合约存储的值

func storage_read{syscall_ptr : felt*}(address : felt) -> (value : felt)

向合约存储写入值

func storage_write{syscall_ptr : felt*}(address : felt, value : felt)

Account abstraction

抽象账户可以实现：

signature abstract: 更改验证逻辑；
fee abstraction: 可以用不同的token 支付手续费；
Nonce abstraction: 支持并行广播交易。

StarkNet 的抽象账户必须包含以下两个函数：

__validate__: 保证Sequencer 只打包有效的交易。
__execute__：主要执行交易。

关于账户Nonce, 目前顺序递增的模式，以后将升级到Nonce abstraction.

目前对于无效的交易，Sequencer 并不打包，以后将对失败交易也将打包，并扣手续费。

交易的手续费采用ETH 支付。

链上数据

目前StarkNet 仍然是ZK-Rollup模式，将state diff 以calldata 形式存储上链。

state diff 包含包更新合约存储以及部署合约的信息，采用uint256[] 格式，包含以下数据：

部署合约的个数：
对于每个部署的合约，包含：
- contract_address: 部署合约的地址；
- contract_hash: 部署合约的hash;
更新的合约的个数：
对于每个更新合约：
- contract_address：合约的地址；
num_of_storage_updates: 存储更新新的个数；
- nonce, num_of_storage_updates: 更新的nonce 和存储更新的个数；
对于每个存储更新：
- key: 在合约存储的位置；
  - value: 新的值

Hash 函数

所有的Hash 输出映射到 $\mathbb{F}_p$ ，其中 $p = 2^{251}+17\cdot2^{192} + 1$

StarkNet 主要使用两种Hash函数：

sn_keccak: $\{0,1\}^* \rightarrow \mathbb{F}_p$ ;
pedersen: $\mathbb{F}_p \times \mathbb{F}_p \rightarrow \mathbb{F}_p$

sn_keccak 根据 Keccak256 派生。

Pedersen hash 采用STARK 友好的椭圆曲线：
$y^2 = x^3 + \alpha x + \beta$
其中：

$\alpha = 1$ ;
$\beta = 3141592653589793238462643383279502884197169399375105820974944592307816406665$

对于 $(a,b)\in\mathbb{F}_p^2$ ，可以将其分解为 $a_{low}, a_{high}, b_{low}, b_{high}$ , Pedersen hash 的定义为：
$h(a,b) = \left[shift\_point + a_{low} \cdot P_0 + a_{high} \cdot P1 + b_{low} \cdot P2 + b_{high} \cdot P3\right]_x$
其中 $shift\_point, P_0, P_1, P_2, P_3$ 是常量。

事件

StarkNet 可以抛出事件，包含以下字段：

from_address: 发出事件的合约地址；
keys: 用来检索事件的keys;
data: 日志的值

日志的定义：

@event
func message_received(a : felt, b: felt):
end

日志的发出：

message_received.emit(1, 2);

手续费

手续费由ETH支付，主要有两部分：

计算复杂度：交易涉及计算越复杂，费用越高；
链上数据：主要是L1 calldata 和 L2->L1的消息。

手续费的计算公式为：
$F = gas\_price \cdot\left(\max_k v_k w_k + c_w\left(2(n+m) + 3t + \sum\limits_{i=1}^t q_i + 2\ell\right)\right)$

消息传递机制

L2上的合约可以和L1上的合约交互，通过 send_message_to_L1 系统调用。

当状态在L1上更新之后，消息存储在L1上的 StarkNet Core Contract 上，并发出 LogMessageToL1 事件。

随后，接收者通过 consumeMessageFromL2 消费传递的消息。

L2->L1的消息包含 FromAddress, EthereumAddress, Payload.

对于L1->L2消息，包含以下几个阶段：

用户调用sendMessageToL2 发起L2合约的调用，L1合约记录支付的手续费；
消息解码为StarkNet 交易，也称为L1 handler transactions.
- Sequencer 在看到L1交易确认后，发起L2交易；
- L2交易会调用l1_handler.
L1 Handler transaction 被提交到L1合约，并实现状态更新。

L1 -> L2 消息包含以下字段：

L1 发送者地址
接收者合约地址
函数 selector
Calldata
Message Nonce

对于L1->L2失败的交易，用户可以在L1调用 startL11ToL2MessageCancelldation 和 cancelL1toL2Message进行取消.

L1 handler transaction 包含的字段为：

Version
ContractAddress
Selector
Calldata
Nonce

StarkGate

StarkGate 主要实现ETH和ERC20在L1和L2之间发跨链。

**L1->L2 Transfer (Deposit) **

用户在L1发起 deposit 操作，发出deposit 事件，并向L2 发送一个消息。当交易在L1确认后，由Sequencer在L2 触发L1 handler handle_deposit 操作。当L1 handler 交易被打包进区块并提交到L1上时，完成整个操作。

L2 -> L1 Transfer (Withdraw)

用户首先在L2 发起initiate_withdraw 函数，并向L1 发送消息。当交易打包到区块并在L1 确认后，用户即可在L1 发起取款操作。

StarkNet State

StarkNet 的状态包含：

合约实例：为地址到合约状态的映射
合约类：为合约类Hash到合约类定义的映射；

合约的状态由以下组成：

类hash;
contract 存储；
contract nonce;

状态承诺为：

h(h(h(class_hash, storage_root), nonce),0)

整个状态采用MPT 树数据结构。

账户创建

通过StarkNet CLI 工具，初始化一个账户：

starknet new_account

初始化完成之后，还需要部署账户：

starknet deploy_account

StarkNet 合约示例

// Declare this file as a StarkNet contract.
%lang starknet

from starkware.cairo.common.cairo_builtins import HashBuiltin

// Define a storage variable.
@storage_var
func balance() -> (res: felt) {
}

// Increases the balance by the given amount.
@external
func increase_balance{
    syscall_ptr: felt*,
    pedersen_ptr: HashBuiltin*,
    range_check_ptr,
}(amount: felt) {
    let (res) = balance.read();
    balance.write(res + amount);
    return ();
}

// Returns the current balance.
@view
func get_balance{
    syscall_ptr: felt*,
    pedersen_ptr: HashBuiltin*,
    range_check_ptr,
}() -> (res: felt) {
    let (res) = balance.read();
    return (res=res);
}

合约编译：

starknet-compile contract.cairo \
    --output contract_compiled.json \
    --abi contract_abi.json

合约声明：

starknet declare --contract contract_compiled.json


Declare transaction was sent.
Contract class hash: 0x1e2208b571b2cb68908f37a196ed5e391c8933a6db23bb3939acedee40d9b8a
Transaction hash: 0x762e166dd3326b2e263eb5bcfdccd225dc88e067fdf7c92cf8ce5e4ea01f9f1

合约部署：

starknet deploy --class_hash $CLASS_HASH

Invoke transaction for contract deployment was sent.
Contract address: 0x039564c4f6d9f45a963a6dc8cf32737f0d51a08e446304626173fd838bd70e1c
Transaction hash: 0x125e4bc5251af8ee2664ea0d1495b36c593f25f78f1a78f637a3f7aafa9e22

合约调用：

starknet invoke \
    --address ${CONTRACT_ADDRESS} \
    --abi contract_abi.json \
    --function increase_balance \
    --inputs 1234

合约查询：

starknet call \
    --address ${CONTRACT_ADDRESS} \
    --abi contract_abi.json \
    --function get_balance

参考

https://starkware.co/starknet/

https://docs.starknet.io/documentation/

https://medium.com/starkware/papyrus-an-open-source-starknet-full-node-396f7cd90202

https://starknet.io/

https://github.com/eqlabs/pathfinder

https://eprint.iacr.org/2021/1063.pdf

https://github.com/starkware-libs/cairo-lang

https://github.com/starkware-libs/papyrus

https://github.com/OpenZeppelin/cairo-contracts

https://github.com/starknet-io/starkgate-contracts

https://starknet.io/docs/hello_cairo/index.html#hello-cairo

https://starkscan.co/

https://github.com/NethermindEth/juno

https://github.com/starkware-libs/cairo

https://starknet.io/

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StarkNet最新进展报告

基本概念

区块结构

交易结构

合约

Account abstraction

链上数据

Hash 函数

事件

手续费

消息传递机制

StarkGate

StarkNet State

账户创建

StarkNet 合约示例

参考

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