概要
与 L1 不同，有效性证明 Rollup 吞吐量不受限制。L2 有效性证明 Rollup 上可以产生更高的 TPS
StarkNet 性能路线图解决了系统中一个关键要素：排序器（sequencer）
性能改进路线图如下：
— 排序器并行化
— Cairo 虚拟机用 Rust 实现
— 排序器用 Rust 重新实现
经过实战考验的证明器并不是瓶颈，处理量可以比现在更多！
介绍
StarkNet 大约在一年前登上主网，团队一开始专注于功能性，而现在重点转移到了提高性能上，通过一系列步骤来提升 StarkNet 用户体验。
在这篇文章中，将解释为什么只有有效性证明 Rollup 可以有广泛优化空间，并分享在 StarkNet 上实施这些优化的计划。其中一些已在 StarkNet Alpha 0.10.2 中实现，该版本于 11 月 16 日上线测试网，并在 11 月 28 日上线主网。那么在讨论解决方案之前，先来回顾一下性能的限制及其原因吧。
区块限制：有效性证明 Rollup 对比 L1
提高区块链可扩展性和 TPS 的一种潜在方式是取消区块限制（在 gas 或区块大小方面），同时保持出块时间不变。对生产区块者（L1 上的验证器和 L2 上的排序器）和组件性能要求更高。为此，现在团队的开发重点转移到优化 StarkNet 排序器上，下文将对此部分进行更详细的描述。
这里自然还会出现一个问题。为什么排序器优化仅限于有效性证明 Rollup？换句话说，为什么不能就在 L1 上优化，非要费事部署有效性证明 Rollup？在下一小节中，将阐述两者之间的根本区别，解释为什么可以在 L2 上进行广泛优化，而在 L1 不适用。
为什么 L1 吞吐量受限？
如果解除 L1 的区块限制，将会有个严重的问题。提高区块链的吞吐增长率，也会提高对全节点的需求，来保证跟进最新的状态。由于 L1 全节点必须重新执行所有的历史记录，区块大小的大幅增加（就 gas 而言）会带来巨大压力，再次导致较弱的机器退出系统，并将运行完整节点的能力留给足够强大的实体。结果就是，用户无法自己验证状态，也不能无需信任地参与网络。
所以应该限制 L1 吞吐量以维护真正去中心化和安全的系统。
为什么有效性证明 Rollup 不会因此受限？
只有从全节点的角度考虑，我们才能看到有效性证明 Rollup 的真正实力。L1 全节点需要重新执行整个历史记录以确保当前状态的正确性。而 StarkNet 节点只需要验证 STARK 证明，且这种验证所占用的计算资源呈指数级下降。特别是，从头开始同步不必涉及执行；节点可以从其他节点获取当前状态的转储，只需通过 STARK 证明来验证状态是否有效。这样就可以增加网络的吞吐量，而不增加全节点负载。
因此可以得出结论，优化 L2 排序器即是全方位提升系统性能，而在 L1 上是无法实现的。
未来的性能路线图
下文将讨论 StarkNet 排序器优化计划。
排序器并行化
路线图的第一步是将并行化引入交易执行，在 11 月 28 日上线主网的 StarkNet Alpha 0.10.2 中已引入。现在来深入了解下什么是并行化（这是个半技术性的部分，若要了解路线图，请跳到下一节）。
那么「交易并行化」是什么意思呢？简单来说，并行执行多个交易区块是不可能的，因为不同的交易可能是相互依赖的。下方示例中进行说明，假设有一个区块包含来自同一用户的三笔交易：
交易 A：将 USDC 兑换为 ETH
交易 B：用 ETH 购买某个 NFT
交易 C：将 USDT 兑换为 BTC
显然，交易 A 必须在交易 B 之前发生，但交易 C 完全独立所以可以并行执行。如果每执行一笔交易需要 1 秒时间，那么引入并行化后，出块时间就可以从 3 秒减少到 2 秒。
问题的症结所在是事先并不知道交易的依赖关系。实际上，只有当执行交易 B 时，才能知道它依赖于交易 A 所做的更改。更正式一点的说法是，这种依赖性源于交易 B 从交易 A 写入的存储单元中读取的事实。可以把交易看作一个依赖图，从交易 A 到交易 B 有一个边界，仅当 A 写入以一个由 B 读取的存储单元时，交易 B 才可以执行。下图显示了这种依赖图的一个示例：
在上面这个示例中，每一列都可以并行执行，这是最佳安排（一般会按顺序执行交易 1-9）。
为克服事先不知道依赖图这一难题，团队根据 Aptos Labs 开发的 BLOCK-STM 为 StarkNet 排序器引入了乐观并行化（optimistic parallelization）。在此范式下，系统将乐观地尝试并行执行交易，在发现冲突时重新执行。例如，并行执行图中的交易 1-4 时，会发现交易 4 依赖于交易 1。因此，它的执行是无效的（尽管执行交易 4 需要依照交易 1 执行后的状态，但先尝试对照交易 1 相同的状态同步执行）。在这种情况下，将重新执行交易 4。
请注意，乐观并行还有许多可优化之处。比如，不是单纯等待每次执行结束再判断，而是可以在发现有无效交易依赖项时中止执行。
另一个可以优化的例子是选择哪些交易来重新执行。假设上图中所有交易打包进一个区块送入 5 核 CPU 的排序器。首先尝试并行执行交易 1-5，如果完成顺序是交易2、交易 3、交易 4、交易 1，最后是交易 5，那么只有在交易 4 已经执行完之后，才会发现交易 4 依赖于交易 1，此时应重新执行。一般可能会想也重新执行交易 5，因为考虑到重新执行交易 4 可能会导致交易 5 的行为有所不同。然后，遍历执行已终止的交易所构建的依赖图，可以发现只需重新执行依赖于交易 4 的交易，而不是仅仅交易 4 无效之后重新执行所有交易。
Cairo 虚拟机的 Rust 新实现
StarkNet 中的智能合约是用 Cairo 编写的，并在 Cairo 虚拟机中执行，说明可查阅 Cairo 白皮书。目前，排序器使用 Python 版 Cairo 虚拟机实现。为优化虚拟机的实现性能，开发团队正在用 Rust 重写虚拟机。感谢 Lambdaclass 的出色工作，他们是 StarkNet 生态系统中非常宝贵的团队，这项工作也很快就会取得成果。
虚拟机的 Rust 实现（cairo-rs）现在可以执行原生 Cairo 代码。下一步是处理智能合约的执行，并与 python 兼容的排序器集成，一旦与 cairo-rs 集成，排序器的性能有望得到显著提升。
排序器用 Rust 重新实现
从 python 转到 Rust 对性能的提升不仅限于 Cairo 虚拟机。除了上述改进之外，团队还计划用 Rust 重新开始写排序器。除了 Rust 的内部优势之外，还能从其他方面优化排序器。比如可以兼容 cairo-rs，无需负担 python-rust 的通信开销。也可以完全重新设计状态的存储和访问方式（现在是基于 Patricia-Trie 结构）。
关于证明器
在上文中还未提到有效性证明 Rollup 里最重要的原件 — 证明器。可以想象，作为可以说是架构中最为复杂的组件，证明器应该是性能瓶颈，因此也应该是优化的重点。但有趣的是，现在 StarkNet 的瓶颈是更加「标准」的组件。特别是有了递归证明，证明中的可容纳交易量比当前测试网和主网更高。事实上，StarkNet 区块与 StarkEx 交易一起得到有效的证明，后者有时会有数十万 NFT 的铸造事件。
总结
为即将到来的 StarkNet 新版本中改进的 TPS 做好准备吧，敬请期待并行化、Rust 还有更多！
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