Aperçu de Starkware : fonctionnement, langage Cairo, équipe et modèle économique
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Aperçu de Starkware : fonctionnement, langage Cairo, équipe et modèle économique
Actuellement, la tendance du développement d'Ethereum s'oriente de plus en plus vers les blockchains modulaires.
Dédié à des analyses Web3 approfondies
Rédaction : Madoka Kaname, IOBC Capital
Actuellement, la tendance du développement d’Ethereum s'oriente de plus en plus vers la blockchain modulaire.
Dans cette architecture modulaire, le calcul et l’exécution des transactions sur Ethereum ne sont plus effectués par le réseau principal, mais transférés hors chaîne vers une couche 2 (Layer 2). Cette solution allège la charge du réseau principal et étend considérablement les performances d'Ethereum.
À l’avenir, le réseau principal d’Ethereum se contentera d’assurer la consistance et la disponibilité des données, tandis que Layer 2, chargée de tous les calculs et exécutions, jouera un rôle similaire à celui d’un fournisseur de services de cloud computing, comme Amazon Web Services ou Alibaba Cloud aujourd’hui.
Rollup
Parmi les solutions de mise à l’échelle en Layer 2, Rollup est considéré comme la plus prometteuse.
Les Rollups effectuent la vérification et le calcul des transactions hors chaîne, puis compilent et compressent ces données avant de les renvoyer au réseau principal accompagnées de la nouvelle racine d’état (State root), réduisant ainsi l’utilisation de l’espace sur la chaîne principale.
Il existe deux types de Rollup : Optimistic Rollup et zk-Rollup. Plus précisément :
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L’Optimistic Rollup utilise une preuve de fraude (Fraud proof). Il suppose initialement que toutes les transactions envoyées à la chaîne principale sont valides, instaure une période de contestation pendant laquelle tout validateur peut présenter une preuve pour remettre en cause une transaction suspecte. Si une fraude est prouvée, le fraudeur est pénalisé et le contestataire récompensé.
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Le zk-Rollup, quant à lui, utilise une preuve de validité (Validity proof). Toutes les transactions sont vérifiées et regroupées hors chaîne, puis soumises à la chaîne principale avec une preuve à connaissance nulle (zero-knowledge proof) attestant de leur validité. Comme l’a dit Uri, PDG de StarkWare : « Elle fournit une intégrité computationnelle sans confiance (computational integrity), c’est-à-dire la capacité d’être certain qu’un calcul a été correctement exécuté même sans surveillance ». Une idée très proche de celle du Bitcoin originel.
Trois rôles principaux existent dans un système Rollup :
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Sequencer : collecte les transactions des utilisateurs, les ordonne et transmet la nouvelle racine Merkle au contrat intelligent Rollup sur Layer 1. Similaire à un mineur.
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Prover : calcule et vérifie toutes les transactions, puis génère une preuve zk (zk-proof) attestant de leur validité.
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Verifier : généralement déployé sur Layer 1, il effectue des calculs partiels pour valider la preuve soumise par le Prover, garantissant ainsi l’intégrité computationnelle.
Les Optimistic Rollups sont compatibles avec la machine virtuelle Ethereum (EVM), technologiquement matures et déployés depuis longtemps, ce qui facilite la migration pour les développeurs. Les projets Arbitrum et Optimism dominent actuellement le marché des Rollups. En revanche, les zk-Rollups, non compatibles avec l’EVM et techniquement plus complexes, ont un rythme de développement plus lent et sont moins largement adoptés que les Rollups OP compatibles avec les contrats intelligents.
Néanmoins, les zk-Rollups présentent plusieurs avantages par rapport aux Optimistic Rollups :
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Meilleure extensibilité. Les zk-Rollups nécessitent moins de données à envoyer sur la chaîne principale que les Optimistic Rollups. Puisque chaque transaction publiée est déjà vérifiée et accompagnée d’une preuve, seules ces preuves doivent être validées, pas les données transactionnelles elles-mêmes. En revanche, les Optimistic Rollups doivent publier toutes les données pour permettre les preuves de fraude. En pratique, les zk-Rollups offrent environ dix fois plus de performances que les Optimistic Rollups.
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Délai de finalisation des transactions plus court. Les transactions zk-Rollups, déjà validées et accompagnées d'une preuve, peuvent être vérifiées en environ dix minutes. En comparaison, celles des Optimistic Rollups subissent une fenêtre de contestation d’environ une semaine, empêchant des fonctions comme le retrait immédiat.
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Sécurité accrue. Toutes les transactions zk-Rollups sont validées et prouvées, limitant fortement les risques malveillants. Comparativement, les Optimistic Rollups peuvent inclure des transactions frauduleuses en attente de contestation, rendant les zk-Rollups plus fiables et sécurisés.
Vitalik avait déclaré en 2021 : « À court terme, les Optimistic Rollups gagneront grâce à leur compatibilité EVM. À moyen et long terme, avec l'amélioration de la technologie zk-SNARK, les zk-Rollups domineront tous les cas d'utilisation. » Ce qui montre sa préférence à long terme pour les zk-Rollups.
zk-SNARK et zk-STARK
Les deux principaux projets de la famille zk sont zksync et Starkware. Le premier utilise la technologie zk-SNARK, tandis que Starkware repose sur zk-STARK.
zk-SNARK signifie « Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge », et zk-STARK signifie « Zero-Knowledge Scalable Transparent ARgument of Knowledge ».
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zk-SNARK est apparu plus tôt, technologiquement mature, et largement utilisé. Le projet de monnaie privée Zcash en était un précurseur.
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zk-STARK est considéré comme une amélioration de zk-SNARK, offrant une implémentation plus rapide et pratique, comblant certaines lacunes de son prédécesseur.
Comme son nom l’indique, zk-STARK offre des avantages en termes d’extensibilité et de transparence, ainsi qu’une sécurité supérieure. Voici pourquoi :
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Extensibilité. Avec zk-STARK, le temps de calcul de la preuve est quasi-linéaire par rapport à la taille du calcul, tandis que le temps de vérification est logarithmique. Dans zk-SNARK, la génération et la vérification des preuves peuvent être coûteuses et longues.
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Transparence. zk-STARK ne nécessite pas d’initialisation confidentielle contrairement à zk-SNARK, qui dépend d’une chaîne de référence commune (common reference string). zk-STARK utilise plutôt une vérification publique aléatoire, éliminant le risque de compromission des paramètres.
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Sécurité. zk-STARK s’appuie sur des fonctions de hachage résistantes aux collisions, offrant une protection contre les attaques quantiques.
Malgré sa maturité technologique et son adoption précoce, zk-SNARK reste dominant dans le domaine zk. zk-STARK, plus complexe et manquant encore de développeurs, n’est pas encore largement adopté. Mais grâce à ses avantages indéniables, il devrait devenir la solution privilégiée à l’avenir.
Starkware
Le cofondateur de Starkware, Eli Ben-Sasson, est un scientifique cryptographe de renommée mondiale, professeur à l’Institut Technion d’Israël, et co-inventeur des technologies zk-SNARK et zk-STARK. Le projet utilise le langage Turing-complet Cairo pour le développement.
Fonctionnement
Le flux de travail des produits Starkware est illustré ci-dessous :
Prenons l’exemple de StarkEx ; le flux de StarkNet est similaire.
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L’utilisateur effectue une action via une application (client ou interface web), qui envoie la transaction au service StarkEx.
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Le service StarkEx regroupe et exécute les transactions, puis les envoie à SHARP (Shared Prover, service de preuve partagé). L’exécution est réalisée par des programmes écrits en Cairo. Grâce à ce langage Turing-complet, StarkWare transforme les résultats de tous les contrats intelligents en équations polynomiales prouvables, assurant ainsi la compatibilité entre contrats intelligents et preuves de validité.
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SHARP est un système de preuve basé sur Stark, chargé de générer la preuve de validité du lot de transactions.
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SHARP envoie la preuve Stark au Verifier déployé sur Layer 1 pour validation.
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Le service StarkEx envoie une transaction de mise à jour d’état sur la chaîne au contrat intelligent StarkNet déployé sur Layer 1, qui n’accepte ce changement d’état qu’après vérification de la preuve.
Produits
Starkware propose actuellement deux produits :
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StarkEx fournit un service personnalisé B2B. Les applications basées sur StarkEx peuvent personnaliser leur logique métier. Dédié aux applications DeFi et jeux, il accélère les transactions, réduit les frais et assure la disponibilité des données via ZK-Rollup ou Validium.
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StarkNet est un rseau universel, décentralisé, sans autorisation et résistant à la censure. Tout utilisateur ou développeur peut y déployer des contrats intelligents écrits en Cairo.
Ces deux produits illustrent deux modèles économiques distincts : le premier vend un service personnalisé, le second propose un service universel sans permission, générant des revenus via les frais de transaction ou en extrayant de la valeur MEV (Maximum Extractable Value) en tant que nœud, selon la priorité des frais.
Le cofondateur de StarkWare, Eli Sabasson, a fait une analogie : StarkEx et StarkNet sont respectivement comme un ordinateur et le cloud. Acheter StarkEx revient à posséder un ordinateur sur mesure, chaque client ayant sa propre machine d’extension. StarkNet, lui, fournit un service réseau universel accessible moyennant paiement.
Le fonctionnement de StarkNet est illustré ci-dessous. La principale différence avec StarkEx est que dans StarkNet, le Sequencer remplace le service StarkEx pour valider, regrouper les transactions et exécuter les programmes Cairo, tandis que la génération de preuve, auparavant gérée par SHARP, est désormais assurée par le Prover. Pour l’instant, le Sequencer et le Prover sont désignés par l’équipe officielle de StarkWare, ce qui soulève des critiques sur le caractère centralisé.
Feuille de route
StarkNet a publié une feuille de route sur son blog, annonçant une décentralisation progressive.
La construction de StarkNet se déroulerait en quatre étapes :
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Étape 0 – Infrastructure de base
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Étape 1 – Planètes : Rollup mono-opérateur, mono-application
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Étape 2 – Constellations : Rollup mono-opérateur, multi-applications
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Étape 3 – Univers : Rollup multi-opérateurs décentralisés, multi-applications
À l’étape 1, une instance de StarkNet (un rollup) exécute une seule application, les développeurs se concentrant sur l’implémentation de leur logique métier.
L’étape suivante permettra d’exécuter plusieurs applications sur une même instance StarkNet, partageant un état global Layer 2. Cela favorisera l’interopérabilité et réduira les frais de gaz grâce aux économies d’échelle. StarkNet deviendra alors un cadre complet capable d’exécuter plusieurs applications arbitraires sur Ethereum, chaque instance étant gérée par un seul opérateur. Pour l’utilisateur, StarkNet ressemblera à Ethereum, mais avec une meilleure scalabilité.
La dernière étape concerne la décentralisation des opérateurs. Deux actions principales sont prévues :
(1) Utiliser le rollup pour améliorer le mécanisme de consensus,
(2) Mettre en place un modèle économique incitatif pour attirer davantage de participants et décentraliser le réseau.
Langage Cairo
Cairo (CPU Algebraic Intermediate Representation) est un langage de programmation Turing-complet développé par Starkware pour générer des preuves STARK applicables à tout type de calcul. Les développeurs peuvent définir n’importe quelle logique métier en Cairo et réaliser des preuves hors chaîne et des validations sur chaîne, sans avoir à créer manuellement des circuits ou des AIR (représentations algébriques intermédiaires) complexes.
Grâce à Cairo, toute proposition de calcul peut être codée rapidement et en toute sécurité. Une application Cairo peut prouver son exécution logique, et plusieurs applications Cairo peuvent être intégrées au sein d’un même SHARP.
SHARP (prover partagé) agrège les transactions de plusieurs applications Cairo indépendantes et les valide dans une même preuve STARK. Le temps nécessaire pour produire une preuve est approximativement linéaire par rapport au temps d’exécution. Le temps de vérification est, lui, logarithmique.
Comme le temps de vérification est bien inférieur à celui de production, une vérification récursive devient possible : un programme Cairo peut vérifier la correction de plusieurs transactions, ou même vérifier plusieurs preuves Stark. Cette vérification récursive, très rapide grâce à sa complexité logarithmique, réduit massivement le temps total de vérification.
L’équipe Starkware a lancé un Service Général de Preuve (Generic Proof Service, GPS), permettant aux développeurs de construire leurs applications en Cairo. Ils peuvent envoyer leur code Cairo (incluant la logique métier) au GPS pour génération de preuve, puis la valider sur chaîne.
Grâce au GPS, une seule preuve peut attester de l’intégrité de l’exécution de plusieurs applications, permettant ainsi de mutualiser les frais de gaz liés à la vérification.
Équipe et financement
L’équipe de Starkware provient d’Israël, composée principalement de développeurs en informatique et cryptographie issus de l’Université Hébraïque et du Technion. C’est sans doute l’équipe la plus solide dans le domaine des preuves à connaissance nulle.
Selon le site officiel, l’équipe compte actuellement 77 membres, 7 conseillers académiques et 5 autres conseillers.
Les membres clés sont :
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Eli Ben-Sasson : Co-fondateur & scientifique en chef. Docteur en informatique théorique de l’Université Hébraïque. Professeur au Technion. Scientifique fondateur de Zcash, inventeur de zkSNARK et zkSTARK.
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Uri Kolodny : Co-fondateur & PDG. Diplômé en informatique de l’Université Hébraïque. Entrepreneur expérimenté et collaboratif.
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Alessandro Chiesa : Co-fondateur & scientifique en chef. Professeur en informatique à l’Université de Californie à Berkeley. Scientifique fondateur de Zcash, co-inventeur de zk-SNARKs, développeur principal de libsnark, bibliothèque open source leader en preuves succinctes à connaissance nulle.
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Michael Riabzev : Co-fondateur & architecte en chef. Docteur du Technion, anciennement chez Intel et IBM.
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Oren Katz : Vice-président technique. Diplômé en informatique de l’Université Hébraïque, MBA à l’Université de Tel Aviv, ingénieur expérimenté avec 20 ans d’expérience.
En matière de financement, StarkWare a levé publiquement sept tours, totalisant 45 investissements, avec un montant total déclaré de 273 millions de dollars. Lors du tour D en 2022, sa valorisation atteignait 7,9 milliards de dollars. Ses investisseurs incluent Paradigm, Sequoia Capital, Pantera Capital, ainsi que Vitalik.
Modèle économique
Starkware a publié son modèle économique dans un billet de blog mi-juillet. Initialement prévu pour septembre, le lancement du jeton a été reporté. Au moment de la publication de cet article, aucun lancement officiel n’a encore été annoncé.
Le jeton StarkNet aura trois usages principaux : paiement des frais réseau, mise en gage pour participer au consensus, et vote pour la gouvernance communautaire.
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Frais de transaction : Actuellement payés en ETH sur StarkNet. À l’avenir, seuls les jetons natifs StarkNet seront acceptés. Un mécanisme automatisé et décentralisé permettra toutefois aux utilisateurs de payer en ETH pour une meilleure expérience.
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Mise en gage : Certains services essentiels à l’activité et à la sécurité de StarkNet (ordonnancement, consensus temporaire L2, preuves STARK, disponibilité des données) exigeront une mise en gage de jetons StarkNet. Ces services devraient être décentralisés en 2023.
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Gouvernance : Les propositions d’amélioration de StarkNet nécessiteront un seuil minimal de détention de jetons. Tout changement critique du protocole exigera un vote direct ou par délégation. Par exemple, toute mise à jour majeure du système d’exploitation StarkNet devra être approuvée par les détenteurs de jetons.
L’offre initiale du jeton StarkNet est de 10 milliards d’unités : 17 % pour les investisseurs StarkWare, 32,9 % pour les contributeurs clés, 50,1 % pour la fondation.
Le jeton dispose d’un mécanisme d’émission supplémentaire : une partie des nouveaux jetons frappés et des frais de transaction sera attribuée aux développeurs d’infrastructures clés et de contrats intelligents.
Les 50,1 % alloués à la fondation seront utilisés comme suit :
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9 % – Développeurs d’écosystème, utilisateurs et communauté, notamment certains utilisateurs ayant interagi avec StarkEx avant le 1er juin.
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9 % – Remboursements communautaires (Rebates) : remboursement en jetons StarkNet pour compenser partiellement le coût du passage d’Ethereum à StarkNet.
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12 % – Financement de chercheurs et développeurs travaillant sur le développement, les tests, le déploiement et la maintenance du protocole StarkNet.
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10 % – Réserve stratégique pour soutenir des activités écosystémiques conformes à la mission de la fondation.
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2 % – Dons à des institutions et organisations remarquables (universités, ONG), décidés par les détenteurs de jetons et la fondation.
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8,1 % non alloués – Pour soutenir davantage la communauté StarkNet, selon des modalités décidées par la communauté.
Conformément aux pratiques des écosystèmes décentralisés et aux intérêts à long terme de la communauté, les 49,9 % destinés aux investisseurs et contributeurs clés seront verrouillés pendant 4 ans, avec une période de carence (cliff) d’un an, suivie d’un déblocage linéaire.
La distribution du jeton montre une priorité accordée aux développeurs d’infrastructures clés et de dApps, au détriment des utilisateurs ordinaires.
Données opérationnelles
StarkEx, produit B2B lancé tôt avec un modèle « Scale as a service » mature, compte déjà plusieurs utilisateurs notables, comme dYdX (désormais parti), Immutable X, rhino.fi, celer et Sorare. Selon les données officielles, le volume cumulé des transactions sur StarkEx atteint 732 milliards de dollars, avec une TVL actuelle de 461 millions de dollars.
L’autre produit, StarkNet, compte environ 100 applications selon www.starknet-ecosystem.com, majoritairement dans les catégories DeFi (45), NFT (24) et infrastructure (18).
Parmi les projets notables, AAVE et Maker prévoient de se déployer sur StarkNet. Il y a deux jours (29 octobre), Aave et StarkWare ont annoncé la fin du développement de la première phase de leur collaboration cross-chain. Cette phase concerne l’infrastructure de contrat intelligent permettant le transfert des aToken d’Aave v2 sur Ethereum vers StarkNet, permettant aux utilisateurs d’obtenir des aToken croisés. Maker avait déjà lancé le transfert de DAI entre la chaîne principale et StarkNet dès juin.
Notons que dYdX, qui représentait la majeure partie de la TVL sur StarkEx, a quitté la plateforme en juin pour lancer sa version v4 sur une blockchain indépendante basée sur Cosmos SDK. Cet événement a entamé la confiance des investisseurs dans les Layer 2 et Starkware.
Cet épisode montre que les applications populaires et influentes disposent d’un pouvoir décisionnel accru dans le choix de leur infrastructure sous-jacente. Elles ne dépendent pas d’une seule chaîne, pouvant choisir librement d’autres blockchains ou même construire leur propre chaîne adaptée à leurs besoins.
Le récit traditionnel du « protocole gras, application maigre » pourrait être redéfini. Pour les projets d’infrastructure, retenir les meilleures applications de leur écosystème devient crucial. Capturer davantage de valeur signifie capturer davantage d’utilisateurs, or ce sont les applications, et non les couches de base, qui interagissent directement avec eux. Les utilisateurs ne se soucient pas de la technologie sous-jacente et suivront les applications où qu’elles aillent.
Conclusion
Starkware, porté par une équipe technique solide, suit progressivement son plan de développement : le 26 octobre, ils ont annoncé avoir complété l’écriture de ZK-EVM en utilisant leur langage de programmation Cairo.
Ils font toutefois face à des défis, notamment la complexité élevée de zk-STARK, un développement lent et un manque de développeurs, ce qui freine l’expansion et la rétention d’applications dans l’écosystème.
Le départ de dYdX a emporté la majorité de la TVL du projet, révélant la faible capacité des infrastructures de base à fidéliser les meilleures applications, et mettant en lumière le pouvoir de négociation des applications leaders dans le choix de leur chaîne sous-jacente.
Grâce à ses avantages technologiques, nous restons optimistes sur le développement à long terme des zk-Rollups et de STARK.
À l’avenir, avec les effets incitatifs du lancement du jeton et la progression vers la décentralisation, Starkware restera l’un des concurrents les plus sérieux dans la course aux Rollups.
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