Starkware 개요: 작동 원리, Cairo 언어, 팀 및 경제 모델

2022.10.31

Starkware 개요: 작동 원리, Cairo 언어, 팀 및 경제 모델

현재 이더리움의 발전 방향은 점점 더 모듈형 블록체인 쪽으로 기울고 있다.

2022.10.31 - 12:26:23

RollupStarkware

Web3 심층 보도에 집중하고 흐름을 통찰

현재 이더리움의 발전 방향은 점점 더 모듈형 블록체인 쪽으로 기울고 있다.

Starkware 개요: 작동 원리, Cairo 언어, 팀 및 경제 모델

작성자: 나기메 마도카, IOBC Capital

현재 이더리움의 발전 방향은 점점 더 모듈형 블록체인에 초점을 맞추고 있다.

모듈형 블록체인 아키텍처 하에서 이더리움의 트랜잭션 계산 및 실행은 더 이상 메인넷에서 처리되지 않고 오프체인의 Layer 2로 이관된다. 이를 통해 메인넷의 부담이 줄어들고 이더리움의 성능이 크게 확장된다.

앞으로 이더리움 메인넷은 합의와 데이터 가용성만을 담당하게 되며, 모든 계산과 실행을 맡는 Layer 2는 아마존 클라우드(AWS)나 알리바바 클라우드 같은 클라우드 컴퓨팅 서비스 제공자 역할을 하게 될 것이다.

Rollup

Layer 2 확장 솔루션 중 가장 유망한 것으로 평가받는 것이 롤업(Rollup)이다.

롤업은 이더리움 메인체인 외부에서 트랜잭션 검증과 계산을 수행한 후, 이를 압축하여 새로운 상태 루트(State root)와 함께 메인넷으로 전송함으로써 메인넷 공간 사용을 줄인다.

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롤업에는 두 가지 구현 방식이 있는데, Optimistic Rollup과 zk-Rollup이 그것이다:

Optimistic Rollup은 사기 증명(Fraud proof)을 사용한다. 우선 메인체인에 업로드된 모든 트랜잭션이 합법적이라고 가정하고, 도전 기간(challenge period)을 설정하여 검증자가 잘못된 트랜잭션에 대해 반박 증거를 제출할 수 있도록 한다. 사기가 입증되면 악의적인 당사자는 처벌을 받고, 도전자에게는 보상이 주어진다.
zk-Rollup은 유효성 증명(Validity proof)을 사용한다. 오프체인에서 모든 트랜잭션을 검증하고 번들링한 후, 유효성을 입증하는 제로노울리지 증명(zero-knowledge proof)을 첨부하여 메인체인에 제출한다. StarkWare CEO Uri의 말을 인용하면, "이는 누구도 감시하지 않아도 계산이 정확히 수행되었음을 신뢰할 수 있는 비의존적 계산 무결성(computational integrity)을 제공한다"는 것이며, 초기 비트코인의 철학과 매우 유사하다.

롤업 내 주요 세 가지 역할은 다음과 같다:

Sequencer: 사용자로부터 트랜잭션을 수집하고 순서를 정렬한 후, 새로운 Merkle 루트를 Layer1의 롤업 스마트계약으로 전달하며, 채굴자와 유사한 역할을 한다.
Prover: 모든 트랜잭션을 검증하고, 그 유효성을 증명하는 zk-proof를 생성한다.
Verifier: 일반적으로 Layer 1에 배포되며, Prover가 제출한 증명의 유효성을 검증하여 계산 무결성에 필요한 정보가 모두 제공되었는지 확인한다.

Optimistic Rollup은 EVM과 호환되어 기술적으로 성숙하고 조기에 상용화되어 개발자 입장에서 마이그레이션 비용이 낮다. 대표 프로젝트인 Arbitrum과 Optimism은 현재 롤업 시장에서 가장 높은 점유율을 차지하고 있다. 반면 zk-Rollup은 EVM과 호환되지 않으며 기술적 난이도가 높아 개발 속도가 느려, 아직 OP계열 롤업만큼 널리 활용되지는 못하고 있다.

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그럼에도 불구하고 zk-Rollup은 Optimistic Rollup에 비해 여러 장점을 가지고 있다:

확장성 우수. zk-Rollup은 Optimistic Rollup보다 메인넷에 업로드해야 하는 데이터량이 적기 때문이다. zk-Rollup은 이미 검증된 거래 정보와 증명을 포함하여 제출하므로 타인은 증명만 검증하면 되고, 거래 자체를 다시 검증할 필요가 없다. 반면 Optimistic Rollup은 사기 증명 도전을 받아야 하므로 관련 데이터를 모두 체인에 올려야 한다. 실제 적용에서는 zk-Rollup의 성능 향상 효과가 Optimistic Rollup보다 약 10배 정도 뛰어난 것으로 알려져 있다.
거래 최종 결정 시간 단축. zk-Rollup에 제출된 거래는 이미 검증을 완료했으며 증명이 첨부되어 있어 검증이 간단하며, 일반적으로 약 10분 내에 완료된다. 반면 Optimistic Rollup은 사기 위험이 존재하여 도전 기간(약 1주일)을 거쳐야 하므로 즉시 출금 등의 기능을 실현하기 어렵다.
보안성 강화. zk-Rollup은 검증된 거래만 업로드하며 증명이 첨부되므로 악의적 행위 가능성은 낮다. 반면 Optimistic Rollup은 사기 내용을 포함한 거래를 업로드할 위험이 있으므로, zk-Rollup이 데이터 신뢰성과 보안성 면에서 더 높은 평가를 받는다.

비탈릭 부테린(Vitalik)은 2021년 "단기적으로는 EVM 호환성 덕분에 Optimistic Rollup이 우세할 것이지만, 중장기적으로는 zk-SNARK 기술의 발전과 함께 zk-Rollup이 모든 용례를 지배하게 될 것"이라고 말했다. 장기적으로는 zk-Rollup에 더 큰 가능성을 보고 있음을 시사한다.

zk-SNARK와 zk-STARK

zk 계열의 양대 선두 프로젝트는 zksync와 Starkware이며, 각각 zk-SNARK와 zk-STARK 기술을 채택하고 있다.

zk-SNARK는 'Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge'의 약자이며, zk-STARK는 'Scalable Transparent ARgument of Knowledge'의 약자이다.

zk-SNARK은 등장 시기가 빠르고 기술적으로 상대적으로 성숙하여 현재까지 광범위하게 사용되고 있다. 초기 개인정보 보호 코인 프로젝트인 Zcash도 zk-SNARK 기술을 사용했다.
zk-STARK는 zk-SNARK의 개선 버전으로 여겨지며, 더 빠르고 편리한 구현 방식을 목표로 하여 기존의 일부 단점을 보완한다.

이름에서도 알 수 있듯이, zk-STARK는 zk-SNARK에 비해 확장성과 투명성에서 우위를 가지며, 보안성 또한 더 높다. 그 이유는 다음과 같다:

확장성. zk-STARK 기술을 사용하면 증명자의 실행 시간은 계산 규모에 대해 거의 선형적이며, 검증 시간은 계산량에 대해 다항 로그(polynomial-logarithmic) 수준이다. 반면 zk-SNARK은 복잡하고 비싼 증명 과정과 긴 검증 시간을 겪을 수 있다.
투명성. zk-STARK는 신뢰 가능한 초기 설정(trusted setup)을 필요로 하지 않는다. 반면 zk-SNARK는 공개 참조 문자열(public reference string)이라는 신뢰 가능한 설정을 요구하므로 파라미터가 조작될 위험이 있다. zk-STARK는 임의의 공개 검증 방식을 사용하여 이러한 리스크를 제거한다.
보안성. zk-STARK는 해시 함수 기반의 대칭 암호화에 의존하며, 해시 함수의 충돌 저항성 특성이 양자 공격에 대한 저항력을 제공한다.

기술적으로 성숙하고 조기에 출시된 덕분에 현재 zk 분야에서는 여전히 zk-SNARK이 주류를 이루고 있다. 반면 zk-STARK는 기술 난이도가 높고 개발자 생태가 부족하여 아직 널리 채택되지 않았다. 그러나 그 우월한 장점을 고려할 때, 향후 zk-STARK가 더 널리 수용되는 솔루션이 될 것으로 기대된다.

Starkware

스타크웨어 공동창립자 엘리 벤-사슨(Eli Ben-Sasson)은 세계적인 암호학 전문가로, 이스라엘 공과대학 교수이자 zk-SNARK 및 zk-STARK 기술의 공동 발명자이다. 이 프로젝트는 튜링 완전한 Cairo 언어를 사용하여 개발된다.

작동 원리

스타크웨어 제품군의 작업 흐름은 아래 그림과 같다:

Starkware 개요: 작동 원리, Cairo 언어, 팀 및 경제 모델

예시로 StarkEx를 들 수 있으며, StarkNet도 유사한 워크플로를 따른다.

사용자는 먼저 애플리케이션(클라이언트 또는 웹 프론트엔드)에서 작업을 수행하고, 앱은 이를 실행한 후 StarkEx 서비스에 트랜잭션을 전송한다.
StarkEx 서비스는 이 트랜잭션들을 번들링하고 실행한 후, 결과를 SHARP(Shared prover, 공유 증명 서비스)로 전송한다. 이 과정에서 실행은 Cairo 언어로 작성된 프로그램에 의해 이루어지며, 중요한 점은 스타크웨어가 튜링 완전한 Cairo 언어를 통해 모든 스마트계약의 계산 결과를 증명 가능한 다항방정식으로 변환함으로써 스마트계약과 유효성 증명의 호환성을 실현했다는 것이다.
SHARP는 스타크 기반 증명 시스템으로, 해당 트랜잭션 묶음의 유효성을 입증하는 증명을 생성한다.
SHARP는 스타크 증명을 Layer 1에 배포된 Verifier로 전송하여 검증을 요청한다.
StarkEx Service는 Layer 1에 배포된 StarkNet 스마트계약에 체인상 상태 업데이트 트랜잭션을 전송하며, 이 계약은 Verifier가 증명 검증을 완료한 후에만 새로운 상태 변경을 수락한다.

제품

스타크웨어는 현재 두 가지 제품을 운영 중이다:

StarkEx는 애플리케이션에 맞춤형 ToB 서비스를 제공하며, 위탁 앱은 자체 비즈니스 로직을 자유롭게 정의할 수 있다. Defi 및 게임 애플리케이션에 서비스를 제공하여 거래 속도를 높이고 수수료를 낮추며, ZK-Rollup 또는 Validium 방식 중 선택하여 데이터 가용성을 구현할 수 있다.
StarkNet은 허가 없이 참여 가능한 탈중앙화·검열 저항형 일반 목적 Layer 2 네트워크로, 모든 사용자와 개발자가 Cairo 언어로 작성된 스마트계약을 자유롭게 배포하고 사용할 수 있다.

Starkware 개요: 작동 원리, Cairo 언어, 팀 및 경제 모델

이 두 제품은 서로 다른 비즈니스 모델을 나타낸다. 전자는 맞춤형 서비스를 판매하는 형태이며, 후자는 무허가형 일반 서비스를 제공하고 네트워크 거래 수수료를 수취하거나, 노드로서 MEV를 추출하는 방식으로 수익을 창출한다.

스타크웨어 공동창립자 엘리 사바손(Eli Sabasson)은 StarkEx와 StarkNet을 각각 컴퓨터와 클라우드에 비유했다. StarkEx를 구매하는 것은 자신만의 맞춤형 컴퓨터를 소유하는 것과 같으며, 각 고객은 자신만의 확장 컴퓨터를 갖는다. 반면 StarkNet은 누구나 요금을 지불하고 사용할 수 있는 네트워크 및 일반 서비스를 제공한다.

StarkNet의 작동 과정은 아래 그림과 같다. 가장 큰 차이점은 StarkNet에서 Sequencer가 StarkEx Service의 역할을 대체한다는 점이다. 즉, 거래 유효성 검증, 번들링, Cairo 프로그램 실행 등을 Sequencer가 수행한다. 또한 SHARP가 맡던 증명 생성 작업은 StarkNet에서 Prover가 담당한다. 현재 Sequencer와 Prover는 모두 스타크웨어 팀이 지정하고 있어 중심화 논란이 있다.

로드맵

스타크넷은 공식 블로그를 통해 로드맵을 공개하며 점진적으로 탈중앙화를 실현하겠다고 밝혔다.

Starkware 개요: 작동 원리, Cairo 언어, 팀 및 경제 모델

팀이 구상한 스타크넷 건설 과정은 총 네 단계로 구성된다:

Step 0--기초 인프라 구축
Step 1--Planets: 단일 운영자, 단일 앱 롤업
Step 2--Constellations: 단일 운영자, 다중 앱 롤업
Step 3--Universe: 탈중앙화된 운영자, 다중 앱 롤업

Step 1에서는 하나의 스타크넷 인스턴스(롤업)에 하나의 앱만 실행되며, 개발자는 스타크넷 확장 네트워크 상에서 자신의 비즈니스 로직을 어떻게 구현할지에 집중한다.

다음 단계에서는 동일한 스타크넷 인스턴스에서 여러 앱을 동시에 실행할 수 있게 되며, 이들은 동일한 전역 Layer 2 상태를 공유하게 된다. 이를 통해 서로 다른 애플리케이션 간의 상호운용성과 규모의 경제를 통한 가스비 절감이 가능해진다. 이 단계에서 스타크넷은 이더리움 위에서 임의의 비즈니스 로직을 가진 여러 앱을 실행할 수 있는 완전한 프레임워크가 되며, 각 인스턴스는 단일 운영자에 의해 운영된다. 사용자 입장에서는 스타크넷은 이더리움과 매우 유사하지만 확장성이 훨씬 뛰어나다.

마지막 단계는 스타크넷 운영자의 탈중앙화이다. 이 단계에서 팀은 다음 두 가지 작업에 집중한다:

(1) 롤업을 활용한 보다 우수한 합의 메커니즘 구현,

(2) 기여자 및 운영자에게 인센티브를 제공하는 경제 모델 설계를 통해 더 많은 참여자를 유치하여 네트워크의 탈중앙화 달성.

Cairo 언어

카이로(Cairo, CPU Algebraic Intermediate Representation)는 일반 계산에 대한 STARK 증명을 생성하기 위한 튜링 완전 프로그래밍 언어로, 스타크웨어에서 개발하였다. 개발자는 Cairo를 사용해 임의의 비즈니스 로직을 정의하고 오프체인 증명 및 온체인 검증을 완료할 수 있으며, 복잡한 회로(circuit)나 AIR(Algebraic Intermediate Representation)를 수작업으로 생성할 필요가 없다.

카이로 프로그래밍 언어를 통해 어떤 계산 명제도 빠르고 안전하게 인코딩되어 증명될 수 있다. 카이로로 작성된 애플리케이션은 자신의 실행 로직을 증명할 수 있으며, 여러 카이로 애플리케이션을 통합하여 SHARP를 형성할 수도 있다.

SHARP(공유 증명기)는 여러 독립된 카이로 애플리케이션의 트랜잭션을 집계하여 단일 STARK 증명 내에서 처리할 수 있다. STARK 증명을 생성하는 데 걸리는 시간은 명령 실행 시간과 대략적으로 선형 관계이며, 증명 검증 시간은 증명 생성 시간과 로그 관계를 가진다.

검증 시간이 증명 시간보다 훨씬 짧으므로 재귀적 검증(recursive verification)이 가능하다. 즉, 하나의 카이로 프로그램은 여러 거래의 정확성을 검증할 수 있을 뿐 아니라, 여러 스타크 증명을 검증하는 또 다른 카이로 프로그램을 작성할 수 있다. 검증에 로그 시간만 소요되기 때문에 이러한 재귀적 검증은 검증 시간을 극도로 단축할 수 있다.

스타크웨어 팀은 개발자가 카이로 언어로 애플리케이션을 구축할 수 있도록 일반 증명 서비스(Generic Proof Service, GPS)를 출시했다. 개발자는 비즈니스 로직이 포함된 카이로 코드를 GPS에 보내 증명을 생성하고, 이를 체인 상에서 검증할 수 있다.

GPS는 하나의 증명으로 여러 애플리케이션의 실행 완전성을 주장할 수 있으므로, 이들 애플리케이션은 증명 검증에 드는 가스비를 분담할 수 있다.

팀 및 투자 현황

스타크웨어 팀은 이스라엘 출신으로, 히브리 대학교 및 이스라엘 공과대학 출신의 컴퓨터 과학 및 암호학 전문가들로 구성되어 있으며, 제로노울리지 증명 분야에서 가장 강력한 팀이라 할 수 있다.

스타크웨어 공식 홈페이지에 따르면, 현재 팀원은 77명이며, 학계 자문위원 7명과 기타 자문위원 5명을 포함한다.

주요 구성원은 다음과 같다:

Eli Ben-Sasson: 공동창립자 겸 수석 과학자. 히브리 대학교 이론 컴퓨터 과학 박사. 계산 무결성, 암호학, 제로노울리지 증명 분야에서 오랫동안 연구해왔으며, 이스라엘 공과대학 컴퓨터 과학 교수. Zcash 창립 과학자, zkSNARK 및 zkSTARK 발명자.
Uri Kolodny: 공동창립자 겸 CEO. 히브리 대학교 컴퓨터 과학 학사. 풍부한 비즈니스 경험과 협업 능력을 갖춘 연쇄 창업가.
Alessandro Chiesa: 공동창립자 겸 수석 과학자. UC 버클리 컴퓨터 과학 교수. Zcash 창립 과학자, zk-SNARKs 공동 발명자, 간결한 제로노울리지 증명의 대표 오픈소스 라이브러리 libsnark의 핵심 개발자.
Michael Riabzev: 공동창립자 겸 수석 아키텍트. 이스라엘 공과대학 박사. 인텔 및 IBM 근무 경력 있음.
Oren Katz: 엔지니어링 부사장. 히브리 대학교 컴퓨터 전공, 텔아비브 대학교 MBA. 20년 경력의 베테랑 엔지니어.

투자 현황에서 스타크웨어는 총 7차례의 투자 유치를 공개했으며, 45건의 투자 건을 포함해 총 2.73억 달러의 자금을 조달했으며, 2022년 D라운드에서 기업 가치가 79억 달러로 평가되었다. 주요 투자자로는 Paradigm, Sequoia Capital, Pantera Capital 등이 있으며, 비탈릭 부테린(Vitalik)도 개인 투자자로 참여했다.

경제 모델

스타크웨어는 올해 7월 중순 블로그를 통해 토큰 경제 모델을 발표했다. 원래 9월에 토큰을 발행할 예정이었으나 이후 발행 일정을 연기한다고 공지했으며, 본문 작성 시점까지 아직 공식 발행되지 않았다.

스타크넷 토큰은 주로 세 가지 용도로 사용될 예정이다: 스타크넷 네트워크 수수료 지불, 네트워크 합의 참여를 위한 스테이킹, 커뮤니티 거버넌스 투표.

거래 수수료: 현재 스타크넷 내 수수료는 ETH로 지불된다. 하지만 향후에는 토큰 자체만으로 수수료를 납부할 수 있도록 할 예정이며, 사용자 경험을 개선하기 위해 자동화되고 탈중앙화된 온체인 메커니즘이 ETH로 수수료 납부를 지원할 예정이다.
스테이킹: 스타크넷의 활성화와 보안에 중요한 역할을 하는 일부 서비스는 스타크넷 토큰을 스테이킹해야 할 수 있다. 여기에는 트랜잭션 정렬, L1 최종성 도달 전 일시적 L2 합의 달성, STARK 증명 서비스, 데이터 가용성 제공 등이 포함될 수 있다. 이러한 서비스는 2023년에 탈중앙화될 예정이다.
거버넌스: 스타크넷 개선 제안은 최소한의 토큰 보유 임계값을 충족해야 한다. 스타크넷의 활성화, 보안, 유지관리에 중요한 모든 프로토콜 변경 사항은 직접 또는 위임을 통해 투표로 결정된다. 예를 들어, 스타크넷 운영체제의 모든 중대 업데이트는 토큰 홀더의 승인이 필요하다.

스타크넷 토큰의 초기 공급량은 100억 개이며, 17%는 스타크웨어 투자자에게, 32.9%는 핵심 기여자에게, 50.1%는 재단에 배분된다.

또한 이 토큰은 증발 메커니즘을 가지며, 새로 발행되는 토큰과 거래 수수료의 일부는 핵심 인프라 개발자 및 스마트계약 개발자에게 보상으로 지급될 예정이다.

Starkware 개요: 작동 원리, Cairo 언어, 팀 및 경제 모델

재단에 배분된 51%의 구체적 용도는 다음과 같다:

9% — 생태계 개발자, 사용자 및 커뮤니티. 6월 1일 이전에 StarkEx와 상호작용했던 일부 사용자 포함.
9% — 커뮤니티 리베이트(Rebates) — 스타크넷 토큰으로 이더리움에서 스타크넷으로 이전하는 비용의 일부를 환급.
12% — 스타크넷 프로토콜의 개발, 테스트, 배포, 유지관리를 위한 연구자 및 종사자 지원.
10% — 재단의 미션과 부합하는 생태계 활동을 지원하기 위한 전략적 준비금.
2% — 스타크넷 토큰 홀더와 재단이 결정하는 바에 따라 대학, NGO 등 관련 분야의 우수한 기관 및 조직에 기부.
8.1% 미배정 — 스타크넷 커뮤니티를 추가로 지원하기 위한 용도로, 구체적 방식은 커뮤니티가 결정.

탈중앙화 생태계의 관행과 커뮤니티 장기 이익을 고려해, 투자자와 핵심 기여자에게 배분된 49.9%는 4년간 락업되며, 1년 cliff 기간 후 선형적으로 풀어진다.

토큰 배분을 보면, 스타크넷 토큰 보상은 일반 사용자보다는 핵심 인프라 및 dApp 개발자에게 우선적으로 돌아간다.

운영 데이터

ToB 제품인 StarkEx는 조기에 출시되었고 'Scale as a service' 모델이 비교적 성숙하여 dYdX(현재 이탈), Immutable X, rhino.fi, celer, Sorare 등의 사용자를 확보했다. 공식 사이트에 따르면, StarkEx 누적 거래액은 7320억 달러에 달하며, 현재 TVL은 4.61억 달러이다.

다른 제품인 스타크넷은 www.starknet-ecosystem.com 사이트 기준으로 현재 약 100개 이상의 앱이 존재하며, 이 중 DeFi(45개), NFT(24개), 인프라(18개)가 가장 많다.

Starkware 개요: 작동 원리, Cairo 언어, 팀 및 경제 모델

주목할 만한 프로젝트로는 AAVE와 Maker가 스타크넷에 배포될 예정이다. 이틀 전(10월 29일) Aave와 스타크웨어의 1단계 크로스체인 협업 개발이 완료됐다고 공식 발표했다. 이번 단계는 이더리움 상의 Aave v2 aToken을 스타크넷으로 크로스체인 연결하는 스마트계약 인프라를 구축한 것으로, 스타크넷 사용자가 크로스체인 aToken을 획득할 수 있게 된다. 이미 6월에는 Maker가 메인넷과 스타크넷 간 DAI 전송을 지원한 바 있다.

한편, 이전에 StarkEx의 TVL 대부분을 차지했던 dYdX가 6월에 이탈하여 Cosmos SDK 기반의 독립 블록체인을 선택해 v4 버전을 출시했다. 이 사건은 레이어 2 및 스타크웨어에 대한 투자자들의 신뢰에 어느 정도 영향을 미쳤다.

이러한 이탈 사건을 통해, 진정한 사용자 기반과 영향력을 가진 애플리케이션이 인프라 선택에서 더 많은 발언권과 주도권을 가지고 있음을 알 수 있다. 그들은 특정 단일 인프라 체인에 의존하지 않으며, 다른 레이어 1 체인을 선택하거나 심지어 자체 앱체인을 구축할 수 있다.

과거의 “뚱뚱한 프로토콜, 마른 앱” 서사가 재정의될 가능성이 있다. 다양한 인프라 프로젝트들에게는 자신의 생태계 내 우수한 앱을 어떻게 확보하고 유지할지가 중요한 과제가 되었으며, 결국 더 많은 가치를 포착하기 위해서는 더 많은 사용자를 확보해야 하고, 실제로 사용자와 상호작용하는 것은 앱이지 인프라가 아니기 때문이다. 사용자는 기술적 구현 원리를 신경 쓰지 않으며, 앱이 이동하는 곳으로 함께 이동한다.