用EtherScan调查Starknet手续费下降99%的真实原因
策划：Shanni
撰文：0xSamo，LXDAO
原文链接：《继 EIP-4844 后，Starknet 降费 100 倍，但事情没有这么简单》
在本文中，LXDAO的作者0xSamo通过对EtherScan进行灵活运用，对Starknet的链上核心组件、optimistic/zk rollup手续费结构、EIP-4844的blob机制、SHARP系统的费率进行了探索，向大家昭示了Starknet手续费下降99%的真相：坎昆升级降低DA手续费只是辅助原因，真实原因是Starknet发币后国库有了其他收入来源，不必再依赖于手续费创收，所以大幅度下调了L2 Gas Price基准。
前言
EIP-4844作为The Merge之后以太坊最大的升级，吸引了足够多的关注。这次升级引入的Blob临时存储空间，相当于为以太坊这列火车增加了侧挂车厢，在不影响火车原有运行状态的前提下，提供了更便宜的DA空间。
Optimism、StarkNet、Arbitrum等Layer2项目都在短时间内支持了EIP-4844，并获得了显著的降费效果，以下是LXDAO国库在Optimism上为贡献者发放工资时生成的交易，在EIP-4844前后的Gas费竟然相差了100倍。
但在惊喜的同时，我们发现StarkNet作为ZK Rollup的代表，居然也获得了惊人的降费效果，从以前动不动就超过1美元的gas水准，下降到了0.01美元。
这两者对DA空间的依赖程度是极为不同的。OP Rollup会将近期交易的所有细节，包括用户签名等数据，打包压缩后全部上传到一层网络。它不需要在一层网络进行太多的验算任务，几乎所有的成本都在使用一层网络的DA空间上。
相比之下，ZK Rollup对上链的数据拥有更高的压缩率。比如，它可以不上传Layer2交易的数字签名，仅依靠ZK Proof来确保交易有效；并且，ZK Rollup不需要打包所有交易细节，只需将状态的变化结果打包上链。
举个例子，在二层网络上，有100个用户在USDC/USDT交易对进行了交易，每次交易后，资产合约里的USDC、USDT的余额都会发生变化。对OP Rollup来说，这些交易行为背后产生的DA数据，就是100条交易、200个账户的400次余额变动；
而对ZK Rollup来说， 资产合约共计发生的200次变化，可以压缩为2次最终的状态汇总变更，大大减小了DA数据的体积。
ZK Rollup验证ZKP消耗的额外Gas
了解了两者区别之后，大家的第一印象也许是ZK Rollup的Gas费会比较低，但实操过的同学们应该都知道，在EIP-4844之前，StarkNet、ZkSync等ZK Rollup，其费用显著高于OP Rollup，特别是StarkNet，因为采用了STARK算法，其零知识证明的尺寸更大， 转账费用往往高于其他Layer2。
（2023年某时刻各L2费用表格）
ZK Rollup没有一上线就将OP Rollup碾压的原因很简单：它虽然对交易数据有更高的压缩率，节省了向一层传输数据的费用，但它要在一层网络上验证零知识证明，增加了计算费用。
Blob只能降低DA费用，对计算部分没有多少帮助，相比于OP Rollup，ZK Rollup在EIP-4844上获得的好处更少，所以当我们看到Starknet从手续费死贵的状态，快速实现了美分级别gas费后，很难不让人惊讶。
探索Starknet的手续费组成
ZK Rollup往往比OP Rollup更复杂。下图是Optimism排序器向一层网络发布DA数据时，生成的交易记录，任何人都能理解为什么EIP-4844落地后，OP的交易费用下降了两个数量级。
但在调查Starknet手续费来源时，本文作者经历了相当大的困难，因为Starknet不同组件之间的交互关系要更为复杂。下面让我们来重溯这整个流程。
消失的一层DA
因为有了探索Optimism手续费结构的经验，我们很自然想到，找到Starknet向主网提交数据的合约地址就可以了，这种关键合约肯定在Etherscan的Gas消耗榜榜上有名，应该是不难找的，比如还没适配EIP-4844的Scroll，其合约至今还挂在Gas消耗榜的顶端。
当我们搜索Starknet关键词之后，会在EtherScan上找到Operator、Core Contract、Memory Page Fact Registry3个相关组件，但第三个看起来和DA相关的合约，在接近两年前就停止使用了。
目前我们能看到Starkent的Operator在不断和Core Contract交互，不断地调用“Update State”函数。
如果我们翻到坎昆升级激活前后的链上记录，会发现Operator的“Update State”行为确实产生了细节变化，首先函数名更改为“UpdateStateKzgDA” ，其次，旧的状态更新函数会向Core Contract传送ProgramOutput、onchainDataHash和onchainDataSize，而新版函数中上传的是ProgramOutput和KzgProof。
这里的KzgProof，俗称KZG承诺，起到的作用类似于Blob的datahash，和Blob中存放的数据有着对应关系。值得注意的是，新版本的状态更新函数，消耗的gas比旧版本的更多。那么问题来了，Starknet到底为何能够把手续费降得这么低？原因到底是什么？
更多资料参考LXDAO旗下的Layer2科普网站MyFirstLayer2：
https://layer2.myfirst.io/zh#3.3-optimistic-rollup
第一次挫败后的分析
虽然第一次探索不太成功，但我们仍然能得到一些推论和猜想。看过 MyFirstLayer2的小伙伴一定知道Rollup的核心问题就是DA问题（数据可用性），而它们都是将关键数据上传到主网，来解决数据可用性问题，这样一来，所有人都能轻松访问到需要获取的数据。
我们回溯一下，OP Rollup简单粗暴地把所有交易指令压缩汇总，打包上传到一层网络，其他人可以下载这些压缩后的数据，然后再解压，Replay每一条交易来知晓二层网络的状态变更。
ZK Rollup则不需要上传完整的交易细节，只需上传State Diff（每个Batch执行前后的状态变化量）。ZKRollup由ZKP来确保State Diff是有效无误的，其他人则可以直接在Prev_GlobalState之上叠加State Diff，知晓二层网络的最新状态。
我们都知道，Blob里的数据只是一串乱码一样的二进制文本，而一层网络只保证Blob数据上传后不被某些恶意节点篡改，但不负责验证这些数据的内容，当然，一层部署的智能合约也无法直接读取Blob里的内容。
因此，如果仍由一层来验证ZK Proof，那ZK Proof肯定不能放在Blob里，所以 我们可以判断，Starknet能够有如此显著的降费效果，与ZKP的关系不大，一定是因为State diff的存放位置变更所致。
下面的任务显然就是确认，Starknet到底把State diff放在哪里了？过去是放在哪儿的，现在究竟是不是放Blob里面。
此外，只能在UpdateState函数的输入参数里找到一个StateRoot也不禁让人怀疑，Starknet是否把原本应该直接上传至主网的数据，改为发送至自己的链下DAC （数据可用性委员会）来，如果真的是这样，那之前Starknet高昂的收费就完全没有道理，只能解释为……
SHARP系统
所幸和 @0xYandhii 讨论之后，让我醍醐灌顶，Starknet在通用型主网上线之前，第一个产品其实是StarkEX，包括去中心化衍生品交易所dYdX也是那个时期的产物。
在主网上线后，原先的产品没有被放弃，而是转而与主网共享一个验证器合约，即SHARP: Shared Proving and Verifying System系统，然后我们找到了 SHARP Blockchain Writer、SHARP Verifier等相关合约。
打开区块浏览器查询相关交易，可以发现SHARP Blockchain Writer进行了以下4类操作：
1. VerifyMerkle：验证默克尔树
2. VerifyFRI：用于确保提交的数据或计算结果遵循特定规则，不需要揭示数据的原像。
3. Register Continuous Memory Page：疑似是向一层网络写入数据时调用的功能。
4. Verify Proof And Register：快则十分钟被调用一次，慢则一两个小时，应该是Starknet攒够足够大量的交易后，统一对这些交易的ZKP进行有效性验证。
不难看出1、2、4是与ZKProof相关的函数，而第3个函数，显然是向一层网络写入数据的步骤，是最有可能与State diff上传相关的功能。
我们推测，1、2、4三个函数的调用手续费，在Blob升级前后没有显著变化，而第3个函数的使用成本，应该显著的降低了，这样就能解释Starknet为何降费效果如此显著。
于是笔者继续翻阅区块浏览器，在EIP-4844前倒数第二个旧版本、倒数第一个版本，已经升级后的最新版本3个时段各取一个验证周期，统计4个函数每次调用时，各自消耗的Gas究竟如何。
结果如下，令人挠头。
第3个和数据发布相关的函数，其费用有下降一半，但从其在一整轮ZK Proof验证过程中的费用占比来说，这个DA费用下降水平证明不了我们前面提出的假设。
探索走到这里几乎就到了山穷水尽的一步，笔者感觉自己就像三体世界里坐在大型粒子对撞机前的物理学家，每个脑细胞都在尖叫着：This doesn't make sense ! 我甚至去 Starknet社区发了一篇帖子询问，但也许是因为问题太复杂，英文社区迟迟没有人回应。
SHARP系统GasUsed探索
至此，我们还剩最后一个小Trick ，之前下载的交易数据csv里面，只有Gas费消耗的ETH ，没有GasPrice、Gaslimit等信息，所以无法排除Gas单价波动对统计结果的影响。于是笔者写了脚本将之前涉及的每一笔交易实际消耗的 GasUsed（Gaslimit 里被使用掉的部分）统计了出来。
这一次我们终于发现了端倪。可以看到在坎昆升级之前，那个名叫Register Continuous Memory Page的函数，在每次DA数据上传时会触发2次，一次消耗5万的gas，另一次消耗30万gas。
而坎昆升级之后，几乎所有调用Register Continuous Memory Page函数的交易，都只消耗5万gas。
之前我们取的样本太少，正好那一次升级后，正是主网Gas费暴涨的时期，这影响了我们的统计结果，导致我们认为，Register Continuous Memory Page函数的调用成本，在坎昆升级前后都没发生什么变化，而当我们对统计数据进行更广泛的采纳时，很快就发现了问题所在。
按照这个思路我们重新整理了 3 个时刻的 GasUsed 数据，这回合理了许多。至此可以证实，与DA数据上传相关的Register Continuous Memory Page函数，确实在坎昆升级后手续费显著降低，这应该就是原本存放State Diff的步骤，而坎昆升级后，DA数据转移至了Blob中。
后续我们在L2beat网站上找到了Starknet的产品结构示意图，可以发现，State diff确实是通过上述函数来存放至以太坊链上的。
（图源：L2BEAT）
最终，我们根据GasUsed的数量计算（以目前随机抽取的较小样本量来宽泛估计），得出结论：Starknet在坎昆升级之后，DA费用大概有4~10倍的变化，略低于一个数量级。
这也符合我们最开始的猜测：在EIP-4844升级后，ZK Rollup获得的好处并不如 OP Rollup那么多。
总结
经过以上探索，我们终于理清了Starnet手续费大幅下降的原因，其结论还是有点耐人寻味。
DA费用大降，但解释不了两个数量级的降幅
可以明确，Starnet之前是把每个Batch中包含的状态变化数据，直接上传到一层网络中的，现在则是将这部分数据放在了Blob中，因此可以在DA数据这部分手续费中，获得略小于一个数量级的降费效果。
但该如何解释Starknet手续费下降99%这个结果？单纯靠DA降费显然远不够。唯一合理的解释就是：Starknet在坎昆升级前，确实“心黑”向用户收了太多手续费。在STRK发币前，Starknet的所有活动、社区激励都需要资金，除了烧投资人的钱之外，在向用户收取的ETH和实际消耗的ETH之间设置剪刀差，可能是Starknet维系运营的方式之一，这才使得此前Starknet的Gas费如此之高。
现在，STRK代币发行为Starknet带来了足够的资金，是时候让Gas回到合理的水准了，趁着坎昆升级把绑在脚上的沙袋一起拆下，展现出的降费效果确实惊艳了许多人。
Rollup历史数据丢失问题
OP Rollup在升级之后，将原本存储在交易Calldata里的数据，转移到Blob这个临时储存区后，其实牺牲了一点去信任性。
在此前，Calldata空间的数据是永久储存的，意味着任何人都能从以太坊主网里下载到足够的历史数据，来验证和同步OPR当前的状态。
但坎昆升级之后，Blob的数据有过期淘汰的设定，如果全网没有任何一个实体保存过去的Blob数据，那么OPR的历史交易记录有可能会丢失。
虽然当前最新的二层网络状态仍然能被保护——因为Blob的保存期限超过OP的 7-14天挑战期，所以每个Blob在即将过期之前，它所对应的二层状态仍然是可信的，这最新的十几天的交易记录滚动地维护着OPR的安全性。
ZK Rollup如果要享受Blob带来的好处，同样需要把重要的二层状态数据，从Calldata空间转移到Blob空间里去。这意味着在一段时间后，我们也不再能像以前一样，依靠一层网络提供的数据来Replay二层的状态。
也许这将成为一种常态，今后所有的二层网络，都依靠Blob维护最新状态的安全，而每一条L2也需要自己另外想办法解决历史交易数据存储问题，如此在安全和效率之间取得更好的平衡。
OP与ZK的融合趋势
过去，第一代的OP Rollup率先上线，而第一代的ZK Rollup上线后没有带来更具竞争力的Gas费。到后续OP Stack、Polygon SDK带来的模块化风潮，OP Stack 甚至计划在将来引入ZK技术来降低挑战期。
这无疑都指向一个事实：OP与ZK两种技术路线并不是你死我活的竞争，他们会互相借鉴，有融合的趋势，只不过这一次是“高贵”的 ZK 向“简单粗暴”的OP学习的一次。
很难想象二层网络的技术在短短两三年之间演化到如此的地步，也许这就是区块链世界的魅力吧。
参考资料：
[1] FeedTheFed. Data availability with EIP4844[EB/OL]. (2024-02-11)[2024-04-16] https://community.starknet.io/t/data-availability-with-eip4844/113065.h
[2] L2BEAT research team. Starknet[EB/OL]. [2024-04-16]. https://l2beat.com/scaling/projects/starknet?selectedChart=activity#contracts.