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了解Solana:涡轮机、海湾流和海平面

历经两轮牛市,Solana终于在2021年大放异彩。

Solana是一个高性能、高质量的公链,旨在不牺牲去中心化或安全性的情况下,提供快速、便宜、抗审查的区块链网络,以满足快速增长的应用落地需求。

目前,分片、侧链等仍是各大公链试图提高自身性能的主流方案。

然而,Solana另辟蹊径,利用自己独创的新技术,带来了更有效的可扩展性解决方案。

Solana利用工作历史证明 PoH、基站拜占庭容错(Tower BFT)、涡轮机(区块传播协议)、海湾流(无内存交易转发协议)、海平面(并行智能合约)、管道(验证交易)、云散(水平扩展账户数据库)以及档案(分布式账本存储)八大突破性技术构建出一个超高性能的区块链。

本文将着重介绍三大技术:涡轮机(区块传播协议)、海湾流(无内存交易转发协议)和海平面(并行智能合约)。

通过解析Solana的底层技术,大家可以从本质中更好的了解Solana如何解决区块链的可扩展性三元悖论问题以及对区块链网络造成严重影响的内存池问题。

涡轮机(Turbine):区块数据传输协议

区块链技术中的可扩展性三元悖论问题与带宽有关。如今,在大多数区块链网络中,鉴于每个节点有固定的带宽,增加节点数量将增加把所有数据传播到所有节点所需的时间。

这是一个摆在所有人面前的难题。

不过也出现了许多新颖的数据传播技术,每一种都在根据特定的应用进行优化。例如,BitTorrent是为通过TCP向大群人提供大文件而优化的,而MediaFLO则是为物理层的数据传播而优化的协议,目的是提高无线网络上多点广播的效率。

而Solana的区块传播协议涡轮机(Turbine),是如何解决区块链的可扩展性三元悖论问题的呢?

高性能区块链的挑战之一是网络如何将大量的数据传播给大量的对等体。例如,一个由2万个验证器组成的网络。领导者(leader)需要将一个128MB的区块(约50万笔交易)传输给2万个验证器。要想实现传播,需要领导者与每个验证者产生一个独特的连接,并将整个128MB的数据传输20000次。

显而易见,一般没有足够的带宽来容纳这么多的连接。

针对这一问题的解决方案——Turbine,在很大程度上借鉴了BitTorrent,但是两者之间在主要的技术细节上还是有一些区别。

通过将数据分成较小的数据封包,Turbine协议致力于帮助区块链节点间的数据传输变得更加容易。得益于此,Solana可以解决带宽限制的问题,并提高其整体容量,使得交易可以更快地完成。

Turbine针对流式传输进行了优化,使用UDP传输数据,并在领导者(区块生产者)流式传输数据时,实现了每个数据包在网络中的随机路径。领导者将一个128MB数据块分成大小不超过64KB的数据包,并将每个数据包传输到不同的验证器。

然后,每个验证器将数据包重传给一组称为“邻居”(neighborhood)的对等体。每个邻居负责将部分数据传输到其下面的每个邻居。

如果领导者以擦除码的形式传输该区块33%的数据包,那么网络可以放弃任何33%的数据包并且不丢失该区块。

领导者甚至可以根据网络状况动态地调整这个数字。这些都是由领导者从以前的区块中观察到的丢包率做出的决定。

并非所有的验证器都是平等的,最重要的验证器是那些拥有最多质押的验证器。

因此,相应的传播将会进行优先排序。权益加权选择算法构建了一个树,使质押较高的验证器在邻居中更接近领导者。每个验证者都独立计算相同的树。

虽然擦除码可以修复故障,但在树中的敌对节点可能会导致故障,特别是当与DoS(拒绝服务攻击)相结合时。

Solana如何处理这种日蚀攻击(Eclipse Attack)?

扇出算法。

Solana的扇出算法使用基于数据包数字签名的随机源为每个数据包生成一棵权益加权树。由于每个数据包采取不同的路径,而且路径是事先不知道的,邻居级的日蚀攻击需要几乎完全控制网络。

这种技术可以扩展到200到1000个节点之间。支持1 gbps的网卡每秒可以传输100万个数据包。如果网络连接允许,单个验证器可以在一秒钟内将最多64kb的数据包发送给1,000台机器。

海湾流(Gulf Stream):无内存交易转发协议

内存池(MemPool)是一组已经提交,但尚未被网络处理的交易。

就比特币和以太坊而言,内存池的大小通常以未确认交易的数量来衡量,取决于区块空间的供应和需求。即使在区块链时代早期,当内存池增加时,也会对整个网络造成严重的瓶颈影响。

那么,Solana是如何精益求精的?

在不增加网络吞吐量的情况下,Solana验证器可以管理10万笔交易的内存池大小。这意味着,在网络吞吐量为5万TPS的情况下,10万笔交易的内存池在几秒钟内就能执行。这就是让Solana成为世界上性能最强无许可区块链的原因。

Solana网络对这个问题的解决方案是将交易缓存和转发(forwarding)推送到网络边缘,这被称之为海湾流(Gulf Stream)。

由于每个验证器都知道未来领导者的顺序,客户和验证器提前将交易转发给预期的领导者。这使得验证器可以提前执行交易,减少确认时间,更快地切换领导者,并减少未确认交易池对验证器的内存压力,让Solana每秒可处理5万笔交易。这种解决方案在领导者不确定的区块链网络中是不可能的。

它又是如何工作的呢?

客户端(比如钱包)签署引用特定区块哈希的交易。客户端选择一个已经被网络完全确认的、最近的区块哈希。区块大约每800毫秒被提出一次,每增加一个区块都需要成倍的增加时间来展开。使用默认的超时曲线,在最坏的情况下,完全确认的区块哈希是32个区块。

一旦一笔交易被转发到任何验证器,验证器就会将其转发到未来的领导者之一。客户端可以订阅验证器的交易确认信息。客户端知道区块哈希在有限的时间内过期,或者交易被网络确认。这允许客户端签署对保证执行或失败的交易进行签名。

一旦网络过了回滚点,交易引用的区块哈希就会过期,客户就可以保证交易现在是无效的,且永远不会在链上执行。

到目前为止,很明显,区块链网络的功能只有在其内存池最小的情况下才会发挥作用。

当交易吞吐量有限的网络承担着尝试改造全新的扩展技术来解决不断增加的内存池的努力时,Solana从一开始就通过海湾流等优化设计来解决第一代区块链网络的问题,并实现巨大的交易吞吐量。

海平面(Sealevel):智能合约运作并行引擎

以太坊的EVM和EOS的基于WASM的runtime都是单线程的。这意味着每次都会有一个智能合约修改区块链的状态。

而Solana建立的智能合约运作并行引擎——海平面(Sealevel),可以并行处理数以万计的合约,并使用验证器作为核心。它可以使Solana的执行时间更有效率,还可让交易在相同状态的区块链上同时执行。

Solana之所以能够并行处理交易,是因为Solana的一笔交易在执行时,将读取或写入所有状态。这不仅允许非重叠的交易并发执行,而且允许只读取相同状态的交易也并发执行。

Solana的帐户数据库Cloudbreak是一个公钥到帐户的映射。所有者是管理账户状态转换的程序的公钥。程序是代码,无状态。它们依靠分配给它们的账户中的数据向量进行状态转换。

默认情况下,所有账户开始时都是由系统程序拥有的。用户定义的程序由加载器程序加载。加载器程序能够将账户中的数据标记为可执行。

此时,加载器验证了字节码,字节码被加载到的账户可以作为一个可执行程序使用。新账户可以被标记为由用户定义的程序所拥有。

这里的关键是,程序是代码,在键值存储中,存在一些键的子集,这个程序并且只有这个程序有写访问权限。

交易指定一个指令向量。每条指令都包含程序、程序指令和交易要读写的账户列表。

像readv或writeev这样的接口会提前告诉内核用户想要读取或写入的内存。这允许操作系统预取、准备设备并在设备允许的情况下同时执行操作。

在Solana上,每条指令都会提前告诉虚拟机它要读和写哪些账户。

SIMD指令允许单段代码在多个数据流上执行。这意味着Sealevel可以执行一个额外的优化,这是Solana设计所特有的。

在性能方面没有免费的午餐。为了使SIMD优化可行,所执行的指令应该包含少量的分支,而且应该都采取相同的分支。

通过海平面的并行处理,与单线程运行时相比,Solana能够实现极高的吞吐量和可用性。

结语

可以看到,在技术创新等方面,Solana独树一帜开拓出一条独属于Layer1的道路。在未来,Solana将会继续发展,为应用层的大规模应用提供一个高性能和低廉费用的去中心化解决方案。

在Solana大规模发展的DeFi生态,令人期待。

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