Solana内部详解第三部分：交易处理单元（TPU）

最近，Solana 由于网络拥堵经历了严重的性能下降。TPS（每秒处理的交易数量）在几个小时内下降了几个数量级（从数千降到几十）。

从技术上讲，这个问题是由于 Solana 的性能缺陷引起的，特别是——交易处理单元（TPU）。在市场波动期间，机器人大量发送重复的垃圾交易，这使得 TPU 负担沉重。

本文详细阐述了 TPU 的设计，并突出了一些复杂细节。

交易

交易包含什么？

当用户提交一个交易时，它包含了一个编译好的指令序列的表示，称为 “message”：

message 必须被签名，由一个或多个密钥对签名：

签名的签名也包含在交易中，并与消息内容一起通过 RPCRequest 发送到 Solana 集群：

交易处理单元

在接收到交易后，TPU 有三个主要阶段来处理它。

1. fetch_stage 从 UDP 套接字批量提取输入并发送到阶段 2。
2. sigverify_stage 验证交易中的签名是否有效，并将交易发送到阶段 3。
3. banking_stage 处理经过验证的交易。

这三个阶段都由不同的线程执行，通过消息传递的方式进行通信，使用 crossbeam_channel（一个多生产者多消费者的通道）。

1. fetch_stage

TPU 创建了一个无界容量的通道（packet_sender，packet_receiver）：

fetch_stage 读取交易套接字上的数据包，并通过 packet_sender 将其简单地转发给 sigverify_stage。

2. sigverify_stage

sigverify_stage 从 packet_receiver 接收交易数据包，并使用 TransactionSigVerifier 验证每个数据包中的签名是否有效。

它假设每个数据包只包含一个交易，且这些数据包通过所有可用的 CPU 核心并行进行验证（也可以在可用时使用 GPU）。

注意，TPU 创建了另一个通道（verified_sender，verified_receiver），并通过 verified_sender 将验证通过的交易转发给下一个阶段（banking_stage）。

验证器非常重要

它不仅验证签名，还会过滤出冗余的数据包，并丢弃过量的数据包以提高性能。对此次性能下降的修复是在这个组件中实现的。

它包含三个步骤：

• deduper —— 过滤器，移除 重复的交易（通常由机器人发送）
• discard_excess_packets —— 过滤器，丢弃来自每个IP地址的过量数据包。它按 IP 地址 对数据包进行分组，并在地址之间均匀分配 max_packets。
• verify_batches —— 使用 ed25519_dalek 验证这些未在前面步骤中丢弃的数据包中的消息签名。

discard_excess_packets 函数定义如下：

ed25519_dalek::PublicKey.verify 函数定义如下：

它接受签名和消息作为输入，并使用密钥对的公钥验证该签名与消息的关系。

注意 ed25519_dalek::PublicKey.verify 函数是非平凡且微妙的，它是 未审计的 。

3. banking_stage

banking_stage 创建了一个线程，该线程在循环中执行以批量处理接收到的交易。每批交易的数量受限于

banking_stage 使用一个重要组件称为 bank 来加载和执行交易。该函数定义如下：

对于每个交易，bank 使用 MessageProcessor 来处理交易消息：

该方法在已加载的账户集上调用消息中的每个指令。

对于每个指令，它调用程序的 entrypoint，并验证调用的结果是否违反了 bank 的会计规则。

在内部，bank 创建一个 InvokeContext 来执行每个指令：

每个交易有一个有限的计算预算（默认是 200_000 单位），在 ComputeBudget 中定义：

bank 执行指令会涉及许多复杂情况，例如

• 加载指定的程序
• 创建 rbpf vm 来执行 bfp 代码
• 通过系统调用处理 CPI（跨程序调用）
• 验证调用的程序是否行为异常
• 测量计算单位等。

我们将在下一篇文章中详细讲解这些细节以及 bank 的生命周期。

关于 sec3（以前称为 Soteria）

sec3 是一家安全研究公司，旨在为数百万用户准备 Solana 项目。sec3 的 Launch Audit 是一种严格的研究人员主导的代码审查，调查并认证主网级智能合约；sec3 的连续审计软件平台 X-ray 与 GitHub 集成，逐步扫描拉取请求，帮助项目在部署前加固代码；sec3 的部署后安全解决方案 WatchTower 确保资金安全。sec3 正在为 Web3 项目构建基于技术的可扩展解决方案，以确保协议在扩展时保持安全。

要了解更多有关 sec3 的信息，请访问 https://www.sec3.dev

• 原文链接： sec3.dev/blog/solana-int...
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