深入 Solana 的技术架构
- tobs.x
- 发布于 2024-03-02 20:38
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本文深入探讨了Solana的技术架构，包括其共识机制（PoH和PoS混合），以及如何通过诸如Sea Level、Turbine和Cloudbreak等技术解决可扩展性问题。此外，文章还介绍了Solana的智能合约能力，包括Solana虚拟机（SVM）和Rust语言的使用，以及网络安全特性，最后展望了Solana的未来发展，如Solana Mobile和Wormhole等项目。
近几年，随着越来越多的人倾向于去中心化的时代，区块链技术的使用有所增加。其中，Solana 是一个高效的网络，为用户提供可扩展性、速度和安全性。这是通过技术创新来实现的，这些技术创新将在 Solana 格局的这项技术研究中进行讨论。今天，我们将深入研究 Solana 的核心组件、其独特的共识方法、可扩展性、安全性和智能合约。
1. 共识机制
想象一下，在一个城市里，成千上万的人需要在每一笔交易发生之前达成一致。这是当前任何区块链网络的主要挑战，确保每个人都同意交易的真实性。为了解决这个问题，Solana 的创始人使用了一种新的方法来验证交易，这种方法有望比任何可用的方法都更快。Solana 采用了一种混合方法：历史证明（Proof-of-History，PoH）和权益证明（Proof-of-Stake，PoS）。Solana 基于权益证明的共识被称为 Tower Byzantine Fault Tolerance (Tower BFT)。与比特币传统的 PoW 系统不同，比特币依赖于能源密集型挖矿来验证区块。
历史证明（PoH）：它使用加密时钟来验证链上每笔交易的时间。它是一种高频可验证延迟函数（VDF），它使用特定的方法来评估并提供一个可以公开确认的独特结果。节点信任收到的消息的日期和排序，因此它们生成新的区块，而无需始终与网络参考。
简单来说，网络中的验证者通过参考这个同步的时间线来就交易顺序达成一致，从而消除了大量通信的需要。因此，开销减少了，这使得 Solana 能够达到区块链前所未有的速度。
Tower BFT：它使用 PoH 允许的同步时钟来达成关于网络交易的共识。当链上的一个节点对一个分叉进行投票时，他们同意在特定的时间内被锁定，无法对相反的分叉进行投票。当他们继续对同一个分叉进行投票时，他们的锁定时间会增加，直到他们达到对同一个分叉最多 32 票的锁定。当节点达到此最大投票锁定时，他们将获得通货膨胀激励。这为网络增加了另一层安全性，并防止节点恶意行事。
PoH 和 PoS 的结合方法取得了令人瞩目的成果。Solana 拥有超过每秒 50,000 笔交易的速度，比以太坊目前的容量快得多。这种速度和效率为现实世界的应用程序打开了大门，例如高频交易和小额支付。
与其他区块链的比较：以太坊目前使用 PoW，导致可扩展性限制和高交易费用。以太坊的峰值 TPS 达到 30 TPS，而 Solana 的峰值速度已达到 65,000 TPS。 Cardano：采用一种独特的 PoS 系统，称为 Ouroboros Praos，以其能源效率和安全性而闻名。但是，交易速度不如 Solana 的高。
2. 扩大规模：Solana 如何继续改进
对于任何区块链来说，最大的挑战之一就是可扩展性。在不牺牲速度或去中心化的情况下处理不断增长的用户需求。Solana 通过实施以下技术来解决这个问题：
Sea level（海平面）：这个链下协议处理简单的支付和小额交易，将它们从主区块链上移除，并加快整体网络吞吐量。
Squads.so
它可以跨 GPU 和 SSD 进行水平扩展。Solana 是唯一支持在单个分片中并行交易执行的链。其他区块链是单线程计算机。它是一个虚拟机，可以调度事务，但不执行它们。相反，它使用称为伯克利数据包过滤器（Berkeley Packet Filler，BPF）的行业标准字节码将事务发送到硬件上执行。
Turbine（涡轮）：一种区块传播协议：Solana 使用一种称为 Turbine 的协议来传输区块，该协议是验证者之间的区块通信。
当一个区块被流式传输时，它会被分割成包含纠错码的微小数据包，并发送到大量的随机对等方。
Cloudbreak（云破）：一种通过将网络划分为更小的并行链来允许水平扩展的功能，从而进一步提高交易处理能力。它旨在优化当前在 SSD 配置中的读写操作。它支持提前（Ahead of Time）事务，这意味着一旦观察到事务，Sea level 就可以开始从磁盘中获取所有帐户并准备运行时以供执行。因此，验证者可以在被编码到区块之前开始执行事务，从而缩短确认时间。
Archives（档案）：使用高速性能网络来存储和维护数据。数据存储从验证者委托给归档者（archivers），一个节点网络。它利用了复制证明（Proofs of Replication）。
Pipeline（流水线）：事务验证过程使用流水线。它用于在特定步骤中处理数据流，不同的硬件负责每个步骤。数据处理单元 TPU 在内核级别进行数据获取，在 GPU 级别进行签名，在 CPU 级别进行银行业务，在内核级别进行写入。在 TPU 开始将区块发送给验证者时，它已经收集了下一批口袋并开始对其进行签名。
这些组合的解决方案使 Solana 能够进行横向扩展，这意味着它可以随着需求的增加而增加容量，这与最终达到性能限制的纵向扩展区块链不同。
与其他区块链的比较：由于其 PoW 机制和有限的区块大小，以太坊正面临可扩展性限制。以太坊 2.0 旨在解决这些问题，但仍在开发中。Polkadot 采用分片机制进行横向扩展，类似于 Solana 的 Cloudbreak 概念。但是，Polkadot 的复杂性在用户体验方面存在问题。
3. 交易吞吐量：加速网络。
Solana 的闪电般的交易速度是其标志性特征。但是它是如何实现这种卓越性能的？
Gulf Stream（海湾流）：这会将队列中的交易推送到网络的边缘。由于 Solana 架构中的每个验证者都知道即将到来的领导者的顺序，因此验证者会将交易转发给预期的领导者。这允许验证者提前执行交易，从而减少确认时间。
Pipeline Architecture（流水线架构）：事务是并行处理的，类似于装配线，而不是像其他区块链那样按顺序处理。这大大减少了处理时间并允许更高的吞吐量。
Clean State Design（清洁状态设计）：这种设计消除了在每个节点上存储历史数据的需要，从而大大减少了区块链膨胀并实现了更快的事务验证。
这些功能的组合将 Solana 的交易速度提高到惊人的水平。这为新的用例铺平了道路，例如高频交易、实时游戏和即时小额支付，这在速度较慢的区块链上是不可能实现的。
Proof of Replication（复制证明）：验证者存储一个区块的数据，并创建可以由任何其他节点验证的证明。
与其他区块链的比较：以太坊目前限制在大约每秒 15 笔交易，导致高交易费用和网络拥塞，因为网络中的用户必须支付更高的费用才能使他们的交易通过。以太坊 2.0 承诺显着提高速度，但仍在开发中。Cardano 每秒处理大约 250 笔交易，与以太坊相比有了显着改进，但仍然比 Solana 慢。
4. 智能合约功能：
智能合约是存储在区块链上的自动执行程序。它们改变了我们与数字资产交互的方式。
Solana 虚拟机（SVM）：使用 Rust 来提高速度和数据安全性，从而创建能够处理计算任务的智能合约。Solana 上用于增强智能合约功能的特性。
https://squads.so/blog/solana-svm-sealevel-virtual-machine
Solana Programmatic Runtime（Seu）：此运行时环境执行用 Rust 编写的智能合约，Rust 是一种高性能、内存安全的语言。与以太坊上使用的 Solidity 等语言相比，Rust 的特性可以实现更快、更安全的合约。
并行化：智能合约可以并行执行，从而进一步提高速度和效率。
https://squads.so/blog/solana-svm-sealevel-virtual-machine
这为需要高吞吐量处理的复杂应用程序打开了大门，例如去中心化交易所和游戏平台。
Account Model（帐户模型）：Solana 没有将数据存储在智能合约本身中，而是利用基于帐户的模型。这分离了数据和代码，从而实现了更好的可扩展性和模块化，使开发人员可以轻松构建复杂的应用程序。
Anchor（锚）：这个框架简化了智能合约开发，提供预构建的模块和开发工具，使开发人员可以更轻松、更快速地在 Solana 上构建复杂的应用程序。
此外，通过 Sea level，可以实现并行智能合约运行时。该运行时可以并行处理数千个合约。
与其他区块链的比较：以太坊虚拟机（EVM）执行用 Solidity 编写的智能合约。虽然 Solidity 被广泛使用，但它容易受到安全漏洞的影响。此外，EVM 的局限性阻碍了可扩展性和交易速度。Plutus，Cardano 的智能合约语言，侧重于安全性和形式验证。但是，与 Solana 和以太坊相比，它是一种相对较新的语言，开发工具和资源更少。
5. 安全功能：保护用户
安全性在任何区块链平台中都至关重要。Solana 结合了多个保护层，以确保其网络的完整性和机密性：
拜占庭容错（BFT）：这种共识机制确保即使某些节点出现故障或恶意行为，网络也能继续运行。
Durable Nonces（持久 Nonce）：事务被分配唯一的 nonce，防止重放攻击，即多次使用相同的事务。
Verifiable Random Functions（VRF）：这些功能确保了选择验证者的公平性和随机性，防止了操纵和攻击。
Secure Enclaves（安全飞地）：敏感数据（如私钥）存储在硬件钱包中的安全飞地中，从而提供额外的保护层，防止黑客攻击。
权益证明：激励验证者保护网络。SOL（Solana 的原生代币）的持有者可以抵押他们的代币成为验证者，随机选择来验证交易。他们因为诚实参与而获得奖励，而试图作弊的不良行为者会损失他们抵押的代币。这为诚实行为创造了强大的经济激励，从而增强了安全性和去中心化。
与其他区块链的比较：以太坊的 PoW 机制容易受到 51% 攻击，即攻击者获得对大部分挖矿能力的控制权。Cardano 的协议提供了强大的安全保证。但是，该协议的复杂性使得审计和完全验证其安全性具有挑战性。
6. 技术展望：对未来的展望
Solana 的技术路线图描绘了一个充满创新和进步的未来。一些正在开发中的关键项目包括：
Solana Mobile：一项将 Solana 的功能引入移动设备的行动，扩大其覆盖范围和可访问性。Solana 手机最近已售罄，并且有更多生产计划。
Wormhole（虫洞）：一座跨链桥，允许在 Solana 和其他区块链（如以太坊）之间无缝转移资产。这将使区块链之间的交易更容易，从而可以构建更高效的产品。
Solana Labs 研发：持续的研究和开发侧重于突破可扩展性、安全性和功能性的界限。
Community（社区）：自成立以来，Solana 对其社区投入了大量信任，并且该社区通过集体开发网络来回报这种信任。正在开发更多的 DAO，并为想要在 Solana 上构建的人提供激励。
结论：
Solana 的技术架构使其成为当今最高效的区块链。它在可扩展性和安全性方面的方法使其成为去中心化未来的领先平台。
参考文献
https://medium.com/solana-labs/sealevel-parallel-processing-thousands-of-smart-contracts-d814b378192
https://squads.so/blog/solana-svm-sealevel-virtual-machine
- 原文链接： medium.com/@tobs.x/a-div...
- 登链社区 AI 助手，为大家转译优秀英文文章，如有翻译不通的地方，还请包涵～
