Solana基础概念【上】

Solana VS ETH

一、共识机制

Solana

• Proof of History (PoH): PoH 是一种创新的时间记录机制，通过加密散列函数生成一个可验证的时间顺序，使得区块链中的事件可以按时间线性顺序排列。这减少了节点之间的时间同步需求，使得节点能够迅速达成共识，而无需等待整个网络确认。
• Proof of Stake (PoS): 验证者需要抵押一定数量的 SOL 代币，持有更多代币的验证者有更高的概率被选中生成区块。PoS 提供了经济激励，确保验证者行为诚实。
• PoH 确保区块的时间戳和顺序，PoS 则确保网络的安全性和抗攻击性，两者结合使得网络能够达到每秒数千笔交易处理速度

以太坊

• 从 PoW 到 PoS 的转变: 以太坊 2.0 的升级（The Merge）将共识机制从能源密集的 PoW 转为 PoS，大幅降低了能耗。验证者通过锁定 ETH 参与共识，取代了矿工的角色，提升了网络的安全性和可持续性。

二、交易处理能力

Solana

• 并行处理: 通过将交易分解为多个子集，利用不同的验证节点并行处理，提高了吞吐量。Solana 的架构支持高达每秒数千笔交易，平均出块时间为 400 毫秒，平均每秒 2000+ 笔交易，在高负载时保持较低的交易费用。
• 低延迟和低费用: Solana 的架构设计使其能够快速确认交易，通常在一秒以内完成。即使在高负载下，交易费用仍保持低廉，适合需要高频交易的应用。

以太坊

• 串行执行: 以太坊的智能合约在虚拟机（EVM）中按顺序执行，每笔交易必须等待前一笔完成才能开始。虽然这种方式确保了状态的一致性，但也限制了以太坊吞吐量长期维持在每秒15笔～30笔，以牺牲性能换来安全性和一致性。
• Layer 2 和 Rollup: Layer 2 解决方案通过将大量交易在链下处理，然后将结果提交到主链，显著提高了交易速度和降低了成本。Rollup 是其中一种常见的技术，能够将数百笔交易合并为一个批次，能够将燃料费减少多达100倍。

三、交易费用（Gas费）

Solana它的交易费用是根据交易的复杂度和大小动态计算的，这意味着，交易费用会根据交易的执行成本而变化，而不是根据网络上的交易量变化。Solana 的平均交易费用通常低于 0.01 美元，平均为 0.00025 美元，这使得进行小额交易更具成本效益。

以太坊 的交易费用因网络拥堵而波动，这是一种纯粹的市场机制，网络中交易拥堵情况下你的交易要想被确认，就需要支付高昂的手续费。目前一笔转账交易的手续费大概在 1 ～ 10 美元左右。

四、智能合约

Solana中一切皆账户，它的智能合约（Solana 中称之为程序program，后续也统一使用“程序”这一术语）也是账户，但细分为可执行账户和数据账户，前者存储程序的代码，用来执行特定的逻辑，后者存储状态，即程序运行时的数据。这种分离的模式，使得程序的升级更加简单，因为程序本身无状态，可以直接升级为新的代码逻辑。

以太坊 的智能合约本身就包含了合约的逻辑代码，以及状态数据。因此合约部署之后，就不支持直接的升级，只能通过代理的方式间接升级，即重新部署一套合约代码，生成新的合约地址，代理再指向这个新的合约地址。

五、账户

Solana中一切皆账户，它的账户就像一个容器（或者电脑中的文件夹），可以包含程序代码、状态数据以及账户元数据。按照功能可划分为可执行账户和数据账户，前者为存储程序代码的账户，也称为程序账户。后者包括普通用户账户和其他非程序账户，这些账户存储了用户的余额、交易历史和其他相关数据，但它们本身不包含程序代码。对于熟悉以太坊账户的同学来说，这种划分方式也许有点奇怪，不过随着了解的深入，就会认识到 Solana 的单一账户模型，使得多个交易能够并行处理，这正是 Solana 高性能的基础。

以太坊 分为EOA账户和智能合约，前者是普通用户在以太坊网络中的账户，用于存储以太币（ETH）和进行交易。后者是包含智能合约代码和状态的账户，这些账户由合约创建并部署在以太坊区块链上。通过这两种账户类型的结合，以太坊提供了一个灵活且功能强大的去中心化应用开发平台。

共识机制

PoH 工作流程

Proof of History (PoH) 是 Solana 区块链的核心创新之一，它为区块链提供了一个去中心化的时间源。PoH 本质上是一个高频可验证延迟函数 (VDF)，它能够创建历史记录，证明某个事件发生在特定时刻之前或之后。

我们看一个简化版的 PoH 工作流程，从一个随机值开始，运行 hash 函数，并将输出（output）作为输入（input）再次运行该函数。记录函数执行的次数（index）以及每次调用的结果（output)。次数，提供了顺序和时间两个维度的支持；将输出作为输入，依次头尾相连，形成了一条完整的证据链。

随机值的选择，可以选择纽约时报当天的标题，或者其他的事实。

hashN 代表实际的 Hash 输出，Solana 中每个交易都与前一笔交易的哈希相连接，形成一个由交易构成的链，当一定数量的交易都被执行并构成了PoH 链后，它们被打包到一个区块（slot）中。

只要选择的哈希函数是抗碰撞的，这个哈希集和就只能被单线程顺序计算出来。这满足了在 index 为 300 时，如果不通过算法实际运行 300 次，无法获得这样的结果的设定。

因此，我们可以从数据结构中推测出从 index 0 到 index 300 真实的过去的时间。这样以来，在网络中尽管每个节点的时间戳可能会有不一致，但是我们通过 hash 的次数（比如300），就变相的替代了时间，于是网络中有了全局一致的时间钟，并保持了交易的顺序。

PoH 的特性和优势

1. 去中心化时间戳： PoH 提供了一个不依赖中心化时间服务器的时间戳机制。
2. 顺序保证： 由于每个事件都嵌入到连续的哈希链中，事件的顺序得到了密码学保证。
3. 高效验证： 验证者可以并行验证 PoH 链，大大提高了验证速度。
4. 减少网络开销： 节点间不需要频繁同步时间，减少了网络通信。
5. 提高交易处理速度： PoH 允许 Solana 在不牺牲安全性的情况下实现高吞吐量。

PoH 的广播和验证

1. 区块生成： Leader 节点生成包含 PoH 序列和交易的区块。
2. 并行验证： 其他节点接收区块后，可以将 PoH 序列分割成多个部分，在 GPU 上并行验证。
3. 快速共识： 由于 PoH 提供了时间和顺序保证，节点可以快速就区块的有效性达成共识。
4. 动态调整： Solana 可以根据网络条件动态调整 PoH 的哈希频率，以适应不同的硬件能力。

PoH 应用

假设我们正在观察 Solana 网络中的一个时间段，我们将看到 PoH 是如何与其他组件协同工作的。

1. PoH 生成器启动

• 假设当前的 PoH 生成器（通常是当前的 leader 节点）开始工作。
• 初始哈希值：0x1234...（这可能来自之前的状态或预定义的起始点）

2. PoH 序列生成

PoH 生成器开始连续进行哈希操作：

Index 0: Hash(0x1234...) = 0xabcd...
Index 1: Hash(0xabcd...) = 0xef01...
Index 2: Hash(0xef01...) = 0x2345...
...

3. 交易到达

• 在 Index 50 时，一个交易 T1 到达："Alice 发送 5 SOL 给 Bob"
• T1 的哈希值为 0x7890...

4. 交易嵌入 PoH

PoH 生成器将 T1 嵌入到 PoH 序列中：

Index 50: Hash(0x...|| 0x7890...) = 0xdead...
Index 51: Hash(0xdead...) = 0xbeef...
...

5. 继续生成 PoH 和处理交易

• 更多的交易陆续到达并被嵌入 PoH 序列
• 例如，在 Index 100 嵌入 T2，Index 150 嵌入 T3，等等

6. 形成区块

• 假设每 200 个 PoH 条目形成一个区块
• 当达到 Index 200 时，当前的 PoH 序列和所有嵌入的交易被打包成一个区块

7. 区块广播和验证

• Leader 节点将这个区块广播给其他验证者节点
• 验证者接收到区块后，可以并行验证 PoH 序列：
  • 验证者 1 检查 Index 0-66
  • 验证者 2 检查 Index 67-133
  • 验证者 3 检查 Index 134-200

8. 共识和确认

• 验证者快速确认 PoH 序列的正确性
• 他们也验证嵌入的交易（T1, T2, T3 等）是否有效
• 一旦大多数验证者确认，区块被添加到链上

9. Leader 轮换

• 基于 PoH 序列，网络预先知道下一个 leader 是谁
• 例如，如果每 1000 个 PoH 条目轮换一次 leader，那么在 Index 1000 时，新的 leader 接管 PoH 生成

10. 时间估算

• 假设每次哈希操作平均需要 0.1 毫秒
• 那么 200 个 PoH 条目（一个区块）大约代表 20 毫秒的真实时间
• 网络可以据此估算交易的确切时间戳

实际应用中的优势

1. 高吞吐量：由于 PoH 提供了时间和顺序保证，Solana 可以并行处理大量交易。
2. 低延迟：交易几乎立即被嵌入 PoH，提供近乎实时的确认。
3. 可预测的 leader 选择：网络总是知道谁是下一个 leader，减少了切换开销。
4. 快速终结性：由于快速的验证过程，交易可以在几秒内达到最终确认。
5. 精确的时间戳：每个交易都有一个与 PoH 序列关联的精确时间戳。

POS 工作流程

先来了解下在 Solana的系统架构中最重要的两种角色：Leader（出块者）和 Validator（验证者）。两者实际上都是质押了 SOL 代币的全节点，只是在不同的出块周期内，Leader 会由不同的全节点来充当，而没有当选 Leader 的全节点会成为 Validator。 所以在选择验证者方面， Solana 采用的是 PoS（权益证明）机制，验证者是通过抵押一定数量的代币来参与网络交易的验证的，持有更多代币的验证者有更大的机会被选中生成新的区块。

1.用户发起交易后，会被客户端直接转发给 Leader 节点，或者先被普通节点接收，再立刻转发给 Leader；

2.出块者 Leader 接收网络内全部的待处理交易，一边执行，一边给交易指令排序，制成交易序列（类似区块）。每隔一段时间，Leader 会把排好的交易序列发送给 Validator 验证节点；

3.Validator 按照交易序列（区块）给定的顺序执行交易，产生相应的状态信息State（执行交易会改变节点的状态，比如改变某些账户的余额）；

4.每发送 N 个交易序列，Leader 会定期公开本地的状态 State，Validator会将其与自己的 State 作对比，给出 肯定/否定 的投票。这一步就类似于以太坊2.0或其他POS公链里的“检查点”。

5.如果在规定时间内，Leader收集到占全网 2/3 质押权重的节点们给出的肯定票，则此前发布的交易序列和状态 State 就被敲定，“检查点”通过，相当于区块完成最终确认 Finality；

6.一般而言，给出肯定票的 Validator 节点与出块者 Leader 所执行的交易、执行后的状态都是相同的，数据会同步。

Leader 选举

在 Solana 的共识协议中，有 Epoch（纪元）和Slot（间隔）两大时间单位。每个 Slot 约为0.4\~0.8秒，相当于一个区块的时间间隔。而每个Epoch周期包含43.2万个Slot（区块），长达2\~4天。每过4个 Slot（出块周期），Leader节点就会进行一次变更。

Solana 使用一种称为 Tower BFT（一种改进的实用拜占庭容错算法）的共识机制，结合 Proof of Stake (PoS) 和 Proof of History (PoH) 来选择和轮换 leader。

1. Leader 调度:
   • Solana 网络预先确定一个 leader 调度表，通常覆盖未来几天的时间。
   • 这个调度是基于验证者的质押量（stake）按比例分配的。
2. Leader 轮换:
   • Leader 角色在验证者之间频繁轮换，通常每 400 毫秒（一个 "slot"）就会切换。
   • 在一个 "epoch"（大约 2-3 天）内，每个验证者都有机会成为 leader。
3. 单一 Leader:
   • 在任何给定的时刻，只有一个节点作为 leader。
   • Leader 负责生成 PoH 序列和打包交易到区块。
4. Leader 的职责:
   • 生成 PoH 序列
   • 接收交易并将其打包到区块
   • 广播区块给其他验证者

在每个新的Epoch周期开始时，Solana网络会按照各节点的质押权重进行抽选，组成一个出块者Leader轮换名单，“钦定”了未来不同时刻的出块者。也就是说出块者会提前获知他们成为出块者。 具体而言，究竟如何指定 Leader 会考虑诸多因素，比如：

1.质押的代币数量： 在 PoS 中，质押的代币数量是一个关键的考虑因素。Validator 通常倾向于选择质押数量较大的节点，因为这增加了节点被选中为区块生产者的机会。这也有助于确保网络由具有足够利益参与的节点维护。

2.节点的性能： Validator 的节点性能是另一个关键因素。高性能的节点能够更快速地验证和打包交易，有助于维持网络的高吞吐量。Validator 可能会选择性能较好的节点以提高整个网络的效率。

3.网络延迟： Validator 可能会考虑节点之间的网络延迟。选择网络延迟较低的节点有助于减少区块的传播时间，从而提高网络的实时性。

4.节点的可用性： Validator 会关注节点的可用性，确保它们能够稳定运行而不容易出现故障。可靠的节点能够为网络提供更稳定的服务。

去中心化考虑

虽然 Solana 在任何时刻只有一个 leader，但这并不意味着系统是中心化的。以下几点说明了 Solana 如何维护去中心化：

1. 频繁轮换:
   • Leader 角色快速轮换（每 400 毫秒）大大降低了单一实体控制网络的风险。
2. 基于质押的概率选择:
   • 成为 leader 的机会与验证者的质押量成正比，鼓励更多参与者加入网络。
3. 大量验证者:
   • Solana 网络有数百个活跃验证者，确保了足够的去中心化程度。
4. 验证者的持续参与:
   • 即使不是 leader，其他验证者也在持续验证交易和区块，维护网络安全。
5. 惩罚机制:
   • 对于行为不当的验证者（包括 leader），存在削减质押的惩罚机制。
6. 开放参与:
   • 任何人只要满足硬件要求并质押足够的 SOL，都可以成为验证者。
7. 治理决策:
   • 网络参数和升级通过去中心化的治理过程决定，而不是由单一实体控制。

Solana 要实现的目标是选择一组合适的 Leader，确保网络的安全性、效率和公平性。通过综合考虑这些因素，Solana 能够做出最佳的区块生产决策，从而推动网络的正常运行。

小结

现在在了解了基础的细节后，让我们来看看 Solana 的网络整体是如何通过 PoH 和 PoS 运作的：

1.生成交易： 用户创建并广播交易，包含交易的详细信息和数字签名。

2.PoH 链上的排序： 交易的哈希通过数字签名连接到 PoH 链上。由于 PoH 链是有序的，交易也就被排序了。

3.Validator 验证： Validator 负责验证交易的有效性，并选择哪些交易将包含在下一个区块中。Validator 的选择可能基于质押的代币数量、验证者的性能等因素。

4.交易打包成区块： Validator 选择的交易被打包成一个区块，其中包括一个特殊的块生产交易，它包含了当前 PoH 链的哈希以及其他信息。

5.区块传播和确认： 区块广播到整个网络，其他节点验证并确认区块的有效性。确认后，区块和其中包含的交易就被添加到整个区块链中。

通过这个过程，Solana 通过 PoH 链的时间有序性和 PoS 的节点验证机制，实现了交易的流转和整个区块链的更新。这样的设计使得 Solana 平均出块时间被压缩至 400 毫秒，且无需 Layer2 即拥有较高速度，手续费亦可忽略不计。

账户模型

每个帐户都可以通过其唯一地址进行识别，地址以Ed25519算法生成32个字节的公钥来表示。

在以太坊中，我们将代码与数据、状态直接存储在智能合约中。而 Solana 账户最大的不同就是将两者分开存放在不同的账户上。所以 Solana 账户又分为程序账户和数据账户。

• 程序账户（可执行账户）：存储不可变的数据，主要用于存储程序的代码（BPF 字节码）。
• 数据账户（不可执行账户）：存储可变的数据，主要用于存储程序的状态。

（说明：Solana中的智能合约并不叫“智能合约”，而是“程序program”，尽管它们代表的是相似的概念。为了避免混淆，后续我们将统一使用“程序”这一术语。）

账户分类

基本账户

• 数据账户：用于存储各种数据，如用户的 SOL 余额、代币余额、NFT 元数据或游戏状态信息。
• 程序账户：存储可执行代码，类似于智能合约。一旦部署，这些程序就变成不可变的，可以被其他账户或程序调用执行。
• 原生账户：这是 Solana 内置的特殊账户，用于执行系统级的功能，如创建新账户或转账 SOL。

特殊账户类型

• PDA(Program Derived Addresses)：程序派生地址。PDA 是由程序确定性生成的地址，不与任何私钥相关联。该类账户存储程序的状态，即程序执行过程中存储的数据，跟以太坊的状态是一个概念。
• ATA(Associated Token Account)账户：关联账户。它是用户与特定的 SPL（Solana Program Library）Token 代币关联的账户，地址是用户主钱包和代币铸造地址的派生，主要作用是允许用户方便管理他们持有的代币。

Solana 链上程序是只读或无状态的，即程序的账户（可执行账户）只存储代码，不存储任何状态，程序会把状态存储在其他独立的账户（不可执行账户）中。如果一个程序账户是一个数据账户的所有者，那么它就可以改变数据账户中的状态。

要点

• 帐户最多可以存储10MB的数据，这些数据主要包含由可执行程序代码或程序状态。
• 帐户需要以SOL为单位的租赁押金，与存储的数据量成正比，该押金在帐户关闭时可全额退还。
• 每个帐户都有一个程序“所有者”。只有帐户所有者的程序才能修改其数据或扣除其lamport余额。但是，任何人都可以增加余额。
• 程序（智能合约）是存储可执行代码的无状态帐户。
• 数据帐户由程序创建，用于存储和管理程序状态。
• 本机程序是Solana运行时附带的内置程序。
• Sysvar帐户是存储网络群集状态的特殊帐户。

账户定义

帐户的最大大小为10MB（10兆字节），存储在 Solana 上每个帐户上的数据具有以下结构，称为AccountInfo。

对于每个帐户AccountInfo都包含以下字段：

• lamports: 表示账户余额，lamport 是 Solana 中的基本货币单位，类似于以太坊的wei。
• data：表示存储的内容，这是一个字节数组，可以包含任意类型的数据，如程序的状态、用户资产信息，以及存储程序的字节码等。
• owner：表示拥有或管理该账户的程序的公钥。这表示了哪个程序有权对该账户进行操作。如果账户包含的数据是可执行的，那么owner表示加载该账户的程序。
• executable：表示是否可执行，如果为true，表示该账户中的数据可以被执行，是程序账户。如果为false，表示该账户用于存储普通的数据，而不是可执行代码。
• rent_epoch：表示下一次该账户将被扣除租金的时期。Solana使用租金机制来防止账户被无限期占用而不使用，避免状态膨胀。

作为Solana账户模型的关键部分，Solana 上的每个账户都有一个指定的“所有者”，特别是一个程序。只有被指定为账户所有者的程序才能修改账户上存储的数据或扣除lamport余额。需要注意的是，虽然只有所有者可以扣除余额，但任何人都可以增加余额。

租金机制

Solana 引入了租金概念来管理账户存储和网络资源使用。租金与交易费用不同。用户支付租金以将数据存储在 Solana 区块链上。而交易费用是为了处理网络上的指令而支付的。

1. 租金的目的:
   • 防止网络存储无限增长
   • 激励用户清理不再需要的账户
   • 补偿验证者存储和处理数据的成本
2. 租金计算:
   • 基于账户大小（以字节为单位）
   • 当前租金率：每字节每年 0.00000348 SOL（可能会随时间调整）
3. 租金豁免:
   • 账户余额超过两年租金的账户可以免租金
   • 例如，如果账户大小为 1KB，约需 0.0035 SOL 来获得租金豁免
4. 租金收取:
   • 每个 epoch（约 2-3 天）收取一次
   • 从账户余额中扣除
5. 账户关闭:
   • 如果账户余额不足以支付租金，账户可能被关闭
   • 关闭的账户数据将被删除，剩余余额返回到一个指定账户

PDA

在Solana区块链中，PDA指的是“程序派生地址”（Program Derived Address）。这是一种特殊类型的地址，由 Solana 的程序生成，而不是由用户的私钥直接派生。PDA的主要目的是允许程序拥有和控制某些数据或资产，而不需要传统的私钥签名。

为什么需要 PDA？

在区块链中，你需要一个私钥来证明你拥有一个公钥的所有权，同时你才能签字同意这个账户的转账请求。但如果这个账户的所有者不是一个人而是一个去中心化程序，那么把私钥放在这个程序上就不是一个好主意，因为所有程序代码都在链上都是公开的，如果所有人都能看到你的私钥，那么人们就能进行一些恶意操作，比如偷走你的代币。这时我们就需要一个没有私钥的 PDA。 这样程序不需要私钥就能对一个地址进行签名操作。

私钥、公钥与助记词

Solana 和以太坊一样，有私钥、公钥、助记词三种东西。私钥是私自保管不可示人的，当我们授权某一笔交易时，我们需要通过私钥签名并“授权”该交易。私钥是一串乱码，不好记，与之对应有一串助记词。助记词可以通过算法推出私钥，所以实际上我们在使用钱包时，只要记住助记词。而我们可以通过加密算法从私钥推算出公钥。公钥是可以展示给别人看的，别人通过你的公钥给你转账，同时公钥也是程序的地址，也叫 program_id。

要注意的是我们只能从助记词通过加密算法推算出私钥，从私钥推算出公钥，而无法反向从公钥推算出私钥，从私钥推算出助记词。否则我们所有加密地址中的代币都可以被任何人控制了。这其中的过程通过ECDSA算法进行计算，如果希望了解具体的原理可以先从了解 ECDSA算法开始。但是理解 PDA 账户可以不必这么深入，让我们先把这个过程进行一个简化。

如上图所示（这是一个简化的图示），每一个 X 轴私钥会在曲线上对应一个 Y轴公钥，但是 Q 点的 公钥没有对应任何一个 X 轴上的私钥。那么这就意味着这个公钥没有对应的私钥！ 这意味着这个公钥不是从私钥派生/衍生（Secret Key Derived）出来的。

这就是 PDA 的原理，“程序派生地址”（Program Derived Address）是没有对应的私钥的，它是由一个程序的program_id和seed派生/衍生出来的，这也是为什么它被称之为“程序派生地址”（Program Derived Address）。有时候我们通过 program_id 和 seed 获得的公钥正好有对应的私钥，那么这种情况下我们就需要重新生成一个公钥，通常是在我们的 program_id 和 seed 之外再加上一个数字（这个数字有个专有名词叫 bump），这个数字从 255 开始，依次往下，直到生成的公钥没有私钥为止。

参考文档： https://www.hackquest.io/zh https://www.solana-cn.com/SolanaDocumention/home.html 更多更及时的文章请访问作者博客 原文链接：https://leapwhale.com/zh/article/q84o82vf

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