金色观察|Solana网络运行的技术逻辑

每个区块链网络,都有网络层、共识层、应用层的区分。每个区块链网络的特性不同,也有事因为在不同的分层里的设计思路不一样。本文中,我们将整理Solana网络的运行逻辑,可以通过这些资料了解到为什么Solana会在以太坊2.0还没上线的时候,会比以太坊好用。

以太坊的总帐本在1.0链上,是由矿工维护的,在2.0里,矿工变成验证者,验证者用计算设备建立验证器代替了原来的矿机。Solana也是通过验证者保护总帐本的,不过验证者的在形成共识的算法不太一样。通过下面的顺序,可以了解到共识形成的过程。

Solana集群

Solana集群是一组验证人,共同保持账本的完整性,存在多个集群。

创建集群

在启动任何验证节点之前,首先需要创建一个创世配置。创世配置会配置一个具备引导验证能力的节点,第二个验证节点可联系引导验证节点来注册为一个验证节点。然后,其他验证节点将在集群的任何已注册成员中继续注册。

验证节点会收到领导者的所有条目,并提交投票以确认这些条目的有效性。投票后,验证节点需要存储这些条目。不过一旦验证节点发现存在足够多的副本,它将删除自身的副本。

加入集群

验证节点通过发送到控制台(control plane)的注册消息进入集群。控制台使用八卦(gossip)协议实现,这意味着节点可以向任何现有节点注册,并期望其注册传播到集群中的所有节点。一个节点可以确保它最终拥有与每个其他节点相同的信息,但任何一个节点都无法审查该信息。所有节点同步所需的时间与参与群集节点数的平方成正比。

将交易发送到集群

NFT 概念板块今日平均跌幅为0.63%:金色财经行情显示,NFT 概念板块今日平均跌幅为0.63%。26个币种中12个上涨,14个下跌,其中领涨币种为:LYXE(+8.27%)、CHZ(+6.16%)、ENJ(+5.66%)。领跌币种为:LAR(-10.89%)、AXS(-9.24%)、SLP(-9.19%)。[2021/10/6 20:08:49]

客户端将交易发送到任何验证节点的交易处理单元(TPU)端口。如果该节点处于验证节点角色,则它将交易转发给指定的领导者。如果处于领导者角色,则该节点将传入的事务捆绑在一起,对其打上时间戳,来创建一个条目(entry),然后将其推送到集群的数据中心(dataplane)。进入数据中心后,交易将由验证节点进行验证,从而将交易有效地添加到账本中。

确认交易

Solana集群能够在亚秒级的时间内确认(confirmation)最多150个节点,并要计划扩展到成千上万个节点。一旦完全实施,确认时间预计只会随着验证节点数量的对数而增加,而对数的基数又很高。网络增长到一定规模后,就会变得太慢而无法实现亚秒级确认。将消息发送到所有节点所花费的时间与节点数的平方成正比。如果区块链想要获得低确认率并尝试使用网络来做到这一点,它将被迫集中到少数几个节点上。

所以可以使用以下技术组合来实现可扩展的确认:

使用VDF样本对交易打上时间戳并签名。将交易分为几批,将每笔交易发送到单独的节点,同时每个节点都与对等节点共享其批次。递归地重复上一步,直到所有节点都具有所有批次。

Solana以固定的时间间隔(称为插槽)轮换领导者。每个领导者只能在其分配的时段内产生条目。领导者因此对交易加上时间戳记,以便验证节点可以查找指定领导者的公钥。然后,领导者对时间戳进行签名,以便验证节点验证签名,证明签名者是指定领导者公钥的所有者。

接下来,将交易分成批处理,以便节点可以将交易发送给多方,而无需进行多份复制。例如,如果领导者需要将60笔交易发送到6个节点,则它将把60笔交易的集合分成10笔交易的批次,并向每个节点发送一个交易。这能够让领导者将60笔交易放在网络上,而不是每个节点60笔交易。接着,每个节点都与对等节点共享其批次。一旦节点收集了全部6个批次,它将重建60个交易的原始集合。

这种技术可以被称为(涡轮区块传播)Turbine Block Propogation。

快速、可靠的同步是Solana实现超高吞吐量的最大原因。Solana采取了历史证明PoH算法。通过带有加密证明“时间戳”的领导节点证明自上次确认以来,确实已经过了一段时间。以证明所有哈希到证明中的数据肯定都是在证明之前发生的。然后该节点将新区块分享给验证节点,它们能够验证这些证据。

区块可以按照任何顺序甚至延迟好几年才传到验证节点那里。通过这种可靠的同步保证,Solana能够将区块分解成更小的批量交易,称为条目(entries)。在达成任何共识之前,条目都会实时传输给验证节点。

在技术的角度,Solana从来都没有发送区块,但是会使用这个词语来描述验证节点对条目进行投票,最终取得确认。这样,Solana的确认时间就可以达到800毫秒。在这个模式下,如果对某个事件无法达成共识,节点只需要简单地回滚其状态。

领导者轮换

每个验证节点使用同一种算法来选择预期的领导者。当验证节点收到一个新的签名账本条目时,可以肯定某条目是来自预期的领导者。分配给每位领导者的插槽顺序称为leader schedule(领导者安排表)。

一个验证节点会拒绝未经过插槽领导者签名的区块。所有插槽领导者的身份列表称为领导者安排表。领导者安排表是通过本地定期重新计算产生的。它指派插槽领导者持续一段称为epoch(纪元)的时间。安排表必须早于它分配的时间段,这样它保证了计算计划的账本状态最后能够确定。该持续时间称为领导者安排表偏移时间。Solana将偏移时间设置为直到下一个epoch的插槽持续时间。也就是说,一个epoch的领导者计划通过上一个epoch开始时的账本状态来计算得到。一个纪元的偏移量是比较随意的,并且假定时间足够长,使所有验证节点都将在生成下一个计划之前确定其账本状态。集群可以选择缩短偏移时间,来缩短质押变化与领导者计划更新之间的时间。

在没有分区的情况下运行时间比一个epoch长的时候,只有在根分叉的epoch边界才能生成安排表。由于安排表用于下一个纪元,因此在下一个纪元之前,任何质押给根分叉的新质押都不会被激活。用于生成领导者计划的区块是跨过纪元边界的第一个区块。

如果分区比一个epoch时间短,集群将按以下方式运作:

验证节点在投票时不断更新自己的根分叉。

每次在纪元边缘的插槽高度的时候,验证节点将更新其领导者安排表。

写在最后

正是因为对共识的改动,Solana出世的时候就以一个高性能公链的角色面对市场,其使用的类权益证明修改版PoH是在权益证明性能之上再次修订的,目标就是性能更高,这样做的目的也是即使以太坊2.0出现之后,网络仍旧有竞争力。

不过这种共识体现的竞争力是在应用上,而不是在本身技术攻坚上。在某些信仰纯粹的技术人员眼中,Solana可能有些过于中心化,只是在庞大的市场里,区块链网络面对不同受众,会体现出不同的优劣,也能得到不同的发展。

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