ソラナ：高性能ブロックチェーンのための新しいアーキテクチャ
Abstract
تقدم هذه الورقة بنية جديدة لسلسلة كتل عالية الأداء. تطبق Solana آلية حفظ وقت مبتكرة تسمى Proof of History (PoH) — وهي إثبات للتحقق من ترتيب الأحداث ومرور الوقت بينها. يُستخدم PoH لتشفير مرور الوقت بدون ثقة في سجل، مما يُنشئ سجلاً تاريخياً يثبت أن حدثاً ما وقع في لحظة محددة من الزمن.
الابتكار الرئيسي هو أن PoH يسمح للعقد في الشبكة بتحديد ترتيب زمني للأحداث دون الحاجة للتواصل مع بعضها البعض. باستخدام دالة تأخير قابلة للتحقق مُنفذة كسلسلة تجزئة متسلسلة، يولد النظام ساعة تشفيرية توفر طريقة للتحقق من مرور الوقت بين الأحداث. يمكّن هذا الشبكة من معالجة آلاف المعاملات في الثانية مع الحفاظ على اللامركزية والأمان.
يتم دمج PoH مع آلية إجماع Proof of Stake (PoS). يتيح هذا المزيج بنية سلسلة كتل محسنة للغاية حيث يمكن للمصادقين التحقق من المعاملات بالتوازي والوصول إلى الإجماع بكفاءة. صُمم النظام للتوسع مع قانون مور، مستفيداً من التحسينات في أداء الأجهزة لتحسين الإنتاجية دون التضحية بضمانات الأمان لشبكة لامركزية.
Abstract
本論文は、高性能ブロックチェーンのための新しいアーキテクチャを提示する。SolanaはProof of History（PoH）と呼ばれる新しい時間管理メカニズムを実装している。これはイベント間の順序と時間の経過を検証するための証明である。PoHは信頼不要な時間の経過を台帳にエンコードするために使用され、特定の時点でイベントが発生したことを証明する履歴記録を作成する。
重要なイノベーションは、PoHによりネットワーク内のノードが互いに通信することなくイベントの時間的順序を確立できることである。逐次的ハッシュチェーンとして実装された検証可能な遅延関数を使用することで、システムはイベント間の時間の経過を検証する方法を提供する暗号学的時計を生成する。これにより、ネットワークは分散化とセキュリティを維持しながら、毎秒数千のトランザクションを処理できる。
PoHはProof of Stake（PoS）コンセンサスメカニズムと統合されている。この組み合わせにより、バリデータがトランザクションを並列に検証し、効率的にコンセンサスに達することができる高度に最適化されたブロックチェーンアーキテクチャが可能になる。このシステムはムーアの法則に合わせてスケールするように設計されており、分散型ネットワークのセキュリティ保証を犠牲にすることなく、ハードウェア性能の向上を活用してスループットを改善する。
Introduction
التحدي الأساسي في أنظمة سلسلة الكتل هو تحقيق إنتاجية عالية للمعاملات مع الحفاظ على اللامركزية والأمان. تحدّ التطبيقات الحالية لسلسلة الكتل بآليات الإجماع الخاصة بها، والتي تتطلب تواصلاً مكثفاً بين العقد للاتفاق على الوقت وترتيب الأحداث. يخلق هذا العبء التنسيقي عنق زجاجة يمنع سلاسل الكتل الحالية من التوسع لتلبية متطلبات التطبيقات على المستوى العالمي.
المشكلة الجوهرية هي الوقت. في الأنظمة الموزعة، لا يمكن للعقد الاعتماد على ساعات خارجية لأنها لا تستطيع الوثوق بأن الطوابع الزمنية للعقد الأخرى دقيقة. تحل بروتوكولات إجماع سلسلة الكتل التقليدية هذا من خلال جعل العقد تتواصل بشكل مكثف للاتفاق على الحالة الراهنة وترتيب المعاملات. يحد هذا العبء التواصلي من الإنتاجية بشكل أساسي، حيث لا يمكن للشبكة معالجة المعاملات إلا بالسرعة التي يمكن للعقد الوصول فيها إلى إجماع حول ترتيبها.
تقدم Solana حل Proof of History لمشكلة التوقيت هذه. يوفر PoH طريقة تشفيرية لإثبات أن قدراً معيناً من الوقت قد مرّ بين الأحداث دون الاعتماد على طوابع زمنية من جهات قد تكون خبيثة. من خلال إنشاء سجل تاريخي قابل للتحقق، يمكّن PoH العقد من معالجة المعاملات بشكل مستقل مع القدرة على إثبات الترتيب الذي وقعت فيه الأحداث. يتيح هذا الاختراق للشبكة موازاة معالجة المعاملات وزيادة الإنتاجية بشكل كبير.
الرؤية الأساسية هي أنه إذا استطعنا إنشاء مصدر وقت لا يتطلب ثقة، يمكننا إزالة عنق زجاجة التنسيق من الإجماع. مع توفير PoH لساعة تشفيرية، يمكن للمصادقين معالجة المعاملات بالتوازي ويحتاجون فقط للتواصل لتحديد الترتيب القانوني النهائي. يمكّن هذا التحول المعماري Solana من تحقيق مستويات أداء كانت تُعتبر سابقاً مستحيلة في سلسلة كتل لامركزية.
Introduction
ブロックチェーンシステムにおける根本的な課題は、分散化とセキュリティを維持しながら高いトランザクションスループットを達成することである。現在のブロックチェーン実装は、時間とイベントの順序付けについて合意するためにノード間の広範な通信を必要とするコンセンサスメカニズムによって制限されている。この調整のオーバーヘッドがボトルネックを生み出し、既存のブロックチェーンがグローバル規模のアプリケーションの需要に対応するためのスケーリングを妨げている。
核心的な問題は時間である。分散システムにおいて、ノードは他のノードのタイムスタンプが正確であることを信頼できないため、外部の時計に依存することができない。従来のブロックチェーンコンセンサスプロトコルは、ノードが現在の状態とトランザクションの順序について合意するために広範に通信することでこの問題を解決している。この通信のオーバーヘッドはスループットを根本的に制限する。ネットワークはノードが順序付けについてコンセンサスに達する速度でしかトランザクションを処理できないからである。
SolanaはこのタイミングProblemの解決策としてProof of Historyを導入する。PoHは、潜在的に悪意のあるアクターからのタイムスタンプに依存することなく、イベント間に一定の時間が経過したことを証明する暗号学的方法を提供する。検証可能な履歴記録を作成することで、PoHはノードがトランザクションを独立して処理しながら、イベントが発生した順序を証明できるようにする。このブレークスルーにより、ネットワークはトランザクション処理を並列化し、スループットを劇的に向上させることができる。
重要な洞察は、信頼不要な時間源を作成できれば、コンセンサスから調整のボトルネックを除去できるということである。PoHが暗号学的時計を提供することで、バリデータはトランザクションを並列に処理でき、正規の順序付けを確定するためにのみ通信する必要がある。このアーキテクチャの転換により、Solanaは分散型ブロックチェーンでは不可能と考えられていたパフォーマンスレベルを達成できる。
Outline
تصف هذه الورقة البنية التقنية لـ Solana، مع التركيز على كيفية تمكين Proof of History لتشغيل سلسلة كتل عالية الأداء. يشرح المستند أولاً آلية PoH ذاتها — كيف تُنشئ سلسلة تجزئة متسلسلة ترتيباً زمنياً قابلاً للتحقق للأحداث. نوضح الخصائص التشفيرية التي تجعل PoH آمناً ونبين كيف يمكن للمصادقين التحقق بكفاءة من تسلسل PoH.
ثم تستكشف الورقة كيفية تكامل PoH مع إجماع Proof of Stake. نصف Tower BFT، وهي خوارزمية PoS مصممة خصيصاً للاستفادة من خصائص PoH الزمنية. يسمح التكامل للمصادقين بالتصويت على حالة السجل في طوابع زمنية PoH محددة، مما يُنشئ آلية إجماع سريعة وآمنة. نشرح أيضاً شروط العقوبة التي تمنع السلوك الخبيث.
بعد ذلك، نقدم تصميم شبكة Solana وبروتوكولات نشر البيانات. يمكّن بروتوكول Gulf Stream من إعادة توجيه المعاملات دون الحاجة إلى مجمع ذاكرة، مما يسمح للعملاء بإرسال المعاملات مباشرة إلى القادة القادمين. نصف كيفية عمل تدوير القادة وكيف تحافظ الشبكة على إنتاجية عالية حتى مع تغير القيادة.
أخيراً، نناقش بنية النظام بما في ذلك Transaction Processing Unit (TPU) وبيئة التشغيل المتوازية Sealevel وProof of Replication للتحقق من تخزين البيانات. تُظهر توقعات الأداء أن Solana يمكنها معالجة أكثر من 700,000 معاملة في الثانية على شبكة جيجابت قياسية، مع توسع الإنتاجية مع تحسن الأجهزة.
Outline
本論文では、Proof of Historyが高性能ブロックチェーン運用をいかに実現するかに焦点を当て、Solanaの技術アーキテクチャを説明する。まず、PoHメカニズム自体について説明する。逐次的ハッシュチェーンがいかにしてイベントの検証可能な時間的順序付けを作成するかを解説する。PoHを安全にする暗号学的特性を詳述し、バリデータがPoHシーケンスを効率的に検証する方法を示す。
次に、PoHがProof of Stakeコンセンサスとどのように統合されるかを探る。PoHの時間的特性を活用するために特別に設計されたPoSアルゴリズムであるTower BFTについて説明する。この統合により、バリデータは特定のPoHタイムスタンプにおける台帳の状態に投票でき、高速かつ安全なコンセンサスメカニズムが実現される。また、悪意ある行動を防止するスラッシング条件についても説明する。
続いて、Solanaのネットワーク設計とデータ伝播プロトコルを提示する。Gulf Streamプロトコルは、mempoolを必要とせずにトランザクション転送を可能にし、クライアントが今後のリーダーに直接トランザクションを送信できるようにする。リーダーローテーションの仕組みと、リーダーシップが変わっても高スループットを維持する方法を説明する。
最後に、Transaction Processing Unit（TPU）、Sealevel並列ランタイム、データストレージ検証のためのProof of Replicationを含むシステムアーキテクチャについて論じる。性能予測は、Solanaが標準的なギガビットネットワーク上で毎秒70万以上のトランザクションを処理でき、ハードウェアの改善に伴いスループットがスケールすることを示している。
Network Design
يتمحور تصميم شبكة Solana حول نظام قائد دوار حيث يتناوب المصادقون على إنتاج الكتل. القائد مسؤول عن تسلسل المعاملات الواردة في تدفق PoH ونشر الكتل الناتجة على الشبكة. يتم اختيار القادة من خلال خوارزمية مرجحة بالحصة، ويُعرف جدول التدوير مسبقاً، مما يسمح للشبكة بتحسين إعادة توجيه المعاملات.
يلغي بروتوكول Gulf Stream الحاجة إلى مجمع ذاكرة تقليدي من خلال تمكين العملاء من إعادة توجيه المعاملات مباشرة إلى القادة القادمين. عندما يقدم عميل معاملة، يتم إعادة توجيهها إلى القائد المتوقع بناءً على جدول التدوير. إذا لم يتمكن القائد الحالي من معالجة المعاملة، يتم إعادة توجيهها إلى القائد المتوقع التالي. يقلل هذا التصميم من تأخر التأكيد ويسمح للمصادقين بتنفيذ المعاملات مسبقاً، مما يحسن الإنتاجية أكثر.
يستخدم نشر المعاملات نهجاً متعدد الطبقات. يرسل العملاء المعاملات إلى المصادقين، الذين يعيدون توجيهها إلى القائد الحالي أو القادم. يُسلسل القائد المعاملات في تدفق PoH، مُنشئاً ترتيباً كلياً. بمجرد التسلسل، ينقل القائد تدفق PoH وبيانات المعاملات إلى المصادقين، الذين يتحققون من تسلسل PoH وينفذون المعاملات بالتوازي.
يتضمن تصميم الشبكة أيضاً بروتوكول نشر كتل Turbine الذي يُقسم الكتل إلى حزم أصغر ويوزعها عبر الشبكة في هيكل شجري. يقلل هذا النهج من متطلبات عرض النطاق الترددي للمصادقين الفرديين مع ضمان نشر سريع للكتل. بالاقتران مع قدرة PoH على التحقق من ترتيب المعاملات، تمكّن هذه البنية Solana من تحقيق إنتاجية عالية دون التضحية باللامركزية.
Network Design
Solanaのネットワーク設計は、バリデータが交代でブロックを生成するローテーションリーダーシステムを中心としている。リーダーは、着信トランザクションをPoHストリームに順序付けし、結果のブロックをネットワークに公開する責任を持つ。リーダーはステーク加重アルゴリズムによって選出され、ローテーションスケジュールは事前に知られているため、ネットワークはトランザクション転送を最適化できる。
Gulf Streamプロトコルは、クライアントが今後のリーダーに直接トランザクションを転送できるようにすることで、従来のmempoolの必要性を排除する。クライアントがトランザクションを送信すると、ローテーションスケジュールに基づいて予想されるリーダーに転送される。現在のリーダーがトランザクションを処理できない場合、次の予想リーダーに転送される。この設計により確認レイテンシが短縮され、バリデータが事前にトランザクションを実行できるため、スループットがさらに最適化される。
トランザクション伝播はマルチレイヤーアプローチを使用する。クライアントはバリデータにトランザクションを送信し、バリデータは現在のリーダーまたは今後のリーダーに転送する。リーダーはトランザクションをPoHストリームに順序付けし、全体の順序付けを作成する。順序付けが完了すると、リーダーはPoHストリームとトランザクションデータをバリデータに送信し、バリデータはPoHシーケンスを検証してトランザクションを並列に実行する。
ネットワーク設計には、ブロックをより小さなパケットに分割し、ツリー構造でネットワーク全体に配布するTurbineブロック伝播プロトコルも含まれている。このアプローチにより、迅速なブロック伝播を確保しながら、個々のバリデータの帯域幅要件を最小化する。PoHのトランザクション順序検証能力と組み合わせることで、このアーキテクチャはSolanaが分散化を犠牲にすることなく高スループットを達成することを可能にする。
Proof of History
Proof of History هي دالة تأخير قابلة للتحقق مُنفذة كسلسلة تجزئة متسلسلة باستخدام SHA-256. يحسب مولد PoH بشكل مستمر تجزئات SHA-256، مستخدماً كل مخرج كمدخل للتجزئة التالية. يُنشئ هذا سلسلة متسلسلة حيث لا يمكن حساب كل تجزئة إلا بعد السابقة، مما يؤسس ترتيباً زمنياً قابلاً للتحقق. يفرض المتطلب الحسابي لتوليد كل تجزئة حداً أدنى من التأخير الزمني بين الأحداث.
الخاصية الرئيسية لـ PoH هي أنه رخيص التحقق لكن مكلف الإنتاج. يمكن للمُحقق فحص تسلسل التجزئة بالكامل بالتوازي عن طريق تقسيمه إلى أجزاء وفحص كل جزء بشكل مستقل، ثم التحقق من اتصال الأجزاء بشكل صحيح. ومع ذلك، يجب أن يكون التوليد متسلسلاً — لا توجد طريقة لتوقع مخرج سلسلة التجزئة دون حساب كل خطوة وسيطة فعلياً. هذا التباين بين التوليد والتحقق هو ما يجعل PoH عملياً.
يتم إدراج الأحداث الخارجية وبيانات المعاملات في تسلسل PoH عن طريق دمجها في سلسلة التجزئة. عندما تصل معاملة، يتم دمج تجزئتها مع حالة PoH الحالية، مما يُنشئ سجلاً يثبت أن المعاملة كانت موجودة في تلك النقطة من التسلسل. يسجل مولد PoH بشكل دوري نقاط تفتيش، ناشراً قيمة التجزئة الحالية مع عدد التجزئات المحسوبة منذ آخر نقطة تفتيش. تسمح نقاط التفتيش هذه للمصادقين بالتحقق بكفاءة من تسلسل PoH دون إعادة حساب كل تجزئة.
يعمل تسلسل PoH كساعة تشفيرية للشبكة بأكملها. نظراً لأن سلسلة التجزئة متسلسلة وقابلة للتحقق، يمكن لأي عقدة إثبات أن قدراً معيناً من الوقت قد مرّ بين حدثين ببساطة عن طريق عرض التجزئات التي تم حسابها خلال تلك الفترة. يلغي هذا حاجة العقد للوثوق بطوابع زمنية خارجية أو التنسيق مع بعضها البعض لتحديد الترتيب الزمني، مما يزيل عنق زجاجة أساسي في إجماع سلسلة الكتل التقليدي.
Proof of History
Proof of Historyは、SHA-256を使用した逐次的ハッシュチェーンとして実装された検証可能な遅延関数である。PoHジェネレータは継続的にSHA-256ハッシュを計算し、各出力を次のハッシュの入力として使用する。これにより、各ハッシュは前のものが計算された後にのみ計算できる逐次的なチェーンが作成され、検証可能な時間的順序付けが確立される。各ハッシュを生成するための計算要件により、イベント間の最小時間遅延が強制される。
PoHの重要な特性は、検証は安価だが生成は高コストであることである。検証者はハッシュシーケンス全体をセグメントに分割し、各セグメントを独立して並列にチェックし、セグメントが適切に接続されていることを確認することで検証できる。しかし、生成は逐次的でなければならない。すべての中間ステップを実際に計算せずにハッシュチェーンの出力を予測する方法はない。生成と検証の間のこの非対称性がPoHを実用的にしている。
外部イベントとトランザクションデータは、ハッシュチェーンに混合されることでPoHシーケンスに挿入される。トランザクションが到着すると、そのハッシュは現在のPoH状態と結合され、トランザクションがシーケンスのその時点で存在したことを証明する記録が作成される。PoHジェネレータは定期的にチェックポイントを記録し、最後のチェックポイント以降に計算されたハッシュ数とともに現在のハッシュ値を公開する。これらのチェックポイントにより、バリデータはすべてのハッシュを再計算することなくPoHシーケンスを効率的に検証できる。
PoHシーケンスはネットワーク全体の暗号学的時計として機能する。ハッシュチェーンは逐次的で検証可能であるため、任意のノードは、その間隔中に計算されたハッシュを示すだけで、2つのイベント間に一定の時間が経過したことを証明できる。これにより、ノードが外部のタイムスタンプを信頼したり、時間的順序付けを確立するために互いに調整したりする必要がなくなり、従来のブロックチェーンコンセンサスにおける根本的なボトルネックが除去される。
Proof of History Sequence
تسلسل Proof of History هو سلسلة مستمرة من تجزئات SHA-256 حيث تعتمد كل تجزئة على المخرج السابق. يبدأ التسلسل بقيمة بذرة أولية، يتم تجزئتها لإنتاج المخرج الأول. يصبح هذا المخرج المدخل للتجزئة التالية، وتتكرر العملية إلى ما لا نهاية. يحتفظ المولد أيضاً بعداد يتتبع العدد الإجمالي للتجزئات المحسوبة، والذي يعمل كـ"طابع زمني" PoH للأحداث في السجل.
عندما تحتاج البيانات إلى الإدراج في التسلسل (مثل تجزئات المعاملات أو توقيعات المصادقين)، يتم دمجها مع حالة التجزئة الحالية باستخدام دالة خلط حتمية. على سبيل المثال، إذا كانت حالة التجزئة الحالية هي hash_n ونريد إدراج البيانات D، نحسب hash_{n+1} = SHA256(hash_n || D)، حيث يشير || إلى الربط. يتم تسجيل نقطة الإدراج مع قيمة العداد، مما يثبت أن البيانات D كانت موجودة في تلك النقطة المحددة من التسلسل.
يمكن موازاة التحقق من تسلسل PoH عن طريق تقسيم السلسلة إلى أجزاء. على سبيل المثال، قد يستقبل مصادق نقاط تفتيش PoH كل 10,000 تجزئة. للتحقق من التسلسل بين نقاط التفتيش، يمكن للمصادق تقسيم 10,000 تجزئة إلى 100 جزء من 100 تجزئة لكل منها، والتحقق من كل جزء بشكل مستقل بالتوازي، ثم التحقق من اتصال الأجزاء بشكل صحيح. يسمح هذا للتحقق بالتوسع أفقياً مع عدد أنوية المعالج المتاحة.
يدعم التسلسل أيضاً إثباتات فعالة بأن حدثين وقعا بترتيب محدد. بالنظر إلى إدراجين للبيانات عند قيم العداد n وm حيث n m، يمكن لأي شخص التحقق من أن الحدث عند n وقع قبل الحدث عند m عن طريق فحص سلسلة التجزئة بين تلك النقاط. تمكّن هذه الخاصية Solana من إنشاء سجل تاريخي قابل للتحقق لجميع الأحداث في الشبكة دون الحاجة لأن تكون العقد متصلة بشكل مستمر أو تثق بمصادر وقت خارجية.
Proof of History Sequence
Proof of Historyシーケンスは、各ハッシュが前の出力に依存するSHA-256ハッシュの連続的なチェーンである。シーケンスは初期シード値から始まり、それがハッシュされて最初の出力を生成する。この出力が次のハッシュの入力となり、プロセスは無限に繰り返される。ジェネレータは計算されたハッシュの総数を追跡するカウンタも維持しており、台帳内のイベントのPoH「タイムスタンプ」として機能する。
データをシーケンスに挿入する必要がある場合（トランザクションハッシュやバリデータの署名など）、決定論的な混合関数を使用して現在のハッシュ状態と結合される。例えば、現在のハッシュ状態がhash_nで、データDを挿入する場合、hash_{n+1} = SHA256(hash_n || D)を計算する。ここで||は連結を表す。挿入ポイントはカウンタ値とともに記録され、データDがシーケンスのその特定の時点で存在したことを証明する。
PoHシーケンスの検証は、チェーンをセグメントに分割することで並列化できる。例えば、バリデータは10,000ハッシュごとにPoHチェックポイントを受信する場合がある。チェックポイント間のシーケンスを検証するために、バリデータは10,000ハッシュを100ハッシュの100セグメントに分割し、各セグメントを独立して並列に検証し、セグメントが適切に接続されていることを確認できる。これにより、検証は利用可能なCPUコア数に応じて水平にスケールできる。
シーケンスは、2つのイベントが特定の順序で発生したことの効率的な証明もサポートする。カウンタ値nとm（n m）における2つのデータ挿入がある場合、nのイベントがmのイベントより前に発生したことを、それらの間のハッシュチェーンを確認することで誰でも検証できる。この特性により、Solanaはノードが継続的にオンラインであったり外部の時間源を信頼したりする必要なく、ネットワーク内のすべてのイベントの検証可能な履歴記録を作成できる。
Timestamp
يعمل Proof of History كساعة لامركزية تُعيّن طوابع زمنية للأحداث دون الاعتماد على وقت الساعة الحقيقي. تمثل كل تجزئة PoH "نبضة" منفصلة للساعة التشفيرية، وتعمل قيمة العداد كطابع زمني. نظراً لأن سلسلة التجزئة متسلسلة وقابلة للتحقق، فإن هذه الطوابع الزمنية لا تتطلب ثقة — يمكن لأي مراقب التحقق من شرعية الطابع الزمني عن طريق فحص سلسلة التجزئة.
في Solana، يمكن لكل مصادق توليد تسلسل PoH الخاص به عندما يعمل كقائد. عندما يتناوب المصادقون على القيادة، يقومون بمزامنة تسلسلات PoH الخاصة بهم باستخدام آخر نقطة تفتيش مؤكدة من القائد السابق. يضمن هذا استمرارية السجل الزمني حتى عندما يتناوب مصادقون مختلفون على إنتاج الكتل. تُنشئ الشبكة خطاً زمنياً قانونياً من خلال الوصول إلى إجماع حول تسلسلات PoH التي يتم قبولها كجزء من السجل الرسمي.
يتعامل النظام مع انحراف الساعة وتباين أداء الأجهزة من خلال مزيج من تدوير القادة والإجماع. إذا حاول قائد خبيث أو معطل توليد طوابع زمنية PoH بمعدل غير صحيح (سريع جداً أو بطيء جداً)، يمكن للمصادقين اكتشاف ذلك عن طريق مقارنة معدل نبضات PoH مع مولدات PoH المحلية الخاصة بهم. تشير الانحرافات الكبيرة عن المعدل المتوقع إلى مشكلة، ويمكن للمصادقين رفض الكتل من القادة الذين تنحرف تسلسلات PoH الخاصة بهم كثيراً عن متوسط الشبكة.
تحل آلية الطوابع الزمنية هذه إحدى المشكلات الأساسية في الأنظمة الموزعة: إنشاء مفهوم مشترك للوقت بدون سلطة مركزية موثوقة. باستخدام PoH كساعة لامركزية، تمكّن Solana المصادقين من معالجة المعاملات بالتوازي مع الحفاظ على ترتيب متسق عالمياً. توفر الطوابع الزمنية أيضاً أساساً لميزات مبنية على الوقت مثل انتهاء صلاحية المعاملات والعمليات المجدولة وقياس الأداء.
Timestamp
Proof of Historyは、壁時計時間に依存せずにイベントにタイムスタンプを割り当てる分散型時計として機能する。各PoHハッシュは暗号学的時計の離散的な「ティック」を表し、カウンタ値がタイムスタンプとして機能する。ハッシュチェーンは逐次的で検証可能であるため、これらのタイムスタンプは信頼不要である。任意の観察者がハッシュチェーンを確認することでタイムスタンプの正当性を検証できる。
Solanaでは、各バリデータがリーダーとして行動する際に独自のPoHシーケンスを生成できる。バリデータがリーダーシップをローテーションする際、前のリーダーからの最後の確認済みチェックポイントを使用してPoHシーケンスを同期する。これにより、異なるバリデータが交代でブロックを生成しても、時間記録の連続性が確保される。ネットワークは、どのPoHシーケンスを公式台帳の一部として受け入れるかについてコンセンサスに達することで、正規のタイムラインを確立する。
システムはクロックドリフトとハードウェア性能のばらつきを、リーダーローテーションとコンセンサスの組み合わせで処理する。悪意のあるまたは故障したリーダーが不正な速度（速すぎるまたは遅すぎる）でPoHタイムスタンプを生成しようとした場合、バリデータは自身のローカルPoHジェネレータとPoHティックレートを比較することでこれを検出できる。予想レートからの大幅な逸脱は問題を示し、バリデータはPoHシーケンスがネットワーク中央値から大きく逸脱するリーダーからのブロックを拒否できる。
このタイムスタンプメカニズムは、分散システムにおける根本的な問題の1つを解決する。信頼できる中央機関なしに共通の時間概念を確立することである。PoHを分散型時計として使用することで、Solanaはバリデータがグローバルに一貫した順序付けを維持しながらトランザクションを並列に処理できるようにする。タイムスタンプはまた、トランザクションの有効期限、スケジュールされた操作、パフォーマンス測定などの時間ベースの機能の基盤も提供する。
Proof of Stake Consensus
آلية إجماع Solana، المسماة Tower BFT، هي خوارزمية Proof of Stake مصممة خصيصاً للاستفادة من الخصائص الزمنية لـ Proof of History. يراهن المصادقون بعملات SOL للمشاركة في الإجماع وكسب مكافآت للتحقق الصحيح من الكتل. يضمن نظام التصويت المرجح بالحصة أن المصادقين الذين لديهم مصلحة اقتصادية أكبر في الشبكة يكون لهم تأثير متناسب أكبر على قرارات الإجماع.
الابتكار الأساسي في Tower BFT هو استخدام فترات إغلاق تزداد بشكل أسي مع كل تصويت متتالٍ. عندما يصوت مصادق على تجزئة PoH، يلتزم بذلك الفرع من السجل لعدد معين من نبضات PoH. إذا صوت على الكتلة التالية في ذلك الفرع، تتضاعف فترة الإغلاق. يخلق هذا حافزاً اقتصادياً قوياً للمصادقين لمواصلة التصويت على نفس الفرع، حيث أن التبديل بين الفروع سيتطلب انتظار انتهاء فترات الإغلاق السابقة.
تحديداً، إذا صوت مصادق على كتلة عند الطابع الزمني PoH t، لا يمكنه التصويت على فرع متعارض حتى تمر 2^n نبضة، حيث n هو عدد الأصوات المتتالية التي أجراها على الفرع الحالي. تجعل آلية الإغلاق الأسية هذه النظام آمناً ضد هجمات المدى البعيد مع السماح بنهائية سريعة. بمجرد أن تصوت أغلبية عظمى من الحصة على كتلة بعمق كافٍ، تصبح تلك الكتلة نهائية فعلياً.
تفرض شروط العقوبة السلوك النزيه. إذا صوت مصادق على فرعين متعارضين خلال فترة يجب أن يكون فيها مُغلقاً، يتم معاقبته — تُدمر عملاته المراهنة جزئياً ويُزال من مجموعة المصادقين. يجعل هذا من المحاولة للتناقض أو أي سلوك بيزنطي آخر أمراً غير عقلاني اقتصادياً. يُنشئ الجمع بين الطوابع الزمنية القابلة للتحقق من PoH وفترات الإغلاق الأسية لـ Tower BFT آلية إجماع سريعة وآمنة، تحقق النهائية في ثوانٍ مع الحفاظ على ضمانات الأمان لأنظمة BFT التقليدية.
Proof of Stake Consensus
SolanaのコンセンサスメカニズムはTower BFTと呼ばれ、Proof of Historyの時間的特性を活用するために特別に設計されたProof of Stakeアルゴリズムである。バリデータはSOLトークンをステークしてコンセンサスに参加し、ブロックの正確な検証に対して報酬を得る。ステーク加重投票システムにより、ネットワークにより多くの経済的利害関係を持つバリデータがコンセンサス決定に比例してより多くの影響力を持つことが保証される。
Tower BFTの核心的なイノベーションは、連続投票ごとに指数関数的に増加するロックアウト期間の使用である。バリデータがPoHハッシュに投票すると、一定数のPoHティックの間、台帳のそのフォークにコミットする。そのフォークの次のブロックに投票すると、ロックアウト期間は倍増する。これにより、バリデータが同じフォークで投票を続ける強い経済的インセンティブが生まれる。フォークの切り替えには以前のロックアウトの期限切れを待つ必要があるからである。
具体的には、バリデータがPoHタイムスタンプtでブロックに投票した場合、2^nティックが経過するまで競合するフォークに投票できない。ここでnは現在のフォークで行った連続投票の数である。この指数関数的ロックアウトメカニズムにより、システムは高速なファイナリティを可能にしながら、長距離攻撃に対して安全になる。ステークの超過半数が十分な深さでブロックに投票すると、そのブロックは事実上確定される。
スラッシング条件は正直な行動を強制する。バリデータがロックアウトされているはずの期間中に2つの競合するフォークに投票した場合、スラッシングされる。ステークされたトークンは部分的に破壊され、バリデータセットから除外される。これにより、二重投票やその他のビザンチン行動を試みることが経済的に非合理的になる。PoHの検証可能なタイムスタンプとTower BFTの指数関数的ロックアウトの組み合わせにより、従来のBFTシステムのセキュリティ保証を維持しながら、数秒でファイナリティを達成する高速かつ安全なコンセンサスメカニズムが実現される。
Streaming Proof of Replication
Proof of Replication (PoRep) هي آلية تسمح للمصادقين بإثبات أنهم يخزنون بيانات السجل دون الكشف عن البيانات نفسها أو الحاجة إلى حسابات مكثفة. تطبق Solana نسخة متدفقة من PoRep حيث يُظهر المصادقون باستمرار أنهم ينسخون حالة سلسلة الكتل. هذا ضروري لأمان الشبكة، حيث يضمن توزيع بيانات السجل بشكل صحيح بين المصادقين وعدم تركزها في مواقع قليلة.
تعمل آلية PoRep من خلال قيام المصادقين بتشفير أجزاء من السجل باستخدام تشفير وضع CBC (Cipher Block Chaining) بمفتاح خاص بالمصادق مشتق من هويته. عملية التشفير تجعل كل كتلة مشفرة تعتمد على الكتلة السابقة، مما يُنشئ سلسلة فريدة لكل مصادق. يمنع هذا المصادقين من مجرد نسخ البيانات المشفرة من بعضهم البعض — يجب على كل مصادق تخزين ومعالجة بيانات السجل الأصلية لتوليد نسخته المشفرة الفريدة.
بشكل دوري، تصدر الشبكة تحديات للمصادقين تطلب منهم تقديم كتل مشفرة محددة. نظراً لأن التشفير متسلسل، يجب أن يكون المصادق قد خزّن جميع الكتل السابقة لتوليد الاستجابة الصحيحة. يقدم المصادق كتلته المشفرة مع إثبات Merkle يوضح موقعها في سجله المشفر. يمكن للشبكة التحقق من هذا الإثبات بسرعة دون الحاجة لفك التشفير أو إعادة التشفير.
نهج التدفق هذا لـ PoRep له عبء منخفض مقارنة بأنظمة إثبات التخزين التقليدية. يمكن للمصادقين تشفير البيانات فور وصولها والاستجابة للتحديات بأقل تأخير. يتيح النظام أيضاً الاسترداد في حالة فقدان البيانات — إذا فقد مصادق جزءاً من السجل، يمكنه إعادة تنزيله من مصادقين آخرين وإعادة تشفيره. يُنشئ الجمع بين PoRep وطوابع PoH الزمنية نظام مساءلة كامل حيث يمكن للشبكة التحقق من وقت إنشاء البيانات ومن أنها مخزنة بشكل صحيح عبر شبكة المصادقين.
Streaming Proof of Replication
Proof of Replication（PoRep）は、バリデータがデータ自体を明かしたり計算集約的な処理を必要としたりすることなく、台帳データを保存していることを証明できるメカニズムである。SolanaはPoRepのストリーミングバージョンを実装しており、バリデータはブロックチェーンの状態を複製していることを継続的に実証する。これはネットワークセキュリティにとって不可欠であり、台帳データがバリデータ間で適切に分散され、少数の場所に集中していないことを保証する。
PoRepメカニズムは、バリデータがそのIDから派生したバリデータ固有のキーを使用して、CBC（Cipher Block Chaining）モード暗号化で台帳のセグメントを暗号化することで機能する。暗号化プロセスは、各暗号化ブロックが前のブロックに依存するようになっており、各バリデータに固有のチェーンを作成する。これにより、バリデータが互いの暗号化データを単にコピーすることが防止される。各バリデータは、固有の暗号化バージョンを生成するために、元の台帳データを保存して処理しなければならない。
定期的に、ネットワークはバリデータに特定の暗号化ブロックの提供を要求するチャレンジを発行する。暗号化はチェーンされているため、バリデータは正しい応答を生成するためにすべての先行ブロックを保存していなければならない。バリデータは暗号化ブロックとともに、暗号化台帳内のその位置を示すMerkle証明を提出する。ネットワークはデータを復号化または再暗号化する必要なく、この証明を迅速に検証できる。
このPoRepへのストリーミングアプローチは、従来のproof-of-storageシステムと比較して低いオーバーヘッドを持つ。バリデータはデータの到着時に暗号化でき、最小限のレイテンシでチャレンジに応答できる。システムはデータ損失の場合のリカバリも可能にする。バリデータが台帳の一部を失った場合、他のバリデータからダウンロードして再暗号化できる。PoRepとPoHタイムスタンプの組み合わせにより、ネットワークがデータの作成時期とバリデータネットワーク全体に適切に保存されていることの両方を検証できる完全な説明責任システムが作成される。
System Architecture
صُممت بنية نظام Solana كخط أنابيب حيث تحدث مراحل مختلفة من معالجة المعاملات بالتوازي. وحدة معالجة المعاملات Transaction Processing Unit (TPU) هي المكون الأساسي المسؤول عن التعامل مع المعاملات الواردة. تتكون TPU من عدة مراحل: الجلب (جمع المعاملات)، التحقق من التوقيعات، المعالجة المصرفية (تنفيذ المعاملات)، والكتابة (الحفظ في التخزين). تعمل كل مرحلة بالتوازي على معاملات مختلفة، مشابهة لخط أنابيب المعالج.
يتم تسريع التحقق من التوقيعات باستخدام وحدات GPU، التي تتميز بكفاءة عالية في عمليات تشفير المنحنى الإهليلجي المطلوبة للتحقق من توقيعات المعاملات. من خلال تحويل هذه المهمة الحسابية المكثفة إلى GPU، يمكن لـ Solana التحقق من التوقيعات بمعدلات تتجاوز 900,000 في الثانية على أجهزة تجارية. يمنع هذا التحقق المتوازي من التوقيعات أن يصبح التحقق التشفيري عنق زجاجة حتى عند معدلات معاملات عالية جداً.
بيئة التشغيل Sealevel هي محرك تنفيذ العقود الذكية المتوازي في Solana. على عكس سلاسل الكتل التقليدية التي تنفذ المعاملات بالتسلسل، يحلل Sealevel المعاملات لتحديد الحسابات التي تصل إليها وينفذ المعاملات غير المتعارضة بالتوازي عبر أنوية معالج متعددة. يتم تنفيذ المعاملات التي تصل إلى نفس الحسابات بالتسلسل للحفاظ على الاتساق، لكن المعاملات التي تصل إلى حسابات مختلفة يمكن أن تعمل في وقت واحد. هذا التوازي ممكن لأن PoH يؤسس ترتيباً عالمياً — يمكن للمصادقين تنفيذ المعاملات بأي ترتيب طالما يطبقونها على الحالة في التسلسل المحدد بواسطة PoH.
تتضمن البنية أيضاً مكونات محسنة لنشر الكتل والتخزين. يستخدم بروتوكول نشر كتل Turbine ترميز المحو لتقسيم الكتل إلى حزم أصغر يتم توزيعها عبر الشبكة في هيكل شجري، مما يقلل متطلبات عرض النطاق الترددي. توفر شبكة المُؤرشفين Archivers تخزيناً لامركزياً لبيانات السجل التاريخية، باستخدام PoRep لضمان توفر البيانات. تُنشئ هذه المكونات معاً نظاماً يمكنه معالجة مئات الآلاف من المعاملات في الثانية مع الحفاظ على خصائص اللامركزية والأمان لسلسلة الكتل.
System Architecture
Solanaのシステムアーキテクチャは、トランザクション処理の異なる段階が並列に行われるパイプラインとして設計されている。Transaction Processing Unit（TPU）は、着信トランザクションの処理を担当する中核コンポーネントである。TPUはいくつかの段階で構成される：fetch（トランザクションの収集）、署名検証、banking（トランザクション実行）、write（ストレージへのコミット）。各段階は異なるトランザクションに対して並列に動作し、CPUパイプラインと同様の仕組みである。
署名検証はGPUを使用して加速される。GPUはトランザクション署名の検証に必要な楕円曲線暗号演算において非常に効率的である。この計算集約的なタスクをGPUにオフロードすることで、Solanaはコモディティハードウェア上で毎秒900,000を超える速度で署名を検証できる。この並列署名検証により、非常に高いトランザクションレートでも暗号学的検証がボトルネックになることが防止される。
Sealevelランタイムは、Solanaの並列スマートコントラクト実行エンジンである。トランザクションを逐次的に実行する従来のブロックチェーンとは異なり、Sealevelはトランザクションを分析してアクセスするアカウントを特定し、競合しないトランザクションを複数のCPUコアで並列に実行する。同じアカウントにアクセスするトランザクションは一貫性を維持するために逐次的に実行されるが、異なるアカウントにアクセスするトランザクションは同時に実行できる。この並列処理はPoHがグローバルな順序付けを確立するため可能である。バリデータは、PoHで指定されたシーケンスで状態に適用する限り、任意の順序でトランザクションを実行できる。
アーキテクチャには、ブロック伝播とストレージのための最適化されたコンポーネントも含まれている。Turbineブロック伝播プロトコルは、イレイジャーコーディングを使用してブロックをより小さなパケットに分割し、ツリー構造でネットワーク全体に配布することで帯域幅要件を最小化する。Archiversネットワークは、PoRepを使用してデータの可用性を確保しながら、履歴台帳データの分散ストレージを提供する。これらのコンポーネントが一体となり、ブロックチェーンの分散化とセキュリティ特性を維持しながら毎秒数十万のトランザクションを処理できるシステムを構築する。
Performance
صُممت بنية Solana لتحقيق مستويات أداء تتوسع مع تحسينات الأجهزة، متبعة قانون مور. على اتصال شبكة جيجابت قياسي واحد، الحد الأقصى النظري للإنتاجية هو حوالي 710,000 معاملة في الثانية، بافتراض 176 بايت لكل معاملة (بما في ذلك التوقيعات والبيانات الوصفية). يستند هذا الحساب على عرض النطاق الترددي للشبكة كعنق الزجاجة الرئيسي، مع إزالة عنق الزجاجة الحسابي من خلال الموازاة.
التحقق من التوقيعات، الذي غالباً ما يكون عاملاً مقيداً في أداء سلسلة الكتل، يتم تسريعه باستخدام موازاة GPU. يمكن لوحدة GPU واحدة التحقق من أكثر من 900,000 توقيع ed25519 في الثانية، وهو ما يتجاوز حد إنتاجية الشبكة. هذا يعني أن التحقق من التوقيعات لا يقيد أداء النظام — ينتقل عنق الزجاجة إلى عرض النطاق الترددي للشبكة وتنفيذ المعاملات. للمعاملات البسيطة التي تنقل القيمة فقط دون منطق عقود ذكية معقد، يمكن لمرحلة المعالجة المصرفية معالجة المعاملات بمعدلات تتطابق مع معدل إدخال الشبكة.
يعمل مولد PoH على نواة معالج مخصصة، منتجاً حوالي 4,000 تجزئة لكل مللي ثانية على معالج 4 جيجاهرتز. بهذا المعدل، يوفر تسلسل PoH طوابع زمنية بدقة 0.25 ميكروثانية، وهو ما يكفي لترتيب ملايين المعاملات في الثانية. تعني الطبيعة المتسلسلة لتوليد PoH أن هذا المكون لا يمكن موازاته، لكن الإنتاجية عالية بما يكفي بحيث لا تحد من أداء النظام الكلي.
مع تحسن الأجهزة، تتوسع إنتاجية Solana وفقاً لذلك. شبكات أسرع وGPU أقوى ومعالجات محسنة تساهم جميعها في معدلات معاملات أعلى. صُمم النظام للاستفادة من هذه التحسينات دون الحاجة لتغييرات في البروتوكول. يتناقض نهج التوسع هذا مع سلاسل الكتل المقيدة جوهرياً بآليات إجماع متسلسلة، مما يسمح لـ Solana بتحقيق مستويات أداء كانت تُعتبر سابقاً مستحيلة في نظام لامركزي مع الحفاظ على ضمانات الأمان واللامركزية.
Performance
Solanaのアーキテクチャは、ムーアの法則に従ってハードウェアの改善とともにスケールするパフォーマンスレベルを達成するように設計されている。標準的な1ギガビットネットワーク接続では、理論上の最大スループットは1トランザクションあたり176バイト（署名とメタデータを含む）を想定すると、毎秒約710,000トランザクションである。この計算はネットワーク帯域幅を主要なボトルネックとし、計算上のボトルネックは並列化によって除去されている。
署名検証はブロックチェーンパフォーマンスの制限要因となることが多いが、GPUの並列化を使用して加速される。単一のGPUは毎秒900,000以上のed25519署名を検証でき、これはネットワークスループット制限を超えている。これは署名検証がシステムのパフォーマンスを制約しないことを意味する。ボトルネックはネットワーク帯域幅とトランザクション実行に移行する。複雑なスマートコントラクトロジックを含まない単純な価値移転トランザクションの場合、bankingステージはネットワーク入力レートに匹敵するレートでトランザクションを処理できる。
PoHジェネレータは専用のCPUコア上で動作し、4GHzプロセッサ上でミリ秒あたり約4,000ハッシュを生成する。このレートで、PoHシーケンスは0.25マイクロ秒の粒度のタイムスタンプを提供し、毎秒数百万のトランザクションの順序付けに十分である。PoH生成の逐次的な性質はこのコンポーネントを並列化できないことを意味するが、スループットは十分に高く、全体的なシステムパフォーマンスを制限しない。
ハードウェアが改善されるにつれて、Solanaのスループットはそれに応じてスケールする。より高速なネットワーク、より強力なGPU、改善されたCPUはすべてより高いトランザクションレートに貢献する。システムはプロトコルの変更を必要とせずにこれらの改善を活用するように設計されている。このスケーラビリティアプローチは、逐次的コンセンサスメカニズムによって根本的に制限されるブロックチェーンとは対照的であり、Solanaがセキュリティと分散化の保証を維持しながら、分散型システムでは不可能と考えられていたパフォーマンスレベルを達成することを可能にする。
Conclusion
يمثل Proof of History اختراقاً جوهرياً في بنية سلسلة الكتل من خلال حل مشكلة التوقيت التي حدّت من قابلية توسع السجلات الموزعة. من خلال إنشاء ساعة تشفيرية قابلة للتحقق، يمكّن PoH المصادقين من تحديد ترتيب زمني للأحداث دون العبء التواصلي المكثف المطلوب من آليات الإجماع التقليدية. يزيل هذا الابتكار عنق زجاجة حرج ويسمح بموازاة معالجة المعاملات عبر الشبكة.
يُنشئ دمج PoH مع مكونات نظام محسنة — التحقق من التوقيعات المسرّع بـ GPU والتنفيذ المتوازي للمعاملات عبر Sealevel وبروتوكولات نشر الكتل الفعالة — سلسلة كتل يمكنها معالجة مئات الآلاف من المعاملات في الثانية على أجهزة تجارية. والأهم من ذلك، أن البنية مصممة للتوسع مع تحسينات الأجهزة، مما يعني أن الأداء سيستمر في الزيادة مع تسارع المعالجات وتحسن الشبكات.
يُثبت تصميم Solana أن الأداء العالي واللامركزية ليسا متعارضين. من خلال الاستفادة من PoH كأساس للإجماع وتنسيق النظام، تحقق الشبكة مستويات إنتاجية مماثلة لقواعد البيانات المركزية مع الحفاظ على خصائص الأمان ومقاومة الرقابة لسلسلة كتل لامركزية. تضمن آلية إجماع Tower BFT المرجحة بالحصة أن تبقى الشبكة آمنة ضد الفاعلين البيزنطيين مع تحقيق نهائية سريعة.
يوفر تطبيق هذه البنية مساراً عملياً لتوسع تقنية سلسلة الكتل نحو التبني العالمي. التطبيقات التي تتطلب إنتاجية عالية للمعاملات — مثل البورصات اللامركزية ومنصات الألعاب والأنظمة المالية — يمكن الآن بناؤها على بنية تحتية لامركزية حقيقية دون المساومة على الأداء. يفتح Proof of History الباب لجيل جديد من تطبيقات سلسلة الكتل التي كانت غير قابلة للتحقيق سابقاً بسبب قيود التوسع.
Conclusion
Proof of Historyは、分散型台帳のスケーラビリティを制限してきたタイミング問題を解決することで、ブロックチェーンアーキテクチャにおける根本的なブレークスルーを表している。検証可能な暗号学的時計を作成することで、PoHはバリデータが従来のコンセンサスメカニズムで必要とされる広範な通信オーバーヘッドなしにイベントの時間的順序付けを確立できるようにする。このイノベーションにより重要なボトルネックが除去され、トランザクション処理をネットワーク全体で並列化できるようになる。
PoHと最適化されたシステムコンポーネント（GPU加速署名検証、Sealevelによる並列トランザクション実行、効率的なブロック伝播プロトコル）の統合により、コモディティハードウェア上で毎秒数十万のトランザクションを処理できるブロックチェーンが実現される。さらに重要なのは、アーキテクチャがハードウェアの改善とともにスケールするように設計されており、プロセッサが高速化しネットワークがより高性能になるにつれてパフォーマンスが向上し続けることである。
Solanaの設計は、高性能と分散化が相互に排他的ではないことを実証している。PoHをコンセンサスとシステム調整の基盤として活用することで、ネットワークは分散型ブロックチェーンのセキュリティと検閲耐性の特性を維持しながら、中央集権型データベースに匹敵するスループットレベルを達成する。ステーク加重Tower BFTコンセンサスメカニズムにより、高速なファイナリティを達成しながら、ビザンチンアクターに対するネットワークの安全性が確保される。
このアーキテクチャの実装は、ブロックチェーン技術がグローバルな採用へとスケールするための実用的な道筋を提供する。高いトランザクションスループットを必要とするアプリケーション（分散型取引所、ゲームプラットフォーム、金融システムなど）は、パフォーマンスを犠牲にすることなく、真に分散化されたインフラストラクチャ上に構築できるようになった。Proof of Historyは、スケーラビリティの制約のために以前は実現不可能であった新世代のブロックチェーンアプリケーションへの扉を開く。
