Solana: สถาปัตยกรรมใหม่สำหรับบล็อกเชนประสิทธิภาพสูง

Abstract

Dieses Dokument stellt eine neue Architektur fuer eine Hochleistungs-Blockchain vor. Solana implementiert einen neuartigen Zeitmessungsmechanismus namens Proof of History (PoH) -- einen Beweis zur Verifizierung der Reihenfolge und des Zeitablaufs zwischen Ereignissen. PoH wird verwendet, um den Zeitablauf auf vertrauenslose Weise in einem Ledger zu kodieren und so einen historischen Datensatz zu erstellen, der beweist, dass ein Ereignis zu einem bestimmten Zeitpunkt stattgefunden hat.

Die zentrale Innovation besteht darin, dass PoH es den Knoten im Netzwerk ermoeglicht, eine zeitliche Reihenfolge von Ereignissen festzulegen, ohne miteinander kommunizieren zu muessen. Durch die Verwendung einer verifizierbaren Verzoegerungsfunktion, die als sequentielle Hash-Kette implementiert ist, erzeugt das System eine kryptographische Uhr, die eine Moeglichkeit bietet, den Zeitablauf zwischen Ereignissen zu verifizieren. Dies ermoeglicht es dem Netzwerk, Tausende von Transaktionen pro Sekunde zu verarbeiten und gleichzeitig die Dezentralisierung und Sicherheit aufrechtzuerhalten.

PoH ist mit einem Proof of Stake (PoS) Konsensmechanismus integriert. Die Kombination ermoeglicht eine hochoptimierte Blockchain-Architektur, in der Validatoren Transaktionen parallel verifizieren und effizient einen Konsens erreichen koennen. Das System ist darauf ausgelegt, mit dem Mooreschen Gesetz zu skalieren und Verbesserungen der Hardware-Leistung zu nutzen, um den Throughput zu erhoehen, ohne die Sicherheitsgarantien eines dezentralen Netzwerks zu opfern.

Introduction

Die grundlegende Herausforderung bei Blockchain-Systemen besteht darin, einen hohen Transaktionsdurchsatz zu erreichen und gleichzeitig Dezentralisierung und Sicherheit aufrechtzuerhalten. Aktuelle Blockchain-Implementierungen sind durch ihre Konsensmechanismen eingeschränkt, die eine umfassende Kommunikation zwischen Knoten erfordern, um sich auf den Zeitpunkt und die Reihenfolge der Ereignisse zu einigen. Dieser Koordinationsaufwand führt zu einem Engpass, der die Skalierung bestehender Blockchains verhindert, um den Anforderungen globaler Anwendungen gerecht zu werden.

Das Kernproblem ist die Zeit. In verteilten Systemen können sich Knoten nicht auf externe Uhren verlassen, da sie nicht darauf vertrauen können, dass die Zeitstempel anderer Knoten korrekt sind. Herkömmliche Blockchain-Konsensprotokolle lösen dieses Problem, indem sie die Knoten umfassend kommunizieren lassen, um sich über den aktuellen Status und die Reihenfolge der Transaktionen zu einigen. Dieser Kommunikationsaufwand schränkt den Durchsatz grundsätzlich ein, da das Netzwerk Transaktionen nur so schnell verarbeiten kann, wie Knoten einen Konsens über ihre Reihenfolge erzielen können.

Solana führt Proof of History als Lösung für dieses Timing-Problem ein. PoH bietet eine kryptografische Methode zum Nachweis, dass zwischen Ereignissen eine bestimmte Zeitspanne vergangen ist, ohne auf Zeitstempel potenziell böswilliger Akteure angewiesen zu sein. Durch die Erstellung einer überprüfbaren historischen Aufzeichnung ermöglicht PoH den Knoten, Transaktionen unabhängig zu verarbeiten und gleichzeitig die Reihenfolge nachzuweisen, in der Ereignisse aufgetreten sind. Dieser Durchbruch ermöglicht es dem Netzwerk, die Transaktionsverarbeitung zu parallelisieren und den Durchsatz drastisch zu steigern.

Die wichtigste Erkenntnis ist, dass wir den Koordinationsengpass im Konsens beseitigen können, wenn wir eine vertrauenswürdige Zeitquelle schaffen können. Da PoH eine kryptografische Uhr bereitstellt, kann validators Transaktionen parallel verarbeiten und muss nur kommunizieren, um die kanonische Reihenfolge abzuschließen. Dieser architektonische Wandel ermöglicht es Solana, Leistungsniveaus zu erreichen, die zuvor in einer dezentralen Blockchain für unmöglich gehalten wurden.

Outline

Dieses Papier beschreibt die technische Architektur von Solana und konzentriert sich darauf, wie Proof of History einen leistungsstarken Blockchain-Betrieb ermöglicht. Das Dokument erklärt zunächst den PoH-Mechanismus selbst – wie eine sequentielle Hash-Kette eine überprüfbare zeitliche Reihenfolge von Ereignissen erstellt. Wir beschreiben die kryptografischen Eigenschaften, die PoH sicher machen, und zeigen, wie validators die PoH-Sequenz effizient überprüfen kann.

Das Papier untersucht dann, wie sich PoH in den Proof of Stake-Konsens integrieren lässt. Wir beschreiben Tower BFT, einen PoS-Algorithmus, der speziell dafür entwickelt wurde, die zeitlichen Eigenschaften von PoH zu nutzen. Die Integration ermöglicht es validators, zu bestimmten PoH-Zeitstempeln über den Status von ledger abzustimmen, wodurch ein Konsensmechanismus entsteht, der sowohl schnell als auch sicher ist. Außerdem erläutern wir die Slashing-Bedingungen, die böswilliges Verhalten verhindern.

Als Nächstes stellen wir das Netzwerkdesign und die Datenverbreitungsprotokolle von Solana vor. Das Gulf Stream-Protokoll ermöglicht die Weiterleitung von Transaktionen ohne die Notwendigkeit eines Mempools, sodass Kunden Transaktionen direkt an aufstrebende Führungskräfte senden können. Wir beschreiben, wie die Führungsrotation funktioniert und wie das Netzwerk auch bei Führungswechseln einen hohen Durchsatz aufrechterhält.

Abschließend besprechen wir die Systemarchitektur, einschließlich der Transaction Processing Unit (TPU), der parallelen Sealevel-Laufzeit und des Replikationsnachweises zur Überprüfung der Datenspeicherung. Leistungsprognosen zeigen, dass Solana über 700.000 Transaktionen pro Sekunde in einem Standard-Gigabit-Netzwerk verarbeiten kann, wobei der Durchsatz mit zunehmender Hardware skaliert wird.

Network Design

Das Netzwerkdesign von Solana basiert auf einem rotierenden Leader-System, in dem validators abwechselnd Blöcke produzieren. Der Leiter ist dafür verantwortlich, eingehende Transaktionen in den PoH-Stream zu sequenzieren und die resultierenden Blöcke im Netzwerk zu veröffentlichen. Die Auswahl der Leader erfolgt über einen stake-gewichteten Algorithmus, und der Rotationsplan ist im Voraus bekannt, sodass das Netzwerk die Transaktionsweiterleitung optimieren kann.

Das Gulf Stream-Protokoll macht einen herkömmlichen Mempool überflüssig, indem es Kunden ermöglicht, Transaktionen direkt an aufstrebende Führungskräfte weiterzuleiten. Wenn ein Kunde eine Transaktion einreicht, wird diese basierend auf dem Rotationsplan an den erwarteten Leiter weitergeleitet. Wenn der aktuelle Leiter die Transaktion nicht verarbeiten kann, leitet er sie an den nächsten erwarteten Leiter weiter. Dieses Design reduziert die Bestätigungslatenz und ermöglicht es validators, Transaktionen vorzeitig auszuführen, wodurch der Durchsatz weiter optimiert wird.

Die Transaktionsweitergabe verwendet einen mehrschichtigen Ansatz. Kunden senden Transaktionen an validators, der sie an den aktuellen oder kommenden Leiter weiterleitet. Der Leiter ordnet die Transaktionen in den PoH-Stream ein und erstellt so eine Gesamtordnung. Nach der Sequenzierung übermittelt der Leiter den PoH-Stream und die Transaktionsdaten an validators, der die PoH-Sequenz überprüft und die Transaktionen parallel ausführt.

Das Netzwerkdesign umfasst auch ein Turbinenblock-Propagationsprotokoll, das Blöcke in kleinere Pakete aufteilt und sie in einer Baumstruktur über das Netzwerk verteilt. Dieser Ansatz minimiert den Bandbreitenbedarf für einzelne validators und gewährleistet gleichzeitig eine schnelle Blockausbreitung. In Kombination mit der Fähigkeit von PoH, die Reihenfolge von Transaktionen zu überprüfen, ermöglicht diese Architektur Solana, einen hohen Durchsatz zu erreichen, ohne die Dezentralisierung zu beeinträchtigen.

Proof of History

Proof of History ist eine überprüfbare Verzögerungsfunktion, die als sequentielle Hash-Kette mithilfe von SHA-256 implementiert wird. Der PoH-Generator berechnet kontinuierlich SHA-256-Hashes und verwendet jede Ausgabe als Eingabe für den nächsten Hash. Dadurch entsteht eine sequentielle Kette, in der jeder Hash erst nach dem vorherigen berechnet werden kann, wodurch eine überprüfbare zeitliche Reihenfolge entsteht. Der Rechenaufwand für die Generierung jedes Hashs erzwingt eine minimale Zeitverzögerung zwischen Ereignissen.

Die Haupteigenschaft von PoH besteht darin, dass es kostengünstig zu überprüfen, aber teuer in der Herstellung ist. Ein Verifizierer kann die gesamte Hash-Sequenz parallel überprüfen, indem er sie in Segmente aufteilt und jedes Segment einzeln überprüft und dann überprüft, ob die Segmente ordnungsgemäß verbunden sind. Die Generierung muss jedoch sequentiell erfolgen – es gibt keine Möglichkeit, die Ausgabe der Hash-Kette vorherzusagen, ohne jeden Zwischenschritt tatsächlich zu berechnen. Diese Asymmetrie zwischen Generierung und Verifizierung macht PoH praktisch.

Externe Ereignisse und Transaktionsdaten werden in die PoH-Sequenz eingefügt, indem sie in die Hash-Kette eingemischt werden. Wenn eine Transaktion eintrifft, wird ihr Hash mit dem aktuellen PoH-Status kombiniert, wodurch ein Datensatz erstellt wird, der beweist, dass die Transaktion zu diesem Zeitpunkt in der Sequenz existierte. Der PoH-Generator zeichnet regelmäßig Prüfpunkte auf und veröffentlicht den aktuellen Hash-Wert zusammen mit der Anzahl der seit dem letzten Prüfpunkt berechneten Hashes. Diese Prüfpunkte ermöglichen es validators, die PoH-Sequenz effizient zu überprüfen, ohne jeden Hash neu berechnen zu müssen.

Die PoH-Sequenz dient als kryptografischer Taktgeber für das gesamte Netzwerk. Da die Hash-Kette sequentiell und überprüfbar ist, kann jeder Knoten nachweisen, dass zwischen zwei Ereignissen eine bestimmte Zeitspanne vergangen ist, indem er einfach die in diesem Intervall berechneten Hashes anzeigt. Dadurch entfällt für Knoten die Notwendigkeit, externen Zeitstempeln zu vertrauen oder sich untereinander zu koordinieren, um eine zeitliche Reihenfolge festzulegen, wodurch ein grundlegender Engpass im traditionellen Blockchain-Konsens beseitigt wird.

Proof of History Sequence

Die Proof of History-Sequenz ist eine kontinuierliche Kette von SHA-256-Hashes, wobei jeder Hash von der vorherigen Ausgabe abhängt. Die Sequenz beginnt mit einem anfänglichen Startwert, der gehasht wird, um die erste Ausgabe zu erzeugen. Diese Ausgabe wird zur Eingabe für den nächsten Hash und der Vorgang wiederholt sich auf unbestimmte Zeit. Der Generator verwaltet außerdem einen Zähler, der die Gesamtzahl der berechneten Hashes verfolgt und als PoH-„Zeitstempel“ für Ereignisse im ledger dient.

Wenn Daten in die Sequenz eingefügt werden müssen (z. B. Transaktions-Hashes oder validator-Signaturen), werden sie mithilfe einer deterministischen Mischfunktion mit dem aktuellen Hash-Status kombiniert. Wenn der aktuelle Hash-Status beispielsweise „hash_n“ ist und wir Daten „D“ einfügen möchten, berechnen wir „hash_{n+1} = SHA256(hash_n || D)“, wobei „||“ die Verkettung bezeichnet. Der Einfügepunkt wird zusammen mit dem Zählerwert aufgezeichnet, was beweist, dass die Daten „D“ an diesem bestimmten Punkt in der Sequenz vorhanden waren.

Die Überprüfung der PoH-Sequenz kann durch Aufteilen der Kette in Segmente parallelisiert werden. Beispielsweise könnte ein validator alle 10.000 Hashes PoH-Prüfpunkte empfangen. Um die Reihenfolge zwischen Prüfpunkten zu überprüfen, kann validator die 10.000 Hashes in 100 Segmente zu je 100 Hashes aufteilen, jedes Segment unabhängig parallel überprüfen und dann überprüfen, ob die Segmente ordnungsgemäß verbunden sind. Dadurch kann die Verifizierung horizontal mit der Anzahl der verfügbaren CPU-Kerne skaliert werden.

Die Sequenz unterstützt auch effiziente Beweise dafür, dass zwei Ereignisse in einer bestimmten Reihenfolge aufgetreten sind. Bei zwei Dateneinfügungen bei den Zählerwerten „n“ und „m“, wobei „n m“ ist, kann jeder überprüfen, ob das Ereignis bei „n“ vor dem Ereignis bei „m“ stattgefunden hat, indem er die Hash-Kette zwischen diesen Punkten überprüft. Mit dieser Eigenschaft kann Solana eine überprüfbare historische Aufzeichnung aller Ereignisse im Netzwerk erstellen, ohne dass Knoten ständig online sein oder externen Zeitquellen vertrauen müssen.

Timestamp

Proof of History fungiert als dezentrale Uhr, die Ereignissen Zeitstempel zuweist, ohne auf die Uhrzeit der Uhr angewiesen zu sein. Jeder PoH-Hash stellt einen diskreten „Tick“ der kryptografischen Uhr dar und der Zählerwert dient als Zeitstempel. Da die Hash-Kette sequentiell und überprüfbar ist, sind diese Zeitstempel nicht vertrauenswürdig – jeder Beobachter kann überprüfen, ob ein Zeitstempel legitim ist, indem er die Hash-Kette überprüft.

In Solana kann jeder validator seine eigene PoH-Sequenz generieren, wenn er als Leader fungiert. Wenn validators die Führung wechselt, synchronisieren sie ihre PoH-Sequenzen mit dem letzten bestätigten Kontrollpunkt des vorherigen Leiters. Dies stellt die Kontinuität der zeitlichen Aufzeichnung sicher, auch wenn verschiedene validators abwechselnd Blöcke erzeugen. Das Netzwerk legt einen kanonischen Zeitplan fest, indem es einen Konsens darüber erzielt, welche PoH-Sequenzen als Teil des offiziellen ledger akzeptiert werden sollen.

Das System bewältigt Taktabweichungen und Abweichungen in der Hardwareleistung durch eine Kombination aus Leader-Rotation und Konsens. Wenn ein böswilliger oder fehlerhafter Anführer versucht, PoH-Zeitstempel mit einer falschen Rate (zu schnell oder zu langsam) zu generieren, kann validators dies erkennen, indem es die PoH-Tick-Rate mit seinen eigenen lokalen PoH-Generatoren vergleicht. Erhebliche Abweichungen von der erwarteten Rate weisen auf ein Problem hin, und validators kann Blöcke von Anführern ablehnen, deren PoH-Sequenzen zu weit vom Netzwerkmedian abweichen.

Dieser Zeitstempelmechanismus löst eines der grundlegenden Probleme in verteilten Systemen: die Etablierung einer gemeinsamen Zeitvorstellung ohne eine vertrauenswürdige zentrale Autorität. Durch die Verwendung von PoH als dezentraler Uhr ermöglicht Solana validators die parallele Verarbeitung von Transaktionen unter Beibehaltung einer global konsistenten Reihenfolge. Die Zeitstempel bilden auch eine Grundlage für zeitbasierte Funktionen wie Transaktionsablauf, geplante Vorgänge und Leistungsmessung.

Proof of Stake Consensus

Der Konsensmechanismus von Solana, Tower BFT genannt, ist ein Proof of Stake-Algorithmus, der speziell dafür entwickelt wurde, die zeitlichen Eigenschaften von Proof of History zu nutzen. Validatoren setzen SOL-Token ein, um am Konsens teilzunehmen und Belohnungen für die korrekte Validierung von Blöcken zu erhalten. Das einsatzgewichtete Abstimmungssystem stellt sicher, dass validators mit größerem wirtschaftlichen Interesse am Netzwerk proportional mehr Einfluss auf Konsensentscheidungen haben.

Die Kerninnovation von Tower BFT ist die Verwendung von Sperrfristen, die mit jeder aufeinanderfolgenden Abstimmung exponentiell zunehmen. Wenn ein validator über einen PoH-Hash abstimmt, verpflichtet er sich für eine bestimmte Anzahl von PoH-Ticks zu diesem Fork des ledger. Wenn sie über den nächsten Block in diesem Fork abstimmen, verdoppelt sich die Sperrfrist. Dies schafft einen starken wirtschaftlichen Anreiz für validators, weiterhin über denselben Fork abzustimmen, da ein Wechsel der Forks das Abwarten früherer Sperrungen erfordern würde.

Insbesondere wenn ein validator zum PoH-Zeitstempel „t“ über einen Block abstimmt, kann er erst dann über einen widersprüchlichen Fork abstimmen, wenn „2^n“ Ticks vergangen sind, wobei „n“ die Anzahl der aufeinanderfolgenden Abstimmungen ist, die er am aktuellen Fork abgegeben hat. Dieser exponentielle Sperrmechanismus macht das System vor Angriffen aus großer Entfernung sicher und ermöglicht gleichzeitig eine schnelle Endgültigkeit. Sobald eine Mehrheit der Anteilseigner über einen Block mit ausreichender Tiefe abgestimmt hat, ist dieser Block effektiv abgeschlossen.

Schlechte Bedingungen erzwingen ehrliches Verhalten. Wenn ein validator während eines Zeitraums, in dem sie gesperrt werden sollten, über zwei widersprüchliche Forks abstimmt, werden sie gekürzt – ihre abgesteckten Token werden teilweise zerstört und sie werden aus dem validator-Satz entfernt. Dies macht es wirtschaftlich irrational, Zweideutigkeiten oder anderes Byzantine-Verhalten zu versuchen. Durch die Kombination der überprüfbaren Zeitstempel von PoH und der exponentiellen Sperren von Tower BFT entsteht ein Konsensmechanismus, der sowohl schnell als auch sicher ist und in Sekundenschnelle eine Endgültigkeit erreicht, während die Sicherheitsgarantien herkömmlicher BFT-Systeme erhalten bleiben.

Streaming Proof of Replication

Proof of Replication (PoRep) ist ein Mechanismus, der es validators ermöglicht, nachzuweisen, dass die ledger-Daten gespeichert werden, ohne die Daten selbst preiszugeben oder intensive Berechnungen zu erfordern. Solana implementiert eine Streaming-Version von PoRep, bei der validators kontinuierlich nachweist, dass sie den Blockchain-Status replizieren. Dies ist für die Netzwerksicherheit von entscheidender Bedeutung, da dadurch sichergestellt wird, dass die ledger-Daten ordnungsgemäß über validators verteilt und nicht an einigen wenigen Orten konzentriert werden.

Der PoRep-Mechanismus funktioniert, indem validators Segmente des ledger mithilfe der Verschlüsselung im CBC-Modus (Cipher Block Chaining) mit einem validator-spezifischen Schlüssel verschlüsselt, der aus ihrer Identität abgeleitet wird. Der Verschlüsselungsprozess ist so, dass jeder verschlüsselte Block vom vorherigen Block abhängt, wodurch eine Kette entsteht, die für jeden validator einzigartig ist. Dadurch wird verhindert, dass validators einfach verschlüsselte Daten voneinander kopiert – jeder validator muss die ursprünglichen ledger-Daten speichern und verarbeiten, um seine eindeutige verschlüsselte Version zu generieren.

In regelmäßigen Abständen fordert das Netzwerk validators auf, bestimmte verschlüsselte Blöcke bereitzustellen. Da die Verschlüsselung verkettet ist, muss der validator alle vorhergehenden Blöcke gespeichert haben, um die richtige Antwort zu generieren. Der validator übermittelt seinen verschlüsselten Block zusammen mit einem Merkle-Beweis, der seine Position in seinem verschlüsselten ledger zeigt. Das Netzwerk kann diesen Beweis schnell überprüfen, ohne dass die Daten entschlüsselt oder erneut verschlüsselt werden müssen.

Dieser Streaming-Ansatz für PoRep hat im Vergleich zu herkömmlichen Proof-of-Storage-Systemen einen geringen Overhead. Validatoren können Daten bei ihrem Eintreffen verschlüsseln und mit minimaler Latenz auf Herausforderungen reagieren. Das System ermöglicht auch die Wiederherstellung im Falle eines Datenverlusts – wenn ein validator einen Teil des ledger verliert, können sie ihn von einem anderen validators erneut herunterladen und neu verschlüsseln. Durch die Kombination von PoRep mit PoH-Zeitstempeln entsteht ein vollständiges Verantwortlichkeitssystem, mit dem das Netzwerk sowohl überprüfen kann, wann Daten erstellt wurden, als auch, ob sie ordnungsgemäß im validator-Netzwerk gespeichert sind.

System Architecture

Die Systemarchitektur von Solana ist als Pipeline konzipiert, in der verschiedene Phasen der Transaktionsverarbeitung parallel stattfinden. Die Transaction Processing Unit (TPU) ist die Kernkomponente, die für die Abwicklung eingehender Transaktionen verantwortlich ist. Die TPU besteht aus mehreren Phasen: Abrufen (Sammeln von Transaktionen), Signaturüberprüfung, Banking (Transaktionsausführung) und Schreiben (Festlegen in die Speicherung). Jede Stufe arbeitet parallel an verschiedenen Transaktionen, ähnlich dem CPU-Pipelining.

Die Signaturüberprüfung wird mithilfe von GPUs beschleunigt, die bei den zur Überprüfung von Transaktionssignaturen erforderlichen Kryptographieoperationen mit elliptischen Kurven äußerst effizient sind. Durch die Verlagerung dieser rechenintensiven Aufgabe auf GPUs kann Solana Signaturen mit Geschwindigkeiten von mehr als 900.000 pro Sekunde auf handelsüblicher Hardware überprüfen. Diese parallele Signaturprüfung verhindert, dass die kryptografische Validierung selbst bei sehr hohen Transaktionsraten zu einem Engpass wird.

Die Sealevel-Laufzeit ist die parallele Smart-Contract-Ausführungs-Engine von Solana. Im Gegensatz zu herkömmlichen Blockchains, die Transaktionen nacheinander ausführen, analysiert Sealevel Transaktionen, um zu ermitteln, auf welche Konten sie zugreifen, und führt nicht widersprüchliche Transaktionen parallel über mehrere CPU-Kerne aus. Um die Konsistenz zu gewährleisten, werden Transaktionen, die auf dieselben Konten zugreifen, nacheinander ausgeführt. Transaktionen, die auf verschiedene Konten zugreifen, können jedoch gleichzeitig ausgeführt werden. Diese Parallelität ist möglich, weil PoH eine globale Reihenfolge festlegt – validators kann Transaktionen in beliebiger Reihenfolge ausführen, solange sie sie in der von PoH angegebenen Reihenfolge auf den Status anwenden.

Die Architektur umfasst auch optimierte Komponenten für die Blockausbreitung und -speicherung. Das Turbine-Block-Propagation-Protokoll verwendet Erasure-Coding, um Blöcke in kleinere Pakete aufzuteilen, die in einer Baumstruktur über das Netzwerk verteilt werden, wodurch der Bandbreitenbedarf minimiert wird. Das Archivers-Netzwerk bietet dezentralen Speicher für historische ledger-Daten und nutzt PoRep, um die Datenverfügbarkeit sicherzustellen. Zusammen bilden diese Komponenten ein System, das Hunderttausende Transaktionen pro Sekunde verarbeiten kann und gleichzeitig die Dezentralisierungs- und Sicherheitseigenschaften einer Blockchain beibehält.

Performance

Die Architektur von Solana ist darauf ausgelegt, Leistungsniveaus zu erreichen, die mit Hardware-Verbesserungen skalieren und dem Mooreschen Gesetz folgen. Bei einer standardmäßigen 1-Gigabit-Netzwerkverbindung beträgt der theoretische maximale Durchsatz etwa 710.000 Transaktionen pro Sekunde, wenn man von 176 Bytes pro Transaktion (einschließlich Signaturen und Metadaten) ausgeht. Diese Berechnung basiert auf der Netzwerkbandbreite als primärem Engpass, wobei Rechenengpässe durch Parallelisierung beseitigt werden.

Die Signaturüberprüfung, oft ein limitierender Faktor für die Blockchain-Leistung, wird durch GPU-Parallelisierung beschleunigt. Eine einzelne GPU kann über 900.000 ed25519-Signaturen pro Sekunde verifizieren, was die Netzwerkdurchsatzgrenze überschreitet. Dies bedeutet, dass die Signaturüberprüfung die Leistung des Systems nicht einschränkt – der Engpass verlagert sich auf die Netzwerkbandbreite und die Transaktionsausführung. Bei einfachen Transaktionen, die nur Werte ohne komplexe Smart-Contract-Logik übertragen, kann die Bankstufe Transaktionen zu Raten verarbeiten, die der Netzwerkeingangsrate entsprechen.

Der PoH-Generator läuft auf einem dedizierten CPU-Kern und erzeugt auf einem 4-GHz-Prozessor etwa 4.000 Hashes pro Millisekunde. Bei dieser Rate liefert die PoH-Sequenz Zeitstempel mit einer Granularität von 0,25 Mikrosekunden, was für die Bestellung von Millionen von Transaktionen pro Sekunde ausreicht. Aufgrund der sequentiellen Natur der PoH-Generierung kann diese Komponente nicht parallelisiert werden, der Durchsatz ist jedoch hoch genug, um die Gesamtsystemleistung nicht einzuschränken.

Wenn sich die Hardware verbessert, skaliert der Durchsatz von Solana entsprechend. Schnellere Netzwerke, leistungsstärkere GPUs und verbesserte CPUs tragen alle zu höheren Transaktionsraten bei. Das System ist so konzipiert, dass es diese Verbesserungen nutzt, ohne dass Protokolländerungen erforderlich sind. Dieser Skalierbarkeitsansatz steht im Gegensatz zu Blockchains, die grundsätzlich durch sequentielle Konsensmechanismen eingeschränkt sind, was es Solana ermöglicht, Leistungsniveaus zu erreichen, die in einem dezentralen System bisher für unmöglich gehalten wurden, und gleichzeitig Sicherheits- und Dezentralisierungsgarantien aufrechtzuerhalten.

Conclusion

Proof of History stellt einen grundlegenden Durchbruch in der Blockchain-Architektur dar, indem es das Zeitproblem löst, das die Skalierbarkeit verteilter ledgers eingeschränkt hat. Durch die Erstellung einer überprüfbaren kryptografischen Uhr ermöglicht PoH validators, eine zeitliche Reihenfolge von Ereignissen festzulegen, ohne den umfangreichen Kommunikationsaufwand, der bei herkömmlichen Konsensmechanismen erforderlich ist. Diese Innovation beseitigt einen kritischen Engpass und ermöglicht die Parallelisierung der Transaktionsverarbeitung im gesamten Netzwerk.

Durch die Integration von PoH mit optimierten Systemkomponenten – GPU-beschleunigte Signaturüberprüfung, parallele Transaktionsausführung durch Sealevel und effiziente Blockausbreitungsprotokolle – entsteht eine Blockchain, die Hunderttausende Transaktionen pro Sekunde auf Standardhardware verarbeiten kann. Noch wichtiger ist, dass die Architektur darauf ausgelegt ist, mit Hardware-Verbesserungen zu skalieren, was bedeutet, dass die Leistung weiter steigt, wenn Prozessoren schneller und Netzwerke leistungsfähiger werden.

Das Design von Solana zeigt, dass sich hohe Leistung und Dezentralisierung nicht ausschließen. Durch die Nutzung von PoH als Grundlage für Konsens und Systemkoordination erreicht das Netzwerk einen Durchsatz, der mit zentralisierten Datenbanken vergleichbar ist, und behält gleichzeitig die Sicherheits- und Zensurresistenzeigenschaften einer dezentralen Blockchain bei. Der stake-gewichtete Tower-BFT-Konsensmechanismus stellt sicher, dass das Netzwerk vor Byzantine-Akteuren sicher bleibt und gleichzeitig eine schnelle Endgültigkeit erreicht.

Die Implementierung dieser Architektur bietet einen praktischen Weg für die Skalierung der Blockchain-Technologie zur weltweiten Einführung. Anwendungen, die einen hohen Transaktionsdurchsatz erfordern – wie dezentrale Börsen, Spieleplattformen und Finanzsysteme – können jetzt auf einer wirklich dezentralen Infrastruktur aufgebaut werden, ohne Kompromisse bei der Leistung einzugehen. Proof of History öffnet die Tür zu einer neuen Generation von Blockchain-Anwendungen, die bisher aufgrund von Skalierbarkeitsbeschränkungen nicht realisierbar waren.