Solana : Une nouvelle architecture pour une blockchain haute performance
Abstract
Makalah ini menyajikan arsitektur baru untuk blockchain berkinerja tinggi. Solana mengimplementasikan mekanisme ketepatan waktu baru yang disebut Proof of History (PoH) — sebuah bukti untuk memverifikasi urutan dan perjalanan waktu antar peristiwa. PoH digunakan untuk mengkodekan perjalanan waktu yang tidak dapat dipercaya ke dalam ledger, menciptakan catatan sejarah yang membuktikan bahwa suatu peristiwa terjadi pada momen waktu tertentu.
Inovasi utamanya adalah PoH memungkinkan node dalam jaringan untuk menetapkan urutan peristiwa sementara tanpa mengharuskan mereka berkomunikasi satu sama lain. Dengan menggunakan fungsi penundaan yang dapat diverifikasi yang diimplementasikan sebagai rantai hash berurutan, sistem menghasilkan jam kriptografi yang menyediakan cara untuk memverifikasi perjalanan waktu antar peristiwa. Hal ini memungkinkan jaringan untuk memproses ribuan transaksi per detik dengan tetap menjaga desentralisasi dan keamanan.
PoH terintegrasi dengan mekanisme konsensus Proof of Stake (PoS). Kombinasi ini memungkinkan arsitektur blockchain yang sangat optimal di mana validators dapat memverifikasi transaksi secara paralel dan mencapai konsensus secara efisien. Sistem ini dirancang untuk disesuaikan dengan Hukum Moore, memanfaatkan peningkatan kinerja perangkat keras untuk meningkatkan throughput tanpa mengorbankan jaminan keamanan jaringan yang terdesentralisasi.
Abstract
Cet article presente une nouvelle architecture pour une blockchain haute performance. Solana implemente un mecanisme innovant de chronometrage appele Proof of History (PoH) -- une preuve permettant de verifier l'ordre et le passage du temps entre les evenements. PoH est utilise pour encoder le passage du temps de maniere trustless dans un ledger, creant un enregistrement historique qui prouve qu'un evenement s'est produit a un moment precis dans le temps.
L'innovation cle est que PoH permet aux noeuds du reseau d'etablir un ordre temporel des evenements sans avoir besoin de communiquer entre eux. En utilisant une fonction de delai verifiable implementee sous forme de chaine sequentielle de hashes, le systeme genere une horloge cryptographique qui fournit un moyen de verifier le passage du temps entre les evenements. Cela permet au reseau de traiter des milliers de transactions par seconde tout en maintenant la decentralisation et la securite.
PoH est integre a un mecanisme de consensus Proof of Stake (PoS). Cette combinaison permet une architecture blockchain hautement optimisee ou les validateurs peuvent verifier les transactions en parallele et atteindre un consensus de maniere efficace. Le systeme est concu pour evoluer avec la loi de Moore, tirant parti des ameliorations des performances materielles pour augmenter le throughput sans sacrifier les garanties de securite d'un reseau decentralise.
Introduction
Tantangan mendasar dalam sistem blockchain adalah mencapai throughput transaksi yang tinggi dengan tetap menjaga desentralisasi dan keamanan. Implementasi blockchain saat ini dibatasi oleh mekanisme konsensusnya, yang memerlukan komunikasi ekstensif antar node untuk menyepakati waktu dan urutan kejadian. Overhead koordinasi ini menciptakan hambatan yang mencegah penskalaan blockchain yang ada untuk memenuhi permintaan aplikasi skala global.
Masalah intinya adalah waktu. Dalam sistem terdistribusi, node tidak dapat mengandalkan jam eksternal karena mereka tidak dapat mempercayai bahwa stempel waktu node lain akurat. Protokol konsensus blockchain tradisional menyelesaikan masalah ini dengan membuat node berkomunikasi secara luas untuk menyetujui keadaan saat ini dan urutan transaksi. Overhead komunikasi ini pada dasarnya membatasi throughput, karena jaringan hanya dapat memproses transaksi secepat node dapat mencapai konsensus mengenai pemesanannya.
Solana memperkenalkan Bukti Sejarah sebagai solusi untuk masalah waktu ini. PoH menyediakan cara kriptografi untuk membuktikan bahwa sejumlah waktu tertentu telah berlalu di antara peristiwa tanpa bergantung pada stempel waktu dari pelaku yang berpotensi jahat. Dengan membuat catatan sejarah yang dapat diverifikasi, PoH memungkinkan node untuk memproses transaksi secara independen sambil tetap dapat membuktikan urutan terjadinya peristiwa. Terobosan ini memungkinkan jaringan untuk memparalelkan pemrosesan transaksi dan meningkatkan throughput secara signifikan.
Kuncinya adalah jika kita dapat menciptakan sumber waktu yang tidak dapat dipercaya, kita dapat menghilangkan hambatan koordinasi dalam konsensus. Dengan PoH menyediakan jam kriptografi, validators dapat memproses transaksi secara paralel dan hanya perlu berkomunikasi untuk menyelesaikan pemesanan kanonik. Pergeseran arsitektur ini memungkinkan Solana mencapai tingkat kinerja yang sebelumnya dianggap mustahil dalam blockchain yang terdesentralisasi.
Introduction
Le defi fondamental des systemes blockchain est d'atteindre un debit de transactions eleve tout en maintenant la decentralisation et la securite. Les implementations blockchain actuelles sont limitees par leurs mecanismes de consensus, qui necessitent une communication extensive entre les noeuds pour s'accorder sur le temps et l'ordonnancement des evenements. Cette surcharge de coordination cree un goulot d'etranglement qui empeche les blockchains existantes de passer a l'echelle pour repondre aux demandes des applications a l'echelle mondiale.
Le probleme fondamental est le temps. Dans les systemes distribues, les noeuds ne peuvent pas se fier aux horloges externes car ils ne peuvent pas faire confiance aux horodatages des autres noeuds. Les protocoles de consensus blockchain traditionnels resolvent ce probleme en faisant communiquer extensivement les noeuds pour s'accorder sur l'etat actuel et l'ordre des transactions. Cette surcharge de communication limite fondamentalement le debit, car le reseau ne peut traiter les transactions qu'a la vitesse a laquelle les noeuds peuvent atteindre un consensus sur leur ordonnancement.
Solana introduit Proof of History comme solution a ce probleme de synchronisation. PoH fournit un moyen cryptographique de prouver qu'une certaine quantite de temps s'est ecoulee entre les evenements sans dependre d'horodatages d'acteurs potentiellement malveillants. En creant un enregistrement historique verifiable, PoH permet aux noeuds de traiter les transactions de maniere independante tout en pouvant prouver l'ordre dans lequel les evenements se sont produits. Cette percee permet au reseau de paralleliser le traitement des transactions et d'augmenter considerablement le debit.
L'idee cle est que si nous pouvons creer une source de temps sans confiance, nous pouvons supprimer le goulot d'etranglement de coordination du consensus. Avec PoH fournissant une horloge cryptographique, les validateurs peuvent traiter les transactions en parallele et n'ont besoin de communiquer que pour finaliser l'ordonnancement canonique. Ce changement architectural permet a Solana d'atteindre des niveaux de performance qui etaient auparavant consideres comme impossibles dans une blockchain decentralisee.
Outline
Makalah ini menjelaskan arsitektur teknis Solana, dengan fokus pada bagaimana Proof of History memungkinkan operasi blockchain berkinerja tinggi. Dokumen tersebut pertama-tama menjelaskan mekanisme PoH itu sendiri — bagaimana rantai hash berurutan menciptakan urutan peristiwa yang dapat diverifikasi. Kami merinci properti kriptografi yang membuat PoH aman dan menunjukkan bagaimana validators dapat memverifikasi urutan PoH secara efisien.
Makalah ini kemudian mengeksplorasi bagaimana PoH berintegrasi dengan konsensus Proof of Stake. Kami menjelaskan Tower BFT, algoritma PoS yang dirancang khusus untuk memanfaatkan properti temporal PoH. Integrasi ini memungkinkan validators untuk memilih status ledger pada stempel waktu PoH tertentu, sehingga menciptakan mekanisme konsensus yang cepat dan aman. Kami juga menjelaskan kondisi pemotongan yang mencegah perilaku jahat.
Selanjutnya, kami menyajikan desain jaringan Solana dan protokol propagasi data. Protokol Gulf Stream memungkinkan penerusan transaksi tanpa memerlukan mempool, memungkinkan klien mengirim transaksi langsung ke pemimpin yang akan datang. Kami menjelaskan cara kerja rotasi pemimpin dan bagaimana jaringan mempertahankan throughput yang tinggi bahkan ketika kepemimpinan berganti.
Terakhir, kita membahas arsitektur sistem termasuk Transaction Processing Unit (TPU), runtime paralel Sealevel, dan Proof of Replication untuk verifikasi penyimpanan data. Proyeksi kinerja menunjukkan bahwa Solana dapat memproses lebih dari 700.000 transaksi per detik pada jaringan gigabit standar, dengan penskalaan throughput seiring dengan peningkatan perangkat keras.
Outline
Ce document decrit l'architecture technique de Solana, en se concentrant sur la facon dont Proof of History permet le fonctionnement blockchain haute performance. Le document explique d'abord le mecanisme PoH lui-meme — comment une chaine de hachage sequentielle cree un ordonnancement temporel verifiable des evenements. Nous detaillons les proprietes cryptographiques qui rendent PoH securise et demontrons comment les validateurs peuvent verifier efficacement la sequence PoH.
Le document explore ensuite comment PoH s'integre avec le consensus Proof of Stake. Nous decrivons Tower BFT, un algorithme PoS specifiquement concu pour exploiter les proprietes temporelles de PoH. L'integration permet aux validateurs de voter sur l'etat du registre a des horodatages PoH specifiques, creant un mecanisme de consensus a la fois rapide et securise. Nous expliquons egalement les conditions de penalite qui empechent les comportements malveillants.
Ensuite, nous presentons la conception du reseau Solana et les protocoles de propagation des donnees. Le protocole Gulf Stream permet le transfert de transactions sans avoir besoin d'un mempool, permettant aux clients d'envoyer des transactions directement aux prochains leaders. Nous decrivons comment fonctionne la rotation des leaders et comment le reseau maintient un haut debit meme lorsque le leadership change.
Enfin, nous discutons de l'architecture du systeme, y compris la Transaction Processing Unit (TPU), le runtime parallele Sealevel et Proof of Replication pour la verification du stockage des donnees. Les projections de performance demontrent que Solana peut traiter plus de 700 000 transactions par seconde sur un reseau gigabit standard, avec un debit qui evolue a mesure que le materiel s'ameliore.
Network Design
Desain jaringan Solana berpusat di sekitar sistem pemimpin berputar di mana validators bergiliran memproduksi blok. Pemimpin bertanggung jawab untuk mengurutkan transaksi masuk ke dalam aliran PoH dan mempublikasikan blok yang dihasilkan ke jaringan. Pemimpin dipilih melalui algoritme pembobotan taruhan, dan jadwal rotasi diketahui sebelumnya, sehingga memungkinkan jaringan mengoptimalkan penerusan transaksi.
Protokol Gulf Stream menghilangkan kebutuhan akan mempool tradisional dengan memungkinkan klien meneruskan transaksi langsung ke pemimpin yang akan datang. Ketika klien mengajukan transaksi, transaksi diteruskan ke pemimpin yang diharapkan berdasarkan jadwal rotasi. Jika pemimpin saat ini tidak dapat memproses transaksi tersebut, maka transaksi tersebut akan diteruskan ke pemimpin yang diharapkan berikutnya. Desain ini mengurangi latensi konfirmasi dan memungkinkan validators mengeksekusi transaksi lebih awal, sehingga lebih mengoptimalkan throughput.
Penyebaran transaksi menggunakan pendekatan multi-layer. Klien mengirim transaksi ke validators, yang meneruskannya ke pemimpin saat ini atau yang akan datang. Pemimpin mengurutkan transaksi ke dalam aliran PoH, menciptakan pemesanan total. Setelah diurutkan, pemimpin mengirimkan aliran PoH dan data transaksi ke validators, yang memverifikasi urutan PoH dan mengeksekusi transaksi secara paralel.
Desain jaringan juga mencakup protokol propagasi blok turbin yang memecah blok menjadi paket-paket yang lebih kecil dan mendistribusikannya ke seluruh jaringan dalam struktur pohon. Pendekatan ini meminimalkan kebutuhan bandwidth untuk validators individual sekaligus memastikan propagasi blok yang cepat. Dikombinasikan dengan kemampuan PoH untuk memverifikasi urutan transaksi, arsitektur ini memungkinkan Solana mencapai throughput yang tinggi tanpa mengorbankan desentralisasi.
Network Design
La conception du reseau Solana est centree sur un systeme de leaders rotatifs ou les validateurs produisent des blocs a tour de role. Le leader est responsable de sequencer les transactions entrantes dans le flux PoH et de publier les blocs resultants sur le reseau. Les leaders sont selectionnes par un algorithme pondere par la mise, et le calendrier de rotation est connu a l'avance, permettant au reseau d'optimiser le transfert des transactions.
Le protocole Gulf Stream elimine le besoin d'un mempool traditionnel en permettant aux clients de transmettre les transactions directement aux prochains leaders. Lorsqu'un client soumet une transaction, elle est transmise au leader attendu selon le calendrier de rotation. Si le leader actuel ne peut pas traiter la transaction, elle est transmise au prochain leader attendu. Cette conception reduit la latence de confirmation et permet aux validateurs d'executer les transactions a l'avance, optimisant davantage le debit.
La propagation des transactions utilise une approche multicouche. Les clients envoient les transactions aux validateurs, qui les transmettent au leader actuel ou prochain. Le leader sequence les transactions dans le flux PoH, creant un ordonnancement total. Une fois sequencees, le leader transmet le flux PoH et les donnees de transaction aux validateurs, qui verifient la sequence PoH et executent les transactions en parallele.
La conception du reseau inclut egalement un protocole de propagation de blocs Turbine qui decoupe les blocs en paquets plus petits et les distribue a travers le reseau dans une structure arborescente. Cette approche minimise les exigences de bande passante pour les validateurs individuels tout en assurant une propagation rapide des blocs. Combinee avec la capacite de PoH a verifier l'ordonnancement des transactions, cette architecture permet a Solana d'atteindre un haut debit sans sacrifier la decentralisation.
Proof of History
Bukti Riwayat adalah fungsi penundaan yang dapat diverifikasi yang diimplementasikan sebagai rantai hash berurutan menggunakan SHA-256. Generator PoH terus menghitung hash SHA-256, menggunakan setiap keluaran sebagai masukan untuk hash berikutnya. Hal ini menciptakan rantai berurutan di mana setiap hash hanya dapat dihitung setelah hash sebelumnya, sehingga membentuk urutan temporal yang dapat diverifikasi. Persyaratan komputasi untuk menghasilkan setiap hash menerapkan penundaan waktu minimum antar peristiwa.
Properti utama PoH adalah murah untuk diverifikasi namun mahal untuk diproduksi. Verifikator dapat memeriksa seluruh urutan hash secara paralel dengan membaginya menjadi beberapa segmen dan memeriksa setiap segmen secara independen, kemudian memverifikasi bahwa segmen tersebut terhubung dengan benar. Namun, pembuatannya harus berurutan — tidak ada cara untuk memprediksi keluaran rantai hash tanpa benar-benar menghitung setiap langkah perantara. Ketidaksimetrisan antara pembangkitan dan verifikasi inilah yang membuat PoH praktis.
Peristiwa eksternal dan data transaksi dimasukkan ke dalam urutan PoH dengan mencampurkannya ke dalam rantai hash. Ketika sebuah transaksi tiba, hash-nya digabungkan dengan status PoH saat ini, menciptakan catatan yang membuktikan transaksi tersebut ada pada titik tersebut dalam urutan. Generator PoH secara berkala mencatat pos pemeriksaan, menerbitkan nilai hash saat ini bersama dengan jumlah hash yang dihitung sejak pos pemeriksaan terakhir. Pos pemeriksaan ini memungkinkan validators memverifikasi urutan PoH secara efisien tanpa menghitung ulang setiap hash.
Urutan PoH berfungsi sebagai jam kriptografi untuk seluruh jaringan. Karena rantai hash bersifat berurutan dan dapat diverifikasi, node mana pun dapat membuktikan bahwa sejumlah waktu tertentu telah berlalu antara dua peristiwa hanya dengan menunjukkan hash yang dihitung selama interval tersebut. Hal ini menghilangkan kebutuhan node untuk mempercayai stempel waktu eksternal atau berkoordinasi satu sama lain untuk menetapkan urutan waktu, sehingga menghilangkan hambatan mendasar dalam konsensus blockchain tradisional.
Proof of History
Proof of History est une fonction de delai verifiable implementee sous forme de chaine de hachage sequentielle utilisant SHA-256. Le generateur PoH calcule continuellement des hachages SHA-256, utilisant chaque sortie comme entree pour le hachage suivant. Cela cree une chaine sequentielle ou chaque hachage ne peut etre calcule qu'apres le precedent, etablissant un ordonnancement temporel verifiable. L'exigence computationnelle pour generer chaque hachage impose un delai temporel minimum entre les evenements.
La propriete cle de PoH est qu'il est peu couteux a verifier mais couteux a produire. Un verificateur peut verifier l'ensemble de la sequence de hachage en parallele en la divisant en segments et en verifiant chaque segment independamment, puis en verifiant que les segments se connectent correctement. Cependant, la generation doit etre sequentielle — il n'y a aucun moyen de predire la sortie de la chaine de hachage sans calculer effectivement chaque etape intermediaire. Cette asymetrie entre generation et verification est ce qui rend PoH pratique.
Les evenements externes et les donnees de transaction sont inseres dans la sequence PoH en les melangeant dans la chaine de hachage. Lorsqu'une transaction arrive, son hachage est combine avec l'etat PoH actuel, creant un enregistrement qui prouve que la transaction existait a ce point de la sequence. Le generateur PoH enregistre periodiquement des points de controle, publiant la valeur de hachage actuelle ainsi que le nombre de hachages calcules depuis le dernier point de controle. Ces points de controle permettent aux validateurs de verifier efficacement la sequence PoH sans recalculer chaque hachage.
La sequence PoH sert d'horloge cryptographique pour l'ensemble du reseau. Parce que la chaine de hachage est sequentielle et verifiable, n'importe quel noeud peut prouver qu'une certaine quantite de temps s'est ecoulee entre deux evenements simplement en montrant les hachages qui ont ete calcules pendant cet intervalle. Cela elimine le besoin pour les noeuds de faire confiance aux horodatages externes ou de se coordonner entre eux pour etablir l'ordonnancement temporel, supprimant un goulot d'etranglement fondamental dans le consensus blockchain traditionnel.
Proof of History Sequence
Urutan Proof of History adalah rangkaian hash SHA-256 yang berkesinambungan di mana setiap hash bergantung pada keluaran sebelumnya. Urutannya dimulai dengan nilai benih awal, yang di-hash untuk menghasilkan keluaran pertama. Keluaran ini menjadi masukan untuk hash berikutnya, dan proses berulang tanpa batas. Generator juga memelihara penghitung yang melacak jumlah total hash yang dihitung, yang berfungsi sebagai "stempel waktu" PoH untuk kejadian di ledger.
Ketika data perlu dimasukkan ke dalam urutan (seperti hash transaksi atau tanda tangan validator), data tersebut digabungkan dengan status hash saat ini menggunakan fungsi pencampuran deterministik. Misalnya, jika status hash saat ini adalah hash_n dan kita ingin memasukkan data D, kita menghitung hash_{n+1} = SHA256(hash_n || D), dengan || menunjukkan penggabungan. Titik penyisipan dicatat bersama dengan nilai penghitung, membuktikan bahwa data D ada pada titik tertentu dalam urutan tersebut.
Verifikasi rangkaian PoH dapat diparalelkan dengan membagi rantai menjadi beberapa segmen. Misalnya, validator mungkin menerima pos pemeriksaan PoH setiap 10.000 hash. Untuk memverifikasi urutan antar pos pemeriksaan, validator dapat membagi 10.000 hash menjadi 100 segmen yang masing-masing terdiri dari 100 hash, memverifikasi setiap segmen secara independen secara paralel, dan kemudian memverifikasi bahwa segmen tersebut terhubung dengan benar. Hal ini memungkinkan verifikasi untuk diskalakan secara horizontal dengan jumlah inti CPU yang tersedia.
Urutan tersebut juga mendukung bukti efisien bahwa dua peristiwa terjadi dalam urutan tertentu. Dengan adanya dua penyisipan data pada nilai counter n dan m di mana n m, siapa pun dapat memverifikasi bahwa kejadian di n terjadi sebelum kejadian di m dengan memeriksa rantai hash di antara titik-titik tersebut. Properti ini memungkinkan Solana membuat catatan sejarah yang dapat diverifikasi dari semua peristiwa di jaringan tanpa memerlukan node untuk terus online atau mempercayai sumber waktu eksternal.
Proof of History Sequence
La sequence Proof of History est une chaine continue de hachages SHA-256 ou chaque hachage depend de la sortie precedente. La sequence commence avec une valeur de graine initiale, qui est hachee pour produire la premiere sortie. Cette sortie devient l'entree pour le hachage suivant, et le processus se repete indefiniment. Le generateur maintient egalement un compteur qui suit le nombre total de hachages calcules, qui sert d'«horodatage» PoH pour les evenements dans le registre.
Lorsque des donnees doivent etre inserees dans la sequence (comme des hachages de transactions ou des signatures de validateurs), elles sont combinees avec l'etat de hachage actuel en utilisant une fonction de melange deterministe. Par exemple, si l'etat de hachage actuel est hash_n et que nous voulons inserer les donnees D, nous calculons hash_{n+1} = SHA256(hash_n || D), ou || denote la concatenation. Le point d'insertion est enregistre avec la valeur du compteur, prouvant que les donnees D existaient a ce point specifique de la sequence.
La verification de la sequence PoH peut etre parallelisee en divisant la chaine en segments. Par exemple, un validateur pourrait recevoir des points de controle PoH tous les 10 000 hachages. Pour verifier la sequence entre les points de controle, le validateur peut diviser les 10 000 hachages en 100 segments de 100 hachages chacun, verifier chaque segment independamment en parallele, puis verifier que les segments se connectent correctement. Cela permet a la verification de s'adapter horizontalement avec le nombre de coeurs CPU disponibles.
La sequence prend egalement en charge des preuves efficaces que deux evenements se sont produits dans un ordre specifique. Etant donne deux insertions de donnees aux valeurs de compteur n et m ou n m, n'importe qui peut verifier que l'evenement a n s'est produit avant l'evenement a m en verifiant la chaine de hachage entre ces points. Cette propriete permet a Solana de creer un enregistrement historique verifiable de tous les evenements du reseau sans exiger que les noeuds soient en ligne en permanence ou fassent confiance a des sources de temps externes.
Timestamp
Proof of History berfungsi sebagai jam terdesentralisasi yang memberikan stempel waktu pada peristiwa tanpa bergantung pada waktu jam dinding. Setiap hash PoH mewakili "centang" terpisah dari jam kriptografi, dan nilai penghitungnya berfungsi sebagai stempel waktu. Karena rantai hash bersifat berurutan dan dapat diverifikasi, stempel waktu ini tidak dapat dipercaya — pengamat mana pun dapat memverifikasi bahwa stempel waktu tersebut sah dengan memeriksa rantai hash.
Di Solana, setiap validator dapat menghasilkan urutan PoH sendiri ketika bertindak sebagai pemimpin. Ketika validators merotasi kepemimpinan, mereka menyinkronkan urutan PoH mereka menggunakan pos pemeriksaan terakhir yang dikonfirmasi dari pemimpin sebelumnya. Hal ini memastikan kesinambungan catatan temporal meskipun validators yang berbeda bergiliran memproduksi blok. Jaringan menetapkan garis waktu kanonik dengan mencapai konsensus mengenai rangkaian PoH mana yang akan diterima sebagai bagian dari ledger resmi.
Sistem ini menangani penyimpangan jam dan perbedaan kinerja perangkat keras melalui kombinasi rotasi pemimpin dan konsensus. Jika pemimpin yang jahat atau salah mencoba untuk menghasilkan stempel waktu PoH pada tingkat yang salah (terlalu cepat atau terlalu lambat), validators dapat mendeteksi hal ini dengan membandingkan tingkat tick PoH terhadap generator PoH lokal mereka sendiri. Penyimpangan yang signifikan dari tingkat yang diharapkan menunjukkan adanya masalah, dan validators dapat menolak blok dari pemimpin yang rangkaian PoH-nya menyimpang terlalu jauh dari median jaringan.
Mekanisme penandaan waktu ini memecahkan salah satu masalah mendasar dalam sistem terdistribusi: menetapkan gagasan umum tentang waktu tanpa otoritas pusat yang tepercaya. Dengan menggunakan PoH sebagai jam terdesentralisasi, Solana memungkinkan validators memproses transaksi secara paralel sambil mempertahankan pemesanan yang konsisten secara global. Stempel waktu juga memberikan landasan untuk fitur berbasis waktu seperti berakhirnya transaksi, operasi terjadwal, dan pengukuran kinerja.
Timestamp
Proof of History fonctionne comme une horloge decentralisee qui attribue des horodatages aux evenements sans dependre du temps reel. Chaque hachage PoH represente un «tick» discret de l'horloge cryptographique, et la valeur du compteur sert d'horodatage. Parce que la chaine de hachage est sequentielle et verifiable, ces horodatages sont sans confiance — n'importe quel observateur peut verifier qu'un horodatage est legitime en verifiant la chaine de hachage.
Dans Solana, chaque validateur peut generer sa propre sequence PoH lorsqu'il agit en tant que leader. Lorsque les validateurs effectuent la rotation du leadership, ils synchronisent leurs sequences PoH en utilisant le dernier point de controle confirme du leader precedent. Cela assure la continuite de l'enregistrement temporel meme lorsque differents validateurs produisent des blocs a tour de role. Le reseau etablit une chronologie canonique en atteignant un consensus sur les sequences PoH a accepter comme partie du registre officiel.
Le systeme gere la derive de l'horloge et la variance des performances materielles grace a une combinaison de rotation des leaders et de consensus. Si un leader malveillant ou defaillant tente de generer des horodatages PoH a un rythme incorrect (trop rapide ou trop lent), les validateurs peuvent le detecter en comparant le taux de ticks PoH avec leurs propres generateurs PoH locaux. Des ecarts significatifs par rapport au taux attendu indiquent un probleme, et les validateurs peuvent rejeter les blocs des leaders dont les sequences PoH divergent trop de la mediane du reseau.
Ce mecanisme d'horodatage resout l'un des problemes fondamentaux des systemes distribues : etablir une notion commune du temps sans autorite centrale de confiance. En utilisant PoH comme horloge decentralisee, Solana permet aux validateurs de traiter les transactions en parallele tout en maintenant un ordonnancement globalement coherent. Les horodatages fournissent egalement une base pour des fonctionnalites basees sur le temps comme l'expiration des transactions, les operations programmees et la mesure des performances.
Proof of Stake Consensus
Mekanisme konsensus Solana, yang disebut Tower BFT, adalah algoritma Proof of Stake yang dirancang khusus untuk memanfaatkan properti temporal Proof of History. Validator mempertaruhkan token SOL untuk berpartisipasi dalam konsensus dan mendapatkan hadiah karena memvalidasi blok dengan benar. Sistem pemungutan suara dengan bobot taruhan memastikan bahwa validators dengan kepentingan ekonomi yang lebih besar dalam jaringan memiliki pengaruh yang lebih besar secara proporsional terhadap keputusan konsensus.
Inovasi inti di Tower BFT adalah penggunaan periode lockout yang meningkat secara eksponensial dengan setiap pemungutan suara berturut-turut. Ketika validator memberikan suara pada hash PoH, mereka berkomitmen pada fork ledger tersebut untuk sejumlah tick PoH tertentu. Jika mereka memberikan suara pada blok berikutnya di pertigaan itu, periode penguncian menjadi dua kali lipat. Hal ini menciptakan insentif ekonomi yang kuat bagi validators untuk terus memberikan suara pada fork yang sama, karena peralihan fork memerlukan menunggu hingga lockout yang lebih awal berakhir.
Khususnya, jika validator memberikan suara pada sebuah blok pada stempel waktu PoH t, mereka tidak dapat memberikan suara pada fork yang bertentangan hingga tanda 2^n terlampaui, dengan n adalah jumlah suara berturut-turut yang telah mereka buat pada fork saat ini. Mekanisme penguncian eksponensial ini membuat sistem aman dari serangan jarak jauh sekaligus memungkinkan penyelesaian yang cepat. Setelah mayoritas pemegang saham telah memberikan suara pada sebuah blok dengan kedalaman yang cukup, blok tersebut secara efektif diselesaikan.
Kondisi pemotongan menegakkan perilaku jujur. Jika validator memberikan suara pada dua fork yang bertentangan selama periode ketika keduanya harus dikunci, maka fork tersebut akan dipangkas — token yang dipertaruhkan akan dihancurkan sebagian dan dihapus dari set validator. Hal ini membuat tidak masuk akal secara ekonomi untuk mencoba mengelak atau perilaku Byzantine lainnya. Kombinasi stempel waktu PoH yang dapat diverifikasi dan penguncian eksponensial Tower BFT menciptakan mekanisme konsensus yang cepat dan aman, mencapai penyelesaian dalam hitungan detik dengan tetap menjaga jaminan keamanan sistem BFT tradisional.
Proof of Stake Consensus
Le mecanisme de consensus de Solana, appele Tower BFT, est un algorithme Proof of Stake specifiquement concu pour exploiter les proprietes temporelles de Proof of History. Les validateurs mettent en jeu des jetons SOL pour participer au consensus et gagner des recompenses pour la validation correcte des blocs. Le systeme de vote pondere par la mise garantit que les validateurs ayant un interet economique plus important dans le reseau ont une influence proportionnellement plus grande sur les decisions de consensus.
L'innovation centrale de Tower BFT est l'utilisation de periodes de verrouillage qui augmentent de maniere exponentielle a chaque vote consecutif. Lorsqu'un validateur vote sur un hachage PoH, il s'engage sur cette branche du registre pour un certain nombre de ticks PoH. S'il vote sur le bloc suivant de cette branche, la periode de verrouillage double. Cela cree une forte incitation economique pour les validateurs a continuer de voter sur la meme branche, car changer de branche necessiterait d'attendre l'expiration des verrouillages precedents.
Specifiquement, si un validateur vote sur un bloc a l'horodatage PoH t, il ne peut pas voter sur une branche conflictuelle tant que 2^n ticks ne se sont pas ecoules, ou n est le nombre de votes consecutifs effectues sur la branche actuelle. Ce mecanisme de verrouillage exponentiel rend le systeme securise contre les attaques a longue portee tout en permettant une finalite rapide. Une fois qu'une supermajority de la mise a vote sur un bloc avec une profondeur suffisante, ce bloc est effectivement finalise.
Les conditions de penalite imposent un comportement honnete. Si un validateur vote sur deux branches conflictuelles pendant une periode ou il devrait etre verrouille, il est penalise — ses jetons mis en jeu sont partiellement detruits et il est retire de l'ensemble des validateurs. Cela rend economiquement irrationnel de tenter l'equivocation ou tout autre comportement byzantin. La combinaison des horodatages verifiables de PoH et des verrouillages exponentiels de Tower BFT cree un mecanisme de consensus rapide et securise, atteignant la finalite en quelques secondes tout en maintenant les garanties de securite des systemes BFT traditionnels.
Streaming Proof of Replication
Bukti Replikasi (PoRep) adalah mekanisme yang memungkinkan validators membuktikan bahwa mereka menyimpan data ledger tanpa mengungkapkan data itu sendiri atau memerlukan komputasi intensif. Solana mengimplementasikan versi streaming PoRep di mana validators terus menunjukkan bahwa mereka mereplikasi status blockchain. Hal ini penting untuk keamanan jaringan, karena memastikan bahwa data ledger didistribusikan dengan benar di validators dan tidak terkonsentrasi di beberapa lokasi.
Mekanisme PoRep bekerja dengan meminta validators mengenkripsi segmen ledger menggunakan enkripsi mode CBC (Cipher Block Chaining) dengan kunci khusus validator yang berasal dari identitasnya. Proses enkripsi sedemikian rupa sehingga setiap blok terenkripsi bergantung pada blok sebelumnya, menciptakan rantai yang unik untuk setiap validator. Hal ini mencegah validators sekadar menyalin data terenkripsi satu sama lain — setiap validator harus menyimpan dan memproses data ledger asli untuk menghasilkan versi terenkripsi uniknya.
Secara berkala, jaringan mengeluarkan tantangan kepada validators yang meminta mereka menyediakan blok terenkripsi tertentu. Karena enkripsi dirantai, validator harus menyimpan semua blok sebelumnya untuk menghasilkan respons yang benar. validator mengirimkan blok terenkripsinya bersama dengan bukti Merkle yang menunjukkan posisinya di ledger terenkripsi. Jaringan dapat memverifikasi bukti ini dengan cepat tanpa perlu mendekripsi atau mengenkripsi ulang data.
Pendekatan streaming pada PoRep ini memiliki overhead yang rendah dibandingkan dengan sistem bukti penyimpanan tradisional. Validator dapat mengenkripsi data yang diterima dan merespons tantangan dengan latensi minimal. Sistem juga memungkinkan pemulihan jika terjadi kehilangan data — jika validator kehilangan sebagian dari ledger, mereka dapat mengunduh ulang dari validators lain dan mengenkripsinya kembali. Kombinasi PoRep dengan stempel waktu PoH menciptakan sistem akuntabilitas lengkap di mana jaringan dapat memverifikasi kapan data dibuat dan apakah data disimpan dengan benar di seluruh jaringan validator.
Streaming Proof of Replication
Proof of Replication (PoRep) est un mecanisme qui permet aux validateurs de prouver qu'ils stockent les donnees du registre sans reveler les donnees elles-memes ni necessiter de calculs intensifs. Solana implemente une version en streaming de PoRep ou les validateurs demontrent continuellement qu'ils repliquent l'etat de la blockchain. Ceci est essentiel pour la securite du reseau, car cela garantit que les donnees du registre sont correctement distribuees entre les validateurs et non concentrees en quelques emplacements.
Le mecanisme PoRep fonctionne en faisant chiffrer par les validateurs des segments du registre en utilisant le chiffrement en mode CBC (Cipher Block Chaining) avec une cle specifique au validateur derivee de son identite. Le processus de chiffrement est tel que chaque bloc chiffre depend du bloc precedent, creant une chaine unique a chaque validateur. Cela empeche les validateurs de simplement copier les donnees chiffrees les uns des autres — chaque validateur doit stocker et traiter les donnees originales du registre pour generer sa version chiffree unique.
Periodiquement, le reseau emet des defis aux validateurs leur demandant de fournir des blocs chiffres specifiques. Parce que le chiffrement est enchaine, le validateur doit avoir stocke tous les blocs precedents pour generer la reponse correcte. Le validateur soumet son bloc chiffre accompagne d'une preuve de Merkle montrant sa position dans son registre chiffre. Le reseau peut verifier cette preuve rapidement sans avoir besoin de dechiffrer ou rechiffrer les donnees.
Cette approche en streaming de PoRep a une faible surcharge comparee aux systemes traditionnels de preuve de stockage. Les validateurs peuvent chiffrer les donnees a mesure qu'elles arrivent et repondre aux defis avec une latence minimale. Le systeme permet egalement la recuperation en cas de perte de donnees — si un validateur perd une partie du registre, il peut le retelecharger aupres d'autres validateurs et le rechiffrer. La combinaison de PoRep avec les horodatages PoH cree un systeme de responsabilite complet ou le reseau peut verifier a la fois quand les donnees ont ete creees et qu'elles sont correctement stockees a travers le reseau de validateurs.
System Architecture
Arsitektur sistem Solana dirancang sebagai saluran di mana berbagai tahapan pemrosesan transaksi terjadi secara paralel. Transaction Processing Unit (TPU) merupakan komponen inti yang bertanggung jawab menangani transaksi masuk. TPU terdiri dari beberapa tahapan: pengambilan (mengumpulkan transaksi), verifikasi tanda tangan, perbankan (eksekusi transaksi), dan menulis (melakukan penyimpanan). Setiap tahap beroperasi secara paralel pada transaksi yang berbeda, mirip dengan pipeline CPU.
Verifikasi tanda tangan dipercepat menggunakan GPU, yang sangat efisien pada operasi kriptografi kurva elips yang diperlukan untuk memverifikasi tanda tangan transaksi. Dengan memindahkan tugas komputasi intensif ini ke GPU, Solana dapat memverifikasi tanda tangan dengan kecepatan melebihi 900.000 per detik pada perangkat keras komoditas. Verifikasi tanda tangan paralel ini mencegah validasi kriptografi menjadi hambatan bahkan pada tingkat transaksi yang sangat tinggi.
Runtime Sealevel adalah mesin eksekusi kontrak pintar paralel Solana. Tidak seperti blockchain tradisional yang mengeksekusi transaksi secara berurutan, Sealevel menganalisis transaksi untuk mengidentifikasi akun mana yang mereka akses dan mengeksekusi transaksi yang tidak bertentangan secara paralel di beberapa inti CPU. Transaksi yang mengakses akun yang sama dijalankan secara berurutan untuk menjaga konsistensi, namun transaksi yang mengakses akun berbeda dapat berjalan secara bersamaan. Paralelisme ini dimungkinkan karena PoH menetapkan urutan global — validators dapat mengeksekusi transaksi dalam urutan apa pun selama transaksi tersebut diterapkan pada status dalam urutan yang ditentukan PoH.
Arsitekturnya juga mencakup komponen yang dioptimalkan untuk propagasi dan penyimpanan blok. Protokol propagasi blok turbin menggunakan pengkodean penghapusan untuk memecah blok menjadi paket-paket lebih kecil yang didistribusikan ke seluruh jaringan dalam struktur pohon, sehingga meminimalkan kebutuhan bandwidth. Jaringan Archivers menyediakan penyimpanan terdesentralisasi untuk data historis ledger, menggunakan PoRep untuk memastikan ketersediaan data. Bersama-sama, komponen-komponen ini menciptakan sistem yang dapat memproses ratusan ribu transaksi per detik dengan tetap menjaga sifat desentralisasi dan keamanan dari sebuah blockchain.
System Architecture
L'architecture systeme de Solana est concue comme un pipeline ou differentes etapes du traitement des transactions se deroulent en parallele. La Transaction Processing Unit (TPU) est le composant central responsable du traitement des transactions entrantes. La TPU comprend plusieurs etapes : fetch (collecte des transactions), verification des signatures, banking (execution des transactions) et write (ecriture dans le stockage). Chaque etape opere en parallele sur differentes transactions, similaire au pipeline d'un CPU.
La verification des signatures est acceleree a l'aide de GPUs, qui sont tres efficaces pour les operations de cryptographie sur courbes elliptiques necessaires a la verification des signatures de transactions. En deleguant cette tache computationnellement intensive aux GPUs, Solana peut verifier les signatures a des taux depassant 900 000 par seconde sur du materiel standard. Cette verification parallele des signatures empeche la validation cryptographique de devenir un goulot d'etranglement meme a des taux de transactions tres eleves.
Le runtime Sealevel est le moteur d'execution parallele des contrats intelligents de Solana. Contrairement aux blockchains traditionnelles qui executent les transactions sequentiellement, Sealevel analyse les transactions pour identifier quels comptes elles accedent et execute les transactions non conflictuelles en parallele sur plusieurs coeurs CPU. Les transactions accedant aux memes comptes sont executees sequentiellement pour maintenir la coherence, mais les transactions accedant a des comptes differents peuvent s'executer simultanement. Ce parallelisme est possible parce que PoH etablit un ordonnancement global — les validateurs peuvent executer les transactions dans n'importe quel ordre tant qu'ils les appliquent a l'etat dans la sequence specifiee par PoH.
L'architecture inclut egalement des composants optimises pour la propagation et le stockage des blocs. Le protocole de propagation de blocs Turbine utilise le codage a effacement pour decouper les blocs en paquets plus petits distribues a travers le reseau dans une structure arborescente, minimisant les exigences de bande passante. Le reseau d'Archivers fournit un stockage decentralise pour les donnees historiques du registre, utilisant PoRep pour assurer la disponibilite des donnees. Ensemble, ces composants creent un systeme capable de traiter des centaines de milliers de transactions par seconde tout en maintenant les proprietes de decentralisation et de securite d'une blockchain.
Performance
Arsitektur Solana dirancang untuk mencapai tingkat kinerja yang dapat disesuaikan dengan peningkatan perangkat keras, mengikuti Hukum Moore. Pada koneksi jaringan standar 1 gigabit, throughput maksimum teoretis adalah sekitar 710.000 transaksi per detik, dengan asumsi 176 byte per transaksi (termasuk tanda tangan dan metadata). Perhitungan ini didasarkan pada bandwidth jaringan sebagai hambatan utama, dan hambatan komputasi dihilangkan melalui paralelisasi.
Verifikasi tanda tangan, yang sering kali menjadi faktor pembatas kinerja blockchain, dipercepat menggunakan paralelisasi GPU. Sebuah GPU dapat memverifikasi lebih dari 900.000 tanda tangan ed25519 per detik, yang melebihi batas throughput jaringan. Ini berarti verifikasi tanda tangan tidak membatasi kinerja sistem — hambatannya beralih ke bandwidth jaringan dan eksekusi transaksi. Untuk transaksi sederhana yang hanya mentransfer nilai tanpa logika kontrak pintar yang rumit, tahap perbankan dapat memproses transaksi dengan tarif yang sesuai dengan tarif input jaringan.
Generator PoH berjalan pada inti CPU khusus, menghasilkan sekitar 4.000 hash per milidetik pada prosesor 4GHz. Pada tingkat ini, urutan PoH memberikan stempel waktu dengan granularitas 0,25 mikrodetik, yang cukup untuk memesan jutaan transaksi per detik. Sifat pembangkitan PoH yang berurutan berarti komponen ini tidak dapat diparalelkan, namun throughputnya cukup tinggi sehingga tidak membatasi kinerja sistem secara keseluruhan.
Seiring dengan peningkatan perangkat keras, throughput Solana akan meningkat sesuai skalanya. Jaringan yang lebih cepat, GPU yang lebih bertenaga, dan CPU yang lebih baik semuanya berkontribusi pada tingkat transaksi yang lebih tinggi. Sistem dirancang untuk memanfaatkan peningkatan ini tanpa memerlukan perubahan protokol. Pendekatan skalabilitas ini kontras dengan blockchain yang pada dasarnya dibatasi oleh mekanisme konsensus berurutan, memungkinkan Solana mencapai tingkat kinerja yang sebelumnya dianggap mustahil dalam sistem desentralisasi dengan tetap menjaga jaminan keamanan dan desentralisasi.
Performance
L'architecture de Solana est concue pour atteindre des niveaux de performance qui evoluent avec les ameliorations materielles, suivant la loi de Moore. Sur une connexion reseau gigabit standard, le debit theorique maximal est d'environ 710 000 transactions par seconde, en supposant 176 octets par transaction (signatures et metadonnees incluses). Ce calcul est base sur la bande passante reseau comme goulot d'etranglement principal, les goulots d'etranglement computationnels etant elimines par la parallelisation.
La verification des signatures, souvent un facteur limitant dans les performances blockchain, est acceleree par la parallelisation GPU. Un seul GPU peut verifier plus de 900 000 signatures ed25519 par seconde, ce qui depasse la limite de debit du reseau. Cela signifie que la verification des signatures ne contraint pas les performances du systeme — le goulot d'etranglement se deplace vers la bande passante reseau et l'execution des transactions. Pour les transactions simples qui ne font que transferer de la valeur sans logique complexe de contrats intelligents, l'etape de banking peut traiter les transactions a des taux correspondant au taux d'entree du reseau.
Le generateur PoH fonctionne sur un coeur CPU dedie, produisant environ 4 000 hachages par milliseconde sur un processeur a 4 GHz. A ce rythme, la sequence PoH fournit des horodatages avec une granularite de 0,25 microseconde, ce qui est suffisant pour ordonner des millions de transactions par seconde. La nature sequentielle de la generation PoH signifie que ce composant ne peut pas etre parallelise, mais le debit est suffisamment eleve pour ne pas limiter les performances globales du systeme.
A mesure que le materiel s'ameliore, le debit de Solana evolue en consequence. Des reseaux plus rapides, des GPUs plus puissants et des CPUs ameliores contribuent tous a des taux de transactions plus eleves. Le systeme est concu pour tirer parti de ces ameliorations sans necessiter de modifications du protocole. Cette approche d'evolutivite contraste avec les blockchains fondamentalement limitees par des mecanismes de consensus sequentiels, permettant a Solana d'atteindre des niveaux de performance precedemment consideres comme impossibles dans un systeme decentralise tout en maintenant les garanties de securite et de decentralisation.
Conclusion
Proof of History mewakili terobosan mendasar dalam arsitektur blockchain dengan memecahkan masalah waktu yang membatasi skalabilitas ledger yang didistribusikan. Dengan membuat jam kriptografi yang dapat diverifikasi, PoH memungkinkan validators untuk menetapkan urutan peristiwa secara temporal tanpa overhead komunikasi ekstensif yang diperlukan oleh mekanisme konsensus tradisional. Inovasi ini menghilangkan hambatan kritis dan memungkinkan pemrosesan transaksi diparalelkan di seluruh jaringan.
Integrasi PoH dengan komponen sistem yang dioptimalkan — verifikasi tanda tangan yang dipercepat GPU, eksekusi transaksi paralel melalui Sealevel, dan protokol propagasi blok yang efisien — menciptakan blockchain yang dapat memproses ratusan ribu transaksi per detik pada perangkat keras komoditas. Yang lebih penting lagi, arsitekturnya dirancang untuk disesuaikan dengan peningkatan perangkat keras, yang berarti kinerja akan terus meningkat seiring dengan kecepatan prosesor dan jaringan yang lebih mumpuni.
Desain Solana menunjukkan bahwa kinerja tinggi dan desentralisasi tidak bisa dipisahkan satu sama lain. Dengan memanfaatkan PoH sebagai landasan konsensus dan koordinasi sistem, jaringan mencapai tingkat throughput yang sebanding dengan database terpusat sambil menjaga properti keamanan dan ketahanan sensor dari blockchain yang terdesentralisasi. Mekanisme konsensus Tower BFT dengan pembobotan pasak memastikan bahwa jaringan tetap aman terhadap aktor Byzantine sekaligus mencapai penyelesaian yang cepat.
Penerapan arsitektur ini memberikan jalan praktis ke depan bagi teknologi blockchain untuk mencapai adopsi global. Aplikasi yang memerlukan throughput transaksi yang tinggi – seperti bursa terdesentralisasi, platform game, dan sistem keuangan – kini dapat dibangun pada infrastruktur yang benar-benar terdesentralisasi tanpa mengorbankan kinerja. Proof of History membuka pintu bagi aplikasi blockchain generasi baru yang sebelumnya tidak dapat dijalankan karena kendala skalabilitas.
Conclusion
Proof of History represente une percee fondamentale dans l'architecture blockchain en resolvant le probleme de synchronisation qui a limite l'evolutivite des registres distribues. En creant une horloge cryptographique verifiable, PoH permet aux validateurs d'etablir un ordonnancement temporel des evenements sans la surcharge de communication extensive requise par les mecanismes de consensus traditionnels. Cette innovation supprime un goulot d'etranglement critique et permet au traitement des transactions d'etre parallelise a travers le reseau.
L'integration de PoH avec des composants systeme optimises — verification des signatures acceleree par GPU, execution parallele des transactions via Sealevel et protocoles efficaces de propagation des blocs — cree une blockchain capable de traiter des centaines de milliers de transactions par seconde sur du materiel standard. Plus important encore, l'architecture est concue pour evoluer avec les ameliorations materielles, ce qui signifie que les performances continueront d'augmenter a mesure que les processeurs deviendront plus rapides et les reseaux plus performants.
La conception de Solana demontre que haute performance et decentralisation ne sont pas mutuellement exclusives. En tirant parti de PoH comme fondation pour le consensus et la coordination du systeme, le reseau atteint des niveaux de debit comparables aux bases de donnees centralisees tout en maintenant les proprietes de securite et de resistance a la censure d'une blockchain decentralisee. Le mecanisme de consensus Tower BFT pondere par la mise garantit que le reseau reste securise contre les acteurs byzantins tout en atteignant une finalite rapide.
L'implementation de cette architecture fournit un chemin pratique pour que la technologie blockchain evolue vers une adoption mondiale. Les applications necessitant un haut debit de transactions — comme les echanges decentralises, les plateformes de jeux et les systemes financiers — peuvent desormais etre construites sur une infrastructure veritablement decentralisee sans compromettre les performances. Proof of History ouvre la porte a une nouvelle generation d'applications blockchain qui etaient auparavant irrealisables en raison des contraintes d'evolutivite.
