Solana: Новая архитектура для высокопроизводительного блокчейна
Abstract
본 논문은 고성능 블록체인을 위한 새로운 아키텍처를 제시한다. Solana는 Proof of History(PoH)라는 새로운 시간 기록 메커니즘을 구현한다. 이는 이벤트 간의 순서와 시간 경과를 검증하기 위한 증명이다. PoH는 신뢰가 필요 없는 시간 경과를 원장에 인코딩하는 데 사용되며, 특정 시점에 이벤트가 발생했음을 증명하는 역사적 기록을 생성한다.
핵심 혁신은 PoH가 네트워크의 노드들이 서로 통신할 필요 없이 이벤트의 시간적 순서를 확립할 수 있도록 한다는 점이다. 순차적 해시 체인으로 구현된 검증 가능한 지연 함수(VDF)를 사용함으로써, 시스템은 이벤트 간 시간 경과를 검증하는 방법을 제공하는 암호학적 시계를 생성한다. 이를 통해 네트워크는 탈중앙화와 보안을 유지하면서 초당 수천 건의 트랜잭션을 처리할 수 있다.
PoH는 Proof of Stake(PoS) 합의 메커니즘과 통합된다. 이 조합은 검증자가 트랜잭션을 병렬로 검증하고 효율적으로 합의에 도달할 수 있는 고도로 최적화된 블록체인 아키텍처를 가능하게 한다. 이 시스템은 무어의 법칙에 맞춰 확장되도록 설계되었으며, 분산 네트워크의 보안 보장을 희생하지 않으면서 하드웨어 성능 향상을 활용하여 처리량을 개선한다.
Abstract
В данной статье представлена новая архитектура высокопроизводительного блокчейна. Solana реализует новый механизм хронометража под названием Proof of History (PoH) -- доказательство для верификации порядка и хода времени между событиями. PoH используется для кодирования хода времени без необходимости доверия в леджере, создавая исторический реестр, доказывающий, что событие произошло в определённый момент времени.
Ключевая инновация заключается в том, что PoH позволяет узлам сети устанавливать временной порядок событий без необходимости взаимодействия друг с другом. Используя верифицируемую функцию задержки, реализованную в виде последовательной цепочки хешей, система генерирует криптографические часы, предоставляющие способ верификации хода времени между событиями. Это позволяет сети обрабатывать тысячи транзакций в секунду, сохраняя при этом децентрализацию и безопасность.
PoH интегрирован с механизмом консенсуса Proof of Stake (PoS). Такая комбинация обеспечивает высокооптимизированную архитектуру блокчейна, в которой валидаторы могут верифицировать транзакции параллельно и эффективно достигать консенсуса. Система спроектирована для масштабирования в соответствии с законом Мура, используя повышение производительности аппаратного обеспечения для увеличения пропускной способности без ущерба для гарантий безопасности децентрализованной сети.
Introduction
블록체인 시스템의 근본적인 과제는 탈중앙화와 보안을 유지하면서 높은 트랜잭션 처리량을 달성하는 것이다. 현재의 블록체인 구현은 시간과 이벤트 순서에 대해 합의하기 위해 노드 간 광범위한 통신을 요구하는 합의 메커니즘에 의해 제한된다. 이러한 조율 오버헤드는 기존 블록체인이 글로벌 규모의 애플리케이션 수요를 충족하기 위해 확장하는 것을 방해하는 병목 현상을 만든다.
핵심 문제는 시간이다. 분산 시스템에서 노드는 다른 노드의 타임스탬프가 정확한지 신뢰할 수 없기 때문에 외부 시계에 의존할 수 없다. 전통적인 블록체인 합의 프로토콜은 현재 상태와 트랜잭션 순서에 합의하기 위해 노드들이 광범위하게 통신하는 방식으로 이 문제를 해결한다. 이러한 통신 오버헤드는 근본적으로 처리량을 제한하는데, 네트워크는 노드가 순서에 대해 합의에 도달할 수 있는 속도만큼만 트랜잭션을 처리할 수 있기 때문이다.
Solana는 이 타이밍 문제에 대한 해결책으로 Proof of History를 도입한다. PoH는 악의적인 행위자의 타임스탬프에 의존하지 않고도 이벤트 사이에 일정량의 시간이 경과했음을 증명하는 암호학적 방법을 제공한다. 검증 가능한 역사적 기록을 생성함으로써, PoH는 노드가 이벤트 발생 순서를 증명할 수 있으면서도 독립적으로 트랜잭션을 처리할 수 있게 한다. 이 혁신은 네트워크가 트랜잭션 처리를 병렬화하고 처리량을 극적으로 증가시킬 수 있게 한다.
핵심 통찰은 신뢰가 필요 없는 시간 소스를 만들 수 있다면, 합의에서 조율 병목을 제거할 수 있다는 것이다. PoH가 암호학적 시계를 제공함으로써, 검증자는 트랜잭션을 병렬로 처리할 수 있으며 정규 순서를 확정하기 위해서만 통신하면 된다. 이러한 아키텍처 전환은 Solana가 탈중앙화된 블록체인에서 이전에 불가능하다고 여겨졌던 성능 수준을 달성할 수 있게 한다.
Introduction
Фундаментальная проблема блокчейн-систем заключается в достижении высокой пропускной способности транзакций при сохранении децентрализации и безопасности. Текущие реализации блокчейнов ограничены механизмами консенсуса, которые требуют обширной коммуникации между узлами для согласования времени и порядка событий. Эти координационные накладные расходы создают узкое место, препятствующее масштабированию существующих блокчейнов для удовлетворения потребностей глобальных приложений.
Ключевая проблема — время. В распределённых системах узлы не могут полагаться на внешние часы, поскольку не могут доверять точности временных меток других узлов. Традиционные протоколы консенсуса блокчейна решают эту проблему путём обширной коммуникации узлов для согласования текущего состояния и порядка транзакций. Эти коммуникационные накладные расходы фундаментально ограничивают пропускную способность, так как сеть может обрабатывать транзакции лишь с той скоростью, с которой узлы достигают консенсуса по их порядку.
Solana представляет Proof of History как решение проблемы синхронизации. PoH обеспечивает криптографический способ доказательства того, что между событиями прошло определённое количество времени, без необходимости полагаться на временные метки от потенциально злонамеренных участников. Создавая верифицируемую историческую запись, PoH позволяет узлам обрабатывать транзакции независимо, при этом сохраняя возможность доказать порядок происхождения событий. Этот прорыв позволяет сети параллелизировать обработку транзакций и значительно увеличить пропускную способность.
Ключевое понимание состоит в том, что если мы создадим доверенный источник времени, не требующий доверия, мы сможем устранить координационное узкое место из консенсуса. При наличии криптографических часов PoH валидаторы могут обрабатывать транзакции параллельно и взаимодействовать только для определения канонического порядка. Это архитектурное изменение позволяет Solana достигать уровней производительности, ранее считавшихся невозможными в децентрализованном блокчейне.
Outline
본 논문은 Proof of History가 고성능 블록체인 운영을 가능하게 하는 방식에 초점을 맞추어 Solana의 기술 아키텍처를 설명한다. 문서는 먼저 PoH 메커니즘 자체 — 순차적 해시 체인이 검증 가능한 시간적 순서를 생성하는 방법 — 를 설명한다. PoH를 안전하게 만드는 암호학적 속성을 상세히 기술하고, 검증자가 PoH 시퀀스를 효율적으로 검증할 수 있는 방법을 보여준다.
이어서 논문은 PoH가 Proof of Stake 합의와 어떻게 통합되는지 탐구한다. PoH의 시간적 속성을 활용하도록 특별히 설계된 PoS 알고리즘인 Tower BFT를 설명한다. 이 통합은 검증자가 특정 PoH 타임스탬프에서 원장 상태에 투표할 수 있게 하여, 빠르고 안전한 합의 메커니즘을 만든다. 또한 악의적 행동을 방지하는 슬래싱 조건도 설명한다.
다음으로, Solana의 네트워크 설계와 데이터 전파 프로토콜을 제시한다. Gulf Stream 프로토콜은 멤풀 없이 트랜잭션 전달을 가능하게 하여, 클라이언트가 다가오는 리더에게 직접 트랜잭션을 보낼 수 있게 한다. 리더 교체가 어떻게 작동하는지, 그리고 네트워크가 리더십이 변경되는 동안에도 높은 처리량을 유지하는 방법을 설명한다.
마지막으로, Transaction Processing Unit(TPU), Sealevel 병렬 런타임, 데이터 저장 검증을 위한 Proof of Replication을 포함한 시스템 아키텍처를 논의한다. 성능 예측은 Solana가 표준 기가비트 네트워크에서 초당 700,000건 이상의 트랜잭션을 처리할 수 있으며, 하드웨어가 개선됨에 따라 처리량이 확장됨을 보여준다.
Outline
В данной работе описывается техническая архитектура Solana с акцентом на то, как Proof of History обеспечивает высокопроизводительную работу блокчейна. Документ сначала объясняет сам механизм PoH — как последовательная хеш-цепочка создаёт верифицируемый временной порядок событий. Мы подробно описываем криптографические свойства, обеспечивающие безопасность PoH, и демонстрируем, как валидаторы могут эффективно проверять последовательность PoH.
Затем статья исследует интеграцию PoH с консенсусом Proof of Stake. Мы описываем Tower BFT — алгоритм PoS, специально разработанный для использования временных свойств PoH. Интеграция позволяет валидаторам голосовать за состояние реестра при определённых временных метках PoH, создавая механизм консенсуса, который является одновременно быстрым и безопасным. Мы также объясняем условия штрафов, предотвращающих злонамеренное поведение.
Далее мы представляем сетевой дизайн Solana и протоколы распространения данных. Протокол Gulf Stream обеспечивает пересылку транзакций без необходимости в мемпуле, позволяя клиентам отправлять транзакции непосредственно предстоящим лидерам. Мы описываем работу ротации лидеров и способы поддержания высокой пропускной способности сети при смене лидерства.
Наконец, мы обсуждаем архитектуру системы, включая Transaction Processing Unit (TPU), параллельную среду выполнения Sealevel и Proof of Replication для верификации хранения данных. Прогнозы производительности показывают, что Solana может обрабатывать более 700 000 транзакций в секунду в стандартной гигабитной сети, при этом пропускная способность масштабируется с улучшением оборудования.
Network Design
Solana의 네트워크 설계는 검증자들이 교대로 블록을 생성하는 순환 리더 시스템을 중심으로 한다. 리더는 수신되는 트랜잭션을 PoH 스트림으로 시퀀싱하고 결과 블록을 네트워크에 게시하는 책임을 진다. 리더는 스테이크 가중 알고리즘을 통해 선출되며, 교체 일정은 사전에 알려져 있어 네트워크가 트랜잭션 전달을 최적화할 수 있다.
Gulf Stream 프로토콜은 클라이언트가 다가오는 리더에게 직접 트랜잭션을 전달할 수 있게 함으로써 기존의 멤풀 필요성을 제거한다. 클라이언트가 트랜잭션을 제출하면, 교체 일정에 따라 예상 리더에게 전달된다. 현재 리더가 트랜잭션을 처리할 수 없는 경우, 다음 예상 리더에게 전달한다. 이 설계는 확인 지연을 줄이고 검증자가 미리 트랜잭션을 실행할 수 있게 하여 처리량을 더욱 최적화한다.
트랜잭션 전파는 다층 접근 방식을 사용한다. 클라이언트는 검증자에게 트랜잭션을 보내고, 검증자는 현재 또는 다가오는 리더에게 이를 전달한다. 리더는 트랜잭션을 PoH 스트림으로 시퀀싱하여 전체 순서를 생성한다. 시퀀싱이 완료되면, 리더는 PoH 스트림과 트랜잭션 데이터를 검증자에게 전송하고, 검증자는 PoH 시퀀스를 검증하고 트랜잭션을 병렬로 실행한다.
네트워크 설계에는 블록을 더 작은 패킷으로 나누어 트리 구조로 네트워크 전체에 분산하는 turbine 블록 전파 프로토콜도 포함된다. 이 접근 방식은 빠른 블록 전파를 보장하면서 개별 검증자의 대역폭 요구 사항을 최소화한다. PoH의 트랜잭션 순서 검증 능력과 결합된 이 아키텍처는 Solana가 탈중앙화를 희생하지 않으면서 높은 처리량을 달성할 수 있게 한다.
Network Design
Сетевой дизайн Solana основан на системе ротации лидеров, где валидаторы по очереди производят блоки. Лидер отвечает за упорядочивание входящих транзакций в поток PoH и публикацию результирующих блоков в сети. Лидеры выбираются с помощью алгоритма, взвешенного по стейку, а расписание ротации известно заранее, что позволяет сети оптимизировать пересылку транзакций.
Протокол Gulf Stream устраняет необходимость в традиционном мемпуле, позволяя клиентам пересылать транзакции непосредственно предстоящим лидерам. Когда клиент отправляет транзакцию, она пересылается ожидаемому лидеру на основе расписания ротации. Если текущий лидер не может обработать транзакцию, она пересылается следующему ожидаемому лидеру. Такой дизайн снижает задержку подтверждения и позволяет валидаторам выполнять транзакции заранее, дополнительно оптимизируя пропускную способность.
Распространение транзакций использует многоуровневый подход. Клиенты отправляют транзакции валидаторам, которые пересылают их текущему или предстоящему лидеру. Лидер упорядочивает транзакции в потоке PoH, создавая полный порядок. После упорядочивания лидер передаёт поток PoH и данные транзакций валидаторам, которые проверяют последовательность PoH и выполняют транзакции параллельно.
Сетевой дизайн также включает протокол распространения блоков Turbine, который разбивает блоки на более мелкие пакеты и распространяет их по сети в древовидной структуре. Этот подход минимизирует требования к пропускной способности для отдельных валидаторов, обеспечивая быстрое распространение блоков. В сочетании со способностью PoH верифицировать порядок транзакций эта архитектура позволяет Solana достигать высокой пропускной способности без ущерба для децентрализации.
Proof of History
Proof of History는 SHA-256을 사용한 순차적 해시 체인으로 구현된 검증 가능한 지연 함수(VDF)이다. PoH 생성기는 각 출력을 다음 해시의 입력으로 사용하여 SHA-256 해시를 지속적으로 계산한다. 이는 각 해시가 이전 해시 이후에만 계산될 수 있는 순차적 체인을 생성하여, 검증 가능한 시간적 순서를 확립한다. 각 해시를 생성하기 위한 계산 요구 사항은 이벤트 간 최소 시간 지연을 강제한다.
PoH의 핵심 속성은 검증은 저렴하지만 생성은 비용이 많이 든다는 것이다. 검증자는 해시 시퀀스를 세그먼트로 나누어 각 세그먼트를 독립적으로 검사한 후 세그먼트가 올바르게 연결되는지 확인함으로써 전체 해시 시퀀스를 병렬로 검사할 수 있다. 그러나 생성은 반드시 순차적이어야 한다 — 모든 중간 단계를 실제로 계산하지 않고는 해시 체인의 출력을 예측할 방법이 없다. 생성과 검증 사이의 이러한 비대칭성이 PoH를 실용적으로 만드는 것이다.
외부 이벤트와 트랜잭션 데이터는 해시 체인에 혼합되어 PoH 시퀀스에 삽입된다. 트랜잭션이 도착하면, 그 해시가 현재 PoH 상태와 결합되어 해당 트랜잭션이 시퀀스의 그 시점에 존재했음을 증명하는 기록이 생성된다. PoH 생성기는 주기적으로 체크포인트를 기록하며, 마지막 체크포인트 이후 계산된 해시 수와 함께 현재 해시 값을 게시한다. 이러한 체크포인트는 검증자가 모든 해시를 재계산하지 않고도 PoH 시퀀스를 효율적으로 검증할 수 있게 한다.
PoH 시퀀스는 전체 네트워크의 암호학적 시계 역할을 한다. 해시 체인은 순차적이고 검증 가능하므로, 어떤 노드든 해당 구간 동안 계산된 해시를 보여줌으로써 두 이벤트 사이에 일정량의 시간이 경과했음을 증명할 수 있다. 이는 노드가 외부 타임스탬프를 신뢰하거나 시간적 순서를 확립하기 위해 서로 조율할 필요를 제거하여, 전통적인 블록체인 합의의 근본적인 병목을 해소한다.
Proof of History
Proof of History — это верифицируемая функция задержки, реализованная в виде последовательной хеш-цепочки с использованием SHA-256. Генератор PoH непрерывно вычисляет хеши SHA-256, используя каждый выход в качестве входа для следующего хеша. Это создаёт последовательную цепочку, где каждый хеш может быть вычислен только после предыдущего, устанавливая верифицируемый временной порядок. Вычислительные требования для генерации каждого хеша обеспечивают минимальную временную задержку между событиями.
Ключевое свойство PoH заключается в том, что верификация обходится дёшево, а производство — дорого. Верификатор может проверить всю последовательность хешей параллельно, разделив её на сегменты и проверив каждый сегмент независимо, а затем убедившись, что сегменты правильно соединяются. Однако генерация должна быть последовательной — нет способа предсказать выход хеш-цепочки без фактического вычисления каждого промежуточного шага. Эта асимметрия между генерацией и верификацией делает PoH практичным.
Внешние события и данные транзакций вставляются в последовательность PoH путём их смешивания с хеш-цепочкой. Когда поступает транзакция, её хеш комбинируется с текущим состоянием PoH, создавая запись, доказывающую существование транзакции в данной точке последовательности. Генератор PoH периодически фиксирует контрольные точки, публикуя текущее значение хеша вместе с количеством хешей, вычисленных с последней контрольной точки. Эти контрольные точки позволяют валидаторам эффективно проверять последовательность PoH без пересчёта каждого хеша.
Последовательность PoH служит криптографическими часами для всей сети. Поскольку хеш-цепочка является последовательной и верифицируемой, любой узел может доказать, что между двумя событиями прошло определённое количество времени, просто показав хеши, вычисленные за этот интервал. Это устраняет необходимость для узлов доверять внешним временным меткам или координироваться друг с другом для установления временного порядка, устраняя фундаментальное узкое место в традиционном консенсусе блокчейна.
Proof of History Sequence
Proof of History 시퀀스는 각 해시가 이전 출력에 의존하는 연속적인 SHA-256 해시 체인이다. 시퀀스는 초기 시드 값에서 시작하며, 이 값을 해싱하여 첫 번째 출력을 생성한다. 이 출력은 다음 해시의 입력이 되고, 이 과정이 무한히 반복된다. 생성기는 또한 계산된 총 해시 수를 추적하는 카운터를 유지하며, 이는 원장에서 이벤트의 PoH "타임스탬프" 역할을 한다.
데이터를 시퀀스에 삽입해야 할 때(트랜잭션 해시나 검증자 서명 등), 결정론적 혼합 함수를 사용하여 현재 해시 상태와 결합된다. 예를 들어, 현재 해시 상태가 hash_n이고 데이터 D를 삽입하려면, hash_{n+1} = SHA256(hash_n || D)를 계산한다. 여기서 ||는 연결(concatenation)을 나타낸다. 삽입 지점은 카운터 값과 함께 기록되어, 데이터 D가 시퀀스의 해당 특정 지점에 존재했음을 증명한다.
PoH 시퀀스의 검증은 체인을 세그먼트로 분할하여 병렬화할 수 있다. 예를 들어, 검증자가 10,000 해시마다 PoH 체크포인트를 수신할 수 있다. 체크포인트 간 시퀀스를 검증하기 위해, 검증자는 10,000개의 해시를 각 100개씩 100개의 세그먼트로 분할하고, 각 세그먼트를 병렬로 독립적으로 검증한 다음, 세그먼트가 올바르게 연결되는지 확인할 수 있다. 이를 통해 검증은 사용 가능한 CPU 코어 수에 따라 수평적으로 확장될 수 있다.
시퀀스는 또한 두 이벤트가 특정 순서로 발생했음에 대한 효율적인 증명을 지원한다. n m인 카운터 값 n과 m에서의 두 데이터 삽입이 주어지면, 누구나 해당 지점 사이의 해시 체인을 확인하여 n의 이벤트가 m의 이벤트보다 먼저 발생했음을 검증할 수 있다. 이 속성은 Solana가 노드가 지속적으로 온라인 상태이거나 외부 시간 소스를 신뢰할 필요 없이 네트워크의 모든 이벤트에 대한 검증 가능한 역사적 기록을 생성할 수 있게 한다.
Proof of History Sequence
Последовательность Proof of History представляет собой непрерывную цепочку хешей SHA-256, где каждый хеш зависит от предыдущего выхода. Последовательность начинается с начального значения-зерна, которое хешируется для получения первого выхода. Этот выход становится входом для следующего хеша, и процесс повторяется бесконечно. Генератор также ведёт счётчик, отслеживающий общее количество вычисленных хешей, который служит «временной меткой» PoH для событий в реестре.
Когда данные необходимо вставить в последовательность (например, хеши транзакций или подписи валидаторов), они комбинируются с текущим состоянием хеша с использованием детерминированной функции смешивания. Например, если текущее состояние хеша — hash_n и мы хотим вставить данные D, мы вычисляем hash_{n+1} = SHA256(hash_n || D), где || обозначает конкатенацию. Точка вставки записывается вместе со значением счётчика, доказывая, что данные D существовали в этой конкретной точке последовательности.
Верификация последовательности PoH может быть распараллелена путём разделения цепочки на сегменты. Например, валидатор может получать контрольные точки PoH каждые 10 000 хешей. Для верификации последовательности между контрольными точками валидатор может разделить 10 000 хешей на 100 сегментов по 100 хешей, проверить каждый сегмент независимо и параллельно, а затем убедиться, что сегменты правильно соединяются. Это позволяет верификации горизонтально масштабироваться с количеством доступных ядер CPU.
Последовательность также поддерживает эффективные доказательства того, что два события произошли в определённом порядке. При наличии двух вставок данных при значениях счётчика n и m, где n m, любой может проверить, что событие при n произошло до события при m, проверив хеш-цепочку между этими точками. Это свойство позволяет Solana создавать верифицируемую историческую запись всех событий в сети без необходимости постоянного нахождения узлов в сети или доверия внешним источникам времени.
Timestamp
Proof of History는 벽시계 시간에 의존하지 않고 이벤트에 타임스탬프를 할당하는 탈중앙화된 시계로 기능한다. 각 PoH 해시는 암호학적 시계의 개별 "틱"을 나타내며, 카운터 값이 타임스탬프 역할을 한다. 해시 체인은 순차적이고 검증 가능하므로, 이러한 타임스탬프는 신뢰가 필요 없다 — 어떤 관찰자든 해시 체인을 확인하여 타임스탬프가 정당한지 검증할 수 있다.
Solana에서 각 검증자는 리더로 활동할 때 자체 PoH 시퀀스를 생성할 수 있다. 검증자가 리더십을 교체할 때, 이전 리더의 마지막 확인된 체크포인트를 사용하여 PoH 시퀀스를 동기화한다. 이는 서로 다른 검증자가 교대로 블록을 생성하더라도 시간 기록의 연속성을 보장한다. 네트워크는 공식 원장의 일부로 수용할 PoH 시퀀스에 대해 합의에 도달하여 정규 타임라인을 확립한다.
시스템은 리더 교체와 합의의 조합을 통해 클록 드리프트와 하드웨어 성능의 편차를 처리한다. 악의적이거나 결함이 있는 리더가 잘못된 속도(너무 빠르거나 너무 느리게)로 PoH 타임스탬프를 생성하려고 시도하면, 검증자는 자체 로컬 PoH 생성기와 비교하여 PoH 틱 속도를 비교함으로써 이를 감지할 수 있다. 예상 속도에서의 상당한 편차는 문제를 나타내며, 검증자는 PoH 시퀀스가 네트워크 중앙값에서 너무 벗어난 리더의 블록을 거부할 수 있다.
이 타임스탬핑 메커니즘은 분산 시스템의 근본적인 문제 중 하나인 신뢰할 수 있는 중앙 기관 없이 공통의 시간 개념을 확립하는 문제를 해결한다. PoH를 탈중앙화된 시계로 사용함으로써, Solana는 검증자가 전역적으로 일관된 순서를 유지하면서 트랜잭션을 병렬로 처리할 수 있게 한다. 타임스탬프는 또한 트랜잭션 만료, 예약된 작업, 성능 측정과 같은 시간 기반 기능의 기초를 제공한다.
Timestamp
Proof of History функционирует как децентрализованные часы, присваивающие временные метки событиям без зависимости от реального времени. Каждый хеш PoH представляет дискретный «тик» криптографических часов, а значение счётчика служит временной меткой. Поскольку хеш-цепочка является последовательной и верифицируемой, эти временные метки не требуют доверия — любой наблюдатель может проверить легитимность временной метки, проверив хеш-цепочку.
В Solana каждый валидатор может генерировать собственную последовательность PoH при работе в качестве лидера. При ротации лидерства валидаторы синхронизируют свои последовательности PoH, используя последнюю подтверждённую контрольную точку предыдущего лидера. Это обеспечивает непрерывность временной записи даже при смене валидаторов, производящих блоки. Сеть устанавливает каноническую временную линию путём достижения консенсуса о том, какие последовательности PoH принимать как часть официального реестра.
Система справляется с дрейфом часов и различиями в производительности оборудования посредством комбинации ротации лидеров и консенсуса. Если злонамеренный или неисправный лидер пытается генерировать временные метки PoH с неправильной скоростью (слишком быстро или слишком медленно), валидаторы могут обнаружить это, сравнив частоту тиков PoH со своими локальными генераторами PoH. Значительные отклонения от ожидаемой частоты указывают на проблему, и валидаторы могут отклонить блоки от лидеров, чьи последовательности PoH слишком сильно отклоняются от медианы сети.
Этот механизм временных меток решает одну из фундаментальных проблем распределённых систем: установление общего понятия времени без доверенного центрального органа. Используя PoH в качестве децентрализованных часов, Solana позволяет валидаторам обрабатывать транзакции параллельно, поддерживая глобально согласованный порядок. Временные метки также обеспечивают основу для функций, основанных на времени, таких как истечение срока транзакций, запланированные операции и измерение производительности.
Proof of Stake Consensus
Tower BFT라 불리는 Solana의 합의 메커니즘은 Proof of History의 시간적 속성을 활용하도록 특별히 설계된 Proof of Stake 알고리즘이다. 검증자는 SOL 토큰을 스테이킹하여 합의에 참여하고 블록을 올바르게 검증하면 보상을 받는다. 스테이크 가중 투표 시스템은 네트워크에 더 많은 경제적 이해관계를 가진 검증자가 합의 결정에 비례적으로 더 큰 영향력을 갖도록 보장한다.
Tower BFT의 핵심 혁신은 연속 투표마다 기하급수적으로 증가하는 잠금 기간의 사용이다. 검증자가 PoH 해시에 투표하면, 일정 수의 PoH 틱 동안 해당 원장의 포크에 대해 커밋한다. 해당 포크의 다음 블록에 투표하면 잠금 기간이 두 배가 된다. 이는 검증자가 동일한 포크에 계속 투표하도록 강력한 경제적 인센티브를 만드는데, 포크를 전환하려면 이전 잠금이 만료될 때까지 기다려야 하기 때문이다.
구체적으로, 검증자가 PoH 타임스탬프 t에서 블록에 투표하면, 2^n 틱이 경과할 때까지 충돌하는 포크에 투표할 수 없다. 여기서 n은 현재 포크에서 연속으로 한 투표 수이다. 이 기하급수적 잠금 메커니즘은 빠른 최종성을 허용하면서 장거리 공격에 대한 시스템의 보안을 유지한다. 충분한 깊이로 블록에 대해 스테이크의 초과반수가 투표하면, 해당 블록은 사실상 확정된다.
슬래싱 조건은 정직한 행동을 강제한다. 검증자가 잠금 상태여야 하는 기간 동안 두 개의 충돌하는 포크에 투표하면, 슬래싱된다 — 스테이킹된 토큰이 부분적으로 소각되고 검증자 세트에서 제거된다. 이는 이중 투표나 기타 비잔틴 행동을 시도하는 것을 경제적으로 비합리적으로 만든다. PoH의 검증 가능한 타임스탬프와 Tower BFT의 기하급수적 잠금의 조합은 빠르고 안전한 합의 메커니즘을 만들어, 전통적인 BFT 시스템의 보안 보장을 유지하면서 수 초 만에 최종성을 달성한다.
Proof of Stake Consensus
Механизм консенсуса Solana, называемый Tower BFT, представляет собой алгоритм Proof of Stake, специально разработанный для использования временных свойств Proof of History. Валидаторы стейкают токены SOL для участия в консенсусе и получения вознаграждений за корректную валидацию блоков. Система голосования, взвешенная по стейку, гарантирует, что валидаторы с большей экономической заинтересованностью в сети имеют пропорционально большее влияние на решения консенсуса.
Ключевая инновация Tower BFT — использование периодов блокировки, экспоненциально возрастающих с каждым последовательным голосом. Когда валидатор голосует за хеш PoH, он берёт на себя обязательство по данному форку реестра на определённое количество тиков PoH. Если он голосует за следующий блок в том же форке, период блокировки удваивается. Это создаёт сильный экономический стимул для валидаторов продолжать голосовать за тот же форк, поскольку переключение на другой форк потребует ожидания истечения предыдущих блокировок.
Конкретно, если валидатор голосует за блок при временной метке PoH t, он не может голосовать за конфликтующий форк, пока не пройдёт 2^n тиков, где n — количество последовательных голосов на текущем форке. Этот механизм экспоненциальной блокировки делает систему устойчивой к атакам дальнего действия, одновременно обеспечивая быструю финализацию. Как только суперБольшинство стейка проголосовало за блок с достаточной глубиной, этот блок фактически финализирован.
Условия штрафования обеспечивают честное поведение. Если валидатор голосует за два конфликтующих форка в период, когда он должен быть заблокирован, он штрафуется — его застейканные токены частично уничтожаются и он исключается из набора валидаторов. Это делает экономически иррациональным попытки двойного голосования или иного византийского поведения. Сочетание верифицируемых временных меток PoH и экспоненциальных блокировок Tower BFT создаёт механизм консенсуса, который является одновременно быстрым и безопасным, достигая финализации за секунды при сохранении гарантий безопасности традиционных BFT-систем.
Streaming Proof of Replication
Proof of Replication(PoRep)은 검증자가 데이터 자체를 공개하거나 집약적인 계산을 요구하지 않고도 원장 데이터를 저장하고 있음을 증명할 수 있는 메커니즘이다. Solana는 검증자가 블록체인 상태를 복제하고 있음을 지속적으로 입증하는 스트리밍 버전의 PoRep을 구현한다. 이는 원장 데이터가 소수의 위치에 집중되지 않고 검증자 전체에 적절히 분산되도록 보장하므로 네트워크 보안에 필수적이다.
PoRep 메커니즘은 검증자가 자신의 아이덴티티에서 파생된 검증자 고유 키를 사용하여 CBC(Cipher Block Chaining) 모드 암호화로 원장의 세그먼트를 암호화하는 방식으로 작동한다. 암호화 프로세스는 각 암호화된 블록이 이전 블록에 의존하도록 되어 있어, 각 검증자에 고유한 체인을 생성한다. 이는 검증자가 단순히 서로의 암호화된 데이터를 복사하는 것을 방지한다 — 각 검증자는 고유한 암호화 버전을 생성하기 위해 원본 원장 데이터를 저장하고 처리해야 한다.
주기적으로, 네트워크는 검증자에게 특정 암호화된 블록을 제공하도록 요구하는 챌린지를 발행한다. 암호화가 체인으로 연결되어 있으므로, 검증자는 올바른 응답을 생성하기 위해 모든 선행 블록을 저장하고 있어야 한다. 검증자는 암호화된 원장에서의 위치를 보여주는 Merkle 증명과 함께 암호화된 블록을 제출한다. 네트워크는 데이터를 복호화하거나 재암호화할 필요 없이 이 증명을 신속하게 검증할 수 있다.
이 스트리밍 방식의 PoRep은 전통적인 저장 증명 시스템에 비해 오버헤드가 낮다. 검증자는 데이터가 도착하는 대로 암호화하고 최소한의 지연으로 챌린지에 응답할 수 있다. 시스템은 또한 데이터 손실 시 복구를 가능하게 한다 — 검증자가 원장의 일부를 잃으면, 다른 검증자로부터 다시 다운로드하여 재암호화할 수 있다. PoRep과 PoH 타임스탬프의 조합은 네트워크가 데이터가 생성된 시기와 검증자 네트워크 전체에 적절히 저장되어 있는지를 모두 검증할 수 있는 완전한 책임 시스템을 만든다.
Streaming Proof of Replication
Proof of Replication (PoRep) — это механизм, позволяющий валидаторам доказать, что они хранят данные реестра, не раскрывая сами данные и не требуя интенсивных вычислений. Solana реализует потоковую версию PoRep, где валидаторы непрерывно демонстрируют репликацию состояния блокчейна. Это необходимо для безопасности сети, так как обеспечивает правильное распределение данных реестра между валидаторами, а не их концентрацию в нескольких местах.
Механизм PoRep работает следующим образом: валидаторы шифруют сегменты реестра с использованием шифрования в режиме CBC (Cipher Block Chaining) с уникальным ключом валидатора, полученным из его идентификатора. Процесс шифрования таков, что каждый зашифрованный блок зависит от предыдущего, создавая цепочку, уникальную для каждого валидатора. Это предотвращает простое копирование зашифрованных данных между валидаторами — каждый валидатор должен хранить и обрабатывать исходные данные реестра для генерации своей уникальной зашифрованной версии.
Периодически сеть выдаёт задания валидаторам, требуя предоставить определённые зашифрованные блоки. Поскольку шифрование является цепочечным, валидатор должен хранить все предшествующие блоки для генерации правильного ответа. Валидатор предоставляет свой зашифрованный блок вместе с доказательством Меркла, показывающим его положение в зашифрованном реестре. Сеть может быстро проверить это доказательство без необходимости расшифровки или повторного шифрования данных.
Этот потоковый подход к PoRep имеет низкие накладные расходы по сравнению с традиционными системами доказательства хранения. Валидаторы могут шифровать данные по мере их поступления и отвечать на задания с минимальной задержкой. Система также обеспечивает восстановление в случае потери данных — если валидатор теряет часть реестра, он может загрузить её у других валидаторов и повторно зашифровать. Сочетание PoRep с временными метками PoH создаёт полную систему подотчётности, где сеть может проверить как время создания данных, так и их правильное хранение по всей сети валидаторов.
System Architecture
Solana의 시스템 아키텍처는 트랜잭션 처리의 여러 단계가 병렬로 진행되는 파이프라인으로 설계되었다. Transaction Processing Unit(TPU)은 수신되는 트랜잭션을 처리하는 핵심 구성 요소이다. TPU는 여러 단계로 구성된다: 페치(트랜잭션 수집), 서명 검증, 뱅킹(트랜잭션 실행), 쓰기(스토리지에 커밋). 각 단계는 CPU 파이프라이닝과 유사하게 서로 다른 트랜잭션에 대해 병렬로 작동한다.
서명 검증은 트랜잭션 서명 검증에 필요한 타원 곡선 암호화 연산에 매우 효율적인 GPU를 사용하여 가속된다. 이 계산 집약적인 작업을 GPU에 오프로딩함으로써, Solana는 범용 하드웨어에서 초당 900,000건 이상의 속도로 서명을 검증할 수 있다. 이 병렬 서명 검증은 매우 높은 트랜잭션 속도에서도 암호화 검증이 병목이 되는 것을 방지한다.
Sealevel 런타임은 Solana의 병렬 스마트 컨트랙트 실행 엔진이다. 트랜잭션을 순차적으로 실행하는 기존 블록체인과 달리, Sealevel은 트랜잭션이 접근하는 계정을 분석하여 충돌하지 않는 트랜잭션을 여러 CPU 코어에 걸쳐 병렬로 실행한다. 동일한 계정에 접근하는 트랜잭션은 일관성을 유지하기 위해 순차적으로 실행되지만, 서로 다른 계정에 접근하는 트랜잭션은 동시에 실행될 수 있다. 이 병렬성은 PoH가 전역 순서를 확립하기 때문에 가능하다 — 검증자는 PoH가 지정한 시퀀스로 상태에 적용하기만 하면 어떤 순서로든 트랜잭션을 실행할 수 있다.
아키텍처에는 블록 전파와 스토리지를 위한 최적화된 구성 요소도 포함된다. turbine 블록 전파 프로토콜은 이레이저 코딩을 사용하여 블록을 더 작은 패킷으로 나누어 트리 구조로 네트워크에 분산하여 대역폭 요구 사항을 최소화한다. Archivers 네트워크는 PoRep을 사용하여 데이터 가용성을 보장하면서 역사적 원장 데이터에 대한 탈중앙화된 스토리지를 제공한다. 이러한 구성 요소들이 함께 블록체인의 탈중앙화와 보안 속성을 유지하면서 초당 수십만 건의 트랜잭션을 처리할 수 있는 시스템을 만든다.
System Architecture
Системная архитектура Solana спроектирована как конвейер, где различные стадии обработки транзакций выполняются параллельно. Transaction Processing Unit (TPU) — центральный компонент, отвечающий за обработку входящих транзакций. TPU состоит из нескольких стадий: fetch (сбор транзакций), верификация подписей, banking (выполнение транзакций) и write (запись в хранилище). Каждая стадия работает параллельно над разными транзакциями, аналогично конвейеру процессора.
Верификация подписей ускоряется с помощью GPU, которые высокоэффективны в операциях криптографии на эллиптических кривых, необходимых для проверки подписей транзакций. Перенося эту вычислительно интенсивную задачу на GPU, Solana может проверять подписи со скоростью более 900 000 в секунду на стандартном оборудовании. Эта параллельная верификация подписей предотвращает превращение криптографической проверки в узкое место даже при очень высоких скоростях обработки транзакций.
Среда выполнения Sealevel — это параллельный движок исполнения смарт-контрактов Solana. В отличие от традиционных блокчейнов, выполняющих транзакции последовательно, Sealevel анализирует транзакции для определения используемых аккаунтов и выполняет неконфликтующие транзакции параллельно на нескольких ядрах CPU. Транзакции, обращающиеся к одним и тем же аккаунтам, выполняются последовательно для поддержания согласованности, но транзакции, обращающиеся к разным аккаунтам, могут выполняться одновременно. Этот параллелизм возможен благодаря глобальному порядку, установленному PoH — валидаторы могут выполнять транзакции в любом порядке, если применяют их к состоянию в последовательности, определённой PoH.
Архитектура также включает оптимизированные компоненты для распространения и хранения блоков. Протокол распространения блоков Turbine использует стирающее кодирование для разбиения блоков на более мелкие пакеты, распространяемые по сети в древовидной структуре, минимизируя требования к пропускной способности. Сеть Archivers обеспечивает децентрализованное хранение исторических данных реестра, используя PoRep для гарантии доступности данных. Вместе эти компоненты создают систему, способную обрабатывать сотни тысяч транзакций в секунду, сохраняя свойства децентрализации и безопасности блокчейна.
Performance
Solana의 아키텍처는 무어의 법칙을 따르며 하드웨어 개선에 맞춰 확장되는 성능 수준을 달성하도록 설계되었다. 표준 1기가비트 네트워크 연결에서 이론적 최대 처리량은 트랜잭션당 176바이트(서명 및 메타데이터 포함)를 가정할 때 초당 약 710,000건의 트랜잭션이다. 이 계산은 네트워크 대역폭을 주요 병목으로 하며, 병렬화를 통해 계산 병목은 제거된 것을 기반으로 한다.
블록체인 성능에서 종종 제한 요인이 되는 서명 검증은 GPU 병렬화를 사용하여 가속된다. 단일 GPU는 초당 900,000건 이상의 ed25519 서명을 검증할 수 있으며, 이는 네트워크 처리량 한도를 초과한다. 이는 서명 검증이 시스템 성능을 제약하지 않는다는 것을 의미하며 — 병목은 네트워크 대역폭과 트랜잭션 실행으로 이동한다. 복잡한 스마트 컨트랙트 로직 없이 단순히 가치를 이전하는 단순 트랜잭션의 경우, 뱅킹 단계는 네트워크 입력 속도에 맞는 속도로 트랜잭션을 처리할 수 있다.
PoH 생성기는 전용 CPU 코어에서 실행되며, 4GHz 프로세서에서 밀리초당 약 4,000개의 해시를 생성한다. 이 속도에서 PoH 시퀀스는 0.25마이크로초의 세분성으로 타임스탬프를 제공하며, 이는 초당 수백만 건의 트랜잭션을 정렬하는 데 충분하다. PoH 생성의 순차적 특성은 이 구성 요소가 병렬화될 수 없음을 의미하지만, 처리량이 충분히 높아 전체 시스템 성능을 제한하지 않는다.
하드웨어가 개선됨에 따라 Solana의 처리량은 그에 맞게 확장된다. 더 빠른 네트워크, 더 강력한 GPU, 개선된 CPU 모두가 더 높은 트랜잭션 속도에 기여한다. 시스템은 프로토콜 변경 없이 이러한 개선 사항을 활용하도록 설계되었다. 이 확장성 접근 방식은 순차적 합의 메커니즘에 의해 근본적으로 제한되는 블록체인과 대조되며, Solana가 보안과 탈중앙화 보장을 유지하면서 분산 시스템에서 이전에 불가능하다고 여겨졌던 성능 수준을 달성할 수 있게 한다.
Performance
Архитектура Solana разработана для достижения уровней производительности, масштабирующихся с улучшением оборудования в соответствии с законом Мура. При стандартном гигабитном сетевом подключении теоретическая максимальная пропускная способность составляет примерно 710 000 транзакций в секунду при размере транзакции 176 байт (включая подписи и метаданные). Этот расчёт основан на пропускной способности сети как основном узком месте, при этом вычислительные узкие места устранены посредством параллелизации.
Верификация подписей, часто являющаяся ограничивающим фактором производительности блокчейна, ускоряется с помощью параллелизации на GPU. Один GPU может проверять более 900 000 подписей ed25519 в секунду, что превышает предел пропускной способности сети. Это означает, что верификация подписей не ограничивает производительность системы — узкое место смещается к пропускной способности сети и выполнению транзакций. Для простых транзакций, только переводящих значение без сложной логики смарт-контрактов, стадия banking может обрабатывать транзакции со скоростью, соответствующей входной скорости сети.
Генератор PoH работает на выделенном ядре CPU, производя примерно 4 000 хешей в миллисекунду на процессоре 4 ГГц. При такой скорости последовательность PoH обеспечивает временные метки с точностью 0,25 микросекунды, что достаточно для упорядочивания миллионов транзакций в секунду. Последовательная природа генерации PoH означает, что этот компонент не может быть распараллелен, но пропускная способность достаточно высока, чтобы не ограничивать общую производительность системы.
По мере улучшения оборудования пропускная способность Solana масштабируется соответственно. Более быстрые сети, более мощные GPU и улучшенные CPU — всё это способствует увеличению скорости обработки транзакций. Система спроектирована для использования этих улучшений без необходимости изменения протокола. Этот подход к масштабированию контрастирует с блокчейнами, фундаментально ограниченными последовательными механизмами консенсуса, позволяя Solana достигать уровней производительности, ранее считавшихся невозможными в децентрализованной системе, при сохранении гарантий безопасности и децентрализации.
Conclusion
Proof of History는 분산 원장의 확장성을 제한해 온 타이밍 문제를 해결함으로써 블록체인 아키텍처의 근본적인 돌파구를 나타낸다. 검증 가능한 암호학적 시계를 만듦으로써, PoH는 검증자가 전통적인 합의 메커니즘이 요구하는 광범위한 통신 오버헤드 없이 이벤트의 시간적 순서를 확립할 수 있게 한다. 이 혁신은 핵심적인 병목을 제거하고 네트워크 전체에서 트랜잭션 처리를 병렬화할 수 있게 한다.
PoH와 최적화된 시스템 구성 요소 — GPU 가속 서명 검증, Sealevel을 통한 병렬 트랜잭션 실행, 효율적인 블록 전파 프로토콜 — 의 통합은 범용 하드웨어에서 초당 수십만 건의 트랜잭션을 처리할 수 있는 블록체인을 만든다. 더 중요한 것은, 이 아키텍처가 하드웨어 개선에 맞춰 확장되도록 설계되어 있어 프로세서가 빨라지고 네트워크가 더 강력해짐에 따라 성능이 계속 향상된다는 것이다.
Solana의 설계는 고성능과 탈중앙화가 상호 배타적이지 않음을 보여준다. PoH를 합의와 시스템 조율의 기반으로 활용함으로써, 네트워크는 탈중앙화된 블록체인의 보안과 검열 저항 속성을 유지하면서 중앙화된 데이터베이스에 견줄 수 있는 처리량 수준을 달성한다. 스테이크 가중 Tower BFT 합의 메커니즘은 빠른 최종성을 달성하면서 비잔틴 행위자에 대한 네트워크 보안을 보장한다.
이 아키텍처의 구현은 블록체인 기술이 글로벌 채택으로 확장하기 위한 실질적인 경로를 제공한다. 높은 트랜잭션 처리량을 요구하는 애플리케이션 — 탈중앙화 거래소, 게임 플랫폼, 금융 시스템 — 은 이제 성능을 타협하지 않으면서 진정으로 탈중앙화된 인프라 위에 구축될 수 있다. Proof of History는 이전에 확장성 제약으로 인해 실현 불가능했던 새로운 세대의 블록체인 애플리케이션의 문을 연다.
Conclusion
Proof of History представляет собой фундаментальный прорыв в архитектуре блокчейна, решая проблему синхронизации, которая ограничивала масштабируемость распределённых реестров. Создавая верифицируемые криптографические часы, PoH позволяет валидаторам устанавливать временной порядок событий без обширных коммуникационных накладных расходов, требуемых традиционными механизмами консенсуса. Эта инновация устраняет критическое узкое место и позволяет параллелизировать обработку транзакций по всей сети.
Интеграция PoH с оптимизированными системными компонентами — верификацией подписей с ускорением на GPU, параллельным выполнением транзакций через Sealevel и эффективными протоколами распространения блоков — создаёт блокчейн, способный обрабатывать сотни тысяч транзакций в секунду на стандартном оборудовании. Важнее всего то, что архитектура спроектирована для масштабирования с улучшением оборудования, что означает продолжение роста производительности по мере ускорения процессоров и повышения возможностей сетей.
Дизайн Solana демонстрирует, что высокая производительность и децентрализация не являются взаимоисключающими. Используя PoH в качестве основы для консенсуса и координации системы, сеть достигает уровней пропускной способности, сопоставимых с централизованными базами данных, сохраняя при этом свойства безопасности и устойчивости к цензуре децентрализованного блокчейна. Механизм консенсуса Tower BFT, взвешенный по стейку, обеспечивает безопасность сети от византийских участников при достижении быстрой финализации.
Реализация этой архитектуры обеспечивает практический путь к глобальному принятию технологии блокчейн. Приложения, требующие высокой пропускной способности транзакций — такие как децентрализованные биржи, игровые платформы и финансовые системы — теперь могут быть построены на по-настоящему децентрализованной инфраструктуре без компромиссов в производительности. Proof of History открывает дверь новому поколению блокчейн-приложений, ранее невозможных из-за ограничений масштабируемости.
