Solana：高性能区块链的新架构
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
本文提出了一种高性能区块链的新架构。Solana实现了一种名为Proof of History（PoH）的新型计时机制——一种用于验证事件之间顺序和时间流逝的证明。PoH用于将无需信任的时间流逝编码到账本中，创建一个历史记录，证明某个事件发生在特定的时间点。
关键创新在于PoH允许网络中的节点在无需相互通信的情况下建立事件的时间顺序。通过使用以顺序哈希链实现的可验证延迟函数，系统生成了一个加密时钟，提供了一种验证事件之间时间流逝的方法。这使得网络能够在保持去中心化和安全性的同时每秒处理数千笔交易。
PoH与Proof of Stake（PoS）共识机制集成。这种组合使得高度优化的区块链架构成为可能，验证者可以并行验证交易并高效地达成共识。该系统被设计为随摩尔定律扩展，利用硬件性能的提升来改善吞吐量，而不牺牲去中心化网络的安全保障。
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
区块链系统面临的根本挑战是在保持去中心化和安全性的同时实现高交易吞吐量。当前的区块链实现受限于其共识机制，这些机制需要节点之间进行大量通信来就时间和事件排序达成一致。这种协调开销创建了瓶颈，阻止现有区块链扩展以满足全球规模应用的需求。
核心问题是时间。在分布式系统中，节点不能依赖外部时钟，因为它们无法信任其他节点的时间戳是准确的。传统的区块链共识协议通过让节点进行大量通信来就当前状态和交易顺序达成一致来解决这个问题。这种通信开销从根本上限制了吞吐量，因为网络只能以节点就排序达成共识的速度来处理交易。
Solana引入Proof of History作为这个时间问题的解决方案。PoH提供了一种加密方法来证明事件之间已经过了一定的时间，而无需依赖来自潜在恶意行为者的时间戳。通过创建可验证的历史记录，PoH使节点能够独立处理交易，同时仍然能够证明事件发生的顺序。这一突破使网络能够并行化交易处理并大幅提高吞吐量。
关键洞察是，如果我们能创建一个无需信任的时间源，就可以从共识中消除协调瓶颈。通过PoH提供加密时钟，验证者可以并行处理交易，只需在确定规范排序时进行通信。这种架构转变使Solana能够实现之前在去中心化区块链中被认为不可能的性能水平。
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
本文描述了Solana的技术架构，重点介绍Proof of History如何实现高性能区块链运行。文档首先解释PoH机制本身——顺序哈希链如何创建可验证的事件时间排序。我们详细说明使PoH安全的加密属性，并演示验证者如何高效地验证PoH序列。
然后，本文探讨PoH如何与Proof of Stake共识集成。我们描述Tower BFT，这是一种专门设计用于利用PoH时间属性的PoS算法。该集成允许验证者在特定的PoH时间戳上对账本状态进行投票，创建一个既快速又安全的共识机制。我们还解释了防止恶意行为的惩罚条件。
接下来，我们介绍Solana的网络设计和数据传播协议。Gulf Stream协议实现了无需内存池的交易转发，允许客户端直接向即将到来的领导者发送交易。我们描述领导者轮换如何工作以及网络如何在领导权更替时保持高吞吐量。
最后，我们讨论系统架构，包括Transaction Processing Unit（TPU）、Sealevel并行运行时和用于数据存储验证的Proof of Replication。性能预测表明，Solana可以在标准千兆网络上每秒处理超过700,000笔交易，并且吞吐量会随硬件改进而扩展。
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
Solana的网络设计以轮换领导者系统为中心，验证者轮流产生区块。领导者负责将传入的交易排序到PoH流中，并将产生的区块发布到网络。领导者通过权益加权算法选出，轮换时间表提前已知，使网络能够优化交易转发。
Gulf Stream协议通过使客户端能够直接将交易转发给即将到来的领导者，消除了对传统内存池的需求。当客户端提交交易时，它会根据轮换时间表转发给预期的领导者。如果当前领导者无法处理该交易，则将其转发给下一个预期领导者。这种设计减少了确认延迟，并允许验证者提前执行交易，进一步优化吞吐量。
交易传播使用多层方法。客户端将交易发送给验证者，验证者将其转发给当前或即将到来的领导者。领导者将交易排序到PoH流中，创建总排序。排序完成后，领导者将PoH流和交易数据传输给验证者，验证者验证PoH序列并并行执行交易。
网络设计还包括Turbine区块传播协议，该协议将区块分解为更小的数据包，并以树形结构在网络中分发。这种方法在确保快速区块传播的同时最小化了单个验证者的带宽需求。结合PoH验证交易排序的能力，这种架构使Solana能够在不牺牲去中心化的情况下实现高吞吐量。
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是一种使用SHA-256实现的顺序哈希链形式的可验证延迟函数。PoH生成器持续计算SHA-256哈希，使用每个输出作为下一个哈希的输入。这创建了一个顺序链，其中每个哈希只能在前一个哈希计算完成后才能计算，从而建立可验证的时间排序。生成每个哈希的计算要求强制了事件之间的最小时间延迟。
PoH的关键属性是验证成本低但生成成本高。验证者可以通过将哈希序列分成段，独立并行检查每个段，然后验证各段正确连接来检查整个哈希序列。然而，生成必须是顺序的——不实际计算每个中间步骤就无法预测哈希链的输出。生成和验证之间的这种不对称性使PoH变得实用。
外部事件和交易数据通过混合到哈希链中插入PoH序列。当交易到达时，其哈希与当前PoH状态结合，创建一条记录证明该交易在序列的该点存在。PoH生成器定期记录检查点，发布当前哈希值以及自上次检查点以来计算的哈希数量。这些检查点使验证者能够高效地验证PoH序列，而无需重新计算每个哈希。
PoH序列作为整个网络的加密时钟。因为哈希链是顺序的且可验证的，任何节点都可以通过展示在该时间间隔内计算的哈希来证明两个事件之间经过了一定的时间。这消除了节点信任外部时间戳或相互协调以建立时间排序的需要，消除了传统区块链共识中的根本瓶颈。
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
Proof of History序列是一个连续的SHA-256哈希链，其中每个哈希依赖于前一个输出。序列从初始种子值开始，该值被哈希以产生第一个输出。此输出成为下一个哈希的输入，过程无限重复。生成器还维护一个计数器，跟踪计算的哈希总数，作为账本中事件的PoH"时间戳"。
当需要将数据插入序列时（如交易哈希或验证者签名），使用确定性混合函数将其与当前哈希状态结合。例如，如果当前哈希状态是hash_n，我们想插入数据D，则计算hash_{n+1} = SHA256(hash_n || D)，其中||表示连接。插入点与计数器值一起记录，证明数据D在序列的该特定点存在。
PoH序列的验证可以通过将链分成段来并行化。例如，验证者可能每10,000个哈希接收一次PoH检查点。要验证检查点之间的序列，验证者可以将10,000个哈希分成100个段，每段100个哈希，独立并行验证每个段，然后验证各段正确连接。这允许验证随可用CPU核心数水平扩展。
序列还支持高效证明两个事件以特定顺序发生。给定在计数器值n和m（其中n m）处的两个数据插入，任何人都可以通过检查这些点之间的哈希链来验证n处的事件发生在m处的事件之前。此属性使Solana能够创建网络中所有事件的可验证历史记录，而无需节点持续在线或信任外部时间源。
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作为去中心化时钟运行，在不依赖墙钟时间的情况下为事件分配时间戳。每个PoH哈希代表加密时钟的一个离散"滴答"，计数器值作为时间戳。因为哈希链是顺序的且可验证的，这些时间戳是无需信任的——任何观察者都可以通过检查哈希链来验证时间戳的合法性。
在Solana中，每个验证者在充当领导者时可以生成自己的PoH序列。当验证者轮换领导权时，他们使用前一个领导者的最后确认检查点来同步其PoH序列。这确保了即使不同的验证者轮流产生区块，时间记录的连续性也得到保持。网络通过就接受哪些PoH序列作为官方账本的一部分达成共识来建立规范时间线。
系统通过领导者轮换和共识的组合来处理时钟漂移和硬件性能差异。如果恶意或故障的领导者试图以不正确的速率（过快或过慢）生成PoH时间戳，验证者可以通过将PoH滴答率与自己的本地PoH生成器进行比较来检测这一点。与预期速率的显著偏差表明存在问题，验证者可以拒绝PoH序列偏离网络中位数太远的领导者的区块。
这种时间戳机制解决了分布式系统中的一个基本问题：在没有受信任的中央机构的情况下建立共同的时间概念。通过使用PoH作为去中心化时钟，Solana使验证者能够在保持全局一致排序的同时并行处理交易。时间戳还为基于时间的功能提供了基础，如交易过期、定时操作和性能测量。
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
Solana的共识机制称为Tower BFT，是一种专门设计用于利用Proof of History时间属性的Proof of Stake算法。验证者质押SOL代币参与共识，并因正确验证区块而获得奖励。权益加权投票系统确保在网络中拥有更多经济利益的验证者在共识决策中拥有相应更大的影响力。
Tower BFT的核心创新是使用随每次连续投票呈指数增长的锁定期。当验证者对PoH哈希投票时，他们承诺在一定数量的PoH滴答内留在账本的该分叉上。如果他们对该分叉的下一个区块投票，锁定期翻倍。这为验证者继续在同一分叉上投票创造了强烈的经济激励，因为切换分叉需要等待早期锁定期到期。
具体来说，如果验证者在PoH时间戳t处对区块投票，则在2^n个滴答过去之前不能对冲突的分叉投票，其中n是他们在当前分叉上进行的连续投票次数。这种指数锁定机制使系统在允许快速最终性的同时抵御远程攻击。一旦绝对多数的权益在足够深度上对区块投票，该区块就被有效地最终确定。
惩罚条件强制执行诚实行为。如果验证者在应该被锁定的期间对两个冲突的分叉投票，他们将被惩罚——质押的代币被部分销毁，并从验证者集合中移除。这使得尝试模棱两可或其他拜占庭行为在经济上不合理。PoH的可验证时间戳与Tower BFT的指数锁定的结合创造了一个既快速又安全的共识机制，在保持传统BFT系统安全保障的同时，在几秒内实现最终性。
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）是一种允许验证者证明他们正在存储账本数据而无需揭示数据本身或需要密集计算的机制。Solana实现了PoRep的流式版本，验证者持续证明他们正在复制区块链状态。这对网络安全至关重要，因为它确保账本数据在验证者之间适当分布，而不是集中在少数位置。
PoRep机制通过让验证者使用从其身份派生的验证者特定密钥，以CBC（Cipher Block Chaining）模式加密账本段来工作。加密过程使每个加密块依赖于前一个块，创建一个对每个验证者唯一的链。这防止验证者简单地从彼此复制加密数据——每个验证者必须存储和处理原始账本数据才能生成其唯一的加密版本。
网络定期向验证者发出挑战，要求他们提供特定的加密块。因为加密是链式的，验证者必须存储所有前面的块才能生成正确的响应。验证者提交其加密块以及显示其在加密账本中位置的Merkle证明。网络可以快速验证此证明，而无需解密或重新加密数据。
这种流式PoRep方法与传统的存储证明系统相比开销较低。验证者可以在数据到达时进行加密，并以最小延迟响应挑战。系统还支持数据丢失时的恢复——如果验证者丢失了部分账本，可以从其他验证者重新下载并重新加密。PoRep与PoH时间戳的结合创建了一个完整的问责系统，网络可以验证数据的创建时间以及它在验证者网络中被正确存储。
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
Solana的系统架构被设计为流水线，交易处理的不同阶段并行进行。Transaction Processing Unit（TPU）是负责处理传入交易的核心组件。TPU由几个阶段组成：fetch（收集交易）、签名验证、banking（交易执行）和write（提交到存储）。每个阶段对不同的交易并行操作，类似于CPU流水线。
签名验证使用GPU加速，GPU在验证交易签名所需的椭圆曲线加密操作方面效率很高。通过将这个计算密集型任务卸载到GPU，Solana可以在商用硬件上以每秒超过900,000次的速率验证签名。这种并行签名验证防止了即使在非常高的交易速率下加密验证成为瓶颈。
Sealevel运行时是Solana的并行智能合约执行引擎。与顺序执行交易的传统区块链不同，Sealevel分析交易以识别它们访问哪些账户，并在多个CPU核心上并行执行不冲突的交易。访问相同账户的交易为保持一致性而顺序执行，但访问不同账户的交易可以同时运行。这种并行性之所以可能，是因为PoH建立了全局排序——验证者可以按任何顺序执行交易，只要按PoH指定的序列将其应用于状态。
架构还包括用于区块传播和存储的优化组件。Turbine区块传播协议使用纠删码将区块分解为更小的数据包，并以树形结构在网络中分发，最小化带宽需求。Archivers网络使用PoRep确保数据可用性，为历史账本数据提供去中心化存储。这些组件共同创建了一个系统，能够在保持区块链去中心化和安全属性的同时每秒处理数十万笔交易。
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
Solana的架构旨在实现随硬件改进而扩展的性能水平，遵循摩尔定律。在标准1千兆网络连接上，理论最大吞吐量约为每秒710,000笔交易，假设每笔交易176字节（包括签名和元数据）。此计算基于网络带宽作为主要瓶颈，计算瓶颈已通过并行化消除。
签名验证通常是区块链性能的限制因素，通过GPU并行化加速。单个GPU每秒可以验证超过900,000个ed25519签名，超过网络吞吐量限制。这意味着签名验证不会限制系统性能——瓶颈转移到网络带宽和交易执行。对于只转移价值而不涉及复杂智能合约逻辑的简单交易，banking阶段可以以匹配网络输入速率的速率处理交易。
PoH生成器在专用CPU核心上运行，在4GHz处理器上每毫秒产生约4,000个哈希。在此速率下，PoH序列提供0.25微秒粒度的时间戳，足以每秒排序数百万笔交易。PoH生成的顺序性质意味着此组件不能并行化，但吞吐量足够高，不会限制整体系统性能。
随着硬件改进，Solana的吞吐量相应扩展。更快的网络、更强大的GPU和改进的CPU都有助于更高的交易速率。系统被设计为无需协议更改即可利用这些改进。这种可扩展性方法与受顺序共识机制根本限制的区块链形成对比，使Solana能够在保持安全性和去中心化保障的同时，实现之前在去中心化系统中被认为不可能的性能水平。
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通过解决限制分布式账本可扩展性的时间问题，代表了区块链架构的根本性突破。通过创建可验证的加密时钟，PoH使验证者能够在不需要传统共识机制所需的大量通信开销的情况下建立事件的时间排序。这项创新消除了关键瓶颈，允许交易处理在网络中并行化。
PoH与优化的系统组件的集成——GPU加速签名验证、通过Sealevel的并行交易执行和高效的区块传播协议——创建了一个能够在商用硬件上每秒处理数十万笔交易的区块链。更重要的是，该架构被设计为随硬件改进而扩展，这意味着随着处理器变得更快、网络变得更强大，性能将持续提高。
Solana的设计证明了高性能和去中心化并非相互排斥。通过利用PoH作为共识和系统协调的基础，网络在保持去中心化区块链的安全性和抗审查属性的同时，实现了与中心化数据库相当的吞吐量水平。权益加权Tower BFT共识机制确保网络在实现快速最终性的同时抵御拜占庭行为者。
该架构的实现为区块链技术扩展到全球采用提供了实际路径。需要高交易吞吐量的应用——如去中心化交易所、游戏平台和金融系统——现在可以在不牺牲性能的情况下构建在真正去中心化的基础设施上。Proof of History为之前因可扩展性限制而不可行的新一代区块链应用打开了大门。
