Solana: Новая архитектура для высокопроизводительного блокчейна

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

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

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

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 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

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 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

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) — 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

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

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 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.