Solana: สถาปัตยกรรมใหม่สำหรับบล็อกเชนประสิทธิภาพสูง

Abstract

บทความนี้นำเสนอสถาปัตยกรรมใหม่สำหรับบล็อกเชนที่มีประสิทธิภาพสูง Solana ใช้กลไกการบอกเวลาแบบใหม่ที่เรียกว่า Proof of History (PoH) ซึ่งเป็นข้อพิสูจน์ในการตรวจสอบลำดับและการผ่านของเวลาระหว่างเหตุการณ์ต่างๆ PoH ใช้เพื่อเข้ารหัสเวลาที่ผ่านไปอย่างไม่ไว้วางใจใน ledger สร้างบันทึกทางประวัติศาสตร์ที่พิสูจน์ว่ามีเหตุการณ์เกิดขึ้นในช่วงเวลาหนึ่งโดยเฉพาะ

นวัตกรรมที่สำคัญคือ PoH ช่วยให้โหนดในเครือข่ายสร้างลำดับเหตุการณ์ชั่วคราวโดยไม่จำเป็นต้องสื่อสารระหว่างกัน ด้วยการใช้ฟังก์ชันหน่วงเวลาที่ตรวจสอบได้ซึ่งนำมาใช้เป็นสายโซ่แฮชตามลำดับ ระบบจะสร้างนาฬิกาเข้ารหัสที่ให้วิธีการตรวจสอบการผ่านของเวลาระหว่างเหตุการณ์ สิ่งนี้ทำให้เครือข่ายสามารถประมวลผลธุรกรรมหลายพันรายการต่อวินาทีในขณะที่ยังคงการกระจายอำนาจและความปลอดภัยไว้

PoH ถูกรวมเข้ากับกลไกฉันทามติ Proof of Stake (PoS) การรวมกันนี้ทำให้เกิดสถาปัตยกรรมบล็อกเชนที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมที่สุด โดยที่ validators สามารถตรวจสอบธุรกรรมแบบขนานและบรรลุฉันทามติได้อย่างมีประสิทธิภาพ ระบบได้รับการออกแบบให้ปรับขนาดตามกฎของมัวร์ โดยใช้ประโยชน์จากการเพิ่มประสิทธิภาพฮาร์ดแวร์เพื่อปรับปรุงปริมาณงานโดยไม่กระทบต่อการรับประกันความปลอดภัยของเครือข่ายแบบกระจายอำนาจ

Introduction

ความท้าทายพื้นฐานในระบบบล็อกเชนคือการบรรลุปริมาณธุรกรรมที่สูงในขณะที่ยังคงรักษาการกระจายอำนาจและความปลอดภัยไว้ การใช้งานบล็อกเชนในปัจจุบันถูกจำกัดด้วยกลไกที่เป็นเอกฉันท์ ซึ่งจำเป็นต้องมีการสื่อสารที่กว้างขวางระหว่างโหนดเพื่อให้ตกลงเรื่องเวลาและการเรียงลำดับของเหตุการณ์ ค่าใช้จ่ายในการประสานงานนี้ทำให้เกิดปัญหาคอขวดที่ป้องกันไม่ให้บล็อกเชนที่มีอยู่ขยายขนาดเพื่อตอบสนองความต้องการของแอปพลิเคชันระดับโลก

ปัญหาหลักคือเวลา ในระบบแบบกระจาย โหนดไม่สามารถพึ่งพานาฬิกาภายนอกได้ เนื่องจากไม่สามารถเชื่อถือได้ว่าการประทับเวลาของโหนดอื่นนั้นแม่นยำ โปรโตคอลฉันทามติบล็อคเชนแบบดั้งเดิมจะแก้ปัญหานี้โดยให้โหนดสื่อสารอย่างกว้างขวางเพื่อตกลงกับสถานะปัจจุบันและลำดับของธุรกรรม ค่าใช้จ่ายในการสื่อสารนี้จำกัดปริมาณงานโดยพื้นฐาน เนื่องจากเครือข่ายสามารถประมวลผลธุรกรรมได้เร็วเท่ากับที่โหนดสามารถบรรลุความเห็นพ้องต้องกันในการสั่งซื้อเท่านั้น

Solana แนะนำ Proof of History เพื่อเป็นแนวทางแก้ไขปัญหาเรื่องเวลานี้ PoH จัดเตรียมวิธีการเข้ารหัสเพื่อพิสูจน์ว่าระยะเวลาหนึ่งผ่านไประหว่างเหตุการณ์ต่างๆ โดยไม่ต้องอาศัยการประทับเวลาจากผู้ที่อาจเป็นอันตราย ด้วยการสร้างบันทึกประวัติที่ตรวจสอบได้ PoH ช่วยให้โหนดสามารถประมวลผลธุรกรรมได้อย่างอิสระ ในขณะที่ยังคงสามารถพิสูจน์ลำดับของเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นได้ ความก้าวหน้าครั้งนี้ทำให้เครือข่ายสามารถประมวลผลธุรกรรมแบบขนานและเพิ่มปริมาณงานได้อย่างมาก

ข้อมูลเชิงลึกที่สำคัญคือ ถ้าเราสามารถสร้างแหล่งที่มาของเวลาที่ไม่น่าไว้วางใจ เราก็สามารถขจัดปัญหาคอขวดของการประสานงานออกจากฉันทามติได้ ด้วย PoH ที่มีนาฬิกาเข้ารหัส validators สามารถประมวลผลธุรกรรมแบบขนาน และจำเป็นต้องสื่อสารเพื่อสรุปลำดับตามรูปแบบบัญญัติเท่านั้น การเปลี่ยนแปลงทางสถาปัตยกรรมนี้ช่วยให้ Solana บรรลุระดับประสิทธิภาพที่ก่อนหน้านี้คิดว่าเป็นไปไม่ได้ในบล็อกเชนแบบกระจายอำนาจ

Outline

เอกสารนี้จะอธิบายสถาปัตยกรรมทางเทคนิคของ Solana โดยเน้นไปที่วิธีที่ Proof of History ช่วยให้การดำเนินงานบล็อกเชนมีประสิทธิภาพสูงได้อย่างไร ในขั้นแรกเอกสารจะอธิบายกลไก PoH เองว่า hash chain แบบต่อเนื่องสร้างการเรียงลำดับเหตุการณ์ชั่วคราวที่ตรวจสอบได้อย่างไร เราให้รายละเอียดเกี่ยวกับคุณสมบัติการเข้ารหัสที่ทำให้ PoH ปลอดภัย และสาธิตวิธีที่ validators สามารถตรวจสอบลำดับ PoH ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

จากนั้น บทความนี้จะสำรวจว่า PoH ผสานรวมกับฉันทามติ Proof of Stake ได้อย่างไร เราอธิบาย Tower BFT ซึ่งเป็นอัลกอริทึม PoS ที่ออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติชั่วคราวของ PoH การผสานรวมช่วยให้ validators ลงคะแนนสถานะของ ledger ณ เวลาประทับ PoH ที่เฉพาะเจาะจง สร้างกลไกที่เป็นเอกฉันท์ที่ทั้งรวดเร็วและปลอดภัย นอกจากนี้เรายังอธิบายเงื่อนไขการตัดเฉือนที่ป้องกันพฤติกรรมที่เป็นอันตรายด้วย

ต่อไป เราจะนำเสนอการออกแบบเครือข่ายและโปรโตคอลการเผยแพร่ข้อมูลของ Solana โปรโตคอล Gulf Stream ช่วยให้สามารถส่งต่อธุรกรรมได้โดยไม่จำเป็นต้องใช้ mempool ช่วยให้ลูกค้าส่งธุรกรรมโดยตรงไปยังผู้นำที่กำลังจะมาถึง เราอธิบายวิธีการทำงานของการหมุนเวียนผู้นำ และวิธีที่เครือข่ายรักษาปริมาณงานที่สูง แม้ว่าผู้นำจะเปลี่ยนไปก็ตาม

สุดท้ายนี้ เราจะพูดถึงสถาปัตยกรรมระบบ รวมถึงหน่วยประมวลผลธุรกรรม (TPU), รันไทม์แบบขนาน Sealevel และ Proof of Replication สำหรับการตรวจสอบการจัดเก็บข้อมูล การคาดการณ์ประสิทธิภาพแสดงให้เห็นว่า Solana สามารถประมวลผลธุรกรรมได้มากกว่า 700,000 รายการต่อวินาทีบนเครือข่ายกิกะบิตมาตรฐาน โดยมีการปรับขนาดปริมาณงานเมื่อฮาร์ดแวร์ได้รับการปรับปรุง

Network Design

การออกแบบเครือข่ายของ Solana มีศูนย์กลางอยู่ที่ระบบผู้นำแบบหมุนเวียน โดยที่ validators ผลัดกันสร้างบล็อก ผู้นำมีหน้าที่รับผิดชอบในการจัดลำดับธุรกรรมขาเข้าลงในสตรีม PoH และเผยแพร่บล็อกผลลัพธ์ไปยังเครือข่าย ผู้นำจะถูกเลือกผ่านอัลกอริธึมแบบถ่วงน้ำหนักเดิมพัน และทราบกำหนดการหมุนเวียนล่วงหน้า ช่วยให้เครือข่ายเพิ่มประสิทธิภาพการส่งต่อธุรกรรมได้

โปรโตคอลกัลฟ์สตรีมช่วยลดความจำเป็นในการใช้ mempool แบบเดิม โดยช่วยให้ลูกค้าสามารถส่งต่อธุรกรรมโดยตรงไปยังผู้นำที่กำลังจะมาถึงได้ เมื่อลูกค้าส่งธุรกรรม มันจะถูกส่งต่อไปยังผู้นำที่คาดหวังตามกำหนดการหมุนเวียน หากผู้นำปัจจุบันไม่สามารถประมวลผลธุรกรรมได้ ก็จะส่งต่อไปยังผู้นำที่คาดหวังคนถัดไป การออกแบบนี้ช่วยลดเวลาแฝงในการยืนยัน และอนุญาตให้ validators ดำเนินธุรกรรมล่วงหน้า เพิ่มประสิทธิภาพปริมาณงานให้ดียิ่งขึ้น

การเผยแพร่ธุรกรรมใช้วิธีการแบบหลายชั้น ลูกค้าส่งธุรกรรมไปที่ validators ซึ่งส่งต่อไปยังผู้นำปัจจุบันหรือที่กำลังจะมาถึง ผู้นำจัดลำดับธุรกรรมลงในสตรีม PoH สร้างการเรียงลำดับทั้งหมด เมื่อจัดลำดับแล้ว ผู้นำจะส่งสตรีม PoH และข้อมูลธุรกรรมไปยัง validators ซึ่งจะตรวจสอบลำดับ PoH และดำเนินธุรกรรมแบบขนาน

การออกแบบเครือข่ายยังรวมถึงโปรโตคอลการแพร่กระจายบล็อกกังหันที่แบ่งบล็อกออกเป็นแพ็คเก็ตขนาดเล็กและกระจายไปทั่วเครือข่ายในโครงสร้างแบบต้นไม้ วิธีการนี้จะช่วยลดความต้องการแบนด์วิธสำหรับ validators แต่ละรายการให้เหลือน้อยที่สุด ในขณะเดียวกันก็รับประกันการแพร่กระจายของบล็อกอย่างรวดเร็ว เมื่อรวมกับความสามารถของ PoH ในการตรวจสอบลำดับของธุรกรรม สถาปัตยกรรมนี้ช่วยให้ Solana บรรลุปริมาณงานสูงโดยไม่ต้องเสียสละการกระจายอำนาจ

Proof of History

Proof of History เป็นฟังก์ชันหน่วงเวลาที่ตรวจสอบได้ซึ่งใช้งานเป็นห่วงโซ่แฮชตามลำดับโดยใช้ SHA-256 ตัวสร้าง PoH คำนวณแฮช SHA-256 อย่างต่อเนื่อง โดยใช้แต่ละเอาต์พุตเป็นอินพุตสำหรับแฮชถัดไป สิ่งนี้จะสร้างลำดับลูกโซ่โดยที่แต่ละแฮชสามารถคำนวณได้หลังจากแฮชก่อนหน้าเท่านั้น สร้างการเรียงลำดับชั่วคราวที่ตรวจสอบได้ ข้อกำหนดในการคำนวณเพื่อสร้างแต่ละแฮชบังคับให้มีการหน่วงเวลาขั้นต่ำระหว่างเหตุการณ์

คุณสมบัติหลักของ PoH คือ มีราคาถูกในการตรวจสอบแต่มีราคาแพงในการผลิต ผู้ตรวจสอบสามารถตรวจสอบลำดับแฮชทั้งหมดแบบขนานโดยแยกออกเป็นส่วนๆ และตรวจสอบแต่ละส่วนแยกจากกัน จากนั้นตรวจสอบว่าส่วนต่างๆ เชื่อมต่อกันอย่างถูกต้อง อย่างไรก็ตาม การสร้างจะต้องเป็นไปตามลำดับ — ไม่มีวิธีใดที่จะคาดเดาผลลัพธ์ของห่วงโซ่แฮชได้โดยไม่ต้องคำนวณทุกขั้นตอนระหว่างกลางจริงๆ ความไม่สมดุลระหว่างการสร้างและการตรวจสอบนี้คือสิ่งที่ทำให้ PoH ใช้งานได้จริง

เหตุการณ์ภายนอกและข้อมูลธุรกรรมจะถูกแทรกลงในลำดับ PoH โดยการผสมเหตุการณ์เหล่านั้นลงในห่วงโซ่แฮช เมื่อธุรกรรมมาถึง แฮชของธุรกรรมจะถูกรวมเข้ากับสถานะ PoH ปัจจุบัน สร้างบันทึกที่พิสูจน์ว่ามีธุรกรรมอยู่ที่จุดนั้นในลำดับ ตัวสร้าง PoH จะบันทึกจุดตรวจสอบเป็นระยะ โดยเผยแพร่ค่าแฮชปัจจุบันพร้อมกับจำนวนแฮชที่คำนวณตั้งแต่จุดตรวจสอบครั้งล่าสุด จุดตรวจสอบเหล่านี้อนุญาตให้ validators ตรวจสอบลำดับ PoH ได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่ต้องคำนวณทุกแฮชใหม่

ลำดับ PoH ทำหน้าที่เป็นนาฬิกาเข้ารหัสสำหรับทั้งเครือข่าย เนื่องจากห่วงโซ่แฮชเป็นแบบต่อเนื่องและตรวจสอบได้ โหนดใดๆ จึงสามารถพิสูจน์ได้ว่าระยะเวลาหนึ่งผ่านไประหว่างสองเหตุการณ์ เพียงแค่แสดงแฮชที่ถูกคำนวณในช่วงเวลานั้น ซึ่งช่วยลดความจำเป็นที่โหนดจะต้องเชื่อถือการประทับเวลาภายนอกหรือประสานงานซึ่งกันและกันเพื่อสร้างลำดับชั่วคราว ซึ่งช่วยขจัดปัญหาคอขวดพื้นฐานในฉันทามติบล็อกเชนแบบดั้งเดิม

Proof of History Sequence

ลำดับ Proof of History คือสายโซ่ต่อเนื่องของแฮช SHA-256 โดยแต่ละแฮชขึ้นอยู่กับเอาต์พุตก่อนหน้า ลำดับเริ่มต้นด้วยค่าเริ่มต้น ซึ่งถูกแฮชเพื่อสร้างเอาต์พุตแรก เอาต์พุตนี้จะกลายเป็นอินพุตสำหรับแฮชถัดไป และกระบวนการจะทำซ้ำอย่างไม่มีกำหนด ตัวสร้างยังรักษาตัวนับที่ติดตามจำนวนแฮชทั้งหมดที่คำนวณ ซึ่งทำหน้าที่เป็น "การประทับเวลา" ของ PoH สำหรับเหตุการณ์ใน ledger

เมื่อจำเป็นต้องแทรกข้อมูลลงในลำดับ (เช่น แฮชของธุรกรรมหรือลายเซ็น validator) ข้อมูลจะรวมกับสถานะแฮชปัจจุบันโดยใช้ฟังก์ชันผสมที่กำหนดขึ้น ตัวอย่างเช่น หากสถานะแฮชปัจจุบันคือ hash_n และเราต้องการแทรกข้อมูล D เราจะคำนวณ hash_{n+1} = SHA256(hash_n || D) โดยที่ || หมายถึงการต่อข้อมูลเข้าด้วยกัน จุดแทรกจะถูกบันทึกพร้อมกับค่าตัวนับ เพื่อพิสูจน์ว่ามีข้อมูล D อยู่ที่จุดเฉพาะนั้นในลำดับ

การตรวจสอบลำดับ PoH สามารถดำเนินการแบบขนานได้โดยการแยกสายโซ่ออกเป็นส่วนต่างๆ ตัวอย่างเช่น validator อาจได้รับจุดตรวจสอบ PoH ทุกๆ 10,000 แฮช ในการตรวจสอบลำดับระหว่างจุดตรวจสอบ validator สามารถแบ่งแฮช 10,000 รายการออกเป็น 100 ส่วน ส่วนละ 100 แฮช ตรวจสอบแต่ละส่วนแยกจากกันในแบบคู่ขนาน จากนั้นตรวจสอบว่าส่วนต่างๆ เชื่อมต่อกันอย่างถูกต้อง ซึ่งช่วยให้การตรวจสอบขยายขนาดในแนวนอนตามจำนวนคอร์ CPU ที่มีอยู่ได้

ลำดับยังสนับสนุนการพิสูจน์ที่มีประสิทธิภาพว่าเหตุการณ์สองเหตุการณ์เกิดขึ้นในลำดับเฉพาะ ด้วยการแทรกข้อมูลสองครั้งที่ค่าตัวนับ n และ m โดยที่ n m ใครๆ ก็สามารถตรวจสอบได้ว่าเหตุการณ์ที่ n เกิดขึ้นก่อนเหตุการณ์ที่ m โดยการตรวจสอบสายโซ่แฮชระหว่างจุดเหล่านั้น คุณสมบัตินี้ช่วยให้ Solana สร้างบันทึกประวัติที่ตรวจสอบได้ของเหตุการณ์ทั้งหมดในเครือข่าย โดยไม่ต้องกำหนดให้โหนดออนไลน์อย่างต่อเนื่องหรือเชื่อถือแหล่งเวลาภายนอก

Timestamp

Proof of History ทำหน้าที่เป็นนาฬิกากระจายอำนาจที่กำหนดเวลาให้กับเหตุการณ์โดยไม่ต้องอาศัยเวลาของนาฬิกาแขวน แฮช PoH แต่ละรายการแสดงถึง "เครื่องหมายถูก" ที่ไม่ต่อเนื่องของนาฬิกาเข้ารหัส และค่าตัวนับจะทำหน้าที่เป็นการประทับเวลา เนื่องจากสายแฮชเป็นแบบต่อเนื่องและตรวจสอบได้ การประทับเวลาเหล่านี้จึงไม่น่าเชื่อถือ ผู้สังเกตการณ์ทุกคนสามารถตรวจสอบได้ว่าการประทับเวลานั้นถูกต้องโดยการตรวจสอบสายแฮช

ใน Solana แต่ละ validator สามารถสร้างลำดับ PoH ของตัวเองได้เมื่อทำหน้าที่เป็นผู้นำ เมื่อ validators หมุนเวียนผู้นำ พวกเขาจะซิงโครไนซ์ลำดับ PoH ของตนโดยใช้จุดตรวจสอบที่ยืนยันล่าสุดจากผู้นำคนก่อน สิ่งนี้ทำให้มั่นใจถึงความต่อเนื่องของบันทึกชั่วคราว แม้ว่า validators ที่แตกต่างกันจะผลัดกันสร้างบล็อกก็ตาม เครือข่ายสร้างไทม์ไลน์ตามรูปแบบบัญญัติโดยบรรลุข้อตกลงร่วมกันว่าลำดับ PoH ใดที่จะยอมรับเป็นส่วนหนึ่งของ ledger อย่างเป็นทางการ

ระบบจะจัดการกับการเลื่อนของสัญญาณนาฬิกาและความแปรปรวนในประสิทธิภาพของฮาร์ดแวร์ผ่านการผสมผสานระหว่างการหมุนเวียนผู้นำและความเห็นพ้องต้องกัน หากผู้นำที่เป็นอันตรายหรือผิดพลาดพยายามสร้างการประทับเวลา PoH ในอัตราที่ไม่ถูกต้อง (เร็วเกินไปหรือช้าเกินไป) validators สามารถตรวจจับสิ่งนี้ได้โดยการเปรียบเทียบอัตราเห็บ PoH กับตัวสร้าง PoH ในพื้นที่ของตนเอง การเบี่ยงเบนอย่างมีนัยสำคัญจากอัตราที่คาดไว้บ่งบอกถึงปัญหา และ validators สามารถปฏิเสธบล็อกจากผู้นำที่มีลำดับ PoH แตกต่างจากค่ามัธยฐานของเครือข่ายมากเกินไป

กลไกการประทับเวลานี้แก้ปัญหาพื้นฐานประการหนึ่งในระบบแบบกระจาย: การสร้างแนวคิดทั่วไปเกี่ยวกับเวลาโดยไม่มีหน่วยงานกลางที่เชื่อถือได้ ด้วยการใช้ PoH เป็นนาฬิกากระจายอำนาจ Solana ช่วยให้ validators ประมวลผลธุรกรรมแบบขนานในขณะที่ยังคงรักษาลำดับที่สอดคล้องกันทั่วโลก การประทับเวลายังจัดเตรียมรากฐานสำหรับฟีเจอร์ตามเวลา เช่น การหมดอายุของธุรกรรม การดำเนินการตามกำหนดการ และการวัดประสิทธิภาพ

Proof of Stake Consensus

กลไกฉันทามติของ Solana ที่เรียกว่า Tower BFT เป็นอัลกอริธึม Proof of Stake ที่ออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติชั่วคราวของ Proof of History ผู้ตรวจสอบจะเดิมพันโทเค็น SOL เพื่อเข้าร่วมฉันทามติและรับรางวัลจากการตรวจสอบความถูกต้องของบล็อก ระบบการลงคะแนนแบบถ่วงน้ำหนักหุ้นทำให้มั่นใจได้ว่า validators ที่มีผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจมากกว่าในเครือข่ายจะมีอิทธิพลเหนือการตัดสินใจที่เป็นเอกฉันท์ตามสัดส่วนมากกว่า

นวัตกรรมหลักใน Tower BFT คือการใช้ระยะเวลาล็อคที่เพิ่มขึ้นแบบทวีคูณเมื่อมีการโหวตแต่ละครั้งติดต่อกัน เมื่อ validator โหวตให้กับแฮช PoH พวกเขายอมรับการแยกของ ledger สำหรับขีด PoH จำนวนหนึ่ง หากพวกเขาโหวตบล็อกถัดไปในทางแยกนั้น ระยะเวลาการล็อคจะเพิ่มเป็นสองเท่า สิ่งนี้สร้างแรงจูงใจทางเศรษฐกิจที่แข็งแกร่งสำหรับ validators ที่จะลงคะแนนเสียงบนส้อมเดิมต่อไป เนื่องจากการสลับส้อมจะต้องรอให้การล็อคก่อนหน้านี้หมดอายุ

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง หาก validator โหวตบนบล็อกที่ประทับเวลา PoH t พวกเขาจะไม่สามารถลงคะแนนใน fork ที่ขัดแย้งกันจนกว่าเครื่องหมาย 2^n จะผ่านไป โดยที่ n คือจำนวนการโหวตติดต่อกันที่พวกเขาได้ทำบน fork ปัจจุบัน กลไกการล็อคแบบเอกซ์โปเนนเชียลนี้ทำให้ระบบปลอดภัยจากการโจมตีระยะไกล ในขณะเดียวกันก็ทำให้สามารถสรุปผลได้อย่างรวดเร็ว เมื่อเสียงข้างมากของเดิมพันได้ลงคะแนนในบล็อกที่มีความลึกเพียงพอ บล็อกนั้นก็จะได้รับการสรุปผลอย่างมีประสิทธิภาพ

เงื่อนไขที่รุนแรงบังคับใช้พฤติกรรมที่ซื่อสัตย์ หาก validator โหวตให้กับส้อมสองอันที่ขัดแย้งกันในช่วงเวลาที่ควรถูกล็อค โทเค็นเหล่านั้นจะถูกเฉือน — โทเค็นที่เดิมพันจะถูกทำลายบางส่วนและจะถูกลบออกจากชุด validator ซึ่งทำให้ไม่สมเหตุสมผลในเชิงเศรษฐกิจที่จะพยายามคลุมเครือหรือพฤติกรรม Byzantine อื่นๆ การผสมผสานระหว่างการประทับเวลาที่ตรวจสอบได้ของ PoH และการล็อกเอาท์แบบเอ็กซ์โปเนนเชียลของ Tower BFT ทำให้เกิดกลไกที่เป็นเอกฉันท์ที่ทั้งรวดเร็วและปลอดภัย โดยบรรลุผลขั้นสุดท้ายในไม่กี่วินาที ขณะเดียวกันก็รักษาการรับประกันความปลอดภัยของระบบ BFT แบบดั้งเดิม

Streaming Proof of Replication

Proof of Replication (PoRep) เป็นกลไกที่ช่วยให้ validators พิสูจน์ได้ว่ากำลังจัดเก็บข้อมูล ledger โดยไม่ต้องเปิดเผยข้อมูลหรือต้องใช้การคำนวณอย่างเข้มข้น Solana ใช้ PoRep เวอร์ชันสตรีมมิ่ง โดยที่ validators แสดงให้เห็นอย่างต่อเนื่องว่ากำลังจำลองสถานะบล็อกเชน นี่เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการรักษาความปลอดภัยเครือข่าย เนื่องจากช่วยให้แน่ใจว่าข้อมูล ledger มีการกระจายอย่างเหมาะสมทั่วทั้ง validators และไม่กระจุกตัวอยู่ในตำแหน่งบางแห่ง

กลไก PoRep ทำงานโดยให้ validators เข้ารหัสเซ็กเมนต์ของ ledger โดยใช้การเข้ารหัสโหมด CBC (Cipher Block Chaining) พร้อมด้วยคีย์เฉพาะ validator ที่ได้มาจากข้อมูลระบุตัวตน กระบวนการเข้ารหัสนั้นทำให้แต่ละบล็อกที่เข้ารหัสนั้นขึ้นอยู่กับบล็อกก่อนหน้า สร้างสายโซ่ที่ไม่ซ้ำกันสำหรับแต่ละ validator การทำเช่นนี้จะป้องกันไม่ให้ validators คัดลอกข้อมูลที่เข้ารหัสจากกัน โดย validator แต่ละตัวจะต้องจัดเก็บและประมวลผลข้อมูล ledger ดั้งเดิมเพื่อสร้างเวอร์ชันที่เข้ารหัสที่ไม่ซ้ำกัน

เครือข่ายจะออกคำถามท้าทาย validators เป็นระยะ โดยขอให้จัดเตรียมบล็อกที่เข้ารหัสเฉพาะ เนื่องจากการเข้ารหัสเป็นแบบลูกโซ่ validator จะต้องจัดเก็บบล็อกก่อนหน้าทั้งหมดเพื่อสร้างการตอบสนองที่ถูกต้อง validator ส่งบล็อกที่เข้ารหัสพร้อมกับหลักฐาน Merkle ที่แสดงตำแหน่งใน ledger ที่เข้ารหัส เครือข่ายสามารถตรวจสอบหลักฐานนี้ได้อย่างรวดเร็วโดยไม่จำเป็นต้องถอดรหัสหรือเข้ารหัสข้อมูลอีกครั้ง

วิธีการสตรีมไปยัง PoRep นี้มีค่าใช้จ่ายต่ำเมื่อเทียบกับระบบพิสูจน์การจัดเก็บแบบดั้งเดิม เครื่องมือตรวจสอบสามารถเข้ารหัสข้อมูลเมื่อมาถึงและตอบสนองต่อความท้าทายโดยมีเวลาแฝงน้อยที่สุด ระบบยังเปิดใช้งานการกู้คืนในกรณีที่ข้อมูลสูญหาย หาก validator สูญเสียส่วนหนึ่งของ ledger ก็สามารถดาวน์โหลดใหม่จาก validators อื่นและเข้ารหัสอีกครั้งได้ การผสมผสานระหว่าง PoRep กับการประทับเวลา PoH จะสร้างระบบความรับผิดชอบที่สมบูรณ์ ซึ่งเครือข่ายสามารถตรวจสอบทั้งเมื่อมีการสร้างข้อมูลและจัดเก็บอย่างเหมาะสมผ่านเครือข่าย validator

System Architecture

สถาปัตยกรรมระบบของ Solana ได้รับการออกแบบให้เป็นไปป์ไลน์ที่ขั้นตอนต่างๆ ของการประมวลผลธุรกรรมเกิดขึ้นพร้อมกัน หน่วยประมวลผลธุรกรรม (TPU) เป็นองค์ประกอบหลักที่รับผิดชอบในการจัดการธุรกรรมที่เข้ามา TPU ประกอบด้วยหลายขั้นตอน: ดึงข้อมูล (รวบรวมธุรกรรม) การตรวจสอบลายเซ็น การธนาคาร (การดำเนินการธุรกรรม) และการเขียน (ยินยอมที่จะจัดเก็บข้อมูล) แต่ละขั้นตอนดำเนินการแบบขนานในธุรกรรมที่แตกต่างกัน คล้ายกับการวางท่อ CPU

การตรวจสอบลายเซ็นจะถูกเร่งให้เร็วขึ้นโดยใช้ GPU ซึ่งมีประสิทธิภาพสูงในการดำเนินการเข้ารหัสแบบเส้นโค้งวงรี ซึ่งจำเป็นในการตรวจสอบลายเซ็นของธุรกรรม ด้วยการถ่ายงานที่ต้องใช้การคำนวณสูงนี้ไปยัง GPU ทำให้ Solana สามารถตรวจสอบลายเซ็นในอัตราที่เกิน 900,000 ต่อวินาทีบนฮาร์ดแวร์สินค้าโภคภัณฑ์ การตรวจสอบลายเซ็นแบบขนานนี้ช่วยป้องกันการตรวจสอบการเข้ารหัสไม่ให้กลายเป็นคอขวด แม้จะมีอัตราการทำธุรกรรมที่สูงมากก็ตาม

รันไทม์ Sealevel คือกลไกการดำเนินการสัญญาอัจฉริยะแบบขนานของ Solana ต่างจากบล็อกเชนแบบดั้งเดิมที่ดำเนินธุรกรรมตามลำดับ Sealevel วิเคราะห์ธุรกรรมเพื่อระบุบัญชีที่พวกเขาเข้าถึง และดำเนินธุรกรรมที่ไม่ขัดแย้งในแบบคู่ขนานบนแกน CPU หลายตัว ธุรกรรมที่เข้าถึงบัญชีเดียวกันจะได้รับการดำเนินการตามลำดับเพื่อรักษาความสอดคล้อง แต่ธุรกรรมที่เข้าถึงบัญชีที่แตกต่างกันสามารถดำเนินการพร้อมกันได้ ความขนานนี้เป็นไปได้เนื่องจาก PoH สร้างการเรียงลำดับทั่วโลก — validators สามารถทำธุรกรรมในลำดับใดก็ได้ ตราบใดที่ธุรกรรมเหล่านั้นใช้กับสถานะในลำดับที่ระบุ PoH

สถาปัตยกรรมยังรวมถึงส่วนประกอบที่ได้รับการปรับปรุงสำหรับการแพร่กระจายและการจัดเก็บข้อมูลแบบบล็อก โปรโตคอลการแพร่กระจายบล็อกกังหันใช้การเข้ารหัสการลบข้อมูลเพื่อแบ่งบล็อกออกเป็นแพ็กเก็ตขนาดเล็กที่กระจายไปทั่วเครือข่ายในโครงสร้างแบบต้นไม้ ช่วยลดความต้องการแบนด์วิดท์ให้เหลือน้อยที่สุด เครือข่าย Archivers มอบพื้นที่จัดเก็บข้อมูลแบบกระจายอำนาจสำหรับข้อมูลประวัติ ledger โดยใช้ PoRep เพื่อรับรองความพร้อมใช้งานของข้อมูล ส่วนประกอบเหล่านี้ร่วมกันสร้างระบบที่สามารถประมวลผลธุรกรรมนับแสนรายการต่อวินาที ในขณะที่ยังคงรักษาคุณสมบัติการกระจายอำนาจและความปลอดภัยของบล็อกเชน

Performance

สถาปัตยกรรมของ Solana ได้รับการออกแบบมาเพื่อให้บรรลุระดับประสิทธิภาพที่ปรับขนาดได้ด้วยการปรับปรุงฮาร์ดแวร์ตามกฎของมัวร์ สำหรับการเชื่อมต่อเครือข่ายมาตรฐาน 1 กิกะบิต ปริมาณงานสูงสุดตามทฤษฎีจะอยู่ที่ประมาณ 710,000 ธุรกรรมต่อวินาที โดยถือว่า 176 ไบต์ต่อธุรกรรม (รวมลายเซ็นและข้อมูลเมตา) การคำนวณนี้อิงตามแบนด์วิดท์เครือข่ายที่เป็นคอขวดหลัก โดยที่คอขวดในการคำนวณจะถูกลบออกผ่านการทำขนาน

การตรวจสอบลายเซ็นซึ่งมักเป็นปัจจัยจำกัดในประสิทธิภาพของบล็อกเชน จะถูกเร่งให้เร็วขึ้นโดยใช้ GPU แบบขนาน GPU ตัวเดียวสามารถตรวจสอบลายเซ็น ed25519 ได้มากกว่า 900,000 รายการต่อวินาที ซึ่งเกินขีดจำกัดปริมาณงานของเครือข่าย ซึ่งหมายความว่าการตรวจสอบลายเซ็นไม่ได้จำกัดประสิทธิภาพของระบบ — คอขวดจะเปลี่ยนไปที่แบนด์วิดท์เครือข่ายและการดำเนินการธุรกรรม สำหรับธุรกรรมง่ายๆ ที่โอนเฉพาะมูลค่าโดยไม่มีตรรกะของสัญญาอัจฉริยะที่ซับซ้อน ขั้นตอนการธนาคารสามารถประมวลผลธุรกรรมในอัตราที่ตรงกับอัตราอินพุตของเครือข่าย

ตัวสร้าง PoH ทำงานบนแกน CPU เฉพาะ ซึ่งสร้างแฮชประมาณ 4,000 ต่อมิลลิวินาทีบนโปรเซสเซอร์ 4GHz ในอัตรานี้ ลำดับ PoH จะให้การประทับเวลาที่มีความละเอียด 0.25 ไมโครวินาที ซึ่งเพียงพอสำหรับการสั่งซื้อธุรกรรมหลายล้านรายการต่อวินาที ลักษณะตามลำดับของการสร้าง PoH หมายความว่าส่วนประกอบนี้ไม่สามารถขนานกันได้ แต่ปริมาณงานสูงพอที่จะไม่จำกัดประสิทธิภาพโดยรวมของระบบ

เมื่อฮาร์ดแวร์ได้รับการปรับปรุง ปริมาณงานของ Solana ก็จะปรับขนาดตามไปด้วย เครือข่ายที่เร็วขึ้น GPU ที่ทรงพลังยิ่งขึ้น และ CPU ที่ได้รับการปรับปรุง ล้วนส่งผลให้อัตราการทำธุรกรรมสูงขึ้น ระบบได้รับการออกแบบมาเพื่อใช้ประโยชน์จากการปรับปรุงเหล่านี้โดยไม่ต้องเปลี่ยนโปรโตคอล วิธีการขยายขนาดนี้แตกต่างกับบล็อกเชนที่ถูกจำกัดโดยพื้นฐานโดยกลไกฉันทามติตามลำดับ ซึ่งช่วยให้ Solana บรรลุระดับประสิทธิภาพที่ก่อนหน้านี้คิดว่าเป็นไปไม่ได้ในระบบกระจายอำนาจ ในขณะที่ยังคงรักษาความปลอดภัยและการรับประกันการกระจายอำนาจ

Conclusion

Proof of History แสดงถึงความก้าวหน้าขั้นพื้นฐานในสถาปัตยกรรมบล็อกเชนโดยการแก้ปัญหาเรื่องเวลาที่จำกัดความสามารถในการปรับขนาดของ ledgers แบบกระจาย ด้วยการสร้างนาฬิกาเข้ารหัสลับที่ตรวจสอบได้ PoH ช่วยให้ validators สร้างการเรียงลำดับเหตุการณ์ชั่วคราวโดยไม่มีค่าใช้จ่ายด้านการสื่อสารที่ครอบคลุมซึ่งกำหนดโดยกลไกฉันทามติแบบดั้งเดิม นวัตกรรมนี้ช่วยขจัดปัญหาคอขวดที่สำคัญและช่วยให้การประมวลผลธุรกรรมสามารถขนานกันทั่วทั้งเครือข่ายได้

การบูรณาการ PoH เข้ากับส่วนประกอบของระบบที่ได้รับการปรับปรุง - การตรวจสอบลายเซ็นที่เร่งด้วย GPU การดำเนินการธุรกรรมแบบขนานผ่าน Sealevel และโปรโตคอลการแพร่กระจายบล็อกที่มีประสิทธิภาพ - สร้างบล็อกเชนที่สามารถประมวลผลธุรกรรมนับแสนรายการต่อวินาทีบนฮาร์ดแวร์สินค้าโภคภัณฑ์ ที่สำคัญกว่านั้น สถาปัตยกรรมได้รับการออกแบบให้ปรับขนาดได้ด้วยการปรับปรุงฮาร์ดแวร์ ซึ่งหมายความว่าประสิทธิภาพจะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องเมื่อโปรเซสเซอร์เร็วขึ้นและเครือข่ายมีความสามารถมากขึ้น

การออกแบบของ Solana แสดงให้เห็นว่าประสิทธิภาพสูงและการกระจายอำนาจไม่ได้แยกจากกัน ด้วยการใช้ประโยชน์จาก PoH เป็นรากฐานสำหรับความเห็นพ้องต้องกันและการประสานงานของระบบ เครือข่ายบรรลุระดับการรับส่งข้อมูลที่เทียบได้กับฐานข้อมูลแบบรวมศูนย์ ในขณะที่ยังคงรักษาคุณสมบัติด้านความปลอดภัยและการต้านทานการเซ็นเซอร์ของบล็อกเชนแบบกระจายอำนาจ กลไกฉันทามติ Tower BFT แบบถ่วงน้ำหนักเดิมพันช่วยให้แน่ใจว่าเครือข่ายยังคงปลอดภัยจากนักแสดง Byzantine ในขณะที่บรรลุผลขั้นสุดท้ายอย่างรวดเร็ว

การนำสถาปัตยกรรมนี้ไปใช้ถือเป็นแนวทางปฏิบัติสำหรับเทคโนโลยีบล็อกเชนเพื่อขยายไปสู่การนำไปใช้ทั่วโลก แอปพลิเคชันที่ต้องการทรูพุตธุรกรรมสูง เช่น การแลกเปลี่ยนแบบกระจายอำนาจ แพลตฟอร์มเกม และระบบทางการเงิน สามารถสร้างบนโครงสร้างพื้นฐานแบบกระจายอำนาจอย่างแท้จริง โดยไม่กระทบต่อประสิทธิภาพการทำงาน Proof of History เปิดประตูสู่แอปพลิเคชันบล็อกเชนรุ่นใหม่ที่ก่อนหน้านี้ไม่สามารถทำได้เนื่องจากข้อจำกัดด้านความสามารถในการขยาย