Solana: Новая архитектура для высокопроизводительного блокчейна
Abstract
Bu makale, yüksek performanslı bir blockchain için yeni bir mimari sunmaktadır. Solana, olaylar arasındaki sırayı ve zamanın geçişini doğrulamaya yönelik bir kanıt olan Tarih Kanıtı (PoH) adı verilen yeni bir zaman tutma mekanizması uygular. PoH, zamanın güvensiz geçişini bir ledger içine kodlamak için kullanılır ve bir olayın zamanın belirli bir anında meydana geldiğini kanıtlayan bir tarihsel kayıt oluşturur.
En önemli yenilik, PoH'un ağdaki düğümlerin birbirleriyle iletişim kurmalarına gerek kalmadan olayların zamansal bir sırasını oluşturmasına olanak sağlamasıdır. Sistem, sıralı bir karma zinciri olarak uygulanan doğrulanabilir bir gecikme fonksiyonunu kullanarak, olaylar arasındaki zamanın geçişini doğrulamanın bir yolunu sağlayan bir kriptografik saat üretir. Bu, ağın merkeziyetsizliği ve güvenliği korurken saniyede binlerce işlemi işlemesine olanak tanır.
PoH, Proof of Stake (PoS) fikir birliği mekanizmasıyla entegredir. Kombinasyon, validators'nin işlemleri paralel olarak doğrulayabildiği ve verimli bir şekilde fikir birliğine varabildiği son derece optimize edilmiş bir blockchain mimarisine olanak tanır. Sistem, merkezi olmayan bir ağın güvenlik garantilerinden ödün vermeden verimi artırmak için donanım performansındaki artışlardan yararlanarak Moore Yasasına göre ölçeklenecek şekilde tasarlanmıştır.
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
Blockchain sistemlerindeki temel zorluk, merkeziyetsizlik ve güvenliği korurken yüksek işlem hacmi elde etmektir. Mevcut blockchain uygulamaları, zaman ve olayların sırası konusunda anlaşmaya varmak için düğümler arasında kapsamlı iletişim gerektiren fikir birliği mekanizmalarıyla sınırlıdır. Bu koordinasyon yükü, mevcut blok zincirlerinin küresel ölçekli uygulamaların taleplerini karşılayacak şekilde ölçeklenmesini engelleyen bir darboğaz yaratıyor.
Temel sorun zamandır. Dağıtılmış sistemlerde düğümler, diğer düğümlerin zaman damgalarının doğruluğuna güvenemedikleri için harici saatlere güvenemezler. Geleneksel blockchain fikir birliği protokolleri, düğümlerin mevcut durum ve işlemlerin sırası üzerinde anlaşmaya varmak için kapsamlı bir şekilde iletişim kurmasını sağlayarak bu sorunu çözer. Ağ, işlemleri yalnızca düğümlerin siparişleri konusunda fikir birliğine varabildiği kadar hızlı işleyebildiğinden, bu iletişim yükü temel olarak verimi sınırlar.
Solana bu zamanlama sorununa bir çözüm olarak Tarih Kanıtı'nı sunar. PoH, potansiyel olarak kötü niyetli aktörlerin zaman damgalarına dayanmadan, olaylar arasında belirli bir sürenin geçtiğini kanıtlamak için kriptografik bir yol sağlar. Doğrulanabilir bir geçmiş kayıt oluşturarak PoH, düğümlerin işlemleri bağımsız olarak işlemesine olanak tanırken olayların meydana gelme sırasını da kanıtlayabilir. Bu atılım, ağın işlem sürecini paralelleştirmesine ve verimi önemli ölçüde artırmasına olanak tanır.
Buradaki temel fikir, güvenilmez bir zaman kaynağı yaratabilirsek, koordinasyon darboğazını fikir birliğinden kaldırabileceğimizdir. PoH'un kriptografik bir saat sağlamasıyla validators, işlemleri paralel olarak işleyebilir ve yalnızca kanonik sıralamayı tamamlamak için iletişim kurması gerekir. Bu mimari değişim, Solana'in merkezi olmayan bir blok zincirinde daha önce imkansız olduğu düşünülen performans seviyelerine ulaşmasını sağlıyor.
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
Bu belgede Solana teknik mimarisi açıklanmakta ve Tarih Kanıtı'nın yüksek performanslı blockchain operasyonunu nasıl mümkün kıldığına odaklanılmaktadır. Belge ilk olarak PoH mekanizmasının kendisini açıklıyor; sıralı bir hash zincirinin olayların doğrulanabilir bir zamansal sıralamasını nasıl oluşturduğunu. PoH'u güvenli kılan kriptografik özellikleri detaylandırıyoruz ve validators'nin PoH dizisini nasıl verimli bir şekilde doğrulayabildiğini gösteriyoruz.
Makale daha sonra PoH'un Proof of Stake konsensusuyla nasıl bütünleştiğini araştırıyor. PoH'un zamansal özelliklerinden yararlanmak için özel olarak tasarlanmış bir PoS algoritması olan Tower BFT'yi açıklıyoruz. Entegrasyon, validators'nin belirli PoH zaman damgalarında ledger durumuna oy vermesine olanak tanıyarak hem hızlı hem de güvenli bir fikir birliği mekanizması oluşturur. Ayrıca kötü niyetli davranışları engelleyen kesme koşullarını da açıklıyoruz.
Daha sonra Solana'in ağ tasarımını ve veri yayılım protokollerini sunuyoruz. Gulf Stream protokolü, bellek havuzuna ihtiyaç duymadan işlem iletilmesini sağlayarak müşterilerin işlemleri doğrudan gelecek liderlere göndermesine olanak tanır. Lider rotasyonunun nasıl çalıştığını ve liderlik değişse bile ağın yüksek verimi nasıl koruduğunu açıklıyoruz.
Son olarak, İşlem İşleme Birimi (TPU), Sealevel paralel çalışma zamanı ve veri depolama doğrulaması için Çoğaltma Kanıtı'nı içeren sistem mimarisini tartışıyoruz. Performans tahminleri, Solana'in standart bir gigabit ağında saniyede 700.000'den fazla işlemi işleyebildiğini ve donanım geliştikçe üretim ölçeklendirmesinin yapılabileceğini göstermektedir.
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
Solana'in ağ tasarımı, validators'nin sırayla blok ürettiği, dönen bir lider sistemi etrafında yoğunlaşır. Lider, gelen işlemlerin PoH akışına sıralanmasından ve elde edilen blokların ağa yayınlanmasından sorumludur. Liderler hisse ağırlıklı bir algoritma aracılığıyla seçilir ve rotasyon programı önceden bilinerek ağın işlem yönlendirmeyi optimize etmesine olanak tanır.
Gulf Stream protokolü, müşterilerin işlemlerini doğrudan gelecek liderlere iletmesine olanak tanıyarak geleneksel bir bellek havuzu ihtiyacını ortadan kaldırır. Bir müşteri bir işlem gönderdiğinde, rotasyon planına göre beklenen lidere iletilir. Mevcut lider işlemi gerçekleştiremezse, işlemi bir sonraki beklenen lidere iletir. Bu tasarım, onay gecikmesini azaltır ve validators'nin işlemleri önceden yürütmesine olanak tanıyarak verimi daha da optimize eder.
İşlem yayılımı çok katmanlı bir yaklaşım kullanır. Müşteriler, işlemleri mevcut veya gelecek lidere ileten validators'ye gönderir. Lider, işlemleri PoH akışına sıralayarak toplam bir sıralama oluşturur. Sıralandıktan sonra lider, PoH akışını ve işlem verilerini, PoH sırasını doğrulayan ve işlemleri paralel olarak yürüten validators'ye iletir.
Ağ tasarımı aynı zamanda blokları daha küçük paketlere bölen ve bunları ağ üzerinde bir ağaç yapısında dağıtan bir türbin blok yayılım protokolünü de içerir. Bu yaklaşım, hızlı blok yayılımını sağlarken bireysel validators için bant genişliği gereksinimlerini en aza indirir. PoH'un işlemlerin sırasını doğrulama yeteneği ile birleştiğinde bu mimari, Solana'in merkezi olmayan yönetimden ödün vermeden yüksek verim elde etmesini sağlar.
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
Geçmişin Kanıtı, SHA-256 kullanılarak sıralı karma zinciri olarak uygulanan doğrulanabilir bir gecikme işlevidir. PoH oluşturucu, her çıkışı bir sonraki karma için girdi olarak kullanarak sürekli olarak SHA-256 karmalarını hesaplar. Bu, her karmanın yalnızca bir öncekinden sonra hesaplanabildiği sıralı bir zincir oluşturarak doğrulanabilir bir zamansal sıralama oluşturur. Her karmayı oluşturmaya yönelik hesaplama gereksinimi, olaylar arasında minimum bir zaman gecikmesini zorlar.
PoH'un temel özelliği doğrulamanın ucuz, ancak üretmenin pahalı olmasıdır. Bir doğrulayıcı, tüm karma dizisini parçalara bölerek ve her bir bölümü bağımsız olarak kontrol ederek ve ardından bölümlerin düzgün şekilde bağlandığını doğrulayarak paralel olarak kontrol edebilir. Bununla birlikte, üretim sıralı olmalıdır; her ara adımı gerçekten hesaplamadan karma zincirinin çıktısını tahmin etmenin bir yolu yoktur. Üretim ve doğrulama arasındaki bu asimetri PoH'u pratik kılan şeydir.
Harici olaylar ve işlem verileri, karma zincirine karıştırılarak PoH dizisine eklenir. Bir işlem geldiğinde, hash'i mevcut PoH durumuyla birleştirilir ve işlemin dizideki o noktada var olduğunu kanıtlayan bir kayıt oluşturulur. PoH oluşturucu periyodik olarak kontrol noktalarını kaydeder ve son kontrol noktasından bu yana hesaplanan karma sayısıyla birlikte mevcut karma değerini yayınlar. Bu kontrol noktaları, validators'nin her karmayı yeniden hesaplamadan PoH dizisini verimli bir şekilde doğrulamasına olanak tanır.
PoH dizisi, tüm ağ için kriptografik bir saat görevi görür. Karma zinciri sıralı ve doğrulanabilir olduğundan, herhangi bir düğüm, yalnızca o aralıkta hesaplanan karmaları göstererek iki olay arasında belirli bir sürenin geçtiğini kanıtlayabilir. Bu, düğümlerin harici zaman damgalarına güvenme veya zamansal sıralama oluşturmak için birbirleriyle koordine olma ihtiyacını ortadan kaldırarak geleneksel blockchain fikir birliğinde temel bir darboğazı ortadan kaldırır.
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
Geçmişin Kanıtı dizisi, her karmanın önceki çıktıya bağlı olduğu sürekli bir SHA-256 karma zinciridir. Dizi, ilk çıktıyı üretmek için karma hale getirilen bir başlangıç tohum değeriyle başlar. Bu çıktı bir sonraki hash için girdi olur ve süreç süresiz olarak tekrarlanır. Oluşturucu ayrıca hesaplanan toplam karma sayısını izleyen ve ledger içindeki olaylar için PoH "zaman damgası" görevi gören bir sayacı da tutar.
Verilerin diziye eklenmesi gerektiğinde (işlem karmaları veya validator imzaları gibi), deterministik bir karıştırma işlevi kullanılarak mevcut karma durumuyla birleştirilir. Örneğin, mevcut karma durumu "hash_n" ise ve "D" verisini eklemek istiyorsak, "hash_{n+1} = SHA256(hash_n || D)" değerini hesaplarız, burada `||' birleştirmeyi belirtir. Ekleme noktası, dizideki belirli bir noktada 'D' verisinin mevcut olduğunu kanıtlayan sayaç değeriyle birlikte kaydedilir.
PoH dizisinin doğrulanması, zinciri segmentlere bölerek paralelleştirilebilir. Örneğin, bir validator her 10.000 karmada bir PoH kontrol noktaları alabilir. Kontrol noktaları arasındaki sırayı doğrulamak için validator, 10.000 karmayı her biri 100 karmadan oluşan 100 parçaya bölebilir, her parçayı bağımsız olarak paralel olarak doğrulayabilir ve ardından parçaların düzgün şekilde bağlandığını doğrulayabilir. Bu, doğrulamanın mevcut CPU çekirdeği sayısına göre yatay olarak ölçeklenmesine olanak tanır.
Bu dizi aynı zamanda iki olayın belirli bir sırada meydana geldiğine dair etkili kanıtları da destekler. 'n' ve 'm' sayaç değerlerinde (n m') iki veri girişi verildiğinde, herkes bu noktalar arasındaki karma zinciri kontrol ederek 'n'deki olayın 'm'deki olaydan önce gerçekleştiğini doğrulayabilir. Bu özellik, Solana'in, düğümlerin sürekli çevrimiçi olmasını veya harici zaman kaynaklarına güvenmesini gerektirmeden, ağdaki tüm olayların doğrulanabilir bir geçmiş kaydını oluşturmasını sağlar.
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
Tarih Kanıtı, duvar saati saatine bağlı kalmadan olaylara zaman damgaları atayan merkezi olmayan bir saat işlevi görür. Her PoH karması, kriptografik saatin ayrı bir "tik"ini temsil eder ve sayaç değeri, zaman damgası görevi görür. Hash zinciri sıralı ve doğrulanabilir olduğundan, bu zaman damgaları güvenilmezdir; herhangi bir gözlemci, hash zincirini kontrol ederek bir zaman damgasının meşru olduğunu doğrulayabilir.
Solana'de her validator lider olarak hareket ettiğinde kendi PoH dizisini oluşturabilir. validators liderliği değiştirdiğinde, önceki liderin onaylanan son kontrol noktasını kullanarak PoH dizilerini senkronize ederler. Bu, farklı validators sırayla bloklar üretse bile zamansal kaydın sürekliliğini sağlar. Ağ, resmi ledger kapsamında hangi PoH dizilerinin kabul edileceği konusunda fikir birliğine vararak kanonik bir zaman çizelgesi oluşturur.
Sistem, lider rotasyonu ve fikir birliğinin bir kombinasyonu aracılığıyla saat kaymasını ve donanım performansındaki değişkenliği yönetir. Kötü niyetli veya hatalı bir lider, PoH zaman damgalarını yanlış bir hızda (çok hızlı veya çok yavaş) oluşturmaya çalışırsa, validators, PoH onay hızını kendi yerel PoH oluşturucularıyla karşılaştırarak bunu tespit edebilir. Beklenen orandan önemli sapmalar bir soruna işaret eder ve validators, PoH dizileri ağ medyanından çok uzaklaşan liderlerden gelen blokları reddedebilir.
Bu zaman damgası mekanizması, dağıtılmış sistemlerdeki temel sorunlardan birini çözer: güvenilir bir merkezi otorite olmadan ortak bir zaman kavramı oluşturmak. Solana, PoH'yi merkezi olmayan bir saat olarak kullanarak, validators'nin küresel olarak tutarlı bir sıralamayı korurken işlemleri paralel olarak işlemesine olanak tanır. Zaman damgaları aynı zamanda işlemin sona ermesi, planlanmış işlemler ve performans ölçümü gibi zamana dayalı özellikler için de bir temel sağlar.
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
Solana'in Tower BFT adı verilen mutabakat mekanizması, Proof of History'nin zamansal özelliklerinden yararlanmak için özel olarak tasarlanmış bir Proof of Stake algoritmasıdır. Doğrulayıcılar, fikir birliğine katılmak ve blokları doğru şekilde doğrulamak için ödüller kazanmak için SOL tokenlerini stake eder. Hisse ağırlıklı oylama sistemi, ağda daha fazla ekonomik çıkara sahip olan validators'nin konsensüs kararları üzerinde orantılı olarak daha fazla etkiye sahip olmasını sağlar.
Tower BFT'deki temel yenilik, birbirini takip eden her oylamada katlanarak artan lokavt sürelerinin kullanılmasıdır. Bir validator, bir PoH karmasına oy verdiğinde, belirli sayıda PoH işareti için ledger çatalına bağlı kalır. Bu çataldaki bir sonraki bloğa oy verirlerse lokavt süresi iki katına çıkar. Bu, validators için aynı çatal üzerinde oy kullanmaya devam etmesi için güçlü bir ekonomik teşvik yaratır, çünkü çatalları değiştirmek daha önceki lokavtların süresinin dolmasını beklemeyi gerektirecektir.
Spesifik olarak, eğer bir validator, PoH zaman damgası 't'de bir bloğa oy verirse, '2^n' onay işareti geçene kadar çakışan bir çatala oy veremez; burada 'n' mevcut çatalda yaptıkları ardışık oyların sayısıdır. Bu üstel kilitleme mekanizması, sistemi uzun menzilli saldırılara karşı güvenli hale getirirken hızlı kesinliğe de olanak tanır. Yeterli derinliğe sahip bir bloğa büyük bir çoğunluk oy verdiğinde, bu blok etkili bir şekilde sonlandırılır.
Slashing conditions enforce honest behavior. Bir validator, kilitlenmeleri gereken bir süre boyunca çakışan iki çatala oy verirse, bunlar kesilir; stake edilen tokenlar kısmen yok edilir ve validator kümesinden çıkarılır. Bu, kaçamak yapmaya veya diğer Byzantine davranışlara teşebbüs etmeyi ekonomik olarak mantıksız hale getirir. PoH'un doğrulanabilir zaman damgaları ile Tower BFT'nin üstel kilitlemelerinin birleşimi, geleneksel BFT sistemlerinin güvenlik garantilerini korurken saniyeler içinde kesinliğe ulaşan, hem hızlı hem de güvenli bir fikir birliği mekanizması oluşturur.
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
Çoğaltma Kanıtı (PoRep), validators'nin, verileri açığa vurmadan veya yoğun hesaplama gerektirmeden ledger verilerini sakladıklarını kanıtlamasına olanak tanıyan bir mekanizmadır. Solana, validators'nin sürekli olarak blockchain durumunu kopyaladığını gösterdiği PoRep'in akış versiyonunu uygular. Bu, ledger verilerinin validators genelinde düzgün bir şekilde dağıtılmasını ve birkaç konumda yoğunlaşmamasını sağladığından ağ güvenliği için çok önemlidir.
PoRep mekanizması, validators'nin ledger'ün bölümlerini, kimliklerinden türetilen validator'e özgü bir anahtarla CBC (Şifre Blok Zincirleme) modu şifrelemesini kullanarak şifrelemesini sağlayarak çalışır. Şifreleme işlemi, her şifrelenmiş bloğun bir önceki bloğa bağlı olacağı ve her validator için benzersiz bir zincir oluşturacak şekildedir. Bu, validators'nin şifrelenmiş verileri birbirinden basitçe kopyalamasını engeller; her validator, benzersiz şifreli sürümünü oluşturmak için orijinal ledger verilerini depolamalı ve işlemelidir.
Ağ, periyodik olarak validators'ye, belirli şifreli bloklar sağlamalarını talep eden zorluklar yayınlar. Şifreleme zincirlendiğinden, validator'ün doğru yanıtı oluşturabilmesi için önceki tüm blokları depolamış olması gerekir. validator, şifrelenmiş bloğunu, şifrelenmiş ledger içindeki konumunu gösteren bir Merkle kanıtıyla birlikte sunar. Ağ, verilerin şifresini çözmeye veya yeniden şifrelemeye gerek kalmadan bu kanıtı hızlı bir şekilde doğrulayabilir.
PoRep'e yönelik bu akış yaklaşımı, geleneksel depolama kanıtı sistemleriyle karşılaştırıldığında düşük ek yüke sahiptir. Doğrulayıcılar, verileri ulaştıkça şifreleyebilir ve zorluklara minimum gecikmeyle yanıt verebilir. Sistem aynı zamanda veri kaybı durumunda kurtarmayı da mümkün kılar; eğer bir validator ledger'ün bir kısmını kaybederse, bunu diğer validators'den yeniden indirebilir ve yeniden şifreleyebilir. PoRep'in PoH zaman damgalarıyla birleşimi, ağın hem verilerin ne zaman oluşturulduğunu hem de verilerin validator ağı üzerinde düzgün şekilde depolandığını doğrulayabildiği eksiksiz bir sorumluluk sistemi oluşturur.
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
Solana'in sistem mimarisi, işlem sürecinin farklı aşamalarının paralel olarak gerçekleştiği bir boru hattı olarak tasarlanmıştır. İşlem İşleme Birimi (TPU), gelen işlemlerin işlenmesinden sorumlu temel bileşendir. TPU birkaç aşamadan oluşur: getirme (işlemleri toplama), imza doğrulama, bankacılık (işlem yürütme) ve yazma (depolama işlemine geçme). Her aşama, CPU ardışık düzenine benzer şekilde farklı işlemlerde paralel olarak çalışır.
İmza doğrulama, işlem imzalarını doğrulamak için gereken eliptik eğri şifreleme işlemlerinde oldukça verimli olan GPU'lar kullanılarak hızlandırılır. Solana, hesaplama açısından yoğun olan bu görevi GPU'lara devrederek, emtia donanımında saniyede 900.000'i aşan hızlarda imzaları doğrulayabilir. Bu paralel imza doğrulaması, kriptografik doğrulamanın çok yüksek işlem hızlarında bile bir darboğaz haline gelmesini önler.
Sealevel çalışma zamanı, Solana'in paralel akıllı sözleşme yürütme motorudur. İşlemleri sırayla yürüten geleneksel blok zincirlerden farklı olarak Sealevel, hangi hesaplara eriştiklerini belirlemek için işlemleri analiz eder ve birden fazla CPU çekirdeğinde paralel olarak çakışmayan işlemleri yürütür. Tutarlılığı korumak için aynı hesaplara erişen işlemler sırayla gerçekleştirilir, ancak farklı hesaplara erişen işlemler aynı anda yürütülebilir. Bu paralellik mümkündür çünkü PoH küresel bir sıralama oluşturur — validators, işlemleri PoH tarafından belirtilen sırayla duruma uyguladıkları sürece herhangi bir sırayla gerçekleştirebilir.
Mimari ayrıca blok yayılımı ve depolama için optimize edilmiş bileşenler içerir. Türbin bloğu yayılım protokolü, blokları ağ üzerinde bir ağaç yapısında dağıtılan daha küçük paketlere bölmek için silme kodlamasını kullanarak bant genişliği gereksinimlerini en aza indirir. Archivers ağı, verilerin kullanılabilirliğini sağlamak için PoRep'i kullanarak geçmiş ledger verileri için merkezi olmayan depolama sağlar. Bu bileşenler bir araya gelerek, bir blok zincirinin merkeziyetsizlik ve güvenlik özelliklerini korurken, saniyede yüz binlerce işlemi gerçekleştirebilen bir sistem oluşturur.
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
Solana mimarisi, Moore Yasasına uygun olarak donanım iyileştirmeleriyle ölçeklenen performans düzeylerine ulaşmak için tasarlanmıştır. Standart 1 gigabit ağ bağlantısında teorik maksimum verim, işlem başına 176 bayt (imzalar ve meta veriler dahil) varsayılarak saniyede yaklaşık 710.000 işlemdir. Bu hesaplama, birincil darboğaz olarak ağ bant genişliğini temel alır ve hesaplama darboğazları paralelleştirme yoluyla ortadan kaldırılır.
Genellikle blockchain performansında sınırlayıcı bir faktör olan imza doğrulama, GPU paralelleştirmesi kullanılarak hızlandırılır. Tek bir GPU, saniyede 900.000'den fazla ed25519 imzasını doğrulayabilir; bu, ağ aktarım hızı sınırını aşar. Bu, imza doğrulamanın sistem performansını kısıtlamadığı anlamına gelir; darboğaz, ağ bant genişliğine ve işlem yürütmeye kayar. Karmaşık akıllı sözleşme mantığı olmadan yalnızca değer aktaran basit işlemler için bankacılık aşaması, işlemleri ağ giriş hızıyla eşleşen oranlarda işleyebilir.
PoH oluşturucu, özel bir CPU çekirdeği üzerinde çalışır ve 4GHz işlemcide milisaniyede yaklaşık 4.000 karma üretir. Bu hızda PoH dizisi, saniyede milyonlarca işlemin sipariş edilmesi için yeterli olan 0,25 mikrosaniyelik ayrıntı düzeyine sahip zaman damgaları sağlar. PoH üretiminin sıralı doğası, bu bileşenin paralelleştirilemeyeceği anlamına gelir, ancak verim, genel sistem performansını sınırlamayacak kadar yüksektir.
Donanım geliştikçe Solana'in verimi de buna göre ölçeklenir. Daha hızlı ağlar, daha güçlü GPU'lar ve geliştirilmiş CPU'ların tümü daha yüksek işlem oranlarına katkıda bulunur. Sistem, protokol değişikliği gerektirmeden bu iyileştirmelerden yararlanacak şekilde tasarlanmıştır. Bu ölçeklenebilirlik yaklaşımı, temelde sıralı fikir birliği mekanizmalarıyla sınırlandırılan blok zincirlerle çelişir ve Solana'in, güvenlik ve merkezi olmayan yönetim garantilerini korurken, merkezi olmayan bir sistemde daha önce imkansız olduğu düşünülen performans seviyelerine ulaşmasına olanak tanır.
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
Tarih Kanıtı, dağıtılmış ledger'lerin ölçeklenebilirliğini sınırlayan zamanlama problemini çözerek blockchain mimarisinde temel bir atılımı temsil eder. Doğrulanabilir bir kriptografik saat oluşturarak PoH, validators'nin geleneksel fikir birliği mekanizmalarının gerektirdiği kapsamlı iletişim ek yükü olmadan olayların geçici bir sıralamasını oluşturmasına olanak tanır. Bu yenilik, kritik bir darboğazı ortadan kaldırır ve işlem sürecinin ağ genelinde paralelleştirilmesine olanak tanır.
PoH'un optimize edilmiş sistem bileşenleriyle (GPU ile hızlandırılmış imza doğrulama, Sealevel aracılığıyla paralel işlem yürütme ve verimli blok yayılım protokolleri) entegrasyonu, emtia donanımında saniyede yüz binlerce işlemi işleyebilen bir blok zinciri oluşturur. Daha da önemlisi, mimari, donanım iyileştirmeleriyle ölçeklenecek şekilde tasarlanmıştır; bu, işlemciler daha hızlı hale geldikçe ve ağlar daha yetenekli hale geldikçe performansın artmaya devam edeceği anlamına gelir.
Solana'in tasarımı, yüksek performansın ve merkezi olmayan yönetimin birbirini dışlamadığını göstermektedir. PoH'yi fikir birliği ve sistem koordinasyonu için bir temel olarak kullanan ağ, merkezi olmayan bir blok zincirinin güvenlik ve sansüre dayanıklılık özelliklerini korurken, merkezi veritabanlarıyla karşılaştırılabilir verim seviyelerine ulaşır. Hisse ağırlıklı Tower BFT konsensüs mekanizması, ağın Byzantine aktörlerine karşı güvende kalmasını ve aynı zamanda hızlı bir şekilde sonuçlanmasını sağlar.
Bu mimarinin uygulanması, blockchain teknolojisinin küresel ölçekte benimsenmesine yönelik pratik bir yol sağlar. Merkezi olmayan borsalar, oyun platformları ve finansal sistemler gibi yüksek işlem hacmi gerektiren uygulamalar artık performanstan ödün vermeden gerçek anlamda merkezi olmayan bir altyapı üzerine kurulabiliyor. Tarih Kanıtı, ölçeklenebilirlik kısıtlamaları nedeniyle daha önce gerçekleştirilmesi mümkün olmayan yeni nesil blockchain uygulamalarının kapısını açıyor.
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.
