Solana: Eine neue Architektur für eine Hochleistungs-Blockchain
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。
Abstract
Dieses Dokument stellt eine neue Architektur fuer eine Hochleistungs-Blockchain vor. Solana implementiert einen neuartigen Zeitmessungsmechanismus namens Proof of History (PoH) -- einen Beweis zur Verifizierung der Reihenfolge und des Zeitablaufs zwischen Ereignissen. PoH wird verwendet, um den Zeitablauf auf vertrauenslose Weise in einem Ledger zu kodieren und so einen historischen Datensatz zu erstellen, der beweist, dass ein Ereignis zu einem bestimmten Zeitpunkt stattgefunden hat.
Die zentrale Innovation besteht darin, dass PoH es den Knoten im Netzwerk ermoeglicht, eine zeitliche Reihenfolge von Ereignissen festzulegen, ohne miteinander kommunizieren zu muessen. Durch die Verwendung einer verifizierbaren Verzoegerungsfunktion, die als sequentielle Hash-Kette implementiert ist, erzeugt das System eine kryptographische Uhr, die eine Moeglichkeit bietet, den Zeitablauf zwischen Ereignissen zu verifizieren. Dies ermoeglicht es dem Netzwerk, Tausende von Transaktionen pro Sekunde zu verarbeiten und gleichzeitig die Dezentralisierung und Sicherheit aufrechtzuerhalten.
PoH ist mit einem Proof of Stake (PoS) Konsensmechanismus integriert. Die Kombination ermoeglicht eine hochoptimierte Blockchain-Architektur, in der Validatoren Transaktionen parallel verifizieren und effizient einen Konsens erreichen koennen. Das System ist darauf ausgelegt, mit dem Mooreschen Gesetz zu skalieren und Verbesserungen der Hardware-Leistung zu nutzen, um den Throughput zu erhoehen, ohne die Sicherheitsgarantien eines dezentralen Netzwerks zu opfern.
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。
Introduction
Die grundlegende Herausforderung bei Blockchain-Systemen besteht darin, einen hohen Transaktionsdurchsatz zu erreichen und gleichzeitig Dezentralisierung und Sicherheit aufrechtzuerhalten. Aktuelle Blockchain-Implementierungen sind durch ihre Konsensmechanismen eingeschränkt, die eine umfassende Kommunikation zwischen Knoten erfordern, um sich auf den Zeitpunkt und die Reihenfolge der Ereignisse zu einigen. Dieser Koordinationsaufwand führt zu einem Engpass, der die Skalierung bestehender Blockchains verhindert, um den Anforderungen globaler Anwendungen gerecht zu werden.
Das Kernproblem ist die Zeit. In verteilten Systemen können sich Knoten nicht auf externe Uhren verlassen, da sie nicht darauf vertrauen können, dass die Zeitstempel anderer Knoten korrekt sind. Herkömmliche Blockchain-Konsensprotokolle lösen dieses Problem, indem sie die Knoten umfassend kommunizieren lassen, um sich über den aktuellen Status und die Reihenfolge der Transaktionen zu einigen. Dieser Kommunikationsaufwand schränkt den Durchsatz grundsätzlich ein, da das Netzwerk Transaktionen nur so schnell verarbeiten kann, wie Knoten einen Konsens über ihre Reihenfolge erzielen können.
Solana führt Proof of History als Lösung für dieses Timing-Problem ein. PoH bietet eine kryptografische Methode zum Nachweis, dass zwischen Ereignissen eine bestimmte Zeitspanne vergangen ist, ohne auf Zeitstempel potenziell böswilliger Akteure angewiesen zu sein. Durch die Erstellung einer überprüfbaren historischen Aufzeichnung ermöglicht PoH den Knoten, Transaktionen unabhängig zu verarbeiten und gleichzeitig die Reihenfolge nachzuweisen, in der Ereignisse aufgetreten sind. Dieser Durchbruch ermöglicht es dem Netzwerk, die Transaktionsverarbeitung zu parallelisieren und den Durchsatz drastisch zu steigern.
Die wichtigste Erkenntnis ist, dass wir den Koordinationsengpass im Konsens beseitigen können, wenn wir eine vertrauenswürdige Zeitquelle schaffen können. Da PoH eine kryptografische Uhr bereitstellt, kann validators Transaktionen parallel verarbeiten und muss nur kommunizieren, um die kanonische Reihenfolge abzuschließen. Dieser architektonische Wandel ermöglicht es Solana, Leistungsniveaus zu erreichen, die zuvor in einer dezentralen Blockchain für unmöglich gehalten wurden.
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。
Outline
Dieses Papier beschreibt die technische Architektur von Solana und konzentriert sich darauf, wie Proof of History einen leistungsstarken Blockchain-Betrieb ermöglicht. Das Dokument erklärt zunächst den PoH-Mechanismus selbst – wie eine sequentielle Hash-Kette eine überprüfbare zeitliche Reihenfolge von Ereignissen erstellt. Wir beschreiben die kryptografischen Eigenschaften, die PoH sicher machen, und zeigen, wie validators die PoH-Sequenz effizient überprüfen kann.
Das Papier untersucht dann, wie sich PoH in den Proof of Stake-Konsens integrieren lässt. Wir beschreiben Tower BFT, einen PoS-Algorithmus, der speziell dafür entwickelt wurde, die zeitlichen Eigenschaften von PoH zu nutzen. Die Integration ermöglicht es validators, zu bestimmten PoH-Zeitstempeln über den Status von ledger abzustimmen, wodurch ein Konsensmechanismus entsteht, der sowohl schnell als auch sicher ist. Außerdem erläutern wir die Slashing-Bedingungen, die böswilliges Verhalten verhindern.
Als Nächstes stellen wir das Netzwerkdesign und die Datenverbreitungsprotokolle von Solana vor. Das Gulf Stream-Protokoll ermöglicht die Weiterleitung von Transaktionen ohne die Notwendigkeit eines Mempools, sodass Kunden Transaktionen direkt an aufstrebende Führungskräfte senden können. Wir beschreiben, wie die Führungsrotation funktioniert und wie das Netzwerk auch bei Führungswechseln einen hohen Durchsatz aufrechterhält.
Abschließend besprechen wir die Systemarchitektur, einschließlich der Transaction Processing Unit (TPU), der parallelen Sealevel-Laufzeit und des Replikationsnachweises zur Überprüfung der Datenspeicherung. Leistungsprognosen zeigen, dass Solana über 700.000 Transaktionen pro Sekunde in einem Standard-Gigabit-Netzwerk verarbeiten kann, wobei der Durchsatz mit zunehmender Hardware skaliert wird.
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。
Network Design
Das Netzwerkdesign von Solana basiert auf einem rotierenden Leader-System, in dem validators abwechselnd Blöcke produzieren. Der Leiter ist dafür verantwortlich, eingehende Transaktionen in den PoH-Stream zu sequenzieren und die resultierenden Blöcke im Netzwerk zu veröffentlichen. Die Auswahl der Leader erfolgt über einen stake-gewichteten Algorithmus, und der Rotationsplan ist im Voraus bekannt, sodass das Netzwerk die Transaktionsweiterleitung optimieren kann.
Das Gulf Stream-Protokoll macht einen herkömmlichen Mempool überflüssig, indem es Kunden ermöglicht, Transaktionen direkt an aufstrebende Führungskräfte weiterzuleiten. Wenn ein Kunde eine Transaktion einreicht, wird diese basierend auf dem Rotationsplan an den erwarteten Leiter weitergeleitet. Wenn der aktuelle Leiter die Transaktion nicht verarbeiten kann, leitet er sie an den nächsten erwarteten Leiter weiter. Dieses Design reduziert die Bestätigungslatenz und ermöglicht es validators, Transaktionen vorzeitig auszuführen, wodurch der Durchsatz weiter optimiert wird.
Die Transaktionsweitergabe verwendet einen mehrschichtigen Ansatz. Kunden senden Transaktionen an validators, der sie an den aktuellen oder kommenden Leiter weiterleitet. Der Leiter ordnet die Transaktionen in den PoH-Stream ein und erstellt so eine Gesamtordnung. Nach der Sequenzierung übermittelt der Leiter den PoH-Stream und die Transaktionsdaten an validators, der die PoH-Sequenz überprüft und die Transaktionen parallel ausführt.
Das Netzwerkdesign umfasst auch ein Turbinenblock-Propagationsprotokoll, das Blöcke in kleinere Pakete aufteilt und sie in einer Baumstruktur über das Netzwerk verteilt. Dieser Ansatz minimiert den Bandbreitenbedarf für einzelne validators und gewährleistet gleichzeitig eine schnelle Blockausbreitung. In Kombination mit der Fähigkeit von PoH, die Reihenfolge von Transaktionen zu überprüfen, ermöglicht diese Architektur Solana, einen hohen Durchsatz zu erreichen, ohne die Dezentralisierung zu beeinträchtigen.
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
Proof of History ist eine überprüfbare Verzögerungsfunktion, die als sequentielle Hash-Kette mithilfe von SHA-256 implementiert wird. Der PoH-Generator berechnet kontinuierlich SHA-256-Hashes und verwendet jede Ausgabe als Eingabe für den nächsten Hash. Dadurch entsteht eine sequentielle Kette, in der jeder Hash erst nach dem vorherigen berechnet werden kann, wodurch eine überprüfbare zeitliche Reihenfolge entsteht. Der Rechenaufwand für die Generierung jedes Hashs erzwingt eine minimale Zeitverzögerung zwischen Ereignissen.
Die Haupteigenschaft von PoH besteht darin, dass es kostengünstig zu überprüfen, aber teuer in der Herstellung ist. Ein Verifizierer kann die gesamte Hash-Sequenz parallel überprüfen, indem er sie in Segmente aufteilt und jedes Segment einzeln überprüft und dann überprüft, ob die Segmente ordnungsgemäß verbunden sind. Die Generierung muss jedoch sequentiell erfolgen – es gibt keine Möglichkeit, die Ausgabe der Hash-Kette vorherzusagen, ohne jeden Zwischenschritt tatsächlich zu berechnen. Diese Asymmetrie zwischen Generierung und Verifizierung macht PoH praktisch.
Externe Ereignisse und Transaktionsdaten werden in die PoH-Sequenz eingefügt, indem sie in die Hash-Kette eingemischt werden. Wenn eine Transaktion eintrifft, wird ihr Hash mit dem aktuellen PoH-Status kombiniert, wodurch ein Datensatz erstellt wird, der beweist, dass die Transaktion zu diesem Zeitpunkt in der Sequenz existierte. Der PoH-Generator zeichnet regelmäßig Prüfpunkte auf und veröffentlicht den aktuellen Hash-Wert zusammen mit der Anzahl der seit dem letzten Prüfpunkt berechneten Hashes. Diese Prüfpunkte ermöglichen es validators, die PoH-Sequenz effizient zu überprüfen, ohne jeden Hash neu berechnen zu müssen.
Die PoH-Sequenz dient als kryptografischer Taktgeber für das gesamte Netzwerk. Da die Hash-Kette sequentiell und überprüfbar ist, kann jeder Knoten nachweisen, dass zwischen zwei Ereignissen eine bestimmte Zeitspanne vergangen ist, indem er einfach die in diesem Intervall berechneten Hashes anzeigt. Dadurch entfällt für Knoten die Notwendigkeit, externen Zeitstempeln zu vertrauen oder sich untereinander zu koordinieren, um eine zeitliche Reihenfolge festzulegen, wodurch ein grundlegender Engpass im traditionellen Blockchain-Konsens beseitigt wird.
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。
Proof of History Sequence
Die Proof of History-Sequenz ist eine kontinuierliche Kette von SHA-256-Hashes, wobei jeder Hash von der vorherigen Ausgabe abhängt. Die Sequenz beginnt mit einem anfänglichen Startwert, der gehasht wird, um die erste Ausgabe zu erzeugen. Diese Ausgabe wird zur Eingabe für den nächsten Hash und der Vorgang wiederholt sich auf unbestimmte Zeit. Der Generator verwaltet außerdem einen Zähler, der die Gesamtzahl der berechneten Hashes verfolgt und als PoH-„Zeitstempel“ für Ereignisse im ledger dient.
Wenn Daten in die Sequenz eingefügt werden müssen (z. B. Transaktions-Hashes oder validator-Signaturen), werden sie mithilfe einer deterministischen Mischfunktion mit dem aktuellen Hash-Status kombiniert. Wenn der aktuelle Hash-Status beispielsweise „hash_n“ ist und wir Daten „D“ einfügen möchten, berechnen wir „hash_{n+1} = SHA256(hash_n || D)“, wobei „||“ die Verkettung bezeichnet. Der Einfügepunkt wird zusammen mit dem Zählerwert aufgezeichnet, was beweist, dass die Daten „D“ an diesem bestimmten Punkt in der Sequenz vorhanden waren.
Die Überprüfung der PoH-Sequenz kann durch Aufteilen der Kette in Segmente parallelisiert werden. Beispielsweise könnte ein validator alle 10.000 Hashes PoH-Prüfpunkte empfangen. Um die Reihenfolge zwischen Prüfpunkten zu überprüfen, kann validator die 10.000 Hashes in 100 Segmente zu je 100 Hashes aufteilen, jedes Segment unabhängig parallel überprüfen und dann überprüfen, ob die Segmente ordnungsgemäß verbunden sind. Dadurch kann die Verifizierung horizontal mit der Anzahl der verfügbaren CPU-Kerne skaliert werden.
Die Sequenz unterstützt auch effiziente Beweise dafür, dass zwei Ereignisse in einer bestimmten Reihenfolge aufgetreten sind. Bei zwei Dateneinfügungen bei den Zählerwerten „n“ und „m“, wobei „n m“ ist, kann jeder überprüfen, ob das Ereignis bei „n“ vor dem Ereignis bei „m“ stattgefunden hat, indem er die Hash-Kette zwischen diesen Punkten überprüft. Mit dieser Eigenschaft kann Solana eine überprüfbare historische Aufzeichnung aller Ereignisse im Netzwerk erstellen, ohne dass Knoten ständig online sein oder externen Zeitquellen vertrauen müssen.
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。
Timestamp
Proof of History fungiert als dezentrale Uhr, die Ereignissen Zeitstempel zuweist, ohne auf die Uhrzeit der Uhr angewiesen zu sein. Jeder PoH-Hash stellt einen diskreten „Tick“ der kryptografischen Uhr dar und der Zählerwert dient als Zeitstempel. Da die Hash-Kette sequentiell und überprüfbar ist, sind diese Zeitstempel nicht vertrauenswürdig – jeder Beobachter kann überprüfen, ob ein Zeitstempel legitim ist, indem er die Hash-Kette überprüft.
In Solana kann jeder validator seine eigene PoH-Sequenz generieren, wenn er als Leader fungiert. Wenn validators die Führung wechselt, synchronisieren sie ihre PoH-Sequenzen mit dem letzten bestätigten Kontrollpunkt des vorherigen Leiters. Dies stellt die Kontinuität der zeitlichen Aufzeichnung sicher, auch wenn verschiedene validators abwechselnd Blöcke erzeugen. Das Netzwerk legt einen kanonischen Zeitplan fest, indem es einen Konsens darüber erzielt, welche PoH-Sequenzen als Teil des offiziellen ledger akzeptiert werden sollen.
Das System bewältigt Taktabweichungen und Abweichungen in der Hardwareleistung durch eine Kombination aus Leader-Rotation und Konsens. Wenn ein böswilliger oder fehlerhafter Anführer versucht, PoH-Zeitstempel mit einer falschen Rate (zu schnell oder zu langsam) zu generieren, kann validators dies erkennen, indem es die PoH-Tick-Rate mit seinen eigenen lokalen PoH-Generatoren vergleicht. Erhebliche Abweichungen von der erwarteten Rate weisen auf ein Problem hin, und validators kann Blöcke von Anführern ablehnen, deren PoH-Sequenzen zu weit vom Netzwerkmedian abweichen.
Dieser Zeitstempelmechanismus löst eines der grundlegenden Probleme in verteilten Systemen: die Etablierung einer gemeinsamen Zeitvorstellung ohne eine vertrauenswürdige zentrale Autorität. Durch die Verwendung von PoH als dezentraler Uhr ermöglicht Solana validators die parallele Verarbeitung von Transaktionen unter Beibehaltung einer global konsistenten Reihenfolge. Die Zeitstempel bilden auch eine Grundlage für zeitbasierte Funktionen wie Transaktionsablauf, geplante Vorgänge und Leistungsmessung.
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。
Proof of Stake Consensus
Der Konsensmechanismus von Solana, Tower BFT genannt, ist ein Proof of Stake-Algorithmus, der speziell dafür entwickelt wurde, die zeitlichen Eigenschaften von Proof of History zu nutzen. Validatoren setzen SOL-Token ein, um am Konsens teilzunehmen und Belohnungen für die korrekte Validierung von Blöcken zu erhalten. Das einsatzgewichtete Abstimmungssystem stellt sicher, dass validators mit größerem wirtschaftlichen Interesse am Netzwerk proportional mehr Einfluss auf Konsensentscheidungen haben.
Die Kerninnovation von Tower BFT ist die Verwendung von Sperrfristen, die mit jeder aufeinanderfolgenden Abstimmung exponentiell zunehmen. Wenn ein validator über einen PoH-Hash abstimmt, verpflichtet er sich für eine bestimmte Anzahl von PoH-Ticks zu diesem Fork des ledger. Wenn sie über den nächsten Block in diesem Fork abstimmen, verdoppelt sich die Sperrfrist. Dies schafft einen starken wirtschaftlichen Anreiz für validators, weiterhin über denselben Fork abzustimmen, da ein Wechsel der Forks das Abwarten früherer Sperrungen erfordern würde.
Insbesondere wenn ein validator zum PoH-Zeitstempel „t“ über einen Block abstimmt, kann er erst dann über einen widersprüchlichen Fork abstimmen, wenn „2^n“ Ticks vergangen sind, wobei „n“ die Anzahl der aufeinanderfolgenden Abstimmungen ist, die er am aktuellen Fork abgegeben hat. Dieser exponentielle Sperrmechanismus macht das System vor Angriffen aus großer Entfernung sicher und ermöglicht gleichzeitig eine schnelle Endgültigkeit. Sobald eine Mehrheit der Anteilseigner über einen Block mit ausreichender Tiefe abgestimmt hat, ist dieser Block effektiv abgeschlossen.
Schlechte Bedingungen erzwingen ehrliches Verhalten. Wenn ein validator während eines Zeitraums, in dem sie gesperrt werden sollten, über zwei widersprüchliche Forks abstimmt, werden sie gekürzt – ihre abgesteckten Token werden teilweise zerstört und sie werden aus dem validator-Satz entfernt. Dies macht es wirtschaftlich irrational, Zweideutigkeiten oder anderes Byzantine-Verhalten zu versuchen. Durch die Kombination der überprüfbaren Zeitstempel von PoH und der exponentiellen Sperren von Tower BFT entsteht ein Konsensmechanismus, der sowohl schnell als auch sicher ist und in Sekundenschnelle eine Endgültigkeit erreicht, während die Sicherheitsgarantien herkömmlicher BFT-Systeme erhalten bleiben.
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。
Streaming Proof of Replication
Proof of Replication (PoRep) ist ein Mechanismus, der es validators ermöglicht, nachzuweisen, dass die ledger-Daten gespeichert werden, ohne die Daten selbst preiszugeben oder intensive Berechnungen zu erfordern. Solana implementiert eine Streaming-Version von PoRep, bei der validators kontinuierlich nachweist, dass sie den Blockchain-Status replizieren. Dies ist für die Netzwerksicherheit von entscheidender Bedeutung, da dadurch sichergestellt wird, dass die ledger-Daten ordnungsgemäß über validators verteilt und nicht an einigen wenigen Orten konzentriert werden.
Der PoRep-Mechanismus funktioniert, indem validators Segmente des ledger mithilfe der Verschlüsselung im CBC-Modus (Cipher Block Chaining) mit einem validator-spezifischen Schlüssel verschlüsselt, der aus ihrer Identität abgeleitet wird. Der Verschlüsselungsprozess ist so, dass jeder verschlüsselte Block vom vorherigen Block abhängt, wodurch eine Kette entsteht, die für jeden validator einzigartig ist. Dadurch wird verhindert, dass validators einfach verschlüsselte Daten voneinander kopiert – jeder validator muss die ursprünglichen ledger-Daten speichern und verarbeiten, um seine eindeutige verschlüsselte Version zu generieren.
In regelmäßigen Abständen fordert das Netzwerk validators auf, bestimmte verschlüsselte Blöcke bereitzustellen. Da die Verschlüsselung verkettet ist, muss der validator alle vorhergehenden Blöcke gespeichert haben, um die richtige Antwort zu generieren. Der validator übermittelt seinen verschlüsselten Block zusammen mit einem Merkle-Beweis, der seine Position in seinem verschlüsselten ledger zeigt. Das Netzwerk kann diesen Beweis schnell überprüfen, ohne dass die Daten entschlüsselt oder erneut verschlüsselt werden müssen.
Dieser Streaming-Ansatz für PoRep hat im Vergleich zu herkömmlichen Proof-of-Storage-Systemen einen geringen Overhead. Validatoren können Daten bei ihrem Eintreffen verschlüsseln und mit minimaler Latenz auf Herausforderungen reagieren. Das System ermöglicht auch die Wiederherstellung im Falle eines Datenverlusts – wenn ein validator einen Teil des ledger verliert, können sie ihn von einem anderen validators erneut herunterladen und neu verschlüsseln. Durch die Kombination von PoRep mit PoH-Zeitstempeln entsteht ein vollständiges Verantwortlichkeitssystem, mit dem das Netzwerk sowohl überprüfen kann, wann Daten erstellt wurden, als auch, ob sie ordnungsgemäß im validator-Netzwerk gespeichert sind.
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。
System Architecture
Die Systemarchitektur von Solana ist als Pipeline konzipiert, in der verschiedene Phasen der Transaktionsverarbeitung parallel stattfinden. Die Transaction Processing Unit (TPU) ist die Kernkomponente, die für die Abwicklung eingehender Transaktionen verantwortlich ist. Die TPU besteht aus mehreren Phasen: Abrufen (Sammeln von Transaktionen), Signaturüberprüfung, Banking (Transaktionsausführung) und Schreiben (Festlegen in die Speicherung). Jede Stufe arbeitet parallel an verschiedenen Transaktionen, ähnlich dem CPU-Pipelining.
Die Signaturüberprüfung wird mithilfe von GPUs beschleunigt, die bei den zur Überprüfung von Transaktionssignaturen erforderlichen Kryptographieoperationen mit elliptischen Kurven äußerst effizient sind. Durch die Verlagerung dieser rechenintensiven Aufgabe auf GPUs kann Solana Signaturen mit Geschwindigkeiten von mehr als 900.000 pro Sekunde auf handelsüblicher Hardware überprüfen. Diese parallele Signaturprüfung verhindert, dass die kryptografische Validierung selbst bei sehr hohen Transaktionsraten zu einem Engpass wird.
Die Sealevel-Laufzeit ist die parallele Smart-Contract-Ausführungs-Engine von Solana. Im Gegensatz zu herkömmlichen Blockchains, die Transaktionen nacheinander ausführen, analysiert Sealevel Transaktionen, um zu ermitteln, auf welche Konten sie zugreifen, und führt nicht widersprüchliche Transaktionen parallel über mehrere CPU-Kerne aus. Um die Konsistenz zu gewährleisten, werden Transaktionen, die auf dieselben Konten zugreifen, nacheinander ausgeführt. Transaktionen, die auf verschiedene Konten zugreifen, können jedoch gleichzeitig ausgeführt werden. Diese Parallelität ist möglich, weil PoH eine globale Reihenfolge festlegt – validators kann Transaktionen in beliebiger Reihenfolge ausführen, solange sie sie in der von PoH angegebenen Reihenfolge auf den Status anwenden.
Die Architektur umfasst auch optimierte Komponenten für die Blockausbreitung und -speicherung. Das Turbine-Block-Propagation-Protokoll verwendet Erasure-Coding, um Blöcke in kleinere Pakete aufzuteilen, die in einer Baumstruktur über das Netzwerk verteilt werden, wodurch der Bandbreitenbedarf minimiert wird. Das Archivers-Netzwerk bietet dezentralen Speicher für historische ledger-Daten und nutzt PoRep, um die Datenverfügbarkeit sicherzustellen. Zusammen bilden diese Komponenten ein System, das Hunderttausende Transaktionen pro Sekunde verarbeiten kann und gleichzeitig die Dezentralisierungs- und Sicherheitseigenschaften einer Blockchain beibehält.
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。
Performance
Die Architektur von Solana ist darauf ausgelegt, Leistungsniveaus zu erreichen, die mit Hardware-Verbesserungen skalieren und dem Mooreschen Gesetz folgen. Bei einer standardmäßigen 1-Gigabit-Netzwerkverbindung beträgt der theoretische maximale Durchsatz etwa 710.000 Transaktionen pro Sekunde, wenn man von 176 Bytes pro Transaktion (einschließlich Signaturen und Metadaten) ausgeht. Diese Berechnung basiert auf der Netzwerkbandbreite als primärem Engpass, wobei Rechenengpässe durch Parallelisierung beseitigt werden.
Die Signaturüberprüfung, oft ein limitierender Faktor für die Blockchain-Leistung, wird durch GPU-Parallelisierung beschleunigt. Eine einzelne GPU kann über 900.000 ed25519-Signaturen pro Sekunde verifizieren, was die Netzwerkdurchsatzgrenze überschreitet. Dies bedeutet, dass die Signaturüberprüfung die Leistung des Systems nicht einschränkt – der Engpass verlagert sich auf die Netzwerkbandbreite und die Transaktionsausführung. Bei einfachen Transaktionen, die nur Werte ohne komplexe Smart-Contract-Logik übertragen, kann die Bankstufe Transaktionen zu Raten verarbeiten, die der Netzwerkeingangsrate entsprechen.
Der PoH-Generator läuft auf einem dedizierten CPU-Kern und erzeugt auf einem 4-GHz-Prozessor etwa 4.000 Hashes pro Millisekunde. Bei dieser Rate liefert die PoH-Sequenz Zeitstempel mit einer Granularität von 0,25 Mikrosekunden, was für die Bestellung von Millionen von Transaktionen pro Sekunde ausreicht. Aufgrund der sequentiellen Natur der PoH-Generierung kann diese Komponente nicht parallelisiert werden, der Durchsatz ist jedoch hoch genug, um die Gesamtsystemleistung nicht einzuschränken.
Wenn sich die Hardware verbessert, skaliert der Durchsatz von Solana entsprechend. Schnellere Netzwerke, leistungsstärkere GPUs und verbesserte CPUs tragen alle zu höheren Transaktionsraten bei. Das System ist so konzipiert, dass es diese Verbesserungen nutzt, ohne dass Protokolländerungen erforderlich sind. Dieser Skalierbarkeitsansatz steht im Gegensatz zu Blockchains, die grundsätzlich durch sequentielle Konsensmechanismen eingeschränkt sind, was es Solana ermöglicht, Leistungsniveaus zu erreichen, die in einem dezentralen System bisher für unmöglich gehalten wurden, und gleichzeitig Sicherheits- und Dezentralisierungsgarantien aufrechtzuerhalten.
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。
Conclusion
Proof of History stellt einen grundlegenden Durchbruch in der Blockchain-Architektur dar, indem es das Zeitproblem löst, das die Skalierbarkeit verteilter ledgers eingeschränkt hat. Durch die Erstellung einer überprüfbaren kryptografischen Uhr ermöglicht PoH validators, eine zeitliche Reihenfolge von Ereignissen festzulegen, ohne den umfangreichen Kommunikationsaufwand, der bei herkömmlichen Konsensmechanismen erforderlich ist. Diese Innovation beseitigt einen kritischen Engpass und ermöglicht die Parallelisierung der Transaktionsverarbeitung im gesamten Netzwerk.
Durch die Integration von PoH mit optimierten Systemkomponenten – GPU-beschleunigte Signaturüberprüfung, parallele Transaktionsausführung durch Sealevel und effiziente Blockausbreitungsprotokolle – entsteht eine Blockchain, die Hunderttausende Transaktionen pro Sekunde auf Standardhardware verarbeiten kann. Noch wichtiger ist, dass die Architektur darauf ausgelegt ist, mit Hardware-Verbesserungen zu skalieren, was bedeutet, dass die Leistung weiter steigt, wenn Prozessoren schneller und Netzwerke leistungsfähiger werden.
Das Design von Solana zeigt, dass sich hohe Leistung und Dezentralisierung nicht ausschließen. Durch die Nutzung von PoH als Grundlage für Konsens und Systemkoordination erreicht das Netzwerk einen Durchsatz, der mit zentralisierten Datenbanken vergleichbar ist, und behält gleichzeitig die Sicherheits- und Zensurresistenzeigenschaften einer dezentralen Blockchain bei. Der stake-gewichtete Tower-BFT-Konsensmechanismus stellt sicher, dass das Netzwerk vor Byzantine-Akteuren sicher bleibt und gleichzeitig eine schnelle Endgültigkeit erreicht.
Die Implementierung dieser Architektur bietet einen praktischen Weg für die Skalierung der Blockchain-Technologie zur weltweiten Einführung. Anwendungen, die einen hohen Transaktionsdurchsatz erfordern – wie dezentrale Börsen, Spieleplattformen und Finanzsysteme – können jetzt auf einer wirklich dezentralen Infrastruktur aufgebaut werden, ohne Kompromisse bei der Leistung einzugehen. Proof of History öffnet die Tür zu einer neuen Generation von Blockchain-Anwendungen, die bisher aufgrund von Skalierbarkeitsbeschränkungen nicht realisierbar waren.
