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另类的Solana：不走分片之路

蓝狐笔记2020-08-07 06:19:32

转自：蓝狐笔记

蓝狐笔记之前多次介绍过Solana，可以查阅《为什么Solana是区块链开发者需要的“世界计算机”？》、《区块链的“历史证明机制”：时间与共识》等，如今它已经发展了不少。

前不久FTX将要基于Solana发布其DEX交易所，该DEX名为Serum。FTX的CEO SBF还公开为Solana“带盐”：“Solana棒极了！”这是什么情况？为什么不是基于以太坊构建其DEX？

这一切都源于Solana的特色：在保证一定程度安全的前提下，实现高性能和低费用。

Solana现状

截止到蓝狐笔记写稿时，Solana的总交易数近20亿次，当前的tps大约200-300之间，大约是目前ETH的10-20倍，能处理当前多数场景的交易，尤其是DeFi领域的交易。

（SOURCE：Solanabeach.io)

Solana的代币为SOL，截止到蓝狐笔记写稿时，其流通市值超过3800万美元，活跃的质押超过1.7亿，一共有135位质押者。其中质押超过100万美元（按当前SOL价格计算）的质押者达到128位，目前的验证者是相对分散的，且都质押一定量的资金，Solana已经有了一定的社区基础。目前其质押者主要来自于欧洲、美国，亚洲质押者参与度相对较低。

（SOURCE：Solanabeach.io)

不走分片之路的Solana

目前区块链扩展的主流方案是分片+layer2。而Solana是个另类。它并没有选择分片之路，这也是加密世界中两个让蓝狐笔记印象较深的项目，一个是Solana，一个是Holochain。Solana试图实现高性能、低费用，且兼顾一定程度的去中心化和安全。它还有一个很重要的优势是，不用担心可组合性的问题。如果公链分片之后，可组合性是个必须面对的问题。而没有分片的Solana则不存在这种担忧。

Solana创始人是Anatoly Yakovenko。从公开资料看，他之前一直在思考一个问题：多节点组成的去中心化网络如何才能达到单节点的性能？对这一问题的底层思考，引出了Solana最重要的概念之一：PoH（Proof of History）。

Solana的时钟

Solana的PoH并不是共识机制，也不是抵抗女巫攻击的机制。它本质上是针对区块链时钟问题的解决方案。当前区块链的时钟按照区块滴答来行进，比如比特币，其时间滴答大约每十分钟一次，每次滴答更新一次区块，区块的更新代表全局状态的更新。也就是说，在比特币的PoW机制中，时间和状态是耦合的，保持同步的行进。中本聪通过将PoW、难度调整以及最长链规则结合一起，实现了在无须许可环境下的全局共识。

不过，这种全局共识也存在吞吐量的限制，因为吞吐量取决于区块大小和区块时间。区块越大，区块时间越短，吞吐量越大。但区块越大不利于节点的去中心化，减少区块时间则会增加链分叉的概率。

为提高吞吐量，Solana提出了将时间和状态解耦的方案，如何实现这一点？需要全局可用的时钟。有了全局时钟，状态更新可按照异步方式进行；有了全局一致的时钟和交易时间戳，可以实现交易在网络间的持续流动。Solana的PoH机制就是为网络中的所有节点产生全局可用的时间链。

有了独立的时间链，验证的领导者在收到时间戳后会尽快广播给委员会。时间戳有规范顺序，不是区块生产者任意确定的顺序，这样，Solana中的验证者可以实时向其他节点发送状态更新。节点持续收到新的交易，交易有发送者签名过的PoH哈希，并将其转发给邻居节点。

Solana的验证者通过SHA-256顺序哈希的VDF（可验证延迟函数）来解决时钟问题。每个Solana的验证者使用VDF来维持其自己的时钟，可以为周期（epoch）提前安排领导者。

通过PoH，Solana的验证领导者可以实现持续轮换，且其轮换的决定是异步进行的。Solana网络也可以轮换验证者，且其轮换可在验证者之间无须相互交谈就可实现。而通常的区块链则需要验证者之间进行交谈才能作出轮换决定。这种设计给予Solana更大的可扩展性空间。

除了PoH，Solana在共识机制、区块广播、账本存储等方面也进行了优化。

Solana的 TBFT 共识

Solana的共识机制是TBFT共识（Tower BFT），类似于PBFT共识。不过，Solana的TBFT将其活性优先于一致性。Solana的节点可以计算当前的验证者数量、每个验证者状态、每个验证者提交给网络中任何区块的超时。通过这些数据结构，节点可以进行投票，从而达成共识。

Solana的 Turbine 区块广播

Turbine是Solana的区块广播技术，借用了BitTorrent的思想。一个区块传输时，它会分成很多个小数据包，然后广播到大量的随机节点。按照Solana自身的说法，使用其扇出机制，如果每个连接为100毫秒，对于40,000个节点的网络而言，可以在400毫秒内完成复制，500毫秒内完成最终性。

此外，由于Solana的共识层不依赖于点对点消息，因此可以独立于共识进行区块网络传输的优化。

Solana的 Gulf Stream

在Slolana的结构中，每个验证者都知道未来领导者的顺序，验证者会提前将交易转发给预期的领导者。这可以让验证者提前执行交易，减少确认时间，减少对验证者的内存压力。

而像钱包这样的客户端则签署引用特定区块哈希的交易。客户端选择被网络完全确认的区块哈希，最差的情况下需要32个区块，假设区块时间大约800毫秒，最多只需要25.6秒完全确认。

一旦交易转发给任意验证者，验证者会转发给未来的领导者。客户端可以订阅来自验证者的交易确认。客户端知道区块哈希在有限时间内过期或者交易被网络确认。它允许客户端签署交易，这些交易可以保证执行或失败。

Solana的s ealevel

sealevel是Solana用来构建横向扩展的技术方案，是并行交易处理的引擎。多数区块链都是单线程的计算机。Solana试图在单个分片中支持并行交易执行。它借鉴了“scatter-gathter”的操作系统驱动程序技术。交易预先指定它们在执行时将读取或写入的状态。运行时可以找到一个块中所有非重叠状态转换函数，且并行处理。

sealevel本身是用于安排交易的虚拟机，但它并不在虚拟机中执行交易。它使用Berkeley Packet Filter（BFT，为高性能数据包过滤器设计）的字节码，将交易在硬件本地执行。

使用LLVM（针对WASM的相同编译器），可为开发者提供一组工具，用c/c++和Rust编写高性能的智能合约。Solana没有使用WASM，不过开发者可以在Solana编译器上通过少量更改重新编译C和Rust代码。开发者可以从其他WASM链（ETH2.0、Polkadot、EOS等）将应用迁移过来。这一点对于开发者来说，会有一定的吸引力。

为保证安全，Solana的体系结构支持不同模块之间保持严格状态分离，同时将资源和脚本作为高级概念引入。

Solana的 Pipelining

Solana网络上的交易验证过程利用了Pipelining的机制（CPU设计中常见的优化）。Solana网络上Pipelining机制（交易处理单元）在内核级别进行数据获取、在GPU级别进行签名验证，在CPU级别进行存储，在内核空间进行写入。据Solana的说法，通过这一机制，其交易处理单元可以同时处理50,000个交易。

Solana的Cloudbreak

Cloudbreak是Solana的水平扩展内存方案。除了扩展计算，也有必要扩展内存，因为用于跟踪账户的内存很快会在大小和访问速度方面成为瓶颈。一般的处理方法是在RAM中维持全局状态。不过，普通的计算机没有足够的RAM来存储全局状态。Solana设计了Cloudbreak的状态架构来进行优化。每个额外的磁盘增加了链上程序可用的存储容量，并增加了在执行时可以执行的并发读写程序数量。

这个结构支持交易的提前执行。只要验证者观察到交易，sealevel可以开始从磁盘中预取所有账户，并为执行准备运行时。验证者和区块生产者可以在交易编码进入区块前开始执行交易，有利于进一步优化区块时间。

Solana的Archiver

为减轻验证者负担，Solana将数据存储从验证者转移到名为Archiver的节点网络。交易状态的历史记录被拆分为很多碎片，并使用纠删码技术。Archiver用于存储状态的碎片，但不参与共识。Solana利用了PoRep（Proof of Replication）的技术，了解Filecoin的小伙伴们肯定很熟悉，这是源于Filecoin的概念。

Solana通过PoH（Proof of History）来优化RoRep的创建方式。Archiver节点使用PoH产生轻量级的证明，验证者可以通过GPU进行大规模验证。Archiver节点甚至可以是轻量级节点（例如笔记本电脑）。通过纠删码和冗余，Archiver网络可以提供数据可用性保证。

通过PoH的创新和其他几个方面的优化，Solana试图走出一条不靠分片的扩展之路。

如Serum能成功，对Solana意味着什么？

Solana之前有过Kin的支持，kin将其网络迁移至Solana。而如今FTX的Serum也计划构建在Solana上。一旦它获得一定的用户规模和开发者支持，就会引起越来越多的社区和开发者注意。

FTX选择Solana构建其DEX Serum。核心原因有几个：

一是高吞吐量和低延迟。

当前其理论tps最高可达50,000次（60个节点）。如今Solana的tps也在200-300之间（超过150个节点），它可以在不到1秒时间内完成交易。这对跟如今的区块链的低吞吐量和高延迟形成鲜明对比。如果发生抵押资产价格暴跌情况，吞吐量过低，速度过慢都可能导致用户大量损失。这些现实的情况不断促使开发者和用户在寻找新的选项。

二是低费用。

据说百万笔转账的交易费用才10美元左右。这跟如今用户参与DeFi挖矿的费用形成巨大反差。如今用户参与DeFi的流动性挖矿花费几十美元的gas费用是很平常的事情。这么高的费用除非有极高的收益支撑，否则很难持续。

三是兼容性和无须担心可组合性。

Solana支持Rust、C、C++、Move（Libra）语言，也支持开发者从WASM链（ETH2.0、Polkadot、EOS等）将应用迁移过来。这些兼容性可以降低开发者开发成本。

此外，由于Solana走的不是分片之路，也无须担心智能合约的跨分片交易等问题。

Serum的能否成功，对Solana的意义不会低于对FTX的意义。如果Serum成功运行，那么，其他饱受高费用、低吞吐量、低速度的DeFi项目也会开始认真考虑其更多的选项和可能性。当然，由于以太坊生态的丰富性，这不意味着会离开以太坊，只是会考虑更多的选项。