Mengurai Arsitektur Teknologi Solana: Apakah Akan Menyambut Musim Semi Kedua?

Solana adalah platform blockchain berkinerja tinggi yang menggunakan arsitektur teknologi unik untuk mencapai throughput tinggi dan latensi rendah. Teknologi inti termasuk algoritma Proof of History (POH) yang memastikan urutan transaksi dan jam global, Jadwal Rotasi Pemimpin dan mekanisme konsensus Tower BFT yang meningkatkan kecepatan pembuatan blok. Mekanisme Turbine mengoptimalkan penyebaran blok besar melalui pengkodean Reed-solomon. Mesin Virtual Solana (SVM) dan mesin eksekusi paralel Sealevel mempercepat kecepatan eksekusi transaksi. Semua ini adalah desain arsitektur Solana untuk mencapai kinerja tinggi, tetapi juga membawa beberapa masalah, seperti downtime jaringan, kegagalan transaksi, masalah MEV, pertumbuhan status yang terlalu cepat, dan masalah sentralisasi, yang juga kami bahas dalam artikel ini.

Pengembangan ekosistem Solana berkembang pesat, dengan berbagai indikator data yang meningkat pesat di paruh pertama tahun ini, terutama di bidang DeFi, infrastruktur, GameFi/NFT, DePin/AI, dan aplikasi konsumen. TPS tinggi Solana dan strategi yang berfokus pada aplikasi konsumen serta lingkungan ekosistem yang kurang kuat dalam efek merek memberikan banyak peluang bagi pengusaha dan pengembang. Dalam hal aplikasi konsumen, Solana menunjukkan visinya untuk mendorong penerapan teknologi blockchain di bidang yang lebih luas. Dengan mendukung seperti Solana Mobile dan SDK yang dibangun khusus untuk aplikasi konsumen, Solana berkomitmen untuk mengintegrasikan teknologi blockchain ke dalam aplikasi sehari-hari, sehingga meningkatkan penerimaan dan kenyamanan pengguna. Misalnya, aplikasi seperti Stepn menggabungkan teknologi blockchain dan mobile untuk memberikan pengalaman kebugaran dan sosial yang baru bagi pengguna. Meskipun saat ini banyak aplikasi konsumen masih menjelajahi model bisnis dan posisi pasar terbaik, platform teknologi dan dukungan ekosistem yang disediakan oleh Solana jelas memberikan dukungan yang kuat bagi upaya inovatif ini. Dengan perkembangan teknologi lebih lanjut dan pematangan pasar, Solana diharapkan dapat mencapai lebih banyak terobosan dan contoh kesuksesan di bidang aplikasi konsumen.

Solana meskipun telah memperoleh pangsa pasar yang signifikan di industri blockchain dengan throughput tinggi dan biaya transaksi rendah, juga menghadapi persaingan ketat dari blockchain publik baru yang muncul. Sebuah platform perdagangan sebagai pesaing potensial di ekosistem EVM, jumlah alamat aktif di jaringannya sedang tumbuh dengan cepat, sementara Total Value Locked (TVL) di bidang DeFi Solana meskipun mencapai puncak historis, pesaing seperti platform perdagangan tersebut juga dengan cepat merebut pangsa pasar, dan jumlah pendanaan ekosistem platform perdagangan tersebut juga untuk pertama kalinya melampaui Solana pada kuartal Q2.

Meskipun Solana telah mencapai beberapa pencapaian dalam hal teknologi dan penerimaan pasar, ia perlu terus berinovasi dan meningkatkan diri untuk menghadapi tantangan dari pesaing seperti beberapa platform perdagangan. Khususnya dalam meningkatkan stabilitas jaringan, mengurangi tingkat kegagalan transaksi, menyelesaikan masalah MEV, dan memperlambat laju pertumbuhan status, Solana perlu terus mengoptimalkan arsitektur teknologinya dan protokol jaringannya untuk mempertahankan posisinya yang unggul di industri blockchain.

Arsitektur Teknologi

Solana terkenal dengan algoritma POH, mekanisme konsensus Tower BFT, serta jaringan transmisi data Trubine dan mesin virtual SVM yang menghasilkan TPS tinggi dan Finality cepat. Kami akan secara singkat memperkenalkan bagaimana masing-masing komponen bekerja, bagaimana mereka mencapai tujuan kinerja tinggi dalam desain arsitektur, serta kelemahan dan masalah yang muncul dari desain arsitektur tersebut.

algoritma POH

POH (Proof of History) adalah teknologi yang menentukan waktu global, yang bukan merupakan mekanisme konsensus, melainkan algoritma untuk menentukan urutan transaksi. Teknologi POH berasal dari teknologi kriptografi dasar SHA256. SHA256 biasanya digunakan untuk menghitung integritas data, di mana diberikan sebuah input X, maka hanya ada satu output Y yang unik, sehingga setiap perubahan pada X akan menghasilkan Y yang sepenuhnya berbeda.

Dalam urutan POH Solana, dengan menerapkan algoritma sha256, integritas seluruh urutan dapat dijamin, yang juga memastikan integritas transaksi di dalamnya. Sebagai contoh, jika kita mengemas transaksi menjadi satu blok dan menghasilkan nilai hash sha256 yang sesuai, maka transaksi dalam blok tersebut telah ditentukan, setiap perubahan akan menyebabkan nilai hash berubah, kemudian hash blok ini akan digunakan sebagai bagian X dari fungsi sha256 berikutnya, dan menambahkan hash blok berikutnya, maka blok sebelumnya dan blok berikutnya telah ditentukan, setiap perubahan akan menghasilkan Y yang berbeda.

Ini adalah inti dari teknologi Proof of History, di mana hash dari blok sebelumnya akan menjadi bagian dari fungsi sha256 berikutnya, mirip dengan rantai, Y terbaru selalu mencakup bukti sejarah.

Dalam diagram arsitektur aliran transaksi Solana, dijelaskan proses transaksi di bawah mekanisme POH, di mana dalam mekanisme rotasi yang disebut Leader Rotation Schedule, akan dihasilkan satu node Leader dari semua Validator yang ada di blockchain. Node Leader ini mengumpulkan transaksi dan melakukan pengurutan eksekusi, menghasilkan urutan POH, setelah itu akan menghasilkan sebuah blok yang disebarkan ke node-node lainnya.

Untuk menghindari titik kegagalan tunggal di node Leader, maka diperkenalkan batas waktu. Di Solana, unit waktu dibagi berdasarkan epoch, setiap epoch terdiri dari 432.000 slot, setiap slot berlangsung selama 400ms. Dalam setiap slot, sistem rotasi akan menunjuk satu node Leader di setiap slot, node Leader harus menerbitkan blok dalam waktu slot yang diberikan (400ms), jika tidak, slot ini akan dilewati dan pemilihan ulang node Leader untuk slot berikutnya akan dilakukan.

Secara keseluruhan, node Leader yang menggunakan mekanisme POH dapat memastikan semua transaksi sejarah. Unit waktu dasar Solana adalah Slot, node Leader perlu menyiarkan blok dalam satu slot. Pengguna mengirimkan transaksi melalui node RPC ke Leader, node Leader mengemas transaksi, menyortirnya, kemudian mengeksekusi untuk menghasilkan blok, blok tersebut disebarkan ke validator lain, validator perlu mencapai konsensus melalui sebuah mekanisme, untuk mencapai konsensus mengenai transaksi dalam blok dan urutannya, konsensus yang digunakan adalah mekanisme konsensus Tower BFT.

Mekanisme Konsensus Tower BFT

Protokol konsensus Tower BFT berasal dari algoritma konsensus BFT, yang merupakan salah satu implementasi teknik spesifiknya, dan algoritma ini tetap terkait dengan algoritma POH. Ketika memberikan suara pada blok, jika suara validator itu sendiri adalah sebuah transaksi, maka hash blok yang terbentuk dari transaksi pengguna dan transaksi validator juga dapat berfungsi sebagai bukti sejarah, di mana detail transaksi pengguna dan detail suara validator dapat dikonfirmasi secara unik.

Dalam algoritma Tower BFT, ditentukan bahwa jika semua validator memberikan suara untuk blok tersebut, dan lebih dari 2/3 validator memberikan suara setuju, maka blok ini dapat ditentukan. Manfaat dari mekanisme ini adalah menghemat banyak memori, karena hanya perlu memberikan suara pada urutan hash untuk mengonfirmasi blok. Namun, dalam mekanisme konsensus tradisional, umumnya menggunakan banjir blok, di mana seorang validator menerima blok dan kemudian mengirimkannya ke validator di sekitarnya, yang menyebabkan redundansi besar dalam jaringan, karena seorang validator menerima blok yang sama lebih dari sekali.

Di Solana, karena adanya banyak transaksi suara validator, serta efisiensi yang dihasilkan dari sentralisasi node Leader dan waktu Slot 400ms, hal ini menyebabkan ukuran blok keseluruhan dan frekuensi pembuatan blok menjadi sangat tinggi. Blok besar saat disebarkan juga akan memberikan tekanan besar pada jaringan, Solana menggunakan mekanisme Turbine untuk menyelesaikan masalah penyebaran blok besar.

Turbine

Node Leader membagi blok menjadi sub-blok yang disebut shred melalui proses yang disebut Sharding, dengan ukuran spesifikasi dalam satuan MTU (Maximum Transmission Unit, yaitu jumlah maksimum data yang dapat dikirim dari satu node ke node berikutnya tanpa perlu membaginya menjadi unit yang lebih kecil). Kemudian, integritas dan ketersediaan data dijamin dengan menggunakan skema kode penghapusan Reed-Solomon.

Dengan membagi blok menjadi empat Data Shreds, dan untuk mencegah paket hilang dan rusak selama proses pengiriman data, maka digunakan pengkodean Reed-solomon untuk mengkodekan empat paket menjadi delapan paket, skema ini dapat mentolerir hingga 50% tingkat kehilangan paket. Dalam pengujian nyata, tingkat kehilangan paket Solana sekitar 15%, oleh karena itu skema ini dapat sangat kompatibel dengan arsitektur Solana saat ini.

Dalam transmisi data di lapisan bawah, umumnya akan dipertimbangkan penggunaan protokol UDP/TCP. Karena toleransi Solana terhadap tingkat kehilangan paket yang cukup tinggi, maka protokol UDP digunakan untuk transmisi. Kelemahan dari protokol ini adalah tidak melakukan retransmisi saat terjadi kehilangan paket, namun keuntungannya adalah kecepatan transmisi yang lebih cepat. Sebaliknya, protokol TCP akan melakukan retransmisi berkali-kali saat terjadi kehilangan paket, yang akan secara signifikan mengurangi kecepatan transmisi dan throughput. Dengan adanya Reed-Solomon, skema ini dapat meningkatkan throughput Solana secara signifikan, di lingkungan nyata, throughput dapat meningkat hingga 9 kali.

Setelah Turbine membagi data menjadi potongan, ia menggunakan mekanisme penyebaran bertingkat untuk melakukan penyebaran. Node Leader akan menyerahkan blok kepada salah satu validator blok sebelum akhir setiap Slot, kemudian validator tersebut akan membagi blok menjadi Shreds dan menghasilkan kode penghapusan. Validator tersebut kemudian akan memulai penyebaran Turbine. Pertama, penyebaran harus dilakukan ke node akar, kemudian node akar tersebut akan menentukan validator mana yang berada di tingkat berapa. Prosesnya adalah sebagai berikut:

1. Buat daftar node: Node root akan mengumpulkan semua validator aktif ke dalam satu daftar, lalu mengurutkannya berdasarkan hak kepemilikan masing-masing validator di jaringan (yaitu jumlah SOL yang dipertaruhkan), dengan bobot yang lebih tinggi ditempatkan di lapisan pertama, dan seterusnya.

2. Pengelompokan node: Kemudian setiap validator yang berada di lapisan pertama juga akan membuat daftar node mereka sendiri untuk membangun lapisan pertama mereka.

3. Pembentukan lapisan: Dari bagian atas daftar, node dibagi menjadi lapisan dengan menentukan dua nilai, kedalaman dan lebar, yang dapat menentukan bentuk umum dari seluruh pohon. Parameter ini akan mempengaruhi laju penyebaran shreds.

Node dengan proporsi hak yang tinggi, saat pembagian tingkat, berada di tingkat yang lebih tinggi, maka dapat memperoleh shreds lengkap lebih awal, pada saat ini dapat memulihkan blok lengkap, sementara node di lapisan berikutnya, karena kehilangan dalam transmisi, kemungkinan mereka untuk mendapatkan shreds lengkap akan menurun. Jika shreds ini tidak cukup untuk membangun fragmen yang lengkap, akan meminta Leader untuk mentransmisikan ulang secara langsung. Saat ini, transmisi data akan berlangsung ke dalam pohon, dan node di lapisan pertama telah membangun konfirmasi blok lengkap, semakin lama waktu yang dibutuhkan bagi validator di lapisan berikutnya untuk menyelesaikan pembangunan blok dan melakukan pemungutan suara.

Pemikiran dari mekanisme ini mirip dengan mekanisme satu node pada node Leader. Dalam proses penyebaran blok, ada beberapa node prioritas, yang pertama kali mendapatkan shreds untuk membangun blok lengkap guna mencapai proses konsensus pemungutan suara. Mengarahkan redundansi ke tingkat yang lebih dalam dapat secara signifikan mempercepat proses Finality dan memaksimalkan throughput serta efisiensi. Karena sebenarnya beberapa lapisan pertama mungkin sudah mewakili 2/3 dari node, maka pemungutan suara dari node selanjutnya menjadi tidak relevan.

SVM

Solana dapat memproses ribuan transaksi per detik, yang terutama disebabkan oleh mekanisme POH, konsensus Tower BFT, dan mekanisme penyebaran data Turbine. Namun, SVM sebagai mesin virtual untuk transisi status, jika node Leader lambat dalam mengeksekusi transaksi, maka kecepatan pemrosesan SVM akan memperlambat throughput seluruh sistem. Oleh karena itu, untuk SVM, Solana mengusulkan mesin eksekusi paralel Sealevel untuk mempercepat kecepatan eksekusi transaksi.

Dalam SVM, instruksi terdiri dari 4 bagian, termasuk ID program, instruksi program, serta daftar akun untuk membaca/menulis data. Dengan menentukan apakah akun saat ini dalam keadaan membaca atau menulis dan apakah operasi yang akan dilakukan untuk mengubah status tidak bertentangan, instruksi transaksi akun dapat diparalelkan yang tidak memiliki konflik pada status, di mana setiap instruksi diwakili oleh Program ID. Dan ini juga merupakan salah satu alasan mengapa persyaratan untuk validator Solana sangat tinggi, karena memerlukan GPU/CPU validator untuk mendukung SIMD (Single Instruction Multiple Data) dan AVX yang tinggi.