Reanalisando a arquitetura técnica da Solana: estará prestes a ter uma segunda primavera?

Solana é uma plataforma de blockchain de alto desempenho, que utiliza uma arquitetura técnica única para alcançar alta capacidade de processamento e baixa latência. Suas tecnologias principais incluem o algoritmo Proof of History (POH) que garante a ordem das transações e um relógio global, o cronograma de rotação de líderes e o mecanismo de consenso Tower BFT que aumentam a taxa de geração de blocos. O mecanismo Turbine otimiza a propagação de grandes blocos através da codificação Reed-solomon. A Solana Virtual Machine (SVM) e o motor de execução paralela Sealevel aceleram a velocidade de execução das transações. Estas são todas as concepções de design arquitetônico que permitem à Solana alcançar alto desempenho, mas ao mesmo tempo, também trouxeram alguns problemas, como quedas de rede, falhas de transação, problemas de MEV, crescimento excessivo do estado e problemas de centralização, que também enfatizamos neste artigo.

O ecossistema Solana está em rápido desenvolvimento, com vários indicadores de dados a crescer rapidamente no primeiro semestre, especialmente nas áreas de DeFi, infraestrutura, GameFi/NFT, DePin/IA e aplicações para consumidores. A alta TPS da Solana e a sua estratégia voltada para aplicações de consumo, juntamente com um ambiente ecológico com efeito de marca relativamente fraco, oferecem ricas oportunidades de empreendedorismo para empreendedores e desenvolvedores. No que diz respeito às aplicações para consumidores, a Solana demonstrou a sua visão de promover a aplicação da tecnologia blockchain em áreas mais amplas. Ao apoiar iniciativas como Solana Mobile e construir SDKs especificamente para aplicações de consumidores, a Solana está empenhada em integrar a tecnologia blockchain nas aplicações do dia-a-dia, aumentando assim a aceitação e a conveniência para os utilizadores. Por exemplo, aplicações como Stepn combinam tecnologia blockchain e móvel para oferecer aos utilizadores experiências inovadoras em fitness e socialização. Embora atualmente muitas aplicações para consumidores ainda estejam a explorar os melhores modelos de negócios e posicionamento no mercado, a plataforma tecnológica e o suporte do ecossistema fornecidos pela Solana, sem dúvida, oferecem um forte respaldo a estas tentativas inovadoras. Com o avanço contínuo da tecnologia e a maturação do mercado, a Solana espera alcançar mais quebras e casos de sucesso na área das aplicações para consumidores.

Embora a Solana tenha conquistado uma parte significativa do mercado no setor de blockchain devido à sua alta capacidade de processamento e baixos custos de transação, ela também enfrenta uma intensa concorrência de outras novas blockchains. Uma determinada plataforma de negociação, como um potencial concorrente no ecossistema EVM, está vendo um rápido crescimento no número de endereços ativos na sua blockchain. Ao mesmo tempo, embora o valor total bloqueado (TVL) no campo DeFi da Solana tenha alcançado um novo recorde histórico, concorrentes como uma determinada plataforma de negociação também estão rapidamente conquistando participação de mercado, e o volume de financiamento do ecossistema da plataforma de negociação superou pela primeira vez a Solana no segundo trimestre.

Apesar de a Solana ter alcançado certos feitos em termos de tecnologia e aceitação no mercado, ela precisa continuar a inovar e melhorar para enfrentar os desafios de concorrentes como certas plataformas de negociação. Especialmente em áreas como aumentar a estabilidade da rede, reduzir a taxa de falhas nas transações, resolver o problema de MEV e desacelerar a taxa de crescimento do estado, a Solana precisa otimizar continuamente sua arquitetura técnica e protocolo de rede para manter sua posição de liderança na indústria de blockchain.

Arquitetura Técnica

A Solana é conhecida por seu algoritmo POH, mecanismo de consenso Tower BFT, rede de transmissão de dados Trubine e máquina virtual SVM, que proporcionam alta TPS e rápida Finalidade. Vamos apresentar brevemente como cada um de seus componentes funciona, como eles alcançam o objetivo de alto desempenho para o design de arquitetura e quais desvantagens e problemas derivados surgem sob esse design de arquitetura.

algoritmo POH

POH (Proof of History) é uma tecnologia que determina o tempo global, não sendo um mecanismo de consenso, mas sim um algoritmo que determina a ordem das transações. A tecnologia POH é baseada na tecnologia criptográfica fundamental SHA256. A SHA256 é normalmente utilizada para calcular a integridade dos dados, dado uma entrada X, existe e apenas existe uma saída única Y, portanto, qualquer alteração a essa X resultará em um Y completamente diferente.

Na sequência POH do Solana, a aplicação do algoritmo sha256 garante a integridade de toda a sequência, confirmando assim a integridade das transações nela. Por exemplo, se empacotarmos as transações em um bloco e gerarmos o valor hash correspondente em sha256, as transações dentro desse bloco são então confirmadas, qualquer alteração resultará em uma mudança no valor hash. Depois, esse hash do bloco servirá como parte do X para a próxima função sha256, e então o hash do próximo bloco é adicionado, garantindo assim que tanto o bloco anterior quanto o próximo estejam confirmados; qualquer alteração resultará em um novo Y diferente.

Este é o significado central da sua tecnologia Proof of History, o hash do bloco anterior será parte da próxima função sha256, semelhante a uma cadeia, o mais recente Y sempre contém a prova da história.

No diagrama da arquitetura de fluxo de transações da Solana, é descrito o fluxo de transações sob o mecanismo POH. Sob um mecanismo de rotação chamado Leader Rotation Schedule, é escolhido um nó Leader entre todos os validadores da cadeia, que coleta transações, realiza a ordenação e execução, gerando a sequência POH. Depois, um bloco é gerado e propagado para os outros nós.

Para evitar a falha de ponto único no nó Leader, foi introduzido um limite de tempo. No Solana, a unidade de tempo é dividida em epochs, cada epoch contém 432.000 slots, cada slot dura 400 ms. Em cada slot, o sistema de rotação atribui um nó Leader, que deve publicar um bloco dentro do tempo do slot dado (400 ms), caso contrário, esse slot será pulado e o próximo nó Leader do slot será reeleito.

No geral, os nós Líder utilizam o mecanismo POH para garantir que todas as transações históricas sejam confirmadas. A unidade básica de tempo do Solana é o Slot, e o nó Líder precisa transmitir o bloco dentro de um slot. Os usuários enviam transações ao Líder através de nós RPC, o nó Líder empacota e ordena as transações e, em seguida, executa a geração do bloco, que é propagado para outros validadores. Os validadores precisam chegar a um consenso sobre as transações e a ordem dentro do bloco por meio de um mecanismo, e o consenso utilizado é o mecanismo de consenso Tower BFT.

Mecanismo de consenso Tower BFT

O protocolo de consenso Tower BFT é uma implementação de engenharia do algoritmo de consenso BFT, que ainda está relacionado ao algoritmo POH. Ao votar em um bloco, se o voto do validador for uma transação, então o hash do bloco formado pela transação do usuário e pela transação do validador também pode ser usado como prova histórica, permitindo que os detalhes da transação de qualquer usuário e os detalhes do voto do validador sejam confirmados de forma única.

No algoritmo Tower BFT, está estipulado que, se todos os validadores votarem neste bloco e mais de 2/3 dos validadores votarem a favor, então este bloco pode ser confirmado. A vantagem deste mecanismo é a economia significativa de memória, pois apenas é necessário votar na sequência de hash para confirmar o bloco. No entanto, nos mecanismos de consenso tradicionais, geralmente utiliza-se a inundação de blocos, ou seja, um validador que recebeu um bloco irá enviá-lo aos validadores ao seu redor, o que resulta em uma grande redundância na rede, já que um validador pode receber o mesmo bloco mais de uma vez.

No Solana, devido à grande quantidade de validadores a votar em transações e à eficiência trazida pela centralização dos nós Leader, juntamente com o tempo de Slot de 400ms, isso resulta em tamanhos de bloco e frequências de geração de blocos particularmente altos. Durante a propagação de grandes blocos, isso também pode causar grande pressão na rede. O Solana utiliza o mecanismo Turbine para resolver o problema da propagação de grandes blocos.

Turbine

O nó líder divide os blocos em sub-blocos chamados shreds através de um processo denominado Sharding, com um tamanho especificado em MTU (Unidade Máxima de Transferência, que é a quantidade máxima de dados que pode ser enviada de um nó para o próximo sem ser dividida em unidades menores). Em seguida, garante a integridade e a disponibilidade dos dados utilizando um esquema de código de apagamento de Reed-Solomon.

Dividindo o bloco em quatro Data Shreds e, para evitar a perda e a corrupção de dados durante a transmissão, utiliza-se a codificação Reed-Solomon para codificar os quatro pacotes em oito pacotes. Este esquema pode tolerar uma taxa de perda de até 50%. Em testes reais, a taxa de perda da Solana é de cerca de 15%, portanto, este esquema é bastante compatível com a arquitetura atual da Solana.

Na transmissão de dados de baixo nível, geralmente considera-se o uso de protocolos UDP/TCP. Devido à alta tolerância de Solana à taxa de perda de pacotes, o protocolo UDP é utilizado para transmissão. Sua desvantagem é que, em caso de perda de pacotes, não haverá retransmissão, mas sua vantagem é uma taxa de transmissão mais rápida. Em contrapartida, o protocolo TCP retransmite várias vezes em caso de perda de pacotes, o que reduz drasticamente a taxa de transmissão e a capacidade de processamento. Com o Reed-Solomon, este conjunto de soluções pode aumentar significativamente a capacidade de processamento de Solana, podendo aumentar até 9 vezes em ambientes reais.

Após o Turbine fragmentar os dados, utiliza um mecanismo de propagação em múltiplas camadas para a transmissão. O nó líder entregará o bloco a qualquer validador de bloco antes do final de cada Slot, e então esse validador fragmentará o bloco em Shreds e gerará códigos de correção. Depois, esse validador iniciará a propagação do Turbine. Primeiro, deve ser propagado para o nó raiz, e então esse nó raiz determinará quais validadores estão em qual camada. O processo é o seguinte:

1. Criar lista de nós: O nó raiz compila todos os validadores ativos em uma lista e, em seguida, classifica-os com base na participação de cada validador na rede (ou seja, a quantidade de SOL em staking), com os de maior peso posicionados na primeira camada, e assim por diante.

2. Agrupamento de nós: Em seguida, cada validador na primeira camada também criará sua própria lista de nós para construir sua própria primeira camada.

3. Formação de Camadas: A partir do topo da lista, os nós são divididos em camadas, determinando a forma geral da árvore através da definição de dois valores: profundidade e largura. Este parâmetro afetará a taxa de propagação dos shreds.

Os nós com uma alta participação nos direitos, durante a classificação hierárquica, ao estarem em um nível superior, poderão obter antecipadamente os shreds completos. Nesse momento, será possível restaurar o bloco completo, enquanto os nós dos níveis inferiores, devido à perda de transmissão, terão uma probabilidade reduzida de obter shreds completos. Se esses shreds não forem suficientes para construir fragmentos completos, o Líder solicitará uma retransmissão direta. Nesse caso, a transmissão de dados ocorrerá internamente na árvore, e os nós do primeiro nível já terão construído a confirmação do bloco completo, o que significa que quanto mais tempo levar para os validadores dos níveis inferiores completarem a construção do bloco, mais tempo levará para a votação.

A ideia deste mecanismo é semelhante ao mecanismo de um único nó do nó líder. Durante o processo de propagação de blocos, existem também alguns nós prioritários, que são os primeiros a receber os shreds para formar blocos completos e alcançar o processo de consenso de votação. Levar a redundância a um nível mais profundo pode acelerar significativamente a Finalidade e maximizar a taxa de transferência e a eficiência. Porque, na verdade, as primeiras camadas podem representar 2/3 dos nós, então o voto dos nós subsequentes torna-se irrelevante.

SVM

A Solana consegue processar milhares de transações por segundo, principalmente devido ao seu mecanismo POH, ao consenso Tower BFT e ao mecanismo de propagação de dados Turbine. No entanto, o SVM, como uma máquina virtual para a transição de estados, se o nó líder estiver com uma velocidade de processamento mais lenta durante a execução das transações, isso reduzirá a capacidade de throughput de todo o sistema. Portanto, em relação ao SVM, a Solana propôs o motor de execução paralela Sealevel para acelerar a velocidade de execução das transações.

No SVM, as instruções consistem em 4 partes, incluindo ID do programa, instruções do programa e uma lista de contas para leitura/gravação de dados. Ao determinar se a conta atual está em estado de leitura ou gravação e se as operações que devem ser realizadas para a alteração de estado têm conflitos, é possível permitir a paralelização das instruções de transação da conta que não têm conflitos de estado, onde cada instrução é representada pelo ID do Programa. E esta é também uma das razões pelas quais os requisitos para os validadores da Solana são tão altos, pois exige que os validadores tenham GPUs/CPUs que suportem SIMD (Single Instruction, Multiple Data) e AVX.