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一文揭秘區(qū)塊鏈中的速度之王：Solana

2024-06-05 10:59:38 | 來源： | 作者：佚名
Solana和Sui是速度最快的區(qū)塊鏈，日均TPS分別達(dá)到1,504和854,Solana采用PoH機(jī)制和Gulf Stream技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)低延遲高吞吐量的交易，最高可達(dá)每秒65,000次,它已被證明是處理高頻交易和復(fù)雜智能合約的首選平臺(tái)，本文將為大家解密區(qū)塊鏈中的速度之王：Solana

一份性能報(bào)告

CoinGecko 于 5 月 17 日發(fā)布的 《Fastest Chains》報(bào)告中顯示，Solana 是大型區(qū)塊鏈中速度最快的，最高日均真實(shí) TPS 達(dá)到 1,504（已經(jīng)去除了投票交易），Sui 是第二快的區(qū)塊鏈，最高日均真實(shí) TPS 達(dá)到 854，BSC 排名第三，但達(dá)到的真實(shí) TPS 還不到 Sui 的一半。

從這份報(bào)告可以看出，性能最好的 Solana 和 Sui 都是非 EVM 兼容的區(qū)塊鏈，更進(jìn)一步，8 個(gè)非 EVM 兼容區(qū)塊鏈的平均真實(shí) TPS 為 284，17 個(gè) EVM 兼容區(qū)塊鏈和以太坊 Layer2 的平均 TPS 僅為 74，非 EVM 兼容區(qū)塊鏈的性能是 EVM 兼容區(qū)塊鏈的 4 倍左右。

本文將會(huì)探討 EVM 兼容區(qū)塊鏈的性能瓶頸，并揭開 Solana 的性能之道。

EVM 兼容區(qū)塊鏈的性能瓶頸

首先，我們泛化 EVM 區(qū)塊鏈到一般區(qū)塊鏈。一般區(qū)塊鏈想要提升 TPS，一般有如下幾種做法：

  • 提升節(jié)點(diǎn)性能：通過堆硬件資源去提升節(jié)點(diǎn)性能，節(jié)點(diǎn)的硬件要求會(huì)影響去中心化程度，例如以太坊推薦配置，Cpu 4 核，內(nèi)存 16G，網(wǎng)絡(luò)帶寬 25Mbps，普通用戶級(jí)設(shè)備都能達(dá)到，中心化程度較高；Solana 推薦配置相對(duì)更高 Cpu 32 核，內(nèi)存 128G，網(wǎng)絡(luò)帶寬 1Gbps，專業(yè)級(jí)設(shè)備才能達(dá)到，中心化程度一般；
  • 改進(jìn)底層協(xié)議：包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、密碼學(xué)、存儲(chǔ)等，改進(jìn)區(qū)塊鏈底層協(xié)議不改變區(qū)塊鏈自身的屬性，也不影響區(qū)塊鏈的運(yùn)行規(guī)則，可以直接提升區(qū)塊鏈的性能，但底層技術(shù)關(guān)注度低，目前研究領(lǐng)域沒有重大突破；
  • 擴(kuò)大區(qū)塊：增加區(qū)塊的大小可以包含更多的交易，進(jìn)而提高區(qū)塊鏈的交易吞吐量，例如比特幣現(xiàn)金（BCH）將區(qū)塊從 1 MB 擴(kuò)大到 8 MB，之后擴(kuò)展到 32 MB。但擴(kuò)大區(qū)塊的同時(shí)也會(huì)增大傳播延遲引發(fā)安全威脅, 比如導(dǎo)致分叉可能性增大和 DDoS 攻擊；
  • 共識(shí)協(xié)議：共識(shí)協(xié)議保證了區(qū)塊鏈各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)于區(qū)塊鏈的狀態(tài)更新達(dá)成一致，是區(qū)塊鏈最重要的一重安全門，已經(jīng)用于區(qū)塊鏈的共識(shí)機(jī)制有 PoW、PoS、PBFT 等。為了滿足可擴(kuò)展性的需求，一般高性能公鏈都會(huì)改進(jìn)共識(shí)協(xié)議，并結(jié)合自身特殊機(jī)制，例如 Solana 基于 PoH 的共識(shí)機(jī)制，Avalanche 基于雪崩的共識(shí)機(jī)制；
  • 交易執(zhí)行：交易執(zhí)行只關(guān)心單位時(shí)間內(nèi)處理的交易或計(jì)算任務(wù)數(shù)量，以太坊等區(qū)塊鏈采用串行方式執(zhí)行區(qū)塊中的智能合約交易，在串行執(zhí)行中，CPU 的性能瓶頸是非常明顯的，嚴(yán)重制約了區(qū)塊鏈的吞吐量。一般高性能公鏈都會(huì)采用并行執(zhí)行的方式，有的還會(huì)提出更利于并行的語言模型來構(gòu)建智能合約，例如 Sui Move。

對(duì)于 EVM 區(qū)塊鏈而言，由于限定了虛擬機(jī)，即交易的執(zhí)行環(huán)境，因此最大的挑戰(zhàn)在于交易執(zhí)行。EVM 主要有兩個(gè)性能問題：

  • 256 位：EVM 設(shè)計(jì)成一臺(tái) 256 位的虛擬機(jī)，目的是為了更易于處理以太坊的哈希算法，它會(huì)明確產(chǎn)生 256 位的輸出。然而，實(shí)際運(yùn)行 EVM 的計(jì)算機(jī)則需要把 256 位的字節(jié)映射到本地架構(gòu)來執(zhí)行，一個(gè) EVM 操作碼會(huì)對(duì)應(yīng)多個(gè)本地操作碼，從而使得整個(gè)系統(tǒng)變得非常低效和不實(shí)用；
  • 缺少標(biāo)準(zhǔn)庫：Solidity 中沒有標(biāo)準(zhǔn)庫，必須自己用 Solidity 代碼實(shí)現(xiàn)，雖然 OpenZeppelin 使這一情況得到一定改善，他們提供了一個(gè) Solidity 實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)庫（通過將代碼包含在合約中或是以 delegatecall 的形式調(diào)用部署好的合約），但是 EVM 字節(jié)碼的執(zhí)行速度遠(yuǎn)不如預(yù)編譯好的標(biāo)準(zhǔn)庫。

如果站在執(zhí)行優(yōu)化的角度，EVM 還存在兩大不足：

  • 難以做靜態(tài)分析：區(qū)塊鏈中的并行執(zhí)行意味著同時(shí)處理不相關(guān)的交易，把不相關(guān)的交易看作互不影響的事件。實(shí)現(xiàn)并行執(zhí)行主要挑戰(zhàn)是確定哪些交易是不相關(guān)的，哪些是獨(dú)立的，目前部分高性能公鏈會(huì)預(yù)先對(duì)交易做靜態(tài)分析，EVM 的動(dòng)態(tài)跳轉(zhuǎn)（dynamic jumps）機(jī)制導(dǎo)致代碼很難被靜態(tài)分析；
  • JIT 編譯器不成熟：JIT 編譯器（Just In Time Compiler）是現(xiàn)代虛擬機(jī)常用的優(yōu)化手段，JIT 最主要的目標(biāo)是把解釋執(zhí)行變成編譯執(zhí)行。在運(yùn)行時(shí)，虛擬機(jī)將熱點(diǎn)代碼編譯成與本地平臺(tái)相關(guān)的機(jī)器碼，并進(jìn)行各種層次的優(yōu)化。目前雖然有 EVM JIT 的項(xiàng)目，但還處于實(shí)驗(yàn)階段，不夠成熟。

因此從虛擬機(jī)的選擇上，高性能公鏈更多采用的是基于 WASM， eBPF 字節(jié)碼或 Move 字節(jié)碼的虛擬機(jī)，而非 EVM。例如 Solana 使用自己獨(dú)特的虛擬機(jī) SVM 和基于 eBPF 的字節(jié)碼 SBF。

Fastest Chains：Solana

Solana 因其 PoH（Proof of History ）機(jī)制以及低延遲高吞吐量而聞名，是最著名的「以太坊殺手」之一。

PoH 的核心是一個(gè)類似于可驗(yàn)證延遲函數(shù)（VDF）的簡(jiǎn)單哈希算法。Solana 使用一個(gè)序列預(yù)映像抵抗的哈希函數(shù)（SHA-256）實(shí)現(xiàn)，該函數(shù)持續(xù)運(yùn)行，用一次迭代的輸出作為下一次的輸入。這個(gè)計(jì)算在每個(gè)驗(yàn)證者的單個(gè)核心上運(yùn)行。

雖然序列生成是順序和單線程的，但驗(yàn)證可以并行進(jìn)行，從而在多核系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)高效的驗(yàn)證。雖然哈希速度存在上界，但硬件改進(jìn)可能提供額外的性能提升。

Solana 共識(shí)流程

PoH 機(jī)制作為可靠且無需信任的時(shí)間源，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)創(chuàng)建可驗(yàn)證且有序的事件記錄。基于 PoH 的計(jì)時(shí)允許 Solana 網(wǎng)絡(luò)以預(yù)定且透明的方式輪換領(lǐng)導(dǎo)者。這種輪換以固定的時(shí)間間隔進(jìn)行，為 4 個(gè)槽（slot），每個(gè)槽目前設(shè)置為 400 毫秒。?這種領(lǐng)導(dǎo)者輪換機(jī)制確保每個(gè)參與的驗(yàn)證者都有公平的機(jī)會(huì)成為領(lǐng)導(dǎo)者，是 Solana 網(wǎng)絡(luò)維護(hù)去中心化和安全的重要機(jī)制，防止任何單個(gè)驗(yàn)證者在網(wǎng)絡(luò)上獲得過多的權(quán)力。

每個(gè)槽的時(shí)間段，領(lǐng)導(dǎo)者提出一個(gè)新塊，其中包含從用戶收到的交易。領(lǐng)導(dǎo)者驗(yàn)證這些交易，打包成一個(gè)區(qū)塊，然后將該塊廣播到網(wǎng)絡(luò)的其余驗(yàn)證者。這種提議和廣播區(qū)塊的過程稱為區(qū)塊生產(chǎn)，網(wǎng)絡(luò)中的其他驗(yàn)證者必須對(duì)區(qū)塊的有效性進(jìn)行投票。驗(yàn)證者檢查區(qū)塊的內(nèi)容，確保交易有效并遵守網(wǎng)絡(luò)規(guī)則。如果一個(gè)區(qū)塊獲得了絕大多數(shù)權(quán)益權(quán)重的投票，則該區(qū)塊被視為已確認(rèn)。此確認(rèn)過程對(duì)于維護(hù) Solana 網(wǎng)絡(luò)安全和防止雙花至關(guān)重要。

當(dāng)前領(lǐng)導(dǎo)者的時(shí)間段結(jié)束，網(wǎng)絡(luò)不會(huì)停止或等待區(qū)塊確認(rèn)，而是會(huì)移動(dòng)到下一個(gè)時(shí)間段，為后續(xù)領(lǐng)導(dǎo)者提供區(qū)塊生產(chǎn)的機(jī)會(huì)，整個(gè)過程重新開始。這種方法可確保 Solana 網(wǎng)絡(luò)保持高吞吐量并保持彈性，即使某些驗(yàn)證者遇到技術(shù)問題或離線也是如此。

Solana 性能之道

由于 Solana 網(wǎng)絡(luò)可以提前確認(rèn)領(lǐng)導(dǎo)者，因此 Solana 不需要公共內(nèi)存池來保存用戶的交易。當(dāng)用戶提交交易時(shí)，RPC 服務(wù)器將其轉(zhuǎn)換為 QUIC 數(shù)據(jù)包，并立即將其轉(zhuǎn)發(fā)領(lǐng)導(dǎo)者的驗(yàn)證者。這種方法被稱為Gulf Stream，它允許快速的領(lǐng)導(dǎo)者轉(zhuǎn)換和交易的預(yù)執(zhí)行，減少了其他驗(yàn)證者的內(nèi)存負(fù)載。

Solana 的區(qū)塊數(shù)據(jù)帶入到內(nèi)核空間，然后傳遞給 GPU 以進(jìn)行并行簽名驗(yàn)證，一旦 GPU 上驗(yàn)證了簽名，數(shù)據(jù)就會(huì)傳遞給 CPU 進(jìn)行交易執(zhí)行，最后返回到內(nèi)核空間做數(shù)據(jù)持久化。這種將數(shù)據(jù)劃分為不同硬件部件的多個(gè)處理過程，稱為流水線技術(shù)，能最大化硬件利用率，加快區(qū)塊的驗(yàn)證和傳輸速度。

由于 Solana 的交易顯式指定訪問哪些賬戶，Solana 的交易調(diào)度器可以利用讀寫鎖機(jī)制并行執(zhí)行交易。Solana 交易調(diào)度器每個(gè)線程都有自己管理的隊(duì)列，順序且獨(dú)立地處理交易，嘗試鎖定（讀寫鎖）交易的賬戶并執(zhí)行交易，賬戶沖突的交易會(huì)稍后執(zhí)行。這種多線程并行執(zhí)行技術(shù)稱為 Sealevel。

領(lǐng)導(dǎo)者傳播區(qū)塊的過程，將 QUIC 數(shù)據(jù)包（可選地使用糾刪碼）劃分為較小的數(shù)據(jù)包，并將它們分發(fā)給具有分層結(jié)構(gòu)的驗(yàn)證者。這種技術(shù)稱為 Turbine，主要是減少領(lǐng)導(dǎo)者的帶寬使用。

驗(yàn)證者在投票過程中，使用一種針對(duì)分叉投票的共識(shí)機(jī)制。驗(yàn)證者無需等待投票即可繼續(xù)進(jìn)行區(qū)塊生產(chǎn)；相反，區(qū)塊生產(chǎn)者會(huì)持續(xù)監(jiān)控有效的新投票，并實(shí)時(shí)將其納入當(dāng)前區(qū)塊中。這種共識(shí)機(jī)制稱為 TowerBFT，通過實(shí)時(shí)合并分叉投票，Solana 確保了更高效、更精簡(jiǎn)的共識(shí)流程，從而提高了整體性能。

針對(duì)區(qū)塊的持久化過程，Solana 開發(fā)了 Cloudbreak 數(shù)據(jù)庫，通過以特定方式對(duì)賬戶數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分區(qū)，以受益于順序操作的速度并采用內(nèi)存映射文件，從而最大限度地提高 SSD 的效率。

為減輕驗(yàn)證者負(fù)擔(dān)，Solana 將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)從驗(yàn)證者轉(zhuǎn)移到名為 Archiver 的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。交易狀態(tài)的歷史記錄被拆分為很多碎片，并使用糾刪碼技術(shù)。Archiver 用于存儲(chǔ)狀態(tài)的碎片，但不參與共識(shí)。

總結(jié)

Solana 的愿景是成為一個(gè)其軟件按照硬件的速度擴(kuò)展的區(qū)塊鏈，因此 Solana 充分利用當(dāng)今計(jì)算機(jī)中可用的所有 CPU、GPU 和帶寬能力，以最大化性能，理論最大速度能達(dá)到 65,000 TPS。

正是因?yàn)?Solana 的高性能和拓展性，讓 Solana 成為處理高頻交易和復(fù)雜智能合約的首選區(qū)塊鏈平臺(tái)，無論是年初的 DePIN/AI 賽道，還是近期火熱的 Meme 賽道，Solana 都展現(xiàn)出巨大的潛力。

以太坊 ETF 推出后，Solana 也成為下一個(gè) ETF 呼聲最大的加密貨幣，盡管 SEC 仍將 Solana 列為證券，短時(shí)間內(nèi)不會(huì)批準(zhǔn)其他加密貨幣 ETF。但在加密市場(chǎng)，共識(shí)即價(jià)值，Solana 的共識(shí)或許正變得和比特幣與以太坊一樣堅(jiān)不可摧。

聲明：文章內(nèi)容不代表本站觀點(diǎn)及立場(chǎng)，不構(gòu)成本平臺(tái)任何投資建議。本文內(nèi)容僅供參考，風(fēng)險(xiǎn)自擔(dān)！
Tag：Solana  

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