A reinterpretação da arquitetura técnica da Solana: estará a caminho de uma segunda primavera?

Solana é uma plataforma de blockchain de alto desempenho, que utiliza uma arquitetura tecnológica única para alcançar alta capacidade de processamento e baixa latência. Sua tecnologia central inclui 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 de codificação Reed-solomon. A Solana Virtual Machine (SVM) e o motor de execução paralela Sealevel aceleram a velocidade de execução das transações. Todos esses são elementos do design arquitetônico do Solana para alcançar alto desempenho, mas ao mesmo tempo, também trouxeram alguns problemas, como quedas de rede, falhas de transações, problemas de MEV, crescimento excessivo do estado e questões de centralização, que também discutimos em maior detalhe neste artigo.

O ecossistema Solana está a desenvolver-se rapidamente, com vários indicadores de dados a crescerem de forma acentuada no primeiro semestre, especialmente nas áreas de DeFi, infraestrutura, GameFi/NFT, DePin/AI e aplicações para consumidores. A alta TPS da Solana e a sua estratégia voltada para aplicações de consumidores, juntamente com um ambiente ecológico com efeito de marca relativamente fraco, oferecem ricas oportunidades de empreendedorismo para empreendedores e desenvolvedores. Na área das aplicações para consumidores, a Solana demonstrou sua visão de promover a aplicação da tecnologia blockchain em áreas mais amplas. Ao apoiar iniciativas como a Solana Mobile e a construção de SDKs especificamente para aplicações de consumidores, a Solana está a esforçar-se para integrar a tecnologia blockchain em aplicações do dia a dia, aumentando assim a aceitação e conveniência para os utilizadores. Por exemplo, aplicações como a Stepn combinam blockchain e tecnologia móvel para oferecer aos utilizadores novas experiências de fitness e sociais. Embora atualmente muitas aplicações para consumidores ainda estejam a explorar os melhores modelos de negócio e posicionamento de mercado, a plataforma tecnológica e o suporte do ecossistema oferecidos pela Solana sem dúvida fornecem um forte respaldo para essas tentativas inovadoras. Com o desenvolvimento contínuo da tecnologia e a maturação do mercado, a Solana espera alcançar mais avanços e casos de sucesso na área das aplicações para consumidores.

Embora a Solana tenha conquistado uma participação de mercado significativa na indústria de blockchain graças à sua alta capacidade de processamento e baixos custos de transação, ela também enfrenta uma concorrência feroz de outras novas blockchains. A Base, como um potencial concorrente no ecossistema EVM, está rapidamente aumentando o número de endereços ativos na sua rede. Ao mesmo tempo, embora o valor total bloqueado (TVL) da Solana no setor DeFi tenha atingido um recorde histórico de (, concorrentes como a Base também estão rapidamente conquistando participação de mercado, e o financiamento do ecossistema Base superou pela primeira vez a Solana no segundo trimestre.

Apesar de a Solana ter alcançado certos sucessos em termos de tecnologia e aceitação no mercado, precisa de continuar a inovar e a melhorar para enfrentar os desafios de concorrentes como a Base. Em particular, no que diz respeito a aumentar a estabilidade da rede, reduzir a taxa de falhas nas transações, resolver problemas de MEV e desacelerar a taxa de crescimento do estado, a Solana precisa de otimizar continuamente sua arquitetura técnica e protocolos de rede para manter a sua posição de liderança na indústria de blockchain.

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Arquitetura Técnica

A Solana é conhecida por seu algoritmo POH, mecanismo de consenso Tower BFT e pela rede de transmissão de dados Trubine e pela máquina virtual SVM, que proporcionam alta TPS e rápida finalização. Vamos apresentar brevemente como cada um de seus componentes funciona, como eles alcançam o objetivo de alto desempenho no design da arquitetura e quais desvantagens e problemas derivados surgem dessa arquitetura.

) algoritmo POH

POH###Prova de História( é uma tecnologia que determina o tempo global, que não é um mecanismo de consenso, mas sim um algoritmo que determina a ordem das transações. A tecnologia POH é originada da tecnologia criptográfica básica SHA256. SHA256 é geralmente usado para calcular a integridade dos dados; dado uma entrada X, existe e somente existe uma saída Y única, portanto, qualquer alteração em X resultará em um Y completamente diferente.

Na sequência POH do Solana, a integridade de toda a sequência pode ser garantida aplicando o algoritmo sha256, o que também garante a integridade das transações dentro dela. Por exemplo, se empacotarmos as transações em um bloco e gerarmos o valor hash sha256 correspondente, então as transações dentro desse bloco estão determinadas; qualquer alteração resultará em uma mudança do valor hash. Depois, esse hash do bloco servirá como parte do X para a próxima função sha256, e o hash do próximo bloco será adicionado, assim, o bloco anterior e o próximo bloco estarão todos determinados; 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 histórica.

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

Para evitar falhas 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 400ms. Em cada slot, o sistema de rotação alocará um nó Leader, que deve publicar um bloco(400ms) dentro do tempo dado do slot, caso contrário, esse slot será pulado e o próximo nó Leader do slot será reeleito.

De um modo geral, os nós Líder utilizam o mecanismo POH para garantir que todas as transações históricas sejam confirmadas. A unidade básica de tempo da Solana é o Slot, e os nós Líder precisam transmitir blocos dentro de um slot. Os usuários enviam transações para o nó Líder através do nó RPC, o nó Líder empacota e ordena as transações, e então executa a geração do bloco, que é propagado para outros validadores. Os validadores precisam alcançar um consenso sobre as transações dentro do bloco e a sua ordem, e o mecanismo de consenso utilizado é o mecanismo de consenso Tower BFT.

( Mecanismo de consenso Tower BFT

O protocolo de consenso Tower BFT deriva do algoritmo de consenso BFT, sendo uma implementação específica deste. Este algoritmo ainda está relacionado com o algoritmo POH. Ao votar em um bloco, se o voto do validador for ele mesmo uma transação, então o hash do bloco formado pela transação do usuário e pela transação do validador também pode servir como prova histórica, permitindo a confirmação única dos detalhes da transação de um usuário e dos detalhes do voto do validador.

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No algoritmo Tower BFT, é estipulado que, se todos os validadores votarem nesse bloco e mais de 2/3 dos validadores votarem a favor, então esse bloco pode ser confirmado. A vantagem desse mecanismo é que economiza uma grande quantidade de memória, pois apenas é necessário votar na sequência de hashes para confirmar o bloco. No entanto, no mecanismo de consenso tradicional, geralmente é utilizada a inundação de blocos, onde um validador que recebe um bloco o envia para os validadores ao seu redor, o que resulta em uma grande redundância na rede, pois um validador recebe o mesmo bloco mais de uma vez.

No Solana, devido à grande quantidade de transações de votos de validadores e à eficiência trazida pela centralização dos nós Líder, bem como ao tempo de Slot de 400ms, isso resulta em um tamanho de bloco geral e uma frequência de criação de blocos particularmente elevados. Blocos grandes, ao serem propagados, também causam uma grande pressão na rede. A Solana adota o mecanismo Turbine para resolver o problema da propagação de grandes blocos.

( Turbine

Os nós Leader dividem os blocos em subblocos chamados shreds através de um processo conhecido como Sharding, cujo tamanho padrão é de MTU), a quantidade máxima de dados que pode ser enviada de um nó para o próximo sem a necessidade de ser dividida em unidades menores, com ### como unidade. Em seguida, a integridade e a disponibilidade dos dados são garantidas através do uso de um esquema de código de apagamento Reed-Solomon.

Dividindo o bloco em quatro Data Shreds e, para evitar a perda e 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%. Nos testes práticos, a taxa de perda do Solana é de cerca de 15%, portanto, este esquema é muito compatível com a arquitetura atual do Solana.

Na transmissão de dados de nível inferior, geralmente considera-se o uso do protocolo UDP/TCP. Devido à alta tolerância à perda de pacotes do Solana, optou-se pelo protocolo UDP para a transmissão. A desvantagem é que não há retransmissão em caso de perda de pacotes, mas a vantagem é uma taxa de transmissão mais rápida. Por outro lado, o protocolo TCP retransmite várias vezes em caso de perda de pacotes, o que reduz significativamente a taxa de transmissão e a capacidade de throughput. Com a introdução do Reed-Solomon, esse conjunto de soluções pode aumentar significativamente o throughput do Solana, podendo aumentar em 9 vezes em ambientes reais.

Após o Turbine fragmentar os dados, utiliza um mecanismo de propagação em várias camadas para disseminá-los. 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 de erro. Em seguida, esse validador iniciará a propagação do Turbine. Primeiro, deve-se propagar até 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 irá compilar todos os validadores ativos em uma lista e, em seguida, classificar cada validador com base na sua participação na rede (, que é a quantidade de SOL em stake ), com pesos mais altos localizados na primeira camada, e assim por diante.

2. Agrupamento de nós: Em seguida, cada validador na primeira camada 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; ao determinar dois valores, profundidade e largura, é possível definir a forma geral da árvore, e esse parâmetro afetará a taxa de propagação dos shreds.

Os nós com uma alta proporção de participação, ao serem classificados em níveis, estarão em um nível superior, assim poderão obter os shreds completos antecipadamente, podendo assim restaurar o bloco completo. Por outro lado, os nós em 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, será solicitado ao Líder que retransmita diretamente. Neste caso, a transmissão de dados ocorrerá internamente na árvore, enquanto os nós do primeiro nível já terão confirmado o bloco completo, e quanto mais tempo levar para os validadores nos níveis inferiores completarem a construção do bloco, mais tempo levará para votarem.

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 recebem primeiro os shreds para compor blocos completos e alcançar o processo de consenso de votação. Empurrar a redundância para níveis mais profundos pode acelerar significativamente o processo de Finalidade, além de maximizar a taxa de transferência e a eficiência. Na verdade, as primeiras camadas podem representar 2/3 dos nós, tornando a votação dos nós subsequentes 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, como a SVM é a máquina virtual para a transformação de estado, se o nó líder estiver executando transações e a SVM tiver uma velocidade de processamento mais lenta, isso reduzirá a taxa de throughput de todo o sistema. Portanto, em relação à 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 alteram o estado têm conflitos, é possível permitir a paralelização das instruções de transação da conta que não têm conflitos de estado, com cada instrução representada pelo Program ID. E essa 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 capazes de suportar SIMD) instruções de múltiplos dados ### e a capacidade de extensões vetoriais avançadas AVX.

Ecossistema