Análise da arquitetura técnica do Solana: uma nova primavera está a chegar?

Solana é uma plataforma de blockchain de alto desempenho que utiliza uma arquitetura tecnológica 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 criação de blocos. O mecanismo Turbine otimiza a disseminação 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. Todas essas são concepções de design arquitetônico que permitem à Solana alcançar alto desempenho, mas também trazem alguns problemas, como quedas de rede, falhas em transações, problemas de MEV, crescimento excessivo do estado e questões de centralização.

O ecossistema Solana está a desenvolver-se rapidamente, com vários indicadores de dados a crescerem de forma acelerada 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 para 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 Solana Mobile e desenvolver SDKs especificamente para aplicações para consumidores, a Solana está a esforçar-se para 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 muitas aplicações para consumidores ainda estejam a explorar os melhores modelos de negócio e posicionamento no mercado, a plataforma tecnológica e o apoio ao ecossistema fornecidos pela Solana sem dúvida oferecem um forte respaldo para essas tentativas inovadoras. Com o desenvolvimento contínuo da tecnologia e a maturação do mercado, a Solana tem potencial para 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 devido à sua alta capacidade de processamento e baixos custos de transação, ela também enfrenta uma concorrência acirrada de outras blockchains emergentes. O Base, como um potencial concorrente no ecossistema EVM, está vendo rapidamente um aumento no número de endereços ativos na sua rede. Além disso, o valor total bloqueado (TVL) da Solana no campo DeFi, (TVL), embora tenha alcançado um novo recorde histórico, está sendo rapidamente superado por concorrentes como o Base, que também superou pela primeira vez a Solana em termos de financiamento no segundo trimestre.

Apesar de a Solana ter alcançado certos sucessos em termos de tecnologia e aceitação no mercado, ela precisa continuar a inovar e a melhorar para enfrentar os desafios de concorrentes como a Base. Em particular, no que diz respeito ao aumento da estabilidade da rede, à redução da taxa de falhas de transações, à resolução do problema de MEV e à desaceleração do crescimento do estado, a Solana precisa otimizar continuamente sua arquitetura técnica e protocolos 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 a alta TPS e rápida Finalidade proporcionadas pela máquina virtual SVM. Vamos apresentar brevemente como cada um de seus componentes funciona, como eles atingem seu objetivo de alto desempenho para o design da arquitetura, bem como as desvantagens e problemas derivados dessa arquitetura.

algoritmo POH

POH(Proof of History) é uma técnica 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 origina-se da técnica criptográfica básica SHA256. A SHA256 é geralmente utilizada para calcular a integridade dos dados; dado um input X, haverá e apenas uma saída Y única, portanto qualquer alteração em X resultará em um Y completamente diferente.

Na sequência POH da Solana, a integridade de toda a sequência pode ser garantida aplicando o algoritmo sha256, o que determina também a integridade das transações. 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 na mudança do valor hash. Depois, esse hash do bloco servirá como parte do X da próxima função sha256, e ao adicionar o hash do próximo bloco, o bloco anterior e o próximo bloco estarão determinados, e qualquer alteração resultará em um novo Y diferente.

Esta é a essência da sua tecnologia Proof of History, onde o hash do bloco anterior serve como parte da função sha256 do próximo, semelhante a uma corrente, 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. Em um mecanismo de rotação chamado Leader Rotation Schedule, é gerado um nó Leader entre todos os validadores da cadeia. Esse nó Leader coleta as transações, ordena-as e executa-as, gerando uma sequência POH, que é então utilizada para criar um bloco que é 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 rodízio atribui um nó Leader, que deve publicar um bloco)400ms( dentro do tempo do slot dado, caso contrário, esse slot será pulado e o próximo nó Leader para o próximo slot será reeleito.

Em 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 o nó Líder precisa transmitir blocos dentro de um slot. Os usuários enviam transações para o Líder através de nós RPC, o nó Líder empacota e ordena as transações, em seguida, executa e gera blocos, que são propagados para outros validadores. Os validadores precisam alcançar consenso sobre as transações e a ordem dentro do bloco através 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 vem do algoritmo de consenso BFT, sendo uma implementação de engenharia concreta desse algoritmo, que ainda está relacionado com o algoritmo POH. Ao votar em blocos, se o voto do validador for uma transação em si, então o hash do bloco formado pela transação do usuário e pela transação do validador também pode servir como prova histórica, onde os detalhes da transação de cada usuário e os detalhes do voto do validador podem ser confirmados de forma única.

No algoritmo Tower BFT, está 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, nos mecanismos de consenso tradicionais, geralmente utiliza-se a inundação de blocos, onde um validador que recebeu um bloco o enviará 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.

![Revisitando a arquitetura técnica da Solana: estará a caminho de uma segunda primavera?]###https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-46a028270f3c2da92e7056c17c1d9e16.webp(

Na Solana, devido à existência de um grande número de transações de votação de validadores, e à eficiência trazida pela centralização dos nós Líder e ao tempo de Slot de 400ms, isso resulta em um tamanho de bloco total e uma frequência de produção de blocos extremamente alta. Quando grandes blocos são propagados, isso também causa uma grande pressão na rede. A Solana utiliza o mecanismo Turbine para resolver o problema da propagação de grandes blocos.

) Turbine

O nó líder divide os blocos em subblocos chamados shreds através de um processo denominado Sharding, cuja especificação de tamanho é a unidade máxima de transmissão MTU###, permitindo enviar a quantidade máxima de dados de um nó para o próximo nó sem a necessidade de dividi-los em unidades menores, que é de (. Em seguida, a integridade e a disponibilidade dos dados são garantidas através do uso do esquema de códigos de apagamento de Reed-Solomon.

Ao dividir o bloco em quatro Data Shreds, e para evitar a perda e danos de dados durante a transmissão, utiliza-se a codificação Reed-Solomon para codificar os quatro pacotes em oito pacotes, este conjunto de soluções 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 conjunto de soluções é bem compatível com a arquitetura atual do Solana.

Na transmissão de dados de nível inferior, geralmente considera-se o uso dos protocolos UDP/TCP. Devido à alta tolerância de Solana à taxa de perda de pacotes, foi adotado o protocolo UDP para transmissão. Sua desvantagem é que, em caso de perda de pacotes, não haverá retransmissão, mas a 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 significativamente a taxa de transmissão e a capacidade de throughput. Com a introdução do Reed-Solomon, este conjunto de soluções pode aumentar significativamente o throughput de Solana, podendo melhorar em até 9 vezes em ambientes reais.

Depois que o Turbine fragmenta os dados, ele utiliza um mecanismo de propagação em múltiplas camadas para realizar a propagação. 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 erros. 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 reúne todos os validadores ativos em uma lista e, em seguida, classifica cada validador com base no seu stake na rede ), ou seja, na quantidade de SOL apostada (, com os pesos mais altos localizados na primeira camada, e assim por diante.

2. Agrupamento de nós: depois, cada validador localizado no primeiro nível também criará sua própria lista de nós para construir seu próprio primeiro nível.

3. Formação de Camadas: Divida os nós em camadas a partir do topo da lista, determinando os valores de profundidade e largura, para definir a forma geral da árvore; este parâmetro afetará a taxa de propagação dos shreds.

Os nós com alta participação nos direitos, ao serem classificados em camadas, estarão em uma camada superior e, portanto, poderão obter as shreds completas antecipadamente. Nesse momento, será possível restaurar o bloco completo, enquanto os nós das camadas inferiores, devido à perda de transmissão, terão uma probabilidade reduzida de obter shreds completas. Se essas shreds não forem suficientes para construir fragmentos completos, o Líder deverá retransmiti-las diretamente. Assim, a transmissão de dados ocorrerá internamente na árvore, e os nós da primeira camada já terão construído a confirmação do bloco completo; quanto mais tempo levar para os validadores das camadas inferiores completarem a construção do bloco, mais tempo levará para realizar a votação.

![Reanalisando a arquitetura técnica da Solana: está a caminho de uma segunda primavera?])https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-d55d3cfbc13036ed0d5747abb521cc1a.webp(

O pensamento por trás deste mecanismo é semelhante ao mecanismo de nó único do nó líder. Durante o processo de propagação do bloco, existem alguns nós prioritários, que são os primeiros a receber os shreds para compor um bloco completo e alcançar o processo de consenso de votação. Direcionar a redundância para níveis mais profundos pode acelerar significativamente o processo de Finalidade, maximizando também a taxa de transferência e a eficiência. Porque, na verdade, as primeiras camadas podem representar 2/3 dos nós, tornando os votos dos nós subsequentes irrelevantes.

) SVM

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 a máquina virtual de conversão de estado, se o nó líder estiver executando transações e a velocidade de processamento do SVM for lenta, isso diminuirá a capacidade de throughput de todo o sistema. Portanto, para o SVM, a Solana propôs o motor de execução paralela Sealevel para acelerar a velocidade de execução das transações.

No SVM, as instruções são compostas por 4 partes, incluindo o ID do programa, a instrução do programa e a lista de contas que leem/escrevem dados. Ao determinar se a conta atual está em estado de leitura ou escrita e se a operação que deve ser realizada para a alteração de estado tem conflitos, é possível permitir a paralelização das instruções de transação da conta que não têm conflitos de estado, sendo cada instrução representada pelo Program ID. E esta é uma das razões pelas quais os requisitos para os validadores da Solana são tão elevados, pois exige que o GPU/CPU dos validadores suporte SIMD### instrução única múltiplos dados( e capacidades AVX de extensões vetoriais avançadas.

![Revisão da arquitetura técnica do Solana: está a chegar uma segunda primavera?])https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-e9bc35d0c790496c59c20979e5af1491.webp(

Desenvolvimento Ecológico

No atual processo de desenvolvimento do ecossistema Solana, há uma tendência crescente em direção à utilidade prática, como Blinks e Actions, até mesmo Solana Mobile, e a direção de desenvolvimento de aplicativos apoiados oficialmente também tende a se concentrar em aplicativos para consumidores, em vez de uma competição infinita por infraestrutura. Com o desempenho atual suficiente da Solana, a variedade de aplicativos é mais rica. Quanto ao Ethereum, devido ao seu TPS mais baixo, portanto