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每秒交易数飙升的秘密:Solana如何实现区块链 “低延迟”?
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01-26 22:27
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Solana 是如何实现「极致速度」的?它用了什么技术?这些技术带来的代价是什么?高性能公链适合什么场景?
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Author:程序员犬余

PART 01 从「不可能三角」到 Solana 的选择

在安全、去中心化、性能这三个角里,Solana 选择了「性能优先」,在去中心化方面做出了一定程度的妥协。

这个选择带来的结果很直观:Solana 的理论 TPS(每秒交易数)和实际表现,确实比传统公链高出一大截。它的出块时间可以压缩到几百毫秒,交易确认速度接近传统互联网应用。但与此同时,能跑完整节点的参与者数量,相比比特币、以太坊会少得多。普通用户很难用一台普通电脑运行 Solana 的完整节点,因为硬件要求太高了。

这就引出了一个关键问题:Solana 是如何实现「极致速度」的?它用了什么技术?这些技术带来的代价是什么?高性能公链适合什么场景?

PART 02 Solana 的设计目标与技术架构

Solana 的设计目标

Solana 的设计目标非常直接:做一条高性能公链。它希望做到非常高的 TPS、非常低的延迟,支持高频交易和复杂应用(DeFi、NFT、游戏等)。

这个目标的背后,是一个很实际的观察:传统区块链(如比特币、以太坊)虽然安全、去中心化,但性能有限。当大量用户同时使用时,网络会变得拥堵,交易确认时间变长,手续费飙升。这就像一条只有单车道的高速公路,车多了就会堵。

Solana 想做的,是让区块链应用体验接近传统互联网应用。你在使用 DeFi 或玩游戏时,不应该感受到明显的延迟,不应该因为网络拥堵而支付高昂的手续费。

Solana 的技术架构特色

为了实现这个目标,Solana 在技术架构上做了几个关键创新:

历史证明(Proof of History, PoH):用时间戳解决共识效率问题。传统共识需要所有节点「商量」事件的顺序,PoH 让节点直接「看到」事件的顺序,大大减少了共识时间。

并行处理:同时处理多笔交易,而不是串行处理。传统区块链是「串行处理」,一笔一笔处理交易;Solana 是「并行处理」,充分利用多核 CPU 和并行计算能力。

区块传播优化:快速将新区块传播到所有节点,减少网络延迟。Solana 使用「Turbine」协议,将区块分成小块,并行传播。

账户模型:优化账户状态的存储和访问方式,提高读写效率。Solana 使用「账户数据库」,快速定位和更新账户状态。

这些技术创新的核心思路是:在保证安全性的前提下,尽可能压缩每个环节的延迟,充分利用现代硬件的并行计算能力。

PART 03 Solana 如何实现高性能?核心技术解析

历史证明(PoH):用时间戳解决共识效率问题

这是 Solana 最核心的技术创新。

传统区块链的共识机制(如比特币的 PoW、以太坊的 PoS)需要所有节点「商量」事件的顺序。比如,节点 A 说「交易 1 在交易 2 之前」,节点 B 说「交易 2 在交易 1 之前」,大家需要花时间达成一致。

Solana 的 PoH 改变了这个逻辑。它在共识之前,先给所有事件打上「时间戳」,让验证者知道事件的先后顺序。它使用可验证延迟函数(VDF)生成时间戳,所有节点可以验证时间戳的正确性。不需要等待所有节点达成一致,只需要验证时间戳是否正确。

为什么能提升性能?传统共识需要所有节点「商量」事件的顺序,PoH 让节点直接「看到」事件的顺序,大大减少了共识时间。这就像给所有事件贴上「时间标签」,验证者只需要检查「标签」是否正确,而不需要重新排序。

想象你在看一部电影,电影里的每个场景都有时间戳。你不需要和其他观众「商量」哪个场景在前、哪个在后,你只需要看时间戳就知道了。PoH 就是给区块链上的所有事件打上「时间戳」,让验证者直接知道事件的顺序。

理解了 PoH 的工作原理,再看并行处理就会更直观。

并行处理:同时处理多笔交易

传统区块链(如比特币、以太坊)是「串行处理」:一笔交易处理完了,再处理下一笔。这就像单车道高速公路,车必须排队通过。

Solana 是「并行处理」:同时处理多笔交易。它通过「账户模型」和「状态依赖分析」,识别哪些交易可以并行处理。例如:交易 A 和交易 B 不涉及相同的账户,就可以同时处理。这就像多车道高速公路,多辆车可以同时行驶。

Solana 会分析每笔交易涉及哪些账户。如果两笔交易不涉及相同的账户,它们就可以并行处理。如果两笔交易涉及相同的账户,它们就需要按顺序处理。

为什么能提升性能?现代计算机都有多个 CPU 核心,可以同时处理多个任务。Solana 的设计让这些核心都能发挥作用,而不是只用一个核心。就像多车道高速公路,多笔交易可以同时处理,而不是一笔一笔排队。

区块传播优化:快速传播区块

传统区块链在传播区块时,需要将整个区块从一个节点传到另一个节点。如果区块很大,传播时间就会很长。

Solana 使用「Turbine」协议,将区块分成小块,并行传播。这就像把一个大包裹分成多个小包裹,同时通过不同的路径发送,最后在目的地重新组装。减少区块传播时间,提高出块速度。如果区块传播很快,就可以更快地出下一个区块,整个网络的吞吐量就会提升。

账户模型:优化状态存储和访问

传统区块链在查询和更新账户状态时,需要遍历整个账本,找到对应的账户,然后更新。如果账户很多,这个过程就会很慢。

Solana 使用「账户数据库」,快速定位和更新账户状态。这就像用索引快速找到书中的某一页,而不是从头翻到尾。减少状态查询和更新的时间。如果查询和更新很快,就可以处理更多交易,整个网络的吞吐量就会提升。

PART 04 高性能的代价:Solana 的权衡与挑战

Solana 通过技术创新实现了高性能,但这些创新也带来了代价。理解这些代价,有助于你更客观地看待 Solana 的定位和适用场景。

去中心化程度的权衡

Solana 的完整节点需要高性能硬件(CPU、内存、网络带宽)。普通用户很难用一台普通电脑运行 Solana 的完整节点,因为硬件要求太高了。

能跑完整节点的参与者数量,相比比特币、以太坊会少得多。比特币有数万个节点,以太坊也有数千个节点,但 Solana 的完整节点数量要少得多。

节点数量少,意味着权力更集中,抗审查能力相对较弱。如果只有少数节点在运行网络,这些节点就有可能被控制或审查。这就像一条只有少数收费站的高速公路,如果这些收费站被控制,整个高速公路就可能被关闭。

网络稳定性的挑战

Solana 历史上多次发生网络宕机,引发对稳定性的质疑。2021 年 9 月,Solana 网络因为交易量激增而宕机 17 小时。2022 年 6 月,Solana 网络再次因为交易量激增而宕机。

原因是什么?高性能带来的复杂性,网络拥堵时的处理能力。Solana 的设计追求极致性能,但这也让系统变得更复杂。当网络拥堵时,系统可能无法及时处理所有交易,导致网络宕机。

Solana 团队持续优化网络稳定性和容错能力。他们改进了网络架构,增加了容错机制,试图在性能和稳定性之间找到更好的平衡。

安全性与性能的平衡

Solana 使用 PoH + PoS 混合共识,在安全性和性能之间找平衡。PoH 提供时间戳,PoS 提供安全性保证。Solana 的安全记录总体良好,但网络稳定性问题可能影响用户体验。如果网络经常宕机,用户可能无法及时完成交易,这会影响用户体验。

PART 05 Solana 生态的典型应用

Solana 的高性能让它适合某些特定场景。

DeFi 应用

Jupiter、Raydium 等 DEX(去中心化交易所)在 Solana 上运行。用户可以在 Solana 上以更低成本、更快速度使用 DeFi 服务。

高频交易、套利等场景在 Solana 上更有优势。如果你需要在短时间内完成多笔交易,Solana 的低延迟和高吞吐量就很有价值。比如,套利交易需要在不同交易所之间快速买卖,Solana 的速度优势就很重要。

NFT 与游戏

Magic Eden、OpenSea 等 NFT 市场在 Solana 上运行。游戏应用(如 Star Atlas)在 Solana 上运行。用户可以在 Solana 上以更低成本交易 NFT 和玩游戏。

游戏和社交应用需要实时交互,Solana 的低延迟让这些应用体验更好。如果你在玩一个区块链游戏,你希望操作能立即响应,而不是等几秒钟才确认。

支付与小额交易

Solana 的低成本、高速度,适合支付和小额交易场景。一些项目探索在 Solana 上构建支付应用。

如果你需要频繁进行小额交易(比如打赏、小额转账),Solana 的低成本就很有价值。传统区块链的小额交易手续费可能比交易金额还高,Solana 的低成本让小额交易变得可行。

PART 06 高性能公链的适用场景与局限性

适用场景

需要快速确认的交易场景(如套利、高频交易)。如果你需要在短时间内完成多笔交易,Solana 的速度优势就很重要。

需要实时交互的应用场景。如果你在玩一个区块链游戏或使用社交应用,你希望操作能立即响应,而不是等几秒钟才确认。

需要低成本、高速度的支付场景。如果你需要频繁进行小额交易,Solana 的低成本就很有价值。

需要处理大量状态更新的复杂应用。如果你需要频繁更新账户状态,Solana 的高吞吐量就很有价值。

局限性

节点数量少,权力更集中。如果你对去中心化要求很高,Solana 可能不是最佳选择。

历史上多次发生网络宕机,稳定性有待提升。如果你需要网络始终保持可用,Solana 可能不是最佳选择。

普通用户难以运行完整节点,参与门槛较高。如果你希望参与网络验证,Solana 的硬件要求可能让你望而却步。

相比以太坊,Solana 的生态成熟度还有待提升。如果你需要使用某些特定的应用或服务,Solana 可能还没有。

PART 07 Solana vs 以太坊:不同路线的对比

Solana 和以太坊代表了两种不同的设计路线。理解这两种路线的区别,有助于你更客观地看待不同公链的定位。

设计理念对比

以太坊主链强调安全和去中心化,性能通过 Layer 2 等扩容方案补强。以太坊的主链(L1)保持较高的安全性和去中心化程度,性能瓶颈通过 Layer 2(如 Arbitrum、Optimism)等扩容方案解决。

Solana 主链直接追求高性能,在去中心化方面做出一定妥协。Solana 的主链直接实现高性能,不需要额外的扩容方案,但在去中心化方面做出了一定妥协。

技术路线对比

以太坊采用模块化设计,主链 + Layer 2 的多层架构。主链负责安全和去中心化,Layer 2 负责性能。

Solana 采用一体化设计,主链直接实现高性能,不需要额外的扩容方案。

适用场景对比

以太坊适合对安全性要求极高的场景,生态成熟度高。如果你需要极高的安全性和去中心化程度,以太坊可能是更好的选择。以太坊的生态也更成熟,有更多的应用和服务。

Solana 适合对性能要求极高的场景,生态快速发展中。如果你需要极高的性能(如高频交易、游戏、社交),Solana 可能是更好的选择。Solana 的生态也在快速发展,有越来越多的应用和服务。

PART 08 高性能公链的发展方向

Solana 的持续优化

Solana 团队持续优化网络稳定性和容错能力,试图在性能和稳定性之间找到更好的平衡。同时,Solana 团队也在探索降低节点硬件要求、增加节点数量的方法,试图提升去中心化程度。Solana 的生态也在快速发展,有越来越多的应用和服务在 Solana 上运行。

高性能公链的技术创新

未来可能出现新的共识机制和并行处理技术,进一步提升性能和可扩展性。也可能出现更好的网络稳定性和容错能力,让高性能公链更可靠。更低的硬件要求和更高的去中心化程度,让高性能公链更去中心化。

对普通用户意味着什么?

理想状态下,用户可以根据自己的需求(性能 vs 去中心化)选择合适的公链。如果你需要极高的性能,可以选择 Solana;如果你需要极高的安全性和去中心化程度,可以选择以太坊。

未来,钱包和应用可能会自动选择最合适的公链,用户不需要关心底层技术细节。以后使用 DeFi、NFT 等应用时,可以根据自己的需求(性能 vs 去中心化)选择合适的公链,享受更好的体验。

PART 09 总结

回到开头的问题:Solana 是如何实现「极致速度」的?它用了什么技术?代价是什么?

Solana 通过历史证明、并行处理等技术实现了高性能,但代价是去中心化程度的下降和网络稳定性的挑战。Solana 的设计追求极致性能,但这也让系统变得更复杂,节点数量更少,网络稳定性有待提升。

高性能公链适合对性能要求极高的场景,但用户需要理解其设计取舍。如果你需要极高的性能(如高频交易、游戏、社交),Solana 可能是更好的选择。但如果你需要极高的安全性和去中心化程度,以太坊可能是更好的选择。

未来高性能公链会持续优化,在性能、安全性、去中心化之间找到更好的平衡。Solana 团队持续优化网络稳定性和容错能力,探索降低节点硬件要求、增加节点数量的方法,试图在性能和去中心化之间找到更好的平衡。

在「不可能三角」中,没有完美的选择,只有适合不同场景的选择。理解这些选择背后的技术逻辑和代价,有助于你更客观地看待不同公链的定位和适用场景。

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