# Solana扩容机制分析：牺牲可用性换取高效率的极端尝试 | CatcherVC Research

By [ChainCatcher 链捕手](https://paragraph.com/@chaincatcher) · 2022-06-14

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_作者：eternal1997，CatcherVC_ _技术顾问 ：刘洋，《嵌入式系统安全》作者_

> Solana以系统可用性为代价，将Layer1扩容的叙事推向了极端，基本触及无分片公链的TPS瓶颈。但多次宕机似乎预示了牺牲可用性换取效率的结局。

摘要
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*   Solana扩容主要基于：**高效利用网络带宽、减少节点间通讯次数、加快节点运算速度** 三大方面，这些措施直接缩短了出块和共识通讯的时间，但也降低了系统可用性（安全）。
    
*   **Solana提前公开出块者Leader名单**，揭示了单一可信的数据来源，缩减了共识通讯开销。但又会带来贿赂、针对性攻击等安全隐患。
    
*   **Solana将共识通讯（投票信息）作为交易事件来处理**，TPS成分中超过70%都是共识讯息，**与用户交易相关的TPS约为500—1000**；
    
*   Solana的**Gulf Stream机制取缔了全局性交易池**，这提高了交易处理速度，但降低了过滤垃圾交易的效率，**Leader容易宕机**。
    
*   Solana的Leader节点发布的是交易序列，而非真实的区块。结合Turbine传输协议，交易序列可以切碎后分发给不同节点，数据同步速度极快。
    
*   **POH（Proof Of History）实质为一种计时和计数方式**，它给不同的交易事件盖上序号，生成交易序列。Leader实质上在交易序列中发布了全网一致的计时器（时钟）。在很短的窗口期内，不同节点的账本推进、时间推移都是一致的；
    
*   Solana有132个节点占据67%的质押份额，其中的25个节点占据33%的质押份额，基本构成了“寡头政治”或“元老院”。如果这25个节点串谋，足以导致网络陷入混乱；
    
*   **Solana对节点硬件水准要求很高**，它以设备成本为代价，实现了纵向扩容。运行Solana节点的个体多为鲸鱼或机构、企业，不利于真正意义的去中心化。
    
*   综上，**Solana以高级节点设备、颠覆性的共识机制与数据传输协议，将Layer1扩容推向了极端**，基本触及无分片公链可维持的TPS瓶颈。但多次宕机已经预示了牺牲可用性/安全性来换取效率的结局。
    

导语
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2021年是区块链和Crypto的转折之年。随着Web3等概念成为显学，公链界迎来了有史以来最强劲的流量增长。在这样的外部环境下，以太坊凭借充分的去中心化和安全性，成为Web3世界的泰山北斗，但效率问题却成了它的“阿喀琉斯之踵”。相比于TPS轻松破千的VISA，每秒10几笔交易的以太坊宛若怀中襁褓，与其“世界级去中心化应用平台”的宏大愿景相差甚远。

对此，Solana、Avalanche、Fantom、Near等以扩容为核心的新公链一度成为Web3叙事的主要角色，获得了巨量资本的垂青。仅以Solana为例，这个号称“以太坊杀手”的头部公链在2021年市值飙涨170倍，如日中天，甚至一度超越老牌公链Polkadot和Cardano，大有和以太坊争雄的势头。

但这种来势汹汹的态势没有持续太久。2021年9月14日，Solana因为性能上的问题，首次迎来宕机事故，时间长达17小时，SOL代币价格随之快速下跌15%；2022年1月，Solana再次出现宕机，时长足有30小时，引发了极为广泛的讨论；之后的5月，Solana先后宕机2次，6月初又宕机1次。根据Solana官方的说法，其主网至少经历了8次性能下降或是宕机事故。

![（链闻联创刘锋对Solana的评论）](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/7abd54203321dd1a84cf5eb657d61a2042cf4a2a682918df22b2adcbbc8ab9d9.png)

（链闻联创刘锋对Solana的评论）

伴随着诸多问题的出现，以太坊支持者为首的批评者轮番对Solana提出质疑，有人甚至给Solana冠以“SQLana”的称号（SQL是管理中心化数据库的系统），并先后产生了大量的评论与分析。时至今日，关于Solana真实可用性的讨论似乎从未停止，吸引着无数好奇心浓重的观察者。出于对主流公链的兴趣与关注，CatcherVC将从自身视角出发，在本文对Solana扩容机制及其宕机的部分原因展开简单解读。

Solana系统架构、共识机制、区块传输流程
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公链的效率主要指其处理交易的能力，也就是吞吐量TPS（每秒处理的交易笔数），这个指标受到出块速度和区块容量的影响，同时也影响着交易手续费和用户活跃度。从2018年甚嚣尘上的EOS，到近期发币的Optimism，所有扩容方案几乎都绕不开“加速出块”这个最关键的要素。

要提升出块速度，往往要在出块流程上“做手脚”，Solana也不出其右。其扩容方式主要立足于 **高效利用网络带宽、减少节点间通讯的次数、提高节点处理事务的速度** 三大方面，这些措施直接缩短了出块和共识通讯的时间。Solana的创始人Anatoly Yakovenko及其队友对每一个细节都进行了精心雕琢，以系统的可用性（安全）为代价，尽可能在效率上作出提升，基本达到了无分片公链的实际TPS极限，最终作出了“有代价”的创新。

相比于其他采用POS的公链，Solana最大的创新点在于其**独特的共识协议**和**网络节点通信方式**，该共识协议基于**POS**和**PBFT**（实用拜占庭容错），引入独创的POH（Proof of History）作为推进区块链账本的机制，独树一帜的创建了自己的共识体系。

单从表现形式的角度看，Solana的共识协议与Cardano最早的Ouroboros（衔尾蛇）算法类似，都包含Epoch（纪元）**和**Slot（间隔）两大时间单位。每个Slot约为0.4~0.8秒，相当于一个区块的时间间隔。而每个Epoch周期包含43.2万个Slot（区块），长达2~4天。

在Solana的系统架构中，最重要的角色分为两类：**Leader（出块者）和**Validator（验证者）。两者实际上都是质押了SOL代币的全节点，只是在不同的Slot（出块周期）内，Leader会由不同的全节点来充当，而没有当选Leader的全节点会成为Validator。

![](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/f39d7f94abb3b8f97760cbdd403301abed60d2657605ed544deb48747728bb8b.png)

在每个新的Epoch周期开始时，Solana网络会按照各节点的质押权重进行抽选，组成一个**出块者Leader轮换名单，“钦定”了未来不同时刻的出块者**。在整个Epoch（2~4天）内，出块者会按照名单指定的次序进行轮换，每过4个Slot（出块周期），Leader节点就会进行一次变更。

![（Solana第313个Epoch出块节点轮换名单的一部分）](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/1bca6b4db8dd5294a605fe1803494f4a72554152f4fd9678140cd82c30d9008d.png)

（Solana第313个Epoch出块节点轮换名单的一部分）

由于提前公开了未来的出块节点，Solana网络实质获得了确定而可信的新区块数据源，为共识过程提供了巨大便利。

### Solana出块流程简述

为了更清晰的理解Solana的扩容机制，我们不妨从出块逻辑开始，对Solana的大致结构进行解析：

1.用户发起交易后，会被客户端直接转发给Leader节点，或者先被普通节点接收，再立刻转发给Leader；

2.出块者Leader接收网络内全部的待处理交易，一边执行，一边给交易指令排序，制成交易序列（类似区块）。每隔一段时间，**Leader会把排好的交易序列发送给Validator验证节点；**

![](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/39fd90970dbf0578688c5feddcbb29de0f6172836534b623ac52f997d164c3fc.png)

3.Validator按照交易序列（区块）给定的顺序执行交易，产生相应的状态信息State（执行交易会改变节点的状态，比如改变某些账户的余额）；

**4.每发送N个交易序列，Leader会定期公开本地的状态State，Validator会将其与自己的State作对比，给出 肯定/否定 的**投票。这一步就类似于以太坊2.0或其他POS公链里的“检查点”。

![](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/8123ce994f6d0a47b74ea2b33dc9f520022eccf3cdead090540c8dc6a0eace1c.png)

5.如果在规定时间内，Leader收集到占全网 **2/3质押权重** 的节点们给出的**肯定票**，则此前发布的交易序列和状态State就被敲定，“检查点”通过，相当于区块完成**最终确认Finality**；

6.一般而言，给出肯定票的Validator节点与出块者Leader所执行的交易、执行后的状态都是相同的，数据会同步。

7.每过4个Slot周期，Leader会进行一次切换，这意味着Leader每次大概有1.6秒~3.2秒时间掌握网络的“最高话语权”。

### Solana扩容机制细解

表面看来，Solana的出块逻辑与其他采用POS机制的公链大体一致，都有一个发布区块、对区块投票的过程。但如果我们对每一个步骤都展开观察，不难发现**Solana与其他公链之间有着天壤之别，而这正是其高TPS、低可用性的根源所在**：

1.最重要的一点：Solana提前公开每个周期Slot的出块者Leader，大幅减少了共识过程的工作量。在其他POS公链中，由于缺乏单一的、可信的出块节点，网络的共识通讯效率极低，产生的时间复杂度往往比Solana高出几个数量级，这成为了多数公链在TPS上的瓶颈。

以主流的POS共识协议或PBFT算法为例，这些算法大多采用了和Solana相同的时间单位与角色划分，也有类似于**Epoch纪元、Slot区块周期、Leader出块者、Validator验证者、Vote投票** 的设定，只是参数设置和叫法不同而已。最大的不同在于，此类算法大多以安全性（可用性）为前提，不会提前公开Leader名单。

（比如Cardano也会事先生成一个Leader轮换列表，但列表不公开。每个选中的Leader只知道自己该在何时出块，不知道其他时刻的出块者是谁。这使得出块节点不可被外界预测。）

由于没有公开的出块者，节点间会“互不信任”并“**各自为政”**。此时，若某个节点自称为合法出块者，大家并不敢信任他，必须要其出示相关的Proof证明才行。但此类Proof证明的生成、传播、验证会浪费带宽资源，并产生额外的工作量（甚至会和ZK零知识证明扯上关系）。**Solana公开每个时段的Leader，可以避免此类麻烦。**

更为重要的是，在绝大多数POS共识协议或PBFT类算法中，针对新区块的投票Vote（一个区块要得到网络内2/3节点的肯定票才能敲定），往往由各个节点通过“流言协议”，以类似1对1交流的方式发送或收集，有点类似于病毒式随机扩散，实质等价于 每两个节点间都要通讯一次，其复杂度和耗时远高于Solana的共识协议。

![](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/c037d995f31cf644b80137640e06380b32fc649cd0f34f3e50efadc42bfe375a.png)

在Tendermint等PBFT算法中，单个Validator节点至少要收集网络内2/3的节点发出的单张投票。如果全网节点数量为N，则每个节点至少接收2/3×N个投票，整个网络产生的通讯次数至少为2/3×N²，显然这个数量级太大了（和N的平方成正比）。如果节点数量很多，其共识过程的耗时往往会陡增。

![（普通公链里单个节点投票的传播方式，类似过程每个节点都会做1次，每次出块要进行N次类似的传播）](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/2e2952ba0df5b07de0c5f5aaab261f2a6069c2e66e73b8be7fa9cc0651bfedc2.png)

（普通公链里单个节点投票的传播方式，类似过程每个节点都会做1次，每次出块要进行N次类似的传播）

（相关科普：《[雪崩DEX开发者为你详解Avalanche共识机制](https://www.theblockbeats.info/news/28137)》）

对此，Solana和Avalanche以不同的方式改良了节点收集投票的通讯过程，降低了时间复杂度。通俗的讲，Leader集中汇总所有Validator发出的投票，**再把这些投票打包在一起（写进交易序列里），一次性推送到网络中**。

![](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/b241ec3aebe3212fe29cdf03d4eacb6f70ccc969a26ffa12950e9d378b08bf53.png)

这样一来，节点们无需再通过“流言协议”频繁的、1个1个的互换投票信息，通讯次数降低到了常数N甚至是logN的数量级，**这在很大程度上缩短了出块时间，大幅提高了TPS**。

目前Solana出块周期基本和单个Slot的时长一致，为0.4~0.8秒，甚至比Avalanche还快出3倍。（Solana浏览器显示的区块，实质是每个Slot内Leader发布的交易序列）。

但这也带来了另一个问题：由Leader在交易序列（区块）内发布节点们的投票信息，会占用区块空间。在Solana的设定中，**Leader实质将共识投票作为一种交易事件来处理，其发布的交易序列包含节点投票Vote，而这些投票正是Solana TPS的主要成分（一般占70%以上）。**

![](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/d14e0acda630976ca91f0bb85611dc1a89e7c1fa1fdc0ee34d0beced055ae08a.png)

按照Solana浏览器里的数据统计，其实际TPS维持在2000~3000左右，其中70%以上是与普通用户无关的共识投票讯息，与用户交易相关的实际TPS维持在500~1000，虽然比BSC和Polygon、EOS等高性能公链还高出1个量级，但仍无法达到官方所鼓吹的上万级别。

同时，如果Solana未来不断的提升去中心化程度，允许更多的节点参与共识投票（目前有近2000个Validator），则Leader发布的交易序列中必将包含更多的投票讯息，会持续压缩与用户交易相关的TPS空间。这标志着Solana在不分片的前提下，基本难以取得更高的TPS。

某种程度来看，Solana每秒500~1000笔的交易处理能力已达到无分片公链的巅峰，在节点数量较多、不分片且支持智能合约的前提下，新公链基本难以超越Solana的TPS量级，除非它们采用“委员会”模式，只允许少量节点参与共识，或者退化为中心化服务器。只要参与共识的节点数量很多，就难以取得比Solana更高的“可证实的TPS”。

格外值得注意的是，由于每个Epoch内（2~4天）**的出块者名单是提前公开的，Solana的共识协议与原始的Tendermint算法并无本质区别，实际都**没有**赋予出块者以**不可预测性，所有人都能预知未来某个时间点由谁来出块，这就会在 **可用性/安全性 上产生诸多隐患**。 （Leader易遭遇有预谋的DDOS攻击，提高了故障率，若连续几个Leader出现故障，则网络容易宕机；且用户可提前贿赂Leader等）

2.Gulf Stream与网络宕机：Solana公开出块者Leader名单还有一个更重要的目的：配合其独创的Gulf Stream（海湾流）机制，提高网络处理交易的速度。

![](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/c058e7d41cc339cdf43e16f36e6d6b6830e410f165fb8cb99b30a07e6e7828af.png)

用户发起交易后，往往被客户端程序直接转发给指定的Leader，或者先被某个普通节点接收，再被该节点快速发送给Leader。这种方式可以让Leader尽快接收交易请求，提高响应速度。（称为Gulf Stream机制，是Solana宕机的主因之一）

![](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/39fd90970dbf0578688c5feddcbb29de0f6172836534b623ac52f997d164c3fc.png)

**Solana的这种设定，是与其他公链截然不同的交易提交方式。Gulf Stream取缔了比特币和以太坊的“全局交易池”设定，普通节点不运行大容量的交易池。一个节点收到用户的待处理交易后，只需交给Leader，不必再发给其他节点，这种做法大幅提高了效率，但由于**取缔了交易池，普通节点无法高效拦截垃圾交易，容易导致Leader节点宕机。

为了深刻理解这一点，我们可以对比ETH： **·以太坊的每个全节点都有名为交易池（内存池）的存储区域，用于存放未上链、待处理的交易指令。**

·当**节点接收到新的交易请求后，会先进行过滤**，判断交易指令是否合规（是否为重复/垃圾交易），之后将其存入交易池，再转发给其他节点（病毒式扩散）。

![](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/7a564dc776ce55943c7438d44b3291ff818b739d4d3f45b64d5a4d3ff45403b1.png)

·最终，一笔合法的待处理交易会传遍网络，放入所有节点的交易池里，这就让**不同节点都获取到相同的数据，表现出“一致性”。**

以太坊和比特币采取这种机制，理由很明确：不知道未来的出块者是谁，所有人都有概率打包新区块。所以，必须让不同节点接收到相同的待处理交易，为打包区块做准备。

![](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/61b8413f0ff31ebd37aff5df37568411e74820c7bb98b723147ad2d33b5b08a8.png)

如果有矿池节点发布新区块，接收区块的节点会解析其中的交易序列，按次序执行，再把这部分交易指令从交易池中清掉。至此，一批待处理的交易就可以上链。

![](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/da656c26c235412a51a5d1a974ef08838151b58eea66543c978bf0070616905c.png)

Solana取缔了以太坊的那种交易池，待处理的交易无需在网络内随机扩散，而被快速提交给指定的Leader，再打包成交易序列一次性分发出去（类似于前文的分发投票的方式）。**最终，一笔交易只需要夹在交易序列里，在网络内传播1圈（以太坊实际是2圈）。在交易数量很大的情况下，这个细微差别可以大幅提高传播效率。**

但根据交易池TxPool的相关技术说明，交易池/内存池实质发挥了数据缓冲区和过滤器的作用，能提升公链可用性。所有节点都运行交易池，收录网络内全部待处理交易，不同节点就可以独立过滤垃圾请求，第一时间拦截重复交易，分担流量压力。虽然采用交易池会放慢出块速度，但如果有用户发起重复交易（交易池里有记录的请求），或其他类型的垃圾请求，接收到交易的节点可在本地将其过滤，不会再转发出去，这就让过滤工作被全网节点分担开。

![（在以太坊网络，恶意用户发起的重复交易更容易被各个节点直接拦截）](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/0d133380957fa169aaf52dc3c980214d1f584734e2dee0a47a82e657e540afb0.png)

（在以太坊网络，恶意用户发起的重复交易更容易被各个节点直接拦截）

Solana采取了背道而驰的做法。在Gulf Stream机制下，普通节点们不运营全网一致的交易池，无法高效拦截 重复/垃圾交易。普通节点真正能做的，只是检查交易数据包是否符合正确格式，无力辨别恶意重复请求。同时，由于普通节点“一股脑”的把交易指令推给Leader，相当于把过滤交易的“重担”甩给了Leader自己，在流量极大、重复交易数量极多的情况下，Leader节点会因压力过大而无法顺利出块，共识投票将无法顺利传播，网络容易崩溃。

对此，Solana创始人Anatoly Yakovenko于今年1月27日表示，**某些热门项目的公售时段，每秒最多有近200万笔交易请求到达同一个Leader节点，其中90%以上是完全相同的重复交易，最终导致Solana宕机。**

（参考资料：《[深度调查：新公链们为何频现宕机事故？](https://mp.weixin.qq.com/s/afE7jcK0NO95JMfMahYblQ)》）

综上所述，以太坊实质是牺牲效率换安全，Solana则是牺牲安全换效率，它所面临的问题可归纳为： 由于Leader轮换顺序是给定的，必须按照这个轮换链条不断的走下去。但由于流量分担机制不完善，Leader节点故障几率较高，如果某段时间内用户流量过大（如某些火热NFT开启公售），可能使多个Leader先后出现故障（比如未来40个Slot的Leader都不能顺利出块），这样一来，**共识过程受阻，网络会分叉、Leader轮换链条会彻底断裂，最终会彻底崩溃。**

**3.类似BT种子的Turbine传输协议**：在上文的Gulf Stream机制配合下，Leader迅速接收一段时间内的全部交易请求，检查其合法性，之后会执行交易。同时，Leader采用称为POH（Proof of History）的机制，为每笔交易都盖上一个序列号，为交易事件排序。（细节将于后文阐述）

Leader把交易事件排好序后，会把交易序列切成X个不同的碎片，分别发送给质押资产最多的X个Validator，再由他们传播给其他Validator。Validator群体会自行交换收到的碎片，在本地拼凑完整的交易序列（区块）。

![](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/3d56819e4ca888df46ae29eebe8d5e06c4ba355e4ef42672a7b2be929a993c66.png)

为了便于理解，我们可以将每个不同的碎片视作数据量缩减的小区块。Leader一次对外分发X个碎片，相当于发出X个不同的小区块，让不同的节点接收并进一步扩散。

Solana的这种消息分发方式很特别，**灵感来自于BT种子。**（原理不易用文字表述，主旨在于同时利用多个节点的闲置带宽，并行式的传输数据）。一般而言，交易序列被切分的碎片数越多，节点群体扩散碎片、拼凑交易序列的速度越快，**数据同步效率也会显著提升。**

而在其他公链中，出块者会向X个邻居节点发送相同的区块，相当于把一个区块复制X份发出去，而非分发X个不同的碎片（小区块），这种做法产生的数据冗余和带宽浪费很严重。究其根源，传统的区块Block式结构不可切分，根本无法灵活传输，而**Solana干脆以交易序列Sequence替代区块式结构，结合类似BT种子的Turbine协议，可以实现高速的数据分发，极大提升了吞吐量TPS。**

Solana官方曾表示，在Turbine传输协议下，网络有4万个节点时，可以在0.5秒内把一个交易序列同步给所有节点。

同时，在Turbine协议下，节点按照其质押资产的权重，被划分为不同的层级（优先级），**质押资产多的Validator率先收到Leader发出的数据，之后由这些节点传递给下一层**。在这种机制下，占全网质押资产2/3权重的节点群体，会最先收录Leader发出的交易序列，加快账本（区块）的确认速度。

![](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/5e9dce2586fb097a70ff0d67de0b5cc7c9732bb7865301d2ae650c09d7432730.png)

根据Solana浏览器披露的数据，目前2/3的质押权重被132个节点瓜分，再结合前文所说的传播机制，这些节点最先收到Leader发出的交易序列，也会率先给出投票。而只要得到这132个节点的投票，Leader发布的交易序列便可敲定。从某种角度看，这些节点抢跑在其他节点之前，如果他们串谋，便可产生某些作恶场景。

![](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/4eb4f5567d3d68a59ad181255d926fc2a20fbb10a797bc2d3e53e8efeb4500b5.png)

更值得注意的是，目前Solana有25个节点占据了1/3的质押权重，按照拜占庭容错理论，只要这25个节点集体串谋（比如故意不向某个Leader发出投票），足以让Solana网络陷入混乱。某种程度来讲，Solana面临的“寡头政治”问题是所有采用POS投票制的公链都应该去重视的。

![](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/a5b9a34e8a4a6389a4fe7ad6bf6fa8f0d96d44783cf6b8c2f239931e1c376c9a.png)

4.POH（Proof Of History）：前文提到，Turbine协议允许Leader将交易序列切碎，把不同的碎片发布出去。这种做法要有一个保障：交易序列被切碎后，要容易被拼凑复原。为了解决这个问题，Solana特意在数据包中掺杂纠删码（可防止数据丢失），并且引入独创的POH（Proof Of History）机制为交易事件排序。

![](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/729210e6f3879fb9a297ddcbe899b7d09abb2070cb96676e6fa9beed9927cf9e.png)

在Solana白皮书中，Yakovenko以哈希函数SHA256为案例，展示了POH的原理。为了便于理解，本文将以下面的例子解释POH机制：

（由于POH及对应的时间演进逻辑较难用语言描述，建议先阅读[Solana中文白皮书](https://docs.qq.com/pdf/DR2ZsSlpsaUppanBD?)对POH的解读， 再将本文以下桥段作为辅助阅读）

·SHA256函数的输入值和输出值是唯一映射的（1对1），输入参数X后，仅有唯一的输出结果SHA256（X）=？；不同的X会得到不同的 ？=SHA256（X）；

·如果循环、递归的计算SHA256，比如： 定义X2 = SHA256 ( X1 )， 再用X2计算X3 = SHA256 (X2)，再算X4 = SHA256 (X3)，如此重复迭代下去，Xn = SHA256 ( X\[n-1\] )；

·反复执行这个过程，最终我们会得到一个X1，X2，X3......Xn的序列，该序列有个特点：Xn = SHA256 ( X\[n-1\] )，排在后面的Xn是前面X\[n-1\]的“后代”。

![](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/b864024de8ed1e1635787d0dd3a311909654655ccd9b53c2b511ad98e5d12861.png)

·将该序列公开发布后，如果有外人想验证序列的正确性，比如他想判断Xn是否真的是X\[n-1\]的“合法后代”，可以直接将X\[n-1\]代入SHA256函数去算，看结果和Xn是否相同。

·在这种模式下，没有X1就得不到X2，没有X2得不到X3......没有Xn得不到后面的X\[n+1\]。这样一来，序列就具有了连续性和唯一性。

·最关键的一点：交易事件可以被插进序列里。比如： 在x3出生后、x4未出现时，交易事件T1可作为外部输入，和X3迭加在一起，得到x4 = SHA256（X3+T1）。其中，X3的出现略早于T1，X4则为（T1+X3）孕育的后代，**T1实质被夹在X3和X4的“生日”之间。**

以此类推，T2可以在X8产生后，作为外界的输入参数，计算X9=SHA256（T2+X8），这样T2的出现时间就被夹在x8和x9的“生日”之间；

![](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/a77f6a595a24511aeaf5878ba783a5b065462e7aa0e7954474ad7f1b85cba257.png)

•在上面的场景中，**实际的POH序列为以下形式**：

![](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/9d571d623bc5cb9bb4fb14cec8acfa4305ad1d8672eed131c5a459ef294bae88.png)

其中，交易事件T1和T2是外界插入序列里的数据，在POH序列的时间记录上，他晚于X3早于X4。 只要给出T1在POH序列里的次序号，可得知它之前发生了多少次SHA256计算（T1前面有X1、X2、X3，发生了3次SHA256计算）。 同样的道理，T2前面有X1~X8八个X，发生了8次计算。

**以上过程的白话解释如下：有个人拿着秒表在那里数秒，每当他收到一封信，他就按照秒表的读数，在信封上记下时间。收到十封信后，这十封信上记录的秒数肯定不同，有先后区分，这就给不同的信件排了序，根据信件上的记录还可以知道两封信之间隔多久。**

·Leader在对外发布交易序列时，只要在T1的数据包里给出X3的数值，并告知X3的序号（第3个），接收数据包的Validator便可解析出T1之前的完整POH序列； 只要在T2的数据包里，提供X8的数值，及其序号8，Validator便可解析出T2之前的完整POH序列；

![](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/412a2673cd4081336a9b2a3344fcf47800713ec87cb8b63c2f6709225f8e3dd4.png)

·按照POH的设定，只要标记出每笔交易在POH序列里的序号（Counter），并给出紧挨着它的X值（Last Valid Hash），就可以披露出每笔交易的次序。由于SHA256函数本身的特性，这种通过哈希计算来敲定的次序，难以被篡改。

![](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/c1928df401d2995276967502de27f33899a7cb25a39801e3cea60e6598f808c5.png)

同时，Validator知道Leader得出POH序列的方式，他们可以执行相同的操作，还原出完整的POH序列，验证Leader发布的数据的正确性。

For example，如果Leader发布的交易序列数据包为： T1，序号3，紧邻X3； T2，序号5，紧邻X5； T3，序号8，紧邻X8； T4，序号10，紧邻X10； POH序列初始值X1；

Validator接收到以上数据包后，便可把X1作为初始参数，循环代入SHA256函数自行计算，解析出完整的POH序列为：

![](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/9444a7e12812be33302ccbff58c485926c321abb660bac2be91536416e8180a6.png)

这样一来，只要知道序列里总共包含多少个X，就可得知计算者做了几次SHA256计算。事先**估计好每次哈希计算的耗时，就可以知道不同交易的时间间隔**（比如T1和T2之间隔了2个x，就隔着2次SHA256计算，约为？？毫秒）。得知了不同交易之间相隔的秒数后，可以更方便的确定每笔交易发生的时间点，省去了很多麻烦的工作。

**·一般而言，Leader会时刻不停的执行SHA256函数，得到新的X，把序列不断向前推进。如果有交易事件，就将其作为外部输入，插进序列里；**

![](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/20e27c77892f74afec6b2fe85a90f1bc8be297bcf889a46ea80d8e8a22bc9ed3.png)

·如果有节点尝试在网络中发布掺水的序列，替换Leader发布的版本，比如把上文中的X2替换为X2’ ，序列变为X1，X2’，X3......Xn，显然其他人只要对比X3和SHA256（X2’）,就可以发现两者对不上号，序列造假了。 所以，造假者必须把X2’之后的X全部替换才行，但这样做成本很高，尤其在X的个数很庞大的情况下，造假将非常浪费时间。此情此景，最好的办法就是不去造假，收到了Leader发出的序列后原方不动的转发给别的节点。 再考虑到Leader会在发布的每个数据包里加上自己的数字签名，在网络内传播的序列其实是“唯一的”“难以被篡改的”；

**5.全网一致的时间推进：Solana的创始人Yakovenko曾强调，POH最大的作用是提供了一个“全局一致的单一时钟”**（其实应该转译为：全网一致的时间推进） 。这句话其实可以这样理解： **Leader节点在网络内发布了一个唯一的、难以篡改的交易序列。根据该交易序列的数据包，节点可以解析出完整的POH序列，而POH序列是Solana独创的计时方式，可以作为时间参照物。**

如前文所述，由于Leader会时刻不停的执行SHA256哈希计算，把POH序列不断向前推进，这个序列记录了N次哈希计算的结果，对应着N次计算过程，包含了时间推移。而Solana把计算的次数当做独特的计时方式。

在原始的参数设定中，默认200万次哈希计算对应现实中1秒，每个Slot出块周期为400 ms，也就是说每个Slot产生的POH序列包含80万次哈希计算。Solana还创造了一个名为Tick（滴答）的名词，类比钟表指针前进时的滴答声。按照设定，每个Tick应该包含1.25万次哈希计算，1个Slot周期包含64次Tick，每160次Tick对应现实中1秒。

![](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/48cc399698f3e172ee7b4dad600fbc2757c100ce40d8e41117007e4fb253e369.png)

以上只是理想状态下的设定，在实际的运行过程中，每秒可产生的哈希计算次数往往不固定，所以实际的参数应该是动态调整的。但以上说明可以解释POH机制的大致逻辑，**这种设计让Solana节点在收到POH序列后，根据其中包含的哈希计算次数，判断1个Slot是否结束，以及是否到了下一个Leader该出现的时候（4个Slot一轮换）。**

![](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/891a552a98377cfbb81f848ea50a2bbe8544975337b52ac49a80905c534db08e.png)

由于可以判断每个Slot的 起始点，Validator会把 起始点 中间夹着的交易序列划分为一个区块。一旦得到敲定，就相当于把账本向前推进了一个区块，系统则向前推移了一个Slot。

这就可以用一句话概括： **“时钟的指针不会回头，但我们可以用自己的手把它向前推”。—碇源渡《新世纪福音战士EVA》**

换言之，只要节点都收到相同的交易序列，那么他们解析出的POH序列，及对应的时间推进都是一致的。这就创造了一个“全局一致的单一时钟”（全网一致的时间推进）。

（在原始的Tendermint算法中，每个节点在本地的账本上添加的是相同的区块，区块高度一致，几乎从不分叉，所以按照Solana对“时间推移”的解释，在Tendermint中，不同节点的时间推移应该也是一致的）

此外，由于交易事件在POH序列中的序号是给定的，节点仅凭自己计算就可获知，不同的交易之间隔了多少次哈希计算（隔着几个X），也就能大致估算出不同交易之间的时间差△T。

有了大致的△T和某个初始的时间戳TimeStamp 0后，就可以像多米诺骨牌一样，粗略估算每起事件的发生时刻（时间戳）。 For example： T1发生于01:27:01，T2与T1之间隔着1万次哈希计算（1万个X），如果1万次哈希计算耗时约为1秒，则T2大概发生在T1的1秒后，也就是01:27:02。以此类推，所有交易事件发生的时间（时间戳）都可以粗略推算出来，这带来了巨大便利，允许节点独立确认某些数据的送达时间。

同时，POH机制也方便统计各节点给出投票的时间点。Solana白皮书中提出，Validator应该在Leader每次发布State状态信息后的0.5秒内提供投票。

如果0.5秒对应着100万次哈希计算（前文的100万个X），而Leader发布State后，后面的序列里连续100万次哈希计算都没有收录进某节点的投票，大家就可以得知这个节点在偷懒，没有在规定时间内履行投票的义务，届时系统可以执行相应的惩罚措施（Tower BFT）。

6.与Optimism的相似性：以上即为Solana独创的POH（Proof Of History），类似于Optimism和Arbitrum的交易排序形式，都通过与哈希函数有关的计算，来确立一个“不可篡改、唯一确定”的交易事件序列，之后由Leader/Sequencer将这个序列发布给验证节点Validator/Verifier。

在Optimism中也有类似Leader的角色，叫Sequencer（排序器），它在数据传输中也取缔了区块式结构，定期在以太坊某合约地址中发布交易序列，叫Validator自己去读取并执行。不同的Validator收到的交易序列都是相同的，那么他们执行下来后得到的状态State也必定相同。这个时候再去对比Sequencer的状态State，各个Validator自己就能验证其正确性，几乎不需要和其他节点沟通。

在Optimism的共识机制中，并没有要求不同Validator之间进行互动，也没有收集投票的步骤，“共识”其实是隐式的。如果有Validator执行完交易序列后，发现Sequencer/Leader提供的状态信息State不对，就可以发起“挑战”，质疑Sequencer/Leader。但在这种模式下，Optimism为交易事件提供了7天的敲定窗口期，Sequencer发布交易序列后，需要7天无人质疑，才能最终确认，这显然是Soalna无法接受的。

Solana要求Validator尽快给出投票，目的在于让网络快速达成共识，快速敲定交易序列，这样可以比Optimism具备更高的效率。

此外，Solana分发和验证交易序列的方式更灵活，允许将一个序列切碎，以碎片的形式分发，这为Turbine协议的实行创造了完美的土壤；

![](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/11147065b25b1b63ec74a86edf9daa125c8058fc65cf4b120094b6e49fe33b38.png)

同时，Solana允许节点同时运行多个计算部件，并行式的验证不同碎片的正确性，把验证工作分担开，大幅节约时间。在OP和Arbitrum中则不允许这种做法，Optimism直接以1笔交易对应1个执行后状态State的方式，通过Transcation—State映射的形式给出交易序列，只能由一个CPU核心从头到尾一步一步的去计算一遍，才能验证整个序列的正确性，相对而言笨重低效很多。Solana的POH序列可以从任意一个位置开始验证，多个计算单元可以同时验证不同的POH片段，这就为多线程并行式的验证模式提供了基础。

**7.针对节点本身的纵向扩容：以上是Solana在出块流程、共识机制和数据传输协议上的改良，除此之外，Solana还创建了名为**Sealevel和Pipeline、 Cloudbreak的机制，支持多线程、并行、并发的执行模式，并支持以GPU来作为执行计算的部件，**大幅提高了节点处理指令的速度**，优化了硬件资源的利用效率，属于纵向扩容的范畴。由于相关技术细节较为复杂，且与本文的侧重点并无关联，在此不展开赘述。

虽然Solana的纵向扩容大幅提升了节点设备处理交易指令的速度，但也抬高了对硬件配置的要求。目前Solana的节点配置要求很高，被许多人评为“企业级硬件水平”，并被斥责为“节点设备最昂贵的公链”。

以下为Solana的Validator节点硬件要求： Cpu 12或24核，内存至少128 GB，硬盘2T SSD，网络带宽至少达到300 MB/s，一般为1GB/s。 再对比当前以太坊节点的硬件要求（转型POS前）： CPU 4核以上，内存至少16 GB，硬盘0.5 T SSD，网络带宽至少25 MB/s。

考虑到以太坊转型POS后节点硬件配置要求会调低，Solana对节点硬件的要求远远高于前者。根据部分说法，一个Solana节点的硬件成本，相当于几百个转型POS后的以太坊节点。由于节点运行成本过高，Solana网络的运行工作很大程度上成为了鲸鱼和专业机构、企业的专利。

![](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/865b69b87b104065e77748af8602000668f53adb4aa6e5281715cf9ba770d4f9.png)

对此，以太坊前CTO、Polkadot创始人Gavin Wood曾在去年Solana首次宕机后评论称：真正的去中心化和安全性比高效率更有价值。如果用户不能自己运行网络的全节点，那么这样的项目将和传统银行毫无区别。

全文总结
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*   Solana扩容主要基于：高效利用网络带宽、减少节点间通讯次数、加快节点处理事务的速度 三大方面，这些措施直接缩短了出块和共识通讯的时间，但也降低了系统可用性（安全）。
    
*   Solana提前公开每个出块周期Slot内的出块者Leader名单，实质揭示了单一可信的数据来源，借此大幅精简了共识通讯的流程。但公开Leader信息会带来贿赂、针对性攻击等潜在安全隐患。
    
*   Solana将共识通讯（投票信息）作为一种交易事件来处理，TPS成分中往往超过70%都是共识讯息，**真实与用户交易相关的TPS约为500—1000；**
    
*   **Solana的Gulf Stream机制实质取缔了全局性交易池，虽然这提高了交易处理速度，但普通节点无法高效拦截垃圾交易，Leader会面临巨大压力，容易致使其宕机。若Leader宕机，则共识讯息无法正常发布，网络容易分叉甚至崩溃；**
    
*   Solana的Leader节点发布的是交易序列，而非真实的区块。结合Turbine传输协议，交易序列可以被切碎后分发给不同节点，最终的数据同步速度极快。
    
*   POH（Proof Of History）实质为一种计时和计数方式，它可以给不同的交易事件盖上不可篡改的序号，生成交易序列。同时，由于同一时间只有单一的Leader发布交易序列，其中蕴含POH计时序列，Leader实质上发布了全网一致的计时器（时钟）。在一个很短的窗口期内，不同节点的账本推进、时间推移都是一致的；
    
*   **Solana有132个节点占据67%的质押份额，其中的25个节点占据33%的质押份额，基本构成了“寡头政治”或“元老院”。如果这25个节点串谋，足以导致网络陷入混乱；**
    
*   Solana对节点硬件水准要求较高，它在抬高设备成本的基础上，实现了纵向扩容。但这也致使运行Solana节点的个体多为鲸鱼或机构、企业，不利于真正意义的去中心化。
    

从某种角度来看，Solana实际成为了公链中最特立独行的存在，它以高级的节点硬件水准、颠覆性的共识机制与网络传输协议，将Layer1扩容的叙事推向了极端，基本触及了无分片公链可长期维持的TPS瓶颈，但Solana的多次宕机，似乎已经说明了牺牲 可用性/安全性 来换取效率的最终结局。

从长远看，去中心化和安全性始终是公链领域的核心叙事，虽然Solana靠着一时的TPS数值与SBF等金融大鳄的推波助澜，一度成为资本簇拥下的瑰宝，但EOS的结局已经昭示，Web3世界不需要单纯的营销和高效率，只有真正具备可用性的事物，能够在历史洪流的冲刷中屹立不倒，永世长存。

**（在此特别感谢 《嵌入式系统安全》的作者 刘洋 先生、Rebase社区 及 W3.Hitchhiker团队 对本文作者的帮助）**

### 参考文献

[**1.Solana白皮书中文版**](https://docs.qq.com/pdf/DR2ZsSlpsaUppanBD?)

[**2.Gulf Stream: Solana’s Mempool-less Transaction Forwarding Protocol**](https://medium.com/solana-labs/gulf-stream-solanas-mempool-less-transaction-forwarding-protocol-d342e72186ad)

[**3.Turbine Block Propagation**](https://docs.solana.com/cluster/turbine-block-propagation)

[**4.Solana调研报告**](https://shimo.im/docs/8wkxtyhCXWp88JDD)

[**5.Solana之旅**](https://blog.csdn.net/DongAoTony/article/details/124210177?spm=1001.2014.3001.5502)

[**6.与币安钱包合作的高性能公链Solana是如何提速的？**](https://www.jianshu.com/p/5046d6e43f1c)

[**7.Overclock blockchain to 710,000 transactions per second: a review of the Proof of History algorithm**](https://newdaycrypto.com/overclock-blockchain-to-710000-transactions-per-second-a-review-of-the-proof-of-history-algorithm/)

[**8.Solana 的逆袭之路 - SQLANA**](https://mp.weixin.qq.com/s/N5XexlPRjl2Bom0nHpUT9g)

[**9.PoS和Tendermint共识讲解**](https://www.youtube.com/watch?v=FiOTpYXyP2o&t=1s)

[**10.以太坊源码分析：交易缓冲池txpool**](https://segmentfault.com/a/1190000017333194)

[**11.以太坊交易池架构设计**](https://learnblockchain.cn/books/geth/part2/txpool/txpool.html)

[**12.PBFT基础流程**](https://fisco-bcos-documentation.readthedocs.io/zh_CN/latest/docs/design/consensus/pbft.html)

[**13.Tendermint-2-共识算法:Tendermint-BFT详解**](https://blog.csdn.net/weixin_43988498/article/details/119031945)

[**14.Cardano（ADA）的共识算法Ouroboros**](https://zhuanlan.zhihu.com/p/33824015)

[**15.深度调查：新公链们为何频现宕机事故？**](https://mp.weixin.qq.com/s/afE7jcK0NO95JMfMahYblQ)

[**16.深度解读Optimism：基本架构、Gas机制与挑战 | CatcherVC Research**](https://mirror.xyz/0x8C4d5E90196325FB22Fff37C97D7984a37e51D11/5Y8BUo8PvJe2xGKExbxmPBaYaInuaYZlFt8_KlW9UpA)

[**17.剖析新版Metis：Gas最低Layer2的去中心化进行时 |CatcherVC Research**](https://mirror.xyz/0x8C4d5E90196325FB22Fff37C97D7984a37e51D11/wiV-TWxuk2Ye50uqA82E_IKJ4MZbVxX_WSnoO8SKtt4)

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*Originally published on [ChainCatcher 链捕手](https://paragraph.com/@chaincatcher/solana-catchervc-research)*