Entendiendo Solana: Turbinas, la Corriente del Golfo y el Nivel del Mar

Después de dos rondas de mercados alcistas, Solana finalmente brilla en 2021.

Solana es una cadena pública de alto rendimiento y alta calidad diseñada para proporcionar una red blockchain rápida, económica y resistente a la censura sin sacrificar la descentralización o la seguridad para satisfacer la creciente demanda de implementación de aplicaciones.

En la actualidad, la fragmentación y las cadenas laterales siguen siendo las principales soluciones para que las principales cadenas públicas mejoren su rendimiento.

Sin embargo, Solana adopta un enfoque diferente y utiliza su propia nueva tecnología para brindar soluciones de escalabilidad más efectivas.

Solana utiliza prueba de historial de trabajo PoH, tolerancia a fallas bizantinas de estación base (Tower BFT), turbina (protocolo de propagación de bloques), Gulf Stream (protocolo de reenvío de transacciones sin memoria), nivel del mar (contratos inteligentes paralelos), tuberías (base de datos de cuenta extendida de verificación) y archiva (almacenamiento de libro mayor distribuido) ocho tecnologías innovadoras para construir una cadena de bloques de ultra alto rendimiento.

Este artículo se centrará en tres tecnologías principales: Turbine (protocolo de propagación de bloques), Gulfstream (protocolo de reenvío de transacciones sin memoria) y Sea Level (contratos inteligentes paralelos).

Al analizar la tecnología subyacente de Solana, puede comprender mejor cómo resuelve Solana el trilema de escalabilidad de la cadena de bloques y el problema del grupo de memoria que afecta gravemente a la red de la cadena de bloques.

El problema del trilema de escalabilidad en la tecnología blockchain tiene que ver con el ancho de banda. En la mayoría de las redes blockchain actuales, aumentar la cantidad de nodos aumentará el tiempo necesario para propagar todos los datos a todos los nodos, dado que cada nodo tiene un ancho de banda fijo.

Este es un problema difícil ante todos.

Sin embargo, han surgido muchas técnicas novedosas de difusión de datos, cada una optimizada para una aplicación específica. Por ejemplo, BitTorrent está optimizado para servir archivos de gran tamaño a grandes grupos de personas a través de TCP, mientras que MediaFLO es un protocolo optimizado para la difusión de datos en la capa física, con el fin de mejorar la eficiencia de la multidifusión en redes inalámbricas.

¿Y cómo resuelve el trilema de escalabilidad de la cadena de bloques el protocolo de propagación de bloques de Solana Turbine (Turbina)?

Uno de los desafíos de las cadenas de bloques de alto rendimiento es cómo la red difunde grandes cantidades de datos a una gran cantidad de pares. Por ejemplo, una red de 20.000 validadores. El líder necesita transmitir un bloque de 128 MB (alrededor de 500 000 transacciones) a 20 000 validadores. La propagación requiere que el líder cree una conexión única con cada validador y transfiera los 128 MB de datos 20 000 veces.

Obviamente, generalmente no hay suficiente ancho de banda para acomodar tantas conexiones.

La solución a este problema, Turbine, se basa en gran medida en BitTorrent, pero aún existen algunas diferencias entre los dos en los principales detalles técnicos.

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Al dividir los datos en paquetes de datos más pequeños, el protocolo Turbine tiene como objetivo facilitar la transferencia de datos entre los nodos de la cadena de bloques. Gracias a esto, Solana puede resolver el problema de las limitaciones de ancho de banda y aumentar su capacidad general, para que las transacciones se puedan completar más rápido.

Turbine está optimizado para la transmisión, utiliza UDP para transferir datos e implementa una ruta aleatoria para cada paquete de datos en la red a medida que el líder (productor de bloques) transmite datos. El líder divide un bloque de 128 MB en paquetes de no más de 64 KB de tamaño y transmite cada paquete a un validador diferente.

Luego, cada validador retransmite el paquete a un conjunto de pares llamados "vecindarios". Cada vecino es responsable de transmitir parte de los datos a cada vecino debajo de él.

Si el líder transmite el 33 % de los paquetes del bloque en un código de borrado, la red puede descartar cualquier 33 % de los paquetes y no perder el bloque.

El líder puede incluso ajustar este número dinámicamente según las condiciones de la red. Estas son decisiones tomadas por la tasa de pérdida de paquetes observada por el líder de bloques anteriores.

No todos los validadores son iguales, los validadores más importantes son los que tienen más participación.

En consecuencia, se priorizará la propagación correspondiente. El algoritmo de selección ponderado por participación crea un árbol de modo que los validadores con apuestas más altas estén más cerca del líder en los vecinos. Cada validador calcula independientemente el mismo árbol.

Si bien los códigos de borrado pueden corregir fallas, los nodos hostiles en el árbol pueden causar fallas, especialmente cuando se combinan con DoS (ataques de denegación de servicio).

¿Cómo maneja Solana este Eclipse Attack?

Algoritmo Fan-out.

El algoritmo fan-out de Solana genera un árbol de participación ponderada para cada paquete utilizando una fuente de aleatoriedad basada en la firma digital del paquete. Dado que cada paquete toma una ruta diferente y la ruta no se conoce de antemano, un ataque de Eclipse a nivel de vecino requiere un control casi completo de la red.

Esta técnica puede escalar entre 200 y 1000 nodos. Una tarjeta de red que admita 1 gbps puede transmitir 1 millón de paquetes por segundo. Un solo validador puede enviar paquetes de hasta 64kb a 1000 máquinas en un segundo si la conexión de red lo permite.

El grupo de memoria (MemPool) es un grupo de transacciones que han sido enviadas pero aún no procesadas por la red.

En el caso de Bitcoin y Ethereum, el tamaño del mempool generalmente se mide en la cantidad de transacciones no confirmadas y depende de la oferta y demanda de espacio en bloque. Incluso en los primeros días de la era de la cadena de bloques, cuando aumentaba el mempool, tenía graves efectos de cuello de botella en toda la red.

Entonces, ¿cómo sobresale Solana?

Los validadores de Solana pueden administrar un tamaño de mempool de 100 000 transacciones sin aumentar el rendimiento de la red. Esto significa que con un rendimiento de red de 50 000 TPS, se puede ejecutar un mempool de 100 000 transacciones en segundos. Esto es lo que convierte a Solana en la cadena de bloques sin permiso de mayor rendimiento del mundo.

La solución de la red Solana a este problema es impulsar el almacenamiento en caché y el reenvío de transacciones al borde de la red, que se llama Gulf Stream.

Dado que cada validador conoce el orden de los futuros líderes, los clientes y los validadores reenvían las transacciones a los posibles líderes con anticipación. Esto permite que los validadores ejecuten transacciones por adelantado, reduzcan el tiempo de confirmación, cambien de líder más rápido y reduzcan la presión de la memoria sobre los validadores de grupos de transacciones no confirmadas, lo que permite a Solana procesar 50 000 transacciones por segundo. Esta solución no es posible en redes blockchain con líderes inciertos.

¿Cómo funciona?

Los clientes (como las billeteras) firman transacciones que hacen referencia a un hash de bloque específico. El cliente elige un hash de bloque reciente que ha sido completamente confirmado por la red. Los bloques se proponen aproximadamente cada 800 milisegundos, y cada bloque adicional tarda exponencialmente más tiempo en desplegarse. Utilizando la curva de tiempo de espera predeterminada, el hash de bloque totalmente confirmado es de 32 bloques en el peor de los casos.

Una vez que se reenvía una transacción a cualquier validador, el validador la reenvía a uno de los futuros líderes. Los clientes pueden suscribirse a las confirmaciones de transacciones de los validadores. El cliente sabe que el hash del bloque caduca en un tiempo finito, o la transacción es confirmada por la red. Esto permite a los clientes firmar transacciones que están garantizadas para ejecutarse o fallar.

Una vez que la red pasa el punto de reversión, el hash de bloque al que hace referencia la transacción caduca y se garantiza a los clientes que la transacción ahora no es válida y nunca se ejecutará en la cadena.

A estas alturas, está claro que una red blockchain solo funcionará si su mempool es mínimo.

Cuando la red con un rendimiento de transacciones limitado asumió el esfuerzo de tratar de transformar la nueva tecnología de escalado para resolver el conjunto de memoria cada vez mayor, Solana resolvió los problemas de la red blockchain de primera generación a través de un diseño de optimización como Gulf Stream desde el principio, y Logre un gran rendimiento de transacciones.

Tanto EVM de Ethereum como el tiempo de ejecución basado en WASM de EOS son de un solo subproceso. Esto significa que cada vez hay un contrato inteligente que modifica el estado de la cadena de bloques.

El motor paralelo de operación de contrato inteligente construido por Solana - Sealevel (Sealevel), puede procesar decenas de miles de contratos en paralelo y utiliza validadores como núcleo. Puede hacer que el tiempo de ejecución de Solana sea más eficiente y también permitir que las transacciones se ejecuten simultáneamente en el mismo estado de la cadena de bloques.

La razón por la que Solana puede procesar transacciones en paralelo es que cuando se ejecuta una transacción en Solana, todos los estados se leerán o escribirán. Esto permite que no solo las transacciones que no se superponen se ejecuten simultáneamente, sino también las transacciones que solo leen el mismo estado para ejecutarse simultáneamente.

La base de datos de cuentas de Solana, Cloudbreak, es un mapeo de claves públicas para cuentas. El propietario es la clave pública del programa que gestiona las transiciones de estado de cuenta. Un programa es código y no tiene estado. Se basan en vectores de datos en las cuentas que se les asignan para las transiciones de estado.

De forma predeterminada, todas las cuentas pertenecen inicialmente a los programas del sistema. Los programas definidos por el usuario son cargados por el programa cargador. El programa cargador puede marcar los datos de la cuenta como ejecutables.

En este punto, el cargador ha verificado el código de bytes y la cuenta en la que se carga el código de bytes se puede utilizar como un programa ejecutable. Las cuentas nuevas se pueden marcar como propiedad de programas definidos por el usuario.

La clave aquí es que un programa es un código, y en un almacén de clave-valor, existe un subconjunto de claves a las que este programa y solo este programa tiene acceso de escritura.

Las transacciones especifican un vector de instrucción. Cada instrucción contiene el programa, las instrucciones del programa y una lista de cuentas para leer y escribir desde la transacción.

Las interfaces como readv o writeev le dicen al kernel con anticipación qué memoria desea leer o escribir el usuario. Esto permite que el sistema operativo realice una búsqueda previa, prepare el dispositivo y realice operaciones simultáneamente si el dispositivo lo permite.

En Solana, cada instrucción le dice a la máquina virtual por adelantado qué cuentas quiere leer y escribir.

Las instrucciones SIMD permiten que una sola pieza de código se ejecute en múltiples flujos de datos. Esto significa que Sealevel puede realizar una optimización adicional, que es exclusiva del diseño de Solana.

No hay almuerzo gratis cuando se trata de actuaciones. Para que la optimización SIMD sea factible, las instrucciones ejecutadas deben contener una pequeña cantidad de ramas y todas deben tomar la misma rama.

A través del procesamiento paralelo a nivel del mar, Solana puede lograr un rendimiento y una disponibilidad extremadamente altos en comparación con un tiempo de ejecución de un solo subproceso.

Se puede ver que en términos de innovación tecnológica y otros aspectos, Solana ha desarrollado un camino único que pertenece a Layer1. En el futuro, Solana continuará desarrollando y brindando una solución descentralizada de alto rendimiento y bajo costo para aplicaciones a gran escala en la capa de aplicación.

El desarrollo a gran escala del ecosistema DeFi en Solana es emocionante.

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