了解Solana：領導者輪換機制

2021-07-21 21:07:34

可擴展性是區塊鏈行業的一個持續性挑战。

隨着去中心化金融的爆炸式增長，區塊鏈對於可擴展性的要求越來越高。各種區塊鏈正試圖通過分片、Layer2和側鏈等可擴展性方案來解決此難題。而Solana卻採用了更直接的方案——在Layer1提供超快速、安全且抗審查的公鏈，以此為面向全球的去中心化應用提供高可擴展性的开放基礎設施。

歸功於獨創的PoH（工作歷史證明）共識，性能為業內頂尖的Solana正着向世界上第一個Web級的去中心化網絡邁進。基於工作歷史證明證明，Solana鏈上的所有節點能夠通過算法生成統一的時間戳，降低信任成本，提升效率，同時其所有的驗證和處理都以異步的狀態進行。

Solana的領導者及作用

Solana生態系統中有多個角色（領導者、驗證者、存檔者等）。與DPoS區塊鏈不同，Solana不會在網絡參與者之間委派這些角色，而是由Solana節點履行網絡的所有角色。

Solana領導者的任務是生產新區塊，它們每四個塊（1.6秒）旋轉一次。處於領導地位的節點將所有交易放入該節點正在生產的四個區塊中。該節點將這些包含事務的塊顯示給名為Solana Clusters的相關節點組。集群使用數字時間戳作為參考來驗證交易，並將記錄快速傳遞給其他節點。

創世配置聲明了第一個紀元的第一個領導者。這個領導者最終被安排在前兩代，因為領導者計劃也在下一個時代的slot 0生成。前兩個時期的長度也可以在創世配置中指定。第一個紀元的最小長度必須大於或等於Tower BFT中定義的最大回滾深度。

在工作歷史證明的支持下，領導者會不斷輪換，無論網絡狀況如何，整個網絡都無需任何驗證者交流，遇到錯誤也不會停止，而是馬上在新的區塊高度上开始接下來的行動。這意味着Solana的網絡成為了“永動機”。因為領導者和驗證者都是可輪換的。

同時，Solana領導者的輪換決策是異步進行的。這一核心創新开闢了其向上堆棧的設計空間。

Solana的領導者輪換

領導者是被精確選擇的，但一次只有一個領導者的弊端也同時存在。

惡意領導者可以審查投票和交易。由於審查無法與網絡丟棄數據包區分开來，集群不能簡單地選擇一個節點來無限期地擔任領導者。相反，集群通過“輪換”機制來規避惡意領導者的風險。

前文介紹，領導者的產生和認證都是異步進行的。在整個系統中，每個領導者都被分配在一個插槽的插槽順序列表“領導者時間表”中，對照這個列表，每個驗證者都能使用相同的算法選擇預期的領導者。當驗證者收到一個新的籤名分類帳條目時，可以確定條目是由預期的領導者生成的。

因此，如果想保證系統判斷的流暢性，“領導者時間表”的調度必須在它分配的槽位之前早早地被計算出來，這樣它用來計算調度的分類帳狀態才能最終確定。

那么“領導者時間表”又是怎樣產生的呢？

1. 定期使用PoH刻度高度（一個單調遞增的計數器）來播種一個穩定的僞隨機算法；

2. 在該高度，對所有具有領導身份的抵押账戶進行抽樣，這些账戶在集群配置的滴答數內進行了投票。該樣本稱為活動集；

3. 按權益權重對活動集進行排序；

4. 使用隨機種子選擇按權益加權的節點以創建權益加權排序；

5. 此排序在集群配置的滴答數後生效。

該持續時間稱為領導者計劃偏移量。Solana將偏移量設置為槽的持續時間，直到下一個紀元。

也就是說，一個epoch的leaderschedule是從上一個epoch开始時的账本狀態計算出來的。一個epoch的偏移量是相當任意的，並假設足夠長，以便所有驗證者都將在生成下一個時間表之前完成其分類帳狀態。集群可以選擇縮短偏移量，以縮短權益變更和領導者時間表更新之間的時間。

由於這樣的異步性，在下一個時期之前，提交給根分叉的任何新信息都不會處於活動狀態。直到新的領導者誕生，並生產第一個跨越紀元邊界的區塊。

如果分區的持續時間不超過一個紀元，這種交流也不會中斷，而是按照如下方式繼續運作：

1. 驗證者在投票時不斷更新自己的根叉。

2. 每次槽高度越過一個紀元邊界時，驗證者都會更新其領導者時間表。

例如：紀元持續時間為100個時隙。根分叉從在槽高度99計算的分叉更新為在槽高度102計算的分叉。由於故障，槽高度為100、101的分叉被跳過。新的領導者調度是在槽高度102使用fork計算的。它從槽200开始一直有效，直到它再次更新。

在這個跳躍式的解決方案中不會存在不一致的現象，因為當其根通過102時，與集群投票的每個驗證者都跳過了100和101。所有驗證者，無論投票模式如何，都將提交給102或102的後代的根。

在不增加網絡吞吐量的情況下，Solana驗證者可以管理10萬筆交易的內存池大小。這意味着，在網絡吞吐量為5萬TPS的情況下，10萬筆交易的內存池在幾秒鐘內就能執行。

驗證者們將轉發（forwarding）推送到網絡邊緣，這被稱之為海灣流（Gulf Stream）。由於每個驗證者都知道未來領導者的順序，驗證者可以提前將交易轉發給預期的領導者。這使得驗證者可以提前執行交易，減少確認時間，更快地切換領導者，並減少未確認交易池對驗證者的內存壓力，讓Solana每秒可處理5萬筆交易。