再解Solana技术架构：将要迎来第二春吗？

TL;DR

Solana是一个高性能的区块链平台，采用独特的技术架构实现高吞吐量和低延迟。其核心技术包括Proof of History (POH)算法确保交易顺序和全局时钟，Leader Rotation Schedule和Tower BFT共识机制提高区块出块速率。Turbine机制通过Reed-solomon编码优化大区块传播。Solana Virtual Machine (SVM)和Sealevel并行执行引擎加快交易执行速度。这些都是Solana实现高性能的架构设计，但同时也带了一些问题，如网络宕机、交易失败、MEV问题、状态增长过快和中心化问题，我们也在本文中着重阐述了这种机制带来的问题。

Solana生态发展迅速，各项数据指标在上半年都迅猛发展，尤其在DeFi、基础设施、GameFi/NFT、DePin/AI和消费者应用领域。Solana的高TPS和面向消费者应用的战略以及品牌效应较弱的生态环境为创业者和开发者提供了丰富的创业机会。在消费者应用方面，Solana展示了其对于推动区块链技术在更广泛领域应用的愿景。通过支持如Solana Mobile和专为消费者应用程序构建SDK，Solana正致力于将区块链技术集成到日常应用中，从而提高用户的接受度和便利性。例如，Stepn等应用程序通过结合区块链和移动技术，为用户提供了新颖的健身和社交体验。尽管目前许多消费者应用程序仍在探索最佳的商业模式和市场定位，但Solana提供的技术平台和生态系统支持，无疑为这些创新尝试提供了强有力的后盾。随着技术的进一步发展和市场的成熟，Solana有望在消费者应用领域实现更多的突破和成功案例。

Solana虽然在区块链行业中以其高吞吐量和低交易成本获得了显著的市场份额，但它也面临着来自其他新兴公链的激烈竞争。Base作为EVM生态中的一个潜在对手，其链上活跃地址数正在迅速增长，同时，Solana的DeFi领域总锁仓量（TVL）虽然创下了历史新高，但Base等竞争对手也在快速占领市场份额，Base生态的融资额也首次在Q2季度超越Solana。

尽管Solana在技术和市场接受度上取得了一定的成就，但它需要不断创新和改进，以应对来自Base等竞争对手的挑战。特别是在提高网络稳定性、降低交易失败率、解决MEV问题以及减缓状态增长速度等方面，Solana需要持续优化其技术架构和网络协议，以保持其在区块链行业的领先地位。

技术架构

Solana以其POH算法、Tower BFT共识机制以及Trubine数据传输网络和SVM虚拟机带来的高TPS和快速Finality著称。我们将要简要介绍其各个组件是如何工作的，如何发挥其高性能的目标以进行架构设计的，以及在这种架构设计下带来的弊端和衍生而来的问题。

POH算法

POH（Proof of History）是一个确定全局时间的技术，其并不是共识机制，而是一种确定交易顺序的算法。POH技术是来源于最基础的密码学SHA256技术。SHA256通常用于计算数据的完整性，给定一个输入X，则有且只有唯一的输出Y，因此对该X任何变动都会导致Y的完全不同。

POH序列，图源：Solana白皮书

POH序列示意图，图源：Solana白皮书

在Solana的POH序列中，通过应用sha256算法就能确保整个序列的完整性，也就确定了其中交易的完整性。举个例子，如果我们将交易打包成一个区块，生成对应的sha256 hash值，那么这个区块内的交易就被确定，任何变动都会导致hash值的更改，之后这个区块hash作为将作为下一个sha256函数的X的一部分，再添加下一个区块的hash，那么上一个区块以及下一个区块就都被确定下来，任何变动都会导致新Y的不同。

这个就是其Proof of History技术的核心含义，上一个区块hash，将作为下一个sha256函数的一部分，类似于一个链条，最新的Y，总是包含了历史的证明。

交易Flow架构图，图源：Solana白皮书

在Solana的交易流架构图中，描述了POH机制下的交易流程，在一个称为Leader Rotation Schedule的轮换机制下，会在所有的链上验证者Validator中，产生一个Leader节点，该Leader节点收集交易并且进行排序执行，生成POH序列，之后会生成一个区块传播给其它节点。

Leader选举机制，图源：Helius

为了避免Leader节点处产生单点故障，因此引入了时间限制。在Solana中时间单位是以epoch进行划分，每个epoch包含432，000个slot（时隙），每个slot持续400ms，在每一个slot中，轮换系统会在每个slot内分配一个Leader节点，Leader节点必须在给定的slot时间内发布区块（400ms），否则，就会跳过这个slot，重新选举下一个slot的Leader节点。

总的来说，Leader节点采用POH机制能让历史的交易全部确定下来。Solana的基本时间单位是Slot，Leader节点需要在一个slot内广播区块。用户将交易通过RPC节点给到Leader，Leader节点打包交易排序然后执行生成区块，区块传播给其它验证者，验证者需要通过一个机制来达成共识，对区块内的交易以及顺序达成共识，该共识使用的就是Tower BFT共识机制。

Tower BFT共识机制

Tower BFT协议，图源：Helius

Tower BFT共识协议来自于BFT共识算法，是其的一种具体工程实现，该算法仍然与POH算法有关。在对区块进行投票的时候，如果验证者的投票本身就是一种交易，那么用户交易以及验证者交易所形成的区块哈希，也能够作为历史证明，哪个用户的交易细节以及验证者的投票细节都能被唯一确认。

在Tower BFT算法中规定，如果所有验证者对该区块进行投票，超过2/3的验证者投了approve票，那么这个区块就能被确定下。该机制的好处是，节省大量的内存，因为仅仅需要对哈希序列进行投票即可确认区块。但是在传统的共识机制中，一般采用的是区块泛洪，就是一个验证者接收到了区块然后就会发送给周围的验证者，这样就会造成网络的大量冗余，因为一个验证者接收到了不只一次相同的区块。

在Solana中，由于存在大量的验证者投票交易，并且由于Leader节点中心化带来的高效以及400ms的Slot时间，这就导致了整体区块大小以及出块频率都特别高，大区块在传播时，也会给网络造成很大的压力，Solana采用Turbine机制来解决大区块的传播问题。

Turbine

投票图示

Turbine区块传播机制，图源：Helius

Leader节点通过称为Sharding的过程将区块拆分为shred的子区块，其规格大小以MTU（最大传输单元，无需将其分割成更小的单元即可从一个节点发送到下一个节点的最大数据量）为单位。然后通过使用Reed-solomon擦除码方案来保障数据的完整性以及可用性。

Reed-solomon编码方案，图源：Helius

通过将区块分成四个Data Shreds，然后为了防止数据传输过程中丢包和损坏，因此使用Reed-solomon编码将四个包编码成八个包，该套方案能容忍至多50%的丢包率。在实际的测试中，Solana的丢包率大概为15%，因此这套方案能很好的兼容当前的Solana架构。

在底层的数据传输中，一般会考虑使用UDP/ TCP协议，由于Solana的对丢包率的容忍度较高，因此采用了UDP协议进行传输，其缺点在于丢包时不会重新传输，但是优点在于更快的传输速率。相反，TCP协议会在丢包时重新多次传输，会极大的降低传输速率以及吞吐量，有了Reed-solomon以后，这套方案，能显著增加Solana的吞吐量，在真实环境中，吞吐量能够提高9倍。

分层传播示意图，图源：Helius

Turbine将数据分片以后，使用多层传播机制来进行传播，Leader节点会在每个Slot结束之前将区块交给任意一个区块验证者，然后该验证者会将区块分片成Shreds，并且生成纠删码，该验证者之后会开启Turbine 传播。首先要传播到根节点，然后该根节点会确定哪些验证者位于第几层。其过程如下所示：

1. 创建节点列表：根节点将所有的活跃验证者汇总到一个列表中，然后根据每个验证者在网络中的权益（也就是质押的SOL数量）进行排序，权重较高的则位于第一层，以此类推。
2. 节点分组：然后每个位于第一层的验证者也会创建术语自己的节点列表，以构建自己的第一层。
3. 层形成：从列表顶部将节点划分为层，通过确定深度和广度两个值，就能确定整颗树的大致形状，这个参数会影响shreds的传播速率。

权益占比较高的节点，在层级划分时，在更上一层，那么就能够提前获得完整的shreds，此时就可以恢复完整区块，而后面层的节点，由于传输的损耗，其获得完整shreds的概率会降低，如果这些shreds不足以构建完整的碎片，会要求Leader直接重新传输。那么这时数据传输会向树内部进行，而第一层的节点早就构建好了完整的区块确认，约后面层次的验证者完成区块构建之后进行投票的时间就越久。

这套机制的思想类似于Leader节点的单节点机制。在区块传播过程中也存在一些优先的节点，这些节点首先获得shreds碎片组建完整区块以达成投票共识的过程。将冗余推向更深层次，能够显著加快Finality的进行，并且最大化吞吐量和效率。因为实际上前几层可能就代表了2/3的节点了那么后续节点的投票也就无关紧要了。

SVM

Solana能够每秒处理数千笔交易，主要的原因在于其POH机制、Tower BFT共识和Turbine数据传播机制。但是SVM作为状态转换的虚拟机，如果Leader节点在进行交易执行中，SVM处理速度较慢，那么就会让整个系统的吞吐量降低，因此针对SVM，Solana提出了Sealevel并行执行引擎来加快执行交易的速度。

在SVM中，指令由4个部分组成，包含程序ID，程序指令以及读取/写入数据的账号列表。通过确定当前账户是处于读取还是写入状态以及要进行状态更改的操作是否有冲突，可以将账户的交易指令中对状态没有冲突的并行化允许，每条指令以Program ID来表示。而这也是为什么Solana的验证者的要求很高的原因之一，因为要求验证者的GPU/CPU能够支持SIMD（单指令多数据）以及AVX高级矢量拓展能力。

生态发展

Solana生态Landscape

在当前的Solana生态发展的过程中，越来越偏向于实际的效用，比如Blinks以及Actions甚至Solana Mobile等，而官方支持的应用发展方向也更偏向于消费者应用程序，而不是对基础设施的无限内卷。在Solana当下性能足够的情况下，应用种类更为丰富。就以太坊来说，由于其TPS较低，因此以太坊生态仍然是以基础设施和扩容技术为主，在基础设施无法承载应用的情况下，也就无法去将构建消费者应用了，这也就造成了资金在基础设施投资过多，但是应用投资过少的不平衡状态。

DeFi

DeFi Landscape

在Solana上的DeFi协议中，有大量未发币的项目，包括Kamino（第一Lending）、Marginfi（Lending + Restaking）、SoLayer（Restaking）、Meteora等，由于Solana的团结生态氛围，通常一个项目在发币的档期，其它项目都会尽量的避开，以吸引足够的市场目光。

DEX市场份额，图源：Dune

当前在整个DEX方面竞争激烈，其龙头也经历了多次迁移，从Raydium，Orca到现在Jupiter为主导地位。

DEX交易的发起人，图源：Dune

值得注意的是，DEX的交易其中大约50%都是由MEV bot发起的，主要是其低廉的费用和Meme交易活跃滋生了MEV的有利可图。而这也是导致用户高峰交易失败频发、宕机的主要原因之一。

Solana TVL，图源：Defillama

Solana上的DeFi协议伴随着SOL价格的上涨，其USD名义TVL也赢来了爆发性的上涨。其TVL上涨的趋势仍然没有停止，新一波的上涨趋势形成。

总之，Solana赛道虽然竞争激烈，但是仍然有变，与Ethereum上Uniswap占据用户的品牌心智不同，尽管是本应该极具粘性和网络效应的DEX也会面临被更替的风险。Solana主链的交易被MEV bot充满，这对用户造成了很大的用户体验的问题仍然有待解决。在整体大方向上，Solana的TVL仍然在非常迅猛的增长，其后续的DeFi生态发展仍然非常值得期待，并且这些应用的品牌心智对用户的占领并不强，是创业者选择链的潜在动力。

Infrastructure

基础设施 Landscape

在基础设施的构建上，主要的龙头是预言机Pyth以及跨链桥Wormhole，也包括一些针对性的解决方案大众可能了解较少，比如：

1. Jito Labs：专注于构建Solana上的MEV解决方案，其Jito Labs客户端构建了Bundle和伪emempool来给予researchers进行MEV。目前其市占率超过50%。除此之外，其LSD协议Jito的质押的SOL也接近1200万枚，并且仍然在高速增长。
2. Helius：Helius作为Solana上的主动的贡献社区，对Solana有最全的研究以及通过研究进行代码贡献。
3. GenesysGo：其产品ShdwDrive是Solana中数据存储项目，其致力于能够商业化落地的项目支持，包括社交数据、网站托管等业务。目前仍然在测试网阶段。同时，其母公司GenesysGo也在为Solana社区构建各种public goods以及研究。

除此之外，Solana仍有大量值得探索的项目等待中文社区挖掘。我们确实发现，这些基础设施在Solana的协议级别构建、生态发展、社区有着巨大的影响力，可能有无论是投资或者合作进一步挖掘其潜力的机会。

Gaming / NFT

Gaming / NFT Landscape

Solana上也有较为丰富的GameFi和NFT生态，其中Mad Labs在整个Solana生态中占据比较重要的位置，许多项目空投都会优先考虑Mad Labs持有者发放，过去这一龙头的位置是DeGods。而NFT市场也经历了变迁，过去最多人使用的是Magic Eden，现在转变为Tensor。

DePin / AI

DePin Landscape

DePin数据概览，图源：DePin Scan

目前在Solana的DePin市场上，Render是有实际业务的当之无愧的龙头。伴随着solana以实际应用为中心的发展战略，其也在这轮复苏中，抓住了Depin的叙事之风。在上半年，大量新的Depin项目搭建在Solana之上，其中就包括io.net、Nosana、Shadow等。

Consumer

Consumer Landscape

无论是Solana Mobile，还是Solana Ecosystem官网专门为消费者应用程序构建专栏，Actions以及Blinks的发明，都说明了Solana对于区块链商业化落地和实用性的愿景。其Mobile收集的发布也是在将Web端的dapp放到移动端，这非常符合人性和互联网发展趋势。因此，应用在这种土壤上容易爆发，最典型的就是Stepn。

纵览目前在运行的消费者应用程序，其实大部分仍然没有找到很好的突破口，所以仍然无法实现一个真正的应用落地到商业世界，这其中包括了产品创新单一、商业模式单一、对Web2营销乏力、Gas Fee的需求、代币的入门门槛等多种因素。

但是消费者应用程序是区块链技术最终落地的场景，也决定了公链的天花板。因此Solana对于手机端消费者应用程序的探索是非常有必要的，我们对于这个方向的长期挖掘也是必要的。特别是当前以太坊生态中，基建远大于应用的情况下。最终，基建都是为应用服务。

Payments

Payment Landscape

Solana上的钱包包括了Phantom、Backpack、TipLink等。与DEX一样，这里的品牌效应并不强，因此创业者有更多的机会，过去钱包龙头是Phantom，现在转变为Backpack，其是Mad Labs构建，值得一提的是Mad Labs现在也是Solana上的NFT龙头。

Solana稳定币发行状况，图源：Defillama

其目前与Paypal、Visa等合作进行链上的稳定币支付转账，这个业务场景本身非常有利于快速Finality以及低Gas Fee的Solana链。目前其链上稳定币处于缓慢增长的状态。

稳定币转账堆栈图 YTD，图源：Artemis

Solana在上半年具有引人瞩目的稳定币转账的市场份额。但是从6月份之后，其市场份额显著下滑。上半年Solana表现的绝对亮眼，但是其在下半年的开端转账数据有明显下滑的趋势。

竞争对手数据

链上活跃地址数，图源：Artemis

在一众公链中，Base被视为EVM生态潜在的Solana竞争对手。Base的链上活跃地址数正在迅猛增加，而Solana在具备先发优势的情况下，也仍处于高速增长的阶段。NEAR维持高位不变，但是Aptos以及Sui在公链的竞争中落后。

TVL对比，图源：Artemis

Solana在Defi领域的TVL也进展显著，其TVL已经创下历史新高，并且与其它公链相比也有一大段距离，但是值得注意的是Base也处于高速成长的阶段。

公链稳定币储备，图源：Allium

目前Solana的稳定币供应的市场份额一直萎靡不振，Ethereum由于多链的出现，其市场份额自然缩小，Base市场份额在悄然增加。

融资数据，图源：Messari

在资本市场融资方面，最近一个季度Base生态的融资频率大幅增加，并且超过了Solana生态。因此，通过各项链上数据的市场份额以及资本融资也能看出，关于市场上Base与Solana竞争是成立的，并且这种竞争压力伴随着Base的成熟，Solana会面临更大，并且Base与Solana的愿景相似，都是希望以高TPS完成Mass Adoption的 Cryptio Native Consumer App愿景。

面临的技术挑战

宕机

Solana由于其网络架构如Gulfstream Leader选举机制以及Leader节点的单节点风险，导致了Leader节点的后续预测变得可行，进而当网络交易增多时，就会对单节点的Leader造成很大的内存压力，而Leader节点又需要给Turbine树中的节点随时准备重新传输区块，否则无法完成共识投票。当大量的ddos攻击出现时，单节点故障带来的系统宕机变得极为频繁.

总之，宕机主要是无法出块的问题，有可能是因为Leader机制带来的单节点故障，在区块组建处产生问题，也有可能是共识层无法对区块达成共识，导致无法出块的问题。整体而言，这与Solana的本身架构以及软件的测试流程有紧密相关。

交易失败

用户失败交易的比例，图源：Dune

使用过Solana的用户应该知道，我们的交易很多时候都无法正常提交，过段时间以后，发现交易失败，这造成了极差的用户体验。如上图，根据统计，用户提交的交易中，其中有35%左右的交易是失败的，需要用户多次提交，而在链上有较大波动时，这一比例将更大。

其主要原因是网络层技术QUIC，这是一项较新的技术。

网络协议层级 — — 5层结构，图源：Research Gate

QUIC（Quickl UDP Internet Connections）是Google提出的，针对HTTP 2.0协议的传输层改进。该实验性协议是基于UDP传输层协议进行研发，也被称为HTTP 3.0。

HTTP/2与QUIC图示，图源：EMQX

TCP可靠性高于UDP，但是UDP的速率高于TCP，因为TCP会在包丢失的时候具备拥塞控制机制，重新传输丢失的包。UDP速率高，可靠性低，Goggle希望构建一个可靠性高且速率高的传输层协议QUIC。QUIC最核心的特性就是相互独立的逻辑流。它允许在单个连接上并行传输多个数据流，并且每个流可以独立地处理。相比之下，TCP 只支持单数据流，需要按照发送顺序接收和确认每个报文。

失败交易图示，图源：bread

Solana宕机的主要原因就是使用了该QUIC实验性应用层协议，由于UDP以及多路传输的快捷，并且希望保持完整数据的传输，因此其也会设计机制来对丢包情况进行多次重传。Leader节点在接收多个交易时，是通过QUIC协议开启多个通路进行的，但是Leader节点毕竟是一台计算机，尤其能够处理的交易容量上线，因此在发生大量的交易涌入时，Leader节点就会切段某些通路连接，这就会导致交易被drop。如何选择将被切断的连接并没有一套既定的标准（比如切断所有费用低于 xxx 的连接），所有连接是否会被切断都是随机性的。因此这就导致了存在一定黑箱操作的空间，Leader节点可能更倾向于有利可图的MEV交易，而放弃用户的低价值交易。

MEV

在Solana的出块机制中，由于RPC是直接与Leader进行交互，并且采用FCFS的原则，因此其不具备以太坊似的Mmepool。由于Mempool的存在，以及以太坊的permissionless原则，相比之下，以太坊面临更严峻的MEV问题。

MEV架构，图源：Helius

Jito Labs客户端目前占据了50%的客户端市场份额，因此Jito Labs自己构建了一个伪mempool，用户通过RPC进入一个伪mempool停留大约200ms。jito labs提供了一个链下的包含保障，能够保证该bundle内的所有交易均包含进区块中。搜索者可以竞标夹层攻击待处理交易的机会，Searchers通过竞标到利润最大化的Bundle，然后Block Engine负责寻找出竞价最高的Bundle提交给运行Jito Labs客户端的Leader。

这是造成MEV的根本，但是MEV有其正外部性以及需求，如果Jito Labs不去做伪mempool，那么其它项目也会做，因此Jito Labs选择吃下这个市场，以改进MEV的机制，减轻负外部性。当然，这种对MEV bot的需求导致了用户处于最弱势，因为验证者将收取手续费，mev bot将获得套利的利润的，但是用户遭受更高的滑点和可能失败的交易。

状态增长

Solana的POH机制以及Turbine共识导致了其区块过大，这会产生状态增长的问题。目前，账本大小并没有一个确切的答案，而账本还在以实践环境下的每450ms一个区块的速度增长，大约每年增长4PB（在1GBPS的最大性能下运行）。目前Solana的历史修建发生在2个epoch之后，大约是4天的时间（总共100–200GB）。而过去的数据存储在 Google Bigtable数据库中 。

关于Solana的账本数据并不透明，并且官方对于追求大区块高TPS吞吐量而造成了极高的区块大小和潜在影响都没有太多披露，账本的存储也完全依赖于第三方，因为官方也发现google等中心化的数据库比Genesys Go、Arweave等性能更高，目前这些去中心化数据库仍然存在商业化落地的问题。这种极具增长的状态以及中心化的托管都是Solana被诟病的原因之一。

展望

Solana也释出了其未来的路线图，包括：

1. 改善发行Token的协议，包括转账加密、Hook以及元数据指针。
2. 客户端改进，包括轻量级客户端Tinydancer、过渡型客户端Frankendancer、最终客户端Firedancer。
3. 生态系统的配套开发组件：Gmaeshift专注于游戏的SDK、armada markets专注于token代币生命周期改善、SPE专注于企业级SVM区块链、虚拟机改善等。

我们能够看到，Solana的POH算法以及Turbine共识机制等都将区块链的三难困境中的性能作为优先级，其好处就是在目前的环境下有着最优秀的性能表现，带来了可探索的应用边界更广。并且伴随着Solana以消费者应用程序为战略目标，有很大的可能迸发出一些Mass Adoption的应用程序。同时，在Solana上的项目品牌效应较弱，因此对创业者也有更多的机会。

Solana在生态发展上，主要优势在于DePin/AI以及Meme，但是我们也能够看到其生态发展仍然没有达到预想中的发展，Consumer App仍然无法商业化落地。在竞争对手方面也有Base这种后起之秀，Base的融资额度与市场占有率在迅速提升。

Solana也面临了一些技术上的问题，包括宕机、交易失败、MEV、状态增长过快以及中心化等诟病，但是Solana积极一面就是其并不专注于冗余的基础设施建设，更多是依靠现在的TPS容量构建面向消费者的应用程序，而其路线图也围绕此展开。伴随着越来越多的Layer2的构建以及客户端的上线，SVM生态系统的TPS将更上一个台阶。Solana仍然是一片绿洲，有许多资本没有充分触达的生态项目，对于创业者也有很多机会值得探索。