معرفی و بررسی فناوری های بلاک چین سولانا

شبکه سولانا از پیشرفته‌ترین بلاک چین های ساخته شده با معماری و تکنولوژی جدید است که طی چند سال اخیر از نظر فناوری و نوآوری به رقیبی جدی برای اتریوم و دیگر بلاک چین‌های لایه اول تبدیل شده.

بلاک چین سولانا اولین بار در سال 2017 توسط شخصی به نام آناتولی یاکوونکو (Anatoly Yakovenko) بنیان‌گذاری شد که می‌خواست شبکه‌ای غیر متمرکز و متشکل از نودهای زیاد با قدرت و سرعت پردازشی شبکه‌های متمرکز تک‌نود ایجاد کند. هیچ کدام از دیگر بلاک چین‌های معروف بازار ارز دیجیتال هنوز موفق به دستیابی به چنین قابلیتی نشده‌اند و سرعت و قدرت پردازش بالای سولانا به بیان ساده، نقطه قدرت آن محسوب می‌شود.

سولانا در مقایسه با شبکه‌های دیگر از جمله اتریوم بسیار سریع‌تر است و هزینه تراکنش پایین‌تری نیز دارد که این موضوع آن را به یکی از قدرتمندترین قاتلان ملکه دنیای ارز دیجیتال تبدیل می‌کند. شبکه سولانا همچنین رمز ارز Solana را دارد که در سال 2021 رشدی بی‌سابقه را تجربه کرد، اما در پی اتفاقات رخ داده برای صرافی FTX قیمت ارز دیجیتال سولانا نیز ریزش سنگینی را تجربه کرد و حتی تا 8 دلار پایین آمد. این اتفاق باعث شد سولانا پس از مدت‌ها از جمع 10 ارز برتر بازار کریپتو خارج شود، اما در این مطلب قصد داریم نوآوری های شبکه سولانا را بررسی کنیم که آن را منحصربه‌فرد می‌کنند.

بررسی فناوری های نوآورانه شبکه سولانا

سیستم‌های مبتنی بر الگوریتم اجماع اثبات کار (Proof of Work) مثل بیت کوین و اتریوم در هر ثانیه به ترتیب 7 و 14 تراکنش را پردازش و تایید می‌کنند. در نقطه مقابل شبکه‌های متکی بر الگوریتم اثبات سهام (Proof of Stake) با تحمل خطای بیزانس عملی مثل تندرمینت (Tendermint) با فرض بر اینکه 100 تا 200 نود داشته باشند می‌توانند حدود 1,000 تراکنش بر ثانیه را پشتیبانی کنند.

با این حال شبکه سولانا به لطف تحمل خطای بیزانس تغییریافته خود که اسم مستعار برج یا تاور (Tower) را دارد، می‌تواند تنها با 200 نود افزون بر 50,000 تراکنش را در هر ثانیه پردازش کند که در حال حاضر بیشترین رقم TPS در دنیای کریپتوکارنسی محسوب می‌شود و سولانا را در جایگاه پرسرعت‌ترین و مقیاس پذیرترین بلاک چین غیر متمرکز دنیا قرار می‌دهد. تیم توسعه دهندگان سولانا که شامل متخصصان کمپانی‌های بزرگی همچون کوالکام (Qualcomm)، اینتل (Intel)، نتسکیپ (Netscape) و گوگل (Google) است از زمان شکل گیری این شبکه تاکنون روی ساخت تکنولوژی و نوآوری های مدرن برای بهبود عملکرد Solana و رسیدن به استانداردهای بالا تمرکز داشته‌اند.

اثبات تاریخچه

اگر یک شبکه بلاک چین به طور کلی بخواهد عملکردی در حد و اندازه یک نود متمرکز و قدرتمند داشته باشد، در ابتدا باید مطمئن شود که گلوگاه محدودکننده عملکرد نه پهنای باند، بلکه قدرت پردازشی شبکه است. برای دستیابی به این امر مهم نیز در مرحله اول باید شیوه تعامل و برقراری ارتباط میان نودها را بهینه کنیم. به لطف همین تراکنش‌های خرید و فروش سولانا به صورت آنی انجام می‌شوند.

شبکه‌های سلولی بی‌سیم از نظر ساختاری شباهت‌های بسیاری به شبکه‌های بلاک چینی دارند و از مدت‌ها پیش تلاش کرده‌اند ارتباطات میان نودها را بهبود بخشند. به عنوان مثال، هیچ ایستگاه رادیویی مستقلی به اندازه کافی پهنای باند ندارد که برای هر دستگاه موبایل یک موج فرکانسی اختصاصی ارائه دهد، بنابراین شرکت‌های مخابراتی مجبور شدند به فناوری دسترسی چندگانه برسند تا امکان استفاده همزمان چند دستگاه موبایل از یک فرکانس یکسان ایجاد شود.

دسترسی چندگانه بخش زمانی (TDMA) یکی از تکنولوژی‌های مهم و تاثیرگذار در صنعت مخابرات امروز است که شبکه‌های ارتباطی رادیویی را بسیار مقیاس پذیر کرد. کارکرد TDMA به این صورت است که برج‌های مخابراتی هر فرکانس رادیویی را به بخش‌های زمانی مستقل تقسیم می‌کنند و این بخش‌ها را به هر تماس تلفنی اختصاص می‌دهند. به این ترتیب برج مخابراتی یک جور ساعت جهانی برای شبکه ایجاد می‌کند. گفتنی است که این فناوری یا تکنولوژی منحصر به فرد در شبکه سولانا نیز به کار رفته است و یک ساعت داخلی بلاک چین را نظم می‌دهد.

به این ترتیب پهنای باند محدود شبکه به شدت مقیاس پذیر می‌شود، چرا که هر فرکانس به صورت موازی مقدار زیادی از داده را همزمان پردازش می‌کند و همچنین اختلال‌های شبکه ناشی از نویز نیز کاهش می‌یابند.

شبکه‌های بلاک چینی امروزه نیز از نظر ساعت شبکه مشکل دارند. در حقیقت در بلاک چین‌های بازار ارز دیجیتال تنها زمانی که یک بلاک جدید ایجاد می‌شود، عقربه ساعت داخلی بلاک چین تکان می‌خورد. البته دقت داشته باشید که این عقربه کاملا استعاری است و هیچ موجودیت فیزیکی ندارد. به عنوان مثال برای شبکه اتریوم این اتفاق هر 15 ثانیه یک بار رخ می‌دهد و همچنین باید در نظر داشته باشید که فقط مقدار کمی داده در هر بلاک جدید ثبت می‌شود.

معادل TDMA مانند ساعت داخلی برای شبکه‌های بلاک چین محور یک ساعت با قابلیت بخش‌پذیری کمتر از ثانیه است که همه نودهای اعتبارسنج شبکه آن را قبول دارند و به همین خاطر می‌توانند به درستی و کارآمدی تراکنش‌ها را پردازش کنند.

اولین و مهم‌ترین فناوری نوآورانه شبکه سولانا در حقیقت همان الگوریتم اثبات تاریخچه یا Proof of History است که یک مرجع زمانی پرمیشن‌لس و جهانی در کل شبکه است که قبل از مرحله اجماع قرار دارد. توجه داشته باشید که مکانیزم اثبات تاریخچه خود یک الگوریتم اجماع نیست و در حقیقت تنها نقش مرتب کردن تراکنش‌ها را از نظر زمانی بر عهده دارد.در بلاک چین‌های دیگر اعتبارسنج‌ها برای رسیدن به توافق باید با یکدیگر تعامل و مکالمه داشته باشند تا مطمئن شوند زمان به اندازه مشخص و کافی گذشته است، اما در سولانا هر اعتبارسنج ساعت داخلی مخصوص خودش را دارد که به کمک فناوری SHA-256 و تابع تاخیر قابل بررسی (Verifiable Delay Function)، مقدار زمان گذشته را رمزنگاری می‌کند. البته سولانا از VDF برای تصادفی نگه داشتن زمان تاخیر استفاده نمی‌کند و در عوض هر اعتبارسنج با استفاده از VDF ساعت داخلی خود را تنظیم نگه می‌دارد. از آنجا که هر اعتبارسنج ساعت اختصاصی خودش را دارد، انتخاب رهبر شبکه نیز پیش از موعد و برای یک ایپاک (Epoch) کامل انتخاب می‌شود.

درست مثل اتفاقی که در تندرمینت می‌افتد، برنامه ریخته شده برای یک ایپاک تا هزاران بلاک باقی می‌ماند. اما برخلاف تندرمینت، در سولانا شبکه هیچوقت به خاطر یک نود شکست خورده متوقف نمی‌شود. هر اعتبارسنج تابع تاخیر قابل بررسی را اجرا می‌کند تا ثابت کند بازه زمانی از قبل مشخص شده برای خودش را دریافت کرده است و می‌تواند یک بلاک و اعتبارسنج‌ها را به بقیه اعلام کند. سپس در ازای این فعالیت مفید و ساخت بلاک جدید به اعتبارسنج مقداری جایزه پرداخت می‌شود.

رهبر شبکه اعتبارسنج‌های شبکه سولانا نیز به لطف الگوریتم اثبات تاریخچه پیوسته تغییر می‌کند و شبکه به طور کلی بدون توجه به شرایط به فعالیت خود ادامه می‌دهد. این یعنی شبکه هرگز از کار کردن باز نمی‌ایستد و همچنین اعتبارسنج‌ها را بدون اینکه نیازی به ارتباط برقرار کردن با یکدیگر داشته باشند، جایگزین همدیگر می‌کند.

این نوآوری در ساختار بلاک چین سولانا بسیار جزئی اما مهم و تاثیرگذار است و هیچ شبکه دیگری این معماری منحصر به‌فرد و تکنولوژی مدرن را ندارد. در تمام شبکه‌های دیگر اعتبارسنج‌ها باید برای تصمیم گیری درباره وضعیت شبکه با یکدیگر ارتباط داشته باشند، اما در سولانا تصمیم درباره جایگزینی رهبر شبکه به صورت ناهنگام و غیر همزمان اتفاق می‌افتد.

این فناوری امکان خلاقیت و طراحی‌های نوین را در دنیای بلاک چین و به خصوص شبکه سولانا بسیار بالا برد. الگوریتم اثبات تاریخچه علاوه بر ارائه یک ساعت داخلی که برای زدن مهر زمانی روی تراکنش‌ها به کار می‌رود، بازه زمان بلاک، نرخ توزیع بلاک، نرخ تایید تراکنش و همچنین فضای ذخیره دفتر کل را نیز در سولانا بهبود می‌بخشد.

تحمل خطای بیزانس تاور

بلاک چین سولانا علاوه بر الگوریتم اثبات تاریخچه از اجماع برج یا تاور نیز استفاده می‌کند که در حقیقت یک مکانیزم اجماع مشابه تحمل خطای بیزانس عملی است، با این تفاوت که برای بهره‌وری بهتر از ساعت داخلی و هماهنگ بلاک چین طراحی شده. فناوری اجماع تاور در شبکه سولانا بر خلاف مکانیزم تحمل خطای بیزانس عملی فعالیت و قدرت بالای شبکه را به پایداری اتصال آن ترجیح می‌دهد. و درست مثل تحمل خطای بیزانس عملی، نودهای اجماع تاور مقدار وقفه‌های زمانی خود را به صورت تساعدی افزایش می‌دهند تا بالاخره به یک توافق برسند، اما از آنجا که دفتر کل توزیع شده نیز یک مرجع زمانی تراست‌لس است، نودها می‌توانند وقفه‌های زمانی بقیه اعتبارسنج‌های شبکه را نیز مشاهده و بررسی کنند. برای درک بهتر این موضوع، مثال زیر را در نظر بگیرید:

تصور کنید در جزیره‌ای وسط اقیانوس گیر افتاده‌اید و یک بطری شیشه‌ای حاوی یک درایو فلش از کنار ساحل می‌گذرد. درون آن درایو نیز دفتر کل شبکه سولانا ذخیره شده است. اگر تنها به خود دفتر کل نگاه کنید، متوجه می‌شوید که هر نود می‌تواند تعداد اعتبارسنج‌های موجود، وضعیت هر کدام از آن‌ها و در نهایت وقفه زمانی ایجاد شده در شبکه توسط هر اعتبارسنج را محاسبه کند. تنها با تکیه به همین ساختار داده‌ای و بدون هیچ پیغامی که به صورت نظیر به نظیر میان اعتبارسنج‌ها جابه‌جا شود، یک اعتبارسنج باید درباره رای خود تصمیم گیری کند و بعد شبکه به اجماع برسد.

توربین

از آنجا که لایه اجماع بلاک چین سولانا هیچ وابستگی خاصی به پیغام‌های نظیر به نظیر میان اعتبارسنج‌ها ندارد، سولانا می‌تواند بدون توجه به وضعیت اجماع بلاک‌ها را به بهترین شیوه ممکن در شبکه منتقل کند. روش توزیع بلاک شبکه سولانا توربین (Turbine) نام دارد که تا حد زیادی از شبکه بیت تورنت وام گرفته شده است. یک بلاک پس از ارسال روی شبکه به قطعات خیلی کوچک تقسیم و همراه با کدی برای بازسازی آن میان نودهای متعدد پخش می‌شود. با پخش ساده‌ای در مقیاس 200، لایه دوم شبکه می‌تواند تا 40,000 اعتبارسنج را پوشش دهد.

در عمل اگر هر اتصال میان نودها 100ms باشد، در شبکه‌ای با 40,000 نود در عرض 400ms می‌توان تراکنش را بازسازی کرد و در 500ms به تایید نهایی رساند. مکانیزم توزیع یا پخش نودها باید در برابر خطای شبکه مقاومت بالایی داشته باشد. به همین خاطر اعتبارسنج‌ها داده‌های خود را با استفاده از کدهای بازسازی Reed-Solomon رمزنگاری می‌کنند تا آن‌ها را نسبتا در برابر خطا مقاوم کنند.

گلف استریم

در یک شبکه با عملکرد بالا و سریع، مدیریت فضای ذخیره اطلاعات تراکنش‌ها یا ممپول (Mempool) خود به تنهایی چالشی بزرگ است که بلاک چین‌های دیگر با فناوری و تکنولوژی پایین‌تر از سولانا نیازی به درگیر شدن با آن ندارند، چرا که حجم داده‌های پردازشی آن‌ها به اندازه سولانا زیاد نیست.

گلف استریم (Gulf Stream) با ذخیره موقت اطلاعات تراکنش‌ها و ارسال آن به واحد اجرایی شبکه کار می‌کند. از آنجا که همه اعتبارسنج‌ها ترتیب رهبران آتی شبکه را در ساختار بلاک چین سولانا می‌دانند، کلاینت‌ها و اعتبارسنج‌ها تراکنش‌ها را پیش از رسیدن زمان اعتبارسنجی برای رهبر شبکه ارسال می‌کنند. به این ترتیب اعتبارسنج‌ها می‌توانند تراکنش‌ها را زودتر از موعد اعتبارسنجی کنند و در نتیجه زمان لازم برای تایید تراکنش‌ها کمتر می‌شود، رهبر شبکه سریع‌تر تغییر می‌کند و فشار فضای ذخیره تراکنش‌های تاییدنشده بر سخت افزار اعتبارسنج‌ها کمتر می‌شود.

کلاینت‌های شبکه از جمله والت‌های ارز دیجیتال تنها تراکنش‌هایی را امضا می‌کنند که به یک هش بلاک مشخص ارجاع داده شده است. همچنین هر کلاینت تنها هش بلاکی را انتخاب می‌کند که به تازگی توسط شبکه تایید شده باشد. بلاک‌های شبکه سولانا تقریبا هر 800ms یک بار ساخته می‌شوند و با اضافه شدن هر بلاک، زمان وقفه میان بلاک‌ها به صورت تساعدی افزایش می‌یابد. بر اساس داده‌های نمودار وقفه‌ای پیش‌فرض در شبکه سولانا، یک بلاک هش کاملا تاییدشده در بدترین حالت عمری به اندازه 32 بلاک دارد. با احتساب اینکه ساخت هر بلاک 800 میلی ثانیه طول می‌کشد، می‌توان اینطور در نظر گرفت که زمان تایید نهایی هر بلاک در شبکه سولانا 25.6 ثانیه است. که این رقم در مقایسه با بسیاری از بلاک چین‌های دیگر از جمله بیت کوین و اتریوم پیشرفتی فوق‌العاده محسوب می‌شود.

هر زمان که یک تراکنش برای اعتبارسنج ارسال می‌شود، اعتبارسنج نیز آن را برای رهبر آتی شبکه می‌فرستد. توجه داشته باشید که قبلا گفتیم رهبران شبکه پیش از موعد انتخاب می‌شوند، بنابراین فرستادن اطلاعات تراکنش برای رهبر آتی پروسه را سریع‌تر پیش می‌برد.

کلاینت‌ها می‌توانند تایید تراکنش‌های خود را از اعتبارسنج‌ها بخواهند. همچنین نرم افزارهای سمت کاربر در شبکه‌های بلاک چینی می‌دانند که تراکنش یا در بازه زمانی مشخصی توسط شبکه تایید می‌شود یا شکست می‌خورد. به این ترتیب کلاینت در زمان امضای تراکنش نمی‌داند که عملیات اجرا خواهد شد یا نه، اما با گذشت بازه زمانی کوتاهی، شبکه از نقطه بازگشت تایید بلاکی می‌گذرد و اگر هش بلاکی که تراکنش کاربر به آن ارجاع داشته باطل شود، کلاینت می‌تواند مطمئن باشد که تراکنش اکنون بی‌اعتبار است و هرگز در بلاک چین اجرا نخواهد شد. در نتیجه 8 تکنولوژی و نوآوری مدرن به کار رفته در بلاک چین سولانا، این شبکه در حقیقت تبدیل به یک دفتر کل توزیع شده بسیار سریع شده است که پیوسته در حال پردازش حجم زیادی از تراکنش‌ها و ذخیره آن‌ها است. می‌توان گفت الگوریتم اجماع شبکه سولانا بر خلاف دیگر الگوریتم‌های به کار رفته در فناوری بلاک چین، گلوگاه محدودکننده آن نیست و همچنین این سیستم با استفاده از پردازنده‌های موازی گرافیک توزیع داده را بهینه می‌کند و ذخیره تاریخچه بسیار حجیم بلاک چین را نیز به اعتبارسنج‌ها نمی‌سپارد.

ساختار نرم افزار سولانا به گونه‌ای است که از سر راه کنار می‌رود و به سخت افزار اجازه دهد با تمام قدرت خود کار کند. به همین خاطر سولانا به طور طبیعی با افزایش پهنای باند، فضای ذخیره SSD و هسته‌های به کار رفته در GPU مقیاس پذیری بیشتری به دست می‌آورد و در نتیجه نرخ پردازش و تایید تراکنشی افزون بر 50,000 TPS را (با فرض بر اینکه 200 نود در شبکه موجود باشند) به کاربران ارائه می‌دهد.