Что такое доказательство истории (Proof-of-History) и как оно работает?

Основатель Solana Анатолий Яковенко увидел способ решить эту «проблему с часами», внедрив криптовалютное решение, которое обеспечивает историческую запись транзакций. Присваивая каждой транзакции поддающуюся проверке временную метку, Solana может создавать криптовалютный порядок событий, не требуя от сети постоянного согласования времени или порядка. Это решение, известное как Proof-of-History, стало центральной особенностью Solana, которая позволяет ей достигать высоких скоростей без ущерба для децентрализации.

Solana стала одной из самых обсуждаемых блокчейнов первого уровня, в первую очередь благодаря беспрецедентной скорости транзакций и низким комиссиям. В основе этой высокопроизводительной платформы лежит инновационная концепция: Proof-of-History (PoH). 

В отличие от блокчейнов, таких как Bitcoin и Ethereum, которые полагаются исключительно на такие механизмы консенсуса, как Proof-of-Work (PoW) или Proof-of-Stake (PoS), соответственно, Solana сочетает PoH с PoS для создания системы с высокой пропускной способностью и низкой задержкой. 

Это уникальное сочетание позволяет Solana обрабатывать тысячи транзакций в секунду, устраняя значительно узкие места, с которыми сталкиваются другие сети.

Proof-of-History работает путем установки криптографических часов, которые фиксируют время каждой транзакции, создавая запись, которая может подтвердить, когда произошла каждая транзакция. 

В этом процессе используется проверяемая функция задержки (VDF), в случае Solana основанная на хэшировании SHA-256, для создания непрерывной последовательной цепочки хэшей. Каждый хэш ссылается на предыдущий, образуя уникальную временную шкалу.

Уникальность PoH заключается в том, что каждый хэш одновременно поддается проверке и зависит от предыдущего. По сути, эта цепочка хэшей создает «часы», за которыми могут следить все узлы в сети, позволяя им согласовывать порядок транзакций без прямого взаимодействия. Затем узлы могут проверять блоки и транзакции в заранее заданной последовательности, ускоряя весь процесс.

PoH позволяет Solana достигать более быстрого и эффективного консенсуса за счет предварительного заказа транзакций, ускоряя время блокировки и обрабатывая тысячи транзакций в секунду.

В традиционных системах PoS или PoW блоки создаются с помощью общесетевого процесса голосования, который требует консенсуса по временной метке и порядку размещения каждого блока. 

PoH позволяет Solana пропустить этот шаг, предварительно заказав транзакции. Это означает, что валидаторы могут обрабатывать транзакции по мере их поступления, не дожидаясь согласования в рамках всей сети. Это сокращает объем требуемых коммуникаций и делает процесс проверки более быстрым и эффективным.

С PoH Solana может достичь консенсуса гораздо быстрее, поскольку каждый узел имеет доступ к одной и той же проверяемой временной шкале. Это обеспечивает предсказуемое и быстрое время блокировки - Solana регулярно достигает времени блокировки в 400 миллисекунд. Это значительно быстрее, чем у многих централизованных систем. Решая проблему синхронизации, PoH позволяет Solana обрабатывать тысячи транзакций в секунду с высокой согласованностью.

В то время как PoH определяет сроки и порядок транзакций, PoS отвечает за выбор валидатора и безопасность сети.

В системе Solana PoS валидаторы выбираются на основе их доли в сети. Чем выше ставка, тем больше вероятность того, что будет выбран валидатор для добавления новых блоков. Этот процесс выбора, основанный на взвешивании ставок, обеспечивает безопасность сети, приводя стимулы валидаторов в соответствие с состоянием сети.

PoH и PoS работают следующим образом сообща:

• PoH предоставляет упорядоченный список событий, в то время как PoS определяет, кто сможет добавить их в блокчейн. 
• Выбранный валидатор, также известный как «лидер», собирает и упорядочивает транзакции в соответствии с временными метками PoH. Такая синергия между PoH и PoS позволяет Solana поддерживать как скорость, так и безопасность - баланс, достижение которого было сложной задачей для многих других блокчейнов.

В Solana для создания блоков в определенный промежуток времени выбирается ведущий валидатор (или «лидер»). Этот валидатор отвечает за организацию транзакций и их временную привязку к временной шкале PoH. 

Используя PoH, ведущий сервер может размещать каждую транзакцию в определенном порядке, устраняя необходимость в том, чтобы другие валидаторы активно проверяли последовательность транзакций.

Как только ведущий валидатор создает блок, он затем проверяется другими узлами. 

Поскольку блок уже соответствует временной шкале PoH, проверка выполняется быстрее и эффективнее. Эта роль ведущего валидатора имеет решающее значение для масштабируемости Solana, поскольку она обеспечивает быстрое создание и подтверждение блоков. 

Вот тематический поток консенсуса, который объединяет системы PoH и PoS, что приводит к созданию блокчейна с высокой пропускной способностью и низкой задержкой.

• Шаг 1. Лидеры валидаторов на Solana выбираются на основе взвешенной системы ставок, при которой валидаторы с более высокими ставками Solana с большей вероятностью будут выбраны в качестве лидеров. Это означает, что организации, которые инвестируют больше средств в сеть, с большей вероятностью будут нести ответственность за производство блоков, способствуя согласованию стимулов с сетевой безопасностью.
• Шаг 2. Механизм консенсуса PoH устанавливает график ротации лидеров. График известен заранее, и каждому лидеру назначается «интервал», который представляет собой короткий период (около 400 миллисекунд), в течение которого они будут собирать транзакции и создавать блок. Такая предсказуемая ротация позволяет валидаторам предвидеть, когда они будут выступать в роли лидеров, что облегчает подготовку к предстоящим обязанностям.
• Шаг 3. В течение назначенного интервала ведущий сервер собирает транзакции из сети. Механизм PoH позволяет ведущему серверу помечать каждую транзакцию уникальной криптографической подписью, создавая упорядоченную последовательность транзакций. Этот порядок является неотъемлемой частью PoH, позволяя другим узлам проверять транзакции в правильной последовательности.
• Шаг 4. Затем ведущий организует упорядоченные транзакции в блок, добавляя временную метку, которая соответствует последовательности PoH. Эта последовательность действует как историческая запись, которая подтверждает порядок транзакций, не требуя от каждого проверяющего достижения консенсуса по каждой транзакции в отдельности. Временная метка PoH также служит доказательством того, что транзакции были обработаны в режиме реального времени, обеспечивая поддающуюся проверке бухгалтерскую книгу.
• Шаг 5. Как только блок создан, ведущий передает его в остальную сеть, используя протокол Turbine от Solana. Turbine разбивает данные на пакеты меньшего размера и распределяет их по валидаторам, обеспечивая эффективное распространение даже при больших объемах транзакций.
• Шаг 6. Другие проверяющие получают блок и сверяют его с последовательностью PoH, подтверждая, что порядок с отметкой времени совпадает с ожидаемой исторической записью. Поскольку транзакции уже предварительно заказаны руководителем, валидаторы могут быстро проверить последовательность, не прибегая к дополнительной связи для оформления заказа, что ускоряет процесс проверки.
• Шаг 7. После того, как блок подтвержден, он добавляется в блокчейн, завершая регистрацию транзакций. Затем роль ведущего переходит к следующему запланированному валидатору, который начинает сбор транзакций для следующего интервала. Этот цикл продолжается и позволяет Solana обеспечивать непрерывное производство блоков и поддерживать высокую производительность.

В дополнение к PoH Solana использует другие технические инновации, такие как Turbine и конвейерная обработка данных, для дальнейшей оптимизации производительности.

Передача данных в крупных сетях может замедляться и перегружаться, что приводит к возникновению узких мест. Turbine решает эту проблему, разбивая данные на более мелкие фрагменты и передавая их между узлами параллельно, подобно тому, как BitTorrent разделяет файлы. Это помогает поддерживать низкую задержку и высокую пропускную способность, особенно в глобальной сети.

Конвейерная архитектура Solana позволяет одновременно выполнять различные этапы обработки транзакций. Такое разделение задач обработки по ресурсам позволяет транзакциям выполняться непрерывно, без ожидания, увеличивая пропускную способность и повышая эффективность системы.

Сочетая Turbine и конвейерную обработку с PoH, Solana может быстро обрабатывать транзакции, не сталкиваясь с обычными узкими местами, с которыми сталкиваются традиционные блокчейны.

Мемпул - это область хранения неподтвержденных транзакций, которую большинство блокчейнов используют для управления ожидающими транзакциями. Однако у Solana нет традиционного мемпула из-за PoH. В системе Solana транзакции помечаются временем, как только они попадают в сеть, что позволяет обрабатывать их в режиме реального времени.

Такая обработка в режиме реального времени устраняет необходимость в mempool, поскольку транзакции не ждут своей очереди - они либо немедленно принимаются и упорядочиваются, либо отбрасываются. Удалив mempool, Solana сокращает время ожидания и гарантирует, что транзакции обрабатываются с минимальной задержкой, что является ключевым фактором в поддержании высокой производительности.

Уникальная функция временной метки PoH - это то, что позволяет Solana работать без мемпула.

Поскольку PoH предоставляет встроенную последовательность транзакций, валидаторы могут мгновенно обрабатывать транзакции без необходимости их временного хранения. Это мгновенное упорядочение упрощает поток транзакций и позволяет сети обрабатывать большие объемы данных без дополнительной сложности управления пулом памяти.

Хотя этот подход дает впечатляющие преимущества в скорости, он также требует тщательного управления функциями валидатора и сетевой безопасностью для предотвращения перегрузки. Конструкция Solana сочетает в себе эти элементы, что делает ее одной из самых быстрых блокчейнов в производстве.

Частый выбор одних и тех же валидаторов в качестве лидеров в механизме PoH может привести к централизации производства блоков, потенциально уменьшая разнообразие валидаторов и увеличивая риски, связанные с извлечением MEV.

Поскольку лидеры отвечают за организацию и упорядочение транзакций, они играют решающую роль в сети. Если в качестве лидеров часто выбирают одних и тех же валидаторов, это может привести к тому, что небольшая группа хорошо обеспеченных ресурсами валидаторов получит огромное влияние на производство блоков. Это потенциально может уменьшить разнообразие валидаторов, активно участвующих в процессе создания блокчейна.

Поскольку руководители блоков несут единоличную ответственность за порядок транзакций, они также могут управлять дополнительными доходами, используя транзакции с максимальной извлекаемой стоимостью (MEV). Однако скорость блокчейна уже снижает возможности для MEV, в отличие от более медленных блокчейнов. Тем не менее, это один из рисков механизма PoH.