ソラナ技術アーキテクチャ解析: 高性能と課題が共存する

2025-07-06 18:19:02

ソラナ技術アーキテクチャ解析:第二の春が来る?

ソラナは高性能なブロックチェーンプラットフォームで、独自の技術アーキテクチャを採用して高スループットと低遅延を実現しています。そのコア技術には、Proof of History (POH)アルゴリズムが含まれており、これにより取引の順序とグローバルクロックが確保されます。リーダーローテーションスケジュールとタワーBFTコンセンサスメカニズムは、ブロック生成速度を向上させます。タービンメカニズムはリード・ソロモン符号化を通じて大きなブロックの伝播を最適化します。ソラナ仮想マシン(SVM)とシーラベルの並行実行エンジンは、取引の実行速度を加速させます。これらはすべてソラナが高性能を実現するためのアーキテクチャ設計ですが、同時にネットワークのダウン、取引の失敗、MEVの問題、状態の急速な増加、中央集権の問題など、いくつかの問題も引き起こしています。

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ソラナエコシステムは急速に発展しており、各種データ指標は上半期に急成長を遂げ、特にDeFi、インフラストラクチャ、GameFi/NFT、DePin/AI、消費者アプリケーションの分野で顕著です。ソラナの高TPSと消費者アプリケーションに向けた戦略、そしてブランド効果が弱いエコシステムは、起業家や開発者に豊富な起業機会を提供しています。消費者アプリケーションの面では、ソラナはブロックチェーン技術をより広範な分野で応用推進するビジョンを示しています。ソラナモバイルや消費者アプリケーション向けに構築されたSDKをサポートすることで、ソラナはブロックチェーン技術を日常アプリケーションに統合し、ユーザーの受容性と利便性を向上させることに取り組んでいます。例えば、Stepnなどのアプリケーションは、ブロックチェーンとモバイル技術を組み合わせて、ユーザーに新たなフィットネスとソーシャル体験を提供しています。現在、多くの消費者アプリケーションは最適なビジネスモデルと市場ポジショニングを探索しているものの、ソラナが提供する技術プラットフォームとエコシステムのサポートは、これらの革新の試みに強力な後ろ盾を提供しています。技術のさらなる発展と市場の成熟に伴い、ソラナは消費者アプリケーションの分野でさらなる突破口と成功事例を実現することが期待されています。

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ソラナはブロックチェーン業界で高いスループットと低い取引コストにより顕著な市場シェアを獲得していますが、他の新興ブロックチェーンからの激しい競争にも直面しています。EVMエコシステムにおける潜在的な競合であるBaseは、オンチェーンのアクティブアドレス数が急速に増加しており、一方で、ソラナのDeFi分野の総ロック量(TVL)は歴史的な高値を記録したものの、Baseなどの競合他社も急速に市場シェアを占めており、Baseエコシステムの資金調達額も初めてQ2の四半期でソラナを超えました。

ソラナは技術と市場の受容において一定の成果を上げているものの、Baseなどの競合からの挑戦に対応するために、絶え間ない革新と改善が必要です。特にネットワークの安定性を向上させ、取引の失敗率を低下させ、MEV問題を解決し、状態の成長速度を緩和するために、ソラナはその技術アーキテクチャとネットワークプロトコルを継続的に最適化し、ブロックチェーン業界でのリーダーシップを維持する必要があります。

技術アーキテクチャ

ソラナはそのPOHアルゴリズム、Tower BFTコンセンサスメカニズム、Trubineデータ転送ネットワーク、及びSVM仮想マシンによってもたらされる高TPSと迅速なファイナリティで知られています。私たちはこれらの各コンポーネントがどのように機能し、高性能を発揮するためのアーキテクチャ設計の目標について簡単に紹介し、このアーキテクチャ設計によってもたらされる欠点と派生する問題について述べます。

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POHアルゴリズム

POH(歴史の証明)は、グローバルな時間を確定する技術であり、合意形成メカニズムではなく、取引の順序を確定するアルゴリズムです。POH技術は、最も基本的な暗号技術であるSHA256から派生しています。SHA256は通常、データの完全性を計算するために使用され、入力Xが与えられると、唯一の出力Yが存在します。したがって、Xに対するいかなる変更もYを完全に異なるものにします。

SolanaのPOHシーケンスでは、sha256アルゴリズムを適用することで、シーケンス全体の完全性が保証され、その中の取引の完全性も確定されます。例えば、取引をブロックにパッケージ化し、対応するsha256ハッシュ値を生成した場合、そのブロック内の取引が確定され、いかなる変更もハッシュ値の変更を引き起こします。その後、このブロックのハッシュは次のsha256関数のXの一部として使用され、次のブロックのハッシュが追加されます。そうすることで、前のブロックと次のブロックが確定され、いかなる変更も新しいYの違いを生じさせます。

これがそのProof of History技術の核心的な意味です。前のブロックのハッシュは、次のsha256関数の一部として使用され、鎖のようになります。最新のYは常に歴史の証明を含んでいます。

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ソラナの取引フローアーキテクチャ図では、POHメカニズムにおける取引フローが説明されており、Leader Rotation Scheduleと呼ばれるローテーションメカニズムの下で、すべてのチェーン上の検証者Validatorの中から、リーダーノードが生成されます。このリーダーノードは取引を収集し、順序付けて実行し、POHシーケンスを生成します。その後、ブロックが生成されて他のノードに伝播されます。

Leaderノードでの単一障害点を避けるために、時間制限が導入されました。ソラナでは、時間の単位はエポックで分割され、各エポックは432,000のスロット(を含み、各スロットは400ms持続します。各スロット内で、ローテーションシステムは各スロットで1つのLeaderノードを割り当てなければなりません。Leaderノードは、指定されたスロットの時間内にブロック)400ms(を発行する必要があります。そうでない場合は、このスロットをスキップし、次のスロットのLeaderノードを再選出します。

全体的に見て、リーダーノードはPOHメカニズムを採用することで、過去のすべての取引を確定させることができます。ソラナの基本的な時間単位はスロットであり、リーダーノードは1つのスロット内でブロックをブロードキャストする必要があります。ユーザーは取引をRPCノードを通じてリーダーに渡し、リーダーノードは取引をパッケージ化して順序を付けた後、ブロックを生成して、ブロックを他のバリデーターに伝播します。バリデーターは、取引および順序に関して合意に達するためのメカニズムを使用する必要があり、その合意に使用されるのがタワーBFT合意メカニズムです。

)タワーBFTコンセンサスメカニズム

Tower BFTコンセンサスプロトコルはBFTコンセンサスアルゴリズムに由来し、その具体的なエンジニアリング実装の一つであり、このアルゴリズムは依然としてPOHアルゴリズムに関連しています。ブロックに投票する際、もしバリデーターの投票自体が取引であるなら、ユーザーの取引およびバリデーターの取引によって形成されるブロックハッシュも歴史的証明として機能し、どのユーザーの取引の詳細およびバリデーターの投票の詳細も一意に確認することができます。

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Tower BFTアルゴリズムでは、すべてのバリデーターがそのブロックに投票し、2/3を超えるバリデーターがapprove票を投じた場合、そのブロックは確定されます。このメカニズムの利点は、ハッシュシーケンスに対して投票するだけでブロックを確認できるため、大量のメモリを節約できることです。しかし、従来のコンセンサスメカニズムでは、ブロックフラッディングが一般的に採用されており、バリデーターがブロックを受信すると、その周囲のバリデーターに送信します。これにより、ネットワークに大量の冗長性が生じます。なぜなら、1つのバリデーターが同じブロックを1回以上受信することがあるからです。

ソラナでは、大量の検証者が投票する取引が存在し、リーダーノードの中央集権による効率性と400msのスロット時間のため、全体のブロックサイズと出塊頻度が特に高くなっています。大きなブロックが伝播する際には、ネットワークに大きな負担をかけることになります。ソラナは、大きなブロックの伝播問題を解決するためにタービンメカニズムを採用しています。

) タービン

リーダーノードは、シャーディングと呼ばれるプロセスを通じてブロックをshredのサブブロックに分割し、その仕様サイズはMTU###最大転送単位であり、より小さな単位に分割することなく、あるノードから次のノードに送信できる最大データ量(を単位とします。次に、Reed-solomon消失符号スキームを使用してデータの完全性と可用性を保証します。

ブロックを4つのデータシャードに分割し、データ転送中のパケット損失や破損を防ぐために、リード・ソロモン符号化を使用して4つのパケットを8つのパケットにエンコードします。このセットアップは最大50%のパケット損失率に耐えることができます。実際のテストでは、ソラナのパケット損失率は約15%であり、このセットアップは現在のソラナアーキテクチャと良好に互換性があります。

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底層のデータ転送では、一般的にUDP/TCPプロトコルの使用が考慮されます。ソラナはパケットロスに対する耐性が高いため、UDPプロトコルを使用して転送を行っています。その欠点は、パケットロスが発生した際に再送信されないことですが、利点はより高速な転送速度です。対照的に、TCPプロトコルはパケットロスが発生した場合に何度も再送信を行い、転送速度とスループットを大幅に低下させます。Reed-solomonを導入することで、このシステムはソラナのスループットを大幅に増加させることができ、実環境ではスループットが9倍向上することができます。

Turbineはデータを分割した後、マルチレイヤー伝播メカニズムを使用して伝播を行います。リーダーノードは各スロットの終了前に任意のブロックバリデーターにブロックを渡し、そのバリデーターはブロックをShredsに分割し、エラー訂正コードを生成します。その後、そのバリデーターはTurbineの伝播を開始します。まず、ルートノードに伝播し、その後、ルートノードはどのバリデーターがどのレイヤーに位置しているかを決定します。プロセスは以下のようになります:

ノードリストの作成: ルートノードはすべてのアクティブなバリデーターを1つのリストにまとめ、次に各バリデーターのネットワーク内での権益)、つまりステークされたSOLの数量(に基づいてソートします。より高い重みを持つものが第一層に位置し、以下同様です。
ノードグループ: 次に、第一層に位置する各バリデーターは、自分のノードリストを作成して、自分の第一層を構築します。
レイヤー形成: リストのトップからノードをレイヤーに分割し、深さと幅の2つの値を決定することで、全体のツリーの大まかな形状を決定できます。このパラメータはshredsの伝播速度に影響を与えます。

権益占比が高いノードは、階層分けの際に、より上の層に位置し、事前に完全なshredsを取得できる。この時、完全なブロックを復元することができる。その後の層のノードは、伝送の損失により、完全なshredsを取得する確率が低下する。これらのshredsが完全なフラグメントを構築するのに不十分な場合、リーダーに直接再送信を要求することになる。この時、データ伝送はツリー内部に向かい、第一層のノードはすでに完全なブロック確認を構築しているため、後の層の検証者がブロック構築を完了した後の投票時間は長くなる。

このメカニズムの考え方は、リーダーノードの単一ノードメカニズムに似ています。ブロック伝播プロセスにおいても、一部の優先ノードが存在し、これらのノードが最初にshredsの断片を取得して完全なブロックを構築し、投票合意に至るプロセスがあります。冗長性をより深いレベルに推進することで、Finalityの進行を著しく加速し、スループットと効率を最大化できます。実際、最初の数層は2/3のノードを代表している可能性があるため、その後のノードの投票はそれほど重要ではなくなります。

SVM )

ソラナは毎秒数千件の取引を処理できる主な理由は、そのPOHメカニズム、Tower BFTコンセンサス、およびTurbineデータ伝播メカニズムにあります。しかし、SVMが状態変換の仮想マシンとして、リーダーノードが取引実行中にSVMの処理速度が遅い場合、システム全体のスループットが低下します。したがって、SVMに対して、ソラナはSealevel並列実行エンジンを提案し、取引の実行速度を向上させています。

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SVMでは、命令は4つの部分で構成されており、プログラムID、プログラム命令、およびデータの読み取り/書き込みのアカウントリストが含まれています。現在のアカウントが読み取り状態か書き込み状態か、または状態変更を行う操作に競合があるかを確認することで、アカウントの取引命令の中で状態に競合がないものを並列化することが許可されます。各命令はProgram IDで表されます。これがSolanaのバリデーターの要求が非常に高い理由の一つでもあります。なぜなら、バリデーターのGPU/CPUがSIMD)単一命令の多データ(およびAVX高度ベクトル拡張機能をサポートできる必要があるからです。