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研究主题： Turbine 机制拆解

内容提要： 1、Solana 概述 2、Turbine 传输机制 2.1、Turbine 工作原理 2.2、Erasure Coding 2.3、Turbine Tree 3、对比以太坊区块广播

Turbine 是 Solana 区块链使用的 multi-layer 区块传播机制，用于向所有节点广播账本。Turbine 背后的核心思想已经在学术界存在了很多年。本课题旨在探讨 Turbine 是如何工作的，拆解 Solana 上的区块传播机制，并与以太坊的区块传播进行比较，探索未来区块传播和数据可用性可能的样子。

一、Solana 概述

公链的效率主要指其处理交易的能力，也就是吞吐量 TPS ，该指标受限于区块大小和出块速度。大区块方向的探索饱受诟病，公链扩容叙事主要围绕出快速度。

Solana 扩容主要基于：高效利用网络带宽、减少节点间通讯次数、加快节点运算速度三大方面，缩短了出块和共识通讯的时间，但也降低了系统可用性（安全）。

• 共识：

  • Leader 名单公示： 在每个 Epoch 开始前，网络会提前公开出块者 Leader 名单，在整个 Epoch（2~4天）内，出块者会按照名单指定的次序，每过 4 个 Slot 轮换一次。基于单一可信的新区块数据源，缩减了共识通讯开销，但也可能带来贿赂、针对性攻击等安全隐患。

  

  • 共识投票： 类似以太坊确认最终性。节点无需再通过「流言协议」进行一对一的投票信息互换，Leader 集中汇总所有 Validator 的投票，再把这些投票打包写进交易序列里，一次性推送到网络中。以 ETH 网络为例，若全网节点数量为 N ，则每个节点至少接收 2/3×N 个投票，整个网络产生的通讯次数至少为 2/3×N² 。而 Solana 的共识将通讯次数降至常数 N 甚至是 logN 的数量级。

  

  • PoH： Solana 中引入 PoH 时钟是为了解决分布式网络中缺乏单个可信时间源的问题。Leader 实质上在交易序列中发布了全网一致的计时器（时钟），PoH 给不同的交易事件盖上序号，生成交易序列。一般而言，Leader 会时刻不停的执行 SHA256 函数，得到新的 X ，把序列不断向前推进。如果有交易事件，就将其作为外部输入，插进序列里；最终发布的交易序列形式为：{T1, 序号3, 紧邻X3;}, {T2, 序号5, 紧邻X5;}, {T3, 序号8, 紧邻X8;}, {T4, 序号10, 紧邻X10;}, { POH 序列初始值 X1;}

  

• 传输：

  • Gulf Stream： 由于提前公开 Leader 名单，Solana 节点无需在本地维护交易池。客户端在接收到交易后，直接转发到 Leader 处打包为交易序列。但由于该机制设计，节点在收到交易后无法过滤拦截垃圾和重复交易，容易造成 Leader 节点宕机。

  • Turbine 传输协议： Solana 的 Leader 节点发布的是交易序列而非真实的区块。在 PoH 和 Gulf Stream 的配合下，Solana 实现了类似 BT 种子的传输方式。Leader 会把生成的交易序列切成 X 个不同的碎片，分别发送给质押资产最多的 X 个 Validators ，再由他们传播给其他 Validators 。Validator 群体会自行交换收到的碎片，在本地拼凑完整的交易序列，最终构建区块。

    

  • 投票垄断： 实际上，33% 的质押份额掌控在前 22 个节点中，67% 的份额掌控在前 91 个节点中。结合前文所说的传输机制，这些节点最先收到 Leader 发出的交易序列，也会率先给出投票。而只要得到这 91 个节点的投票，Leader 发布的交易序列便可敲定。从某种角度看，这些节点抢跑在其他节点之前。另一方面，如果前 22 个节点串谋，便可使网络陷入混乱。

  

  • 交易序列： 在 Solana 的设定中，Leader 实质将共识投票作为交易事件来处理，其发布的交易序列中，节点投票信息占比超过 70% 以上。因此，实际与用户交易相关的 TPS 远没有想象中高。

二、Turbine 传输机制

带宽是一种稀缺资源，Turbine 是一种 multi-layer 的区块传播机制，旨在优化「从 leader 到网络其他节点」的交易序列的传输。与其他区块链采用的 flooding 广播方式不同，Turbine 采用更结构化的方法来最大限度地减少通信成本，减少单个节点的负载。

概括的说，Turbine 将交易序列（区块）分解成更小的块，并以「节点层次」的结构进行传播。在该结构下，单个节点只需与选定的几个节点进行通信，而非全网所有节点。随着网络规模的扩大，这一点变得越来越重要。

此外，Turbine 在不需要大量带宽的情况下解决了数据可用性问题，确保所有节点都可以访问所需的数据以有效地验证交易。这是其他区块链网络中的面临瓶颈。

1、Turbine 原理概述

Leader 生成交易序列后，下一步需要做的就是序列广播。

Shreds 是交易序列的一部分。总的来说，Turbine 负责获取 shreds，并将它们发送到一组预定的 validator ，随后由验证器再将这些 shreds 转发给新的一组 validator 。

• Leader 构建的交易序列在 validator 中是以 shreds 的形式传播。