Solana:技术可扩展性如何创造社会可扩展性

本文发表于2021年5月25日

本文假设读者熟悉NickSzabo的《社交网络的可扩展性》、VitalikButerin的《弱主观性》以及HaseebQureshi的《为什么去中心化并没有你想象中那么重要》等几篇文章。

但本文并非为了反驳Szabo的文章与其立场。

Szabo在其文章的结尾处将社交网络可扩展性定义为“牺牲计算效率和可扩展性——消耗更多廉价的计算资源——从而减少和更好地利用涉及现代机构所需的巨大人力资源支出。”

比特币现金和比特币SV对比特币的成功分叉无疑支持了这一理论。

然而，自从Szabo在2017年2月发表该雄文以后，加密生态已经取得了长足的进步。尽管他早在大约20年前就提出了智能合约的想法，但直到最近两年，业界才开始认识到智能合约最有用的应用：DeFi。

DeFi的火爆改变了一切。

本文假设区块链最重要的功能不是非主权货币本身，而是DeFi。

该体系主要功能的转变从严格的审查抵抗、非主权货币，到一个用于金融应用的高功能和可编程的开发环境，它牵涉到每一层技术堆栈，从网络层到执行环境。

因此，区块链首先应该作为DeFi开发平台进行设计和管理。

可预测性就是力量

“人们经常会问我这样一个问题：‘你觉得这个世界未来10年会有什么变化？’这个问题非常常见。但是我几乎从来没有被问过这样的问题：‘在未来一个世纪，这个世界还有什么东西是保持不变的？’实际上我认为第二个问题更为重要，因为知道了它答案后，你就可以围绕那些不变的事物建立一个商业战略......在零售行业，我们是能够确定顾客希望更低的价格，我也知道这一点会在10年后成为现实；他们也想让物流变得更快；他们想要更多的选择。你很难想象10年后某一天，有顾客跑来跟我说：‘Jeff，我超喜欢亚马逊；我希望你们商品的价格能再高一点’，或者‘我很喜欢亚马逊；我希望你们的物流速度慢一点‘——这是根本不可能的。所以我们将功夫花在这些不变的事物、推动它们的发展，我们知道今天所付出的精力将会在10年后为亚马逊的客户带来回报。当你确定了某些事是正确的，就可以为之投入大量精力。”

东港股份：公司区块链技术可以应用于电子消费券:东港股份在回答投资者问题时表示，区块链技术可以应用于电子消费券，东港瑞宏的目前也正在进行这方面的技术研发，但目前还未实际使用，未来是否能够项目落地存在不确定性。[2020/4/2]

——亚马逊创始人兼CEOJeffBezos

这里有一些数据：Coinbase当前注册用户约5000万，罗宾汉的用户数量大致相当，大多数美国大型银行也是这个数量级。

假设Coinbase的战略重点是尽快将它的所有用户都迁移到DeFi，同时监管环境也支持它。设想一下，Coinbase能在以太坊上做到吗？

当然，这是一个目前无法回答的问题。在技术上，它不是不能实现，实际上可能性还挺大。但是没有谁或者某个机构可以回答这个问题。原因是什么？

因为没有人真正掌握以太坊未来将会怎么进行扩展。举个简单例子，Vitalik曾经表示optimisticrollup可能是近期到中期最理想的扩展方案，而从长远来看，zk-rollups则会占主导地位。但是问题来了：这个转折点会在什么时候，以什么方式发生？是否需要开发/重构什么基础设施？这些不同roolup之间的资金怎么流动，它对智能合约开发者、钱包、用户、流动性提供者、法币通道等方面有什么影响？

而且，似乎无论哪种扩容方案更加重要，它都不可能是一个整体的实例化。以太坊扩容的后果都是异构的。

从长远来看，这样对以太坊来说可能是一件好事。当前的扩容方案都有各自的取舍，并且也不清楚哪种取舍是最好的，或者扩容方案相互组合会更好。因此从长远来看，以太坊生态最好的选择是尝试多种扩容方案，并从中找出哪种方案最适合哪种应用，然后配置桥接、其他互操作性方案以及解决延迟问题。

另外，开发扩容方案的所有团队都获得了充足的资金，已经开始上线和面向用户。因此他们会持续进行开发。

那么，Coinbase应该怎么将5000万多名用户引入DeFi呢？

在如此庞大的用户规模基础上，最重要的一个考虑因素是确定性。任何达到该规模的企业都非常需要现在以及未来的确定性。

声音 | 360区块链技术负责人：边缘计算与区块链技术可以在四大方向结合:近日，360区块链技术负责人李连港表示，边缘计算与区块链技术可以很好的结合，有四大方向： 一是数据安全： 终端产生的数据存储在第三方，造成数据的所有权和使用权分离。极易产生数据丢失、数据泄露、非法数据操作等问题，数据安全无法保证。 二是身份认证：假如有百万级IoT终端集中上线、集中认证，传统的集中式认证机制是无法实现，所以，使用区块链去中心化的分布式认证技术，每个设备可以生成自己唯一的基于公钥的地址， 从而能够和其他终端进行加密消息的收发。 三是隐私保护： 如何在保护个人隐私的情况下，最大化的获得数据的价值？那就是加密算法零知识证明。 四是共享计算与区块链：共享计算通过搭载共享CDN和P2P技术，把用户个人分散、闲置的带宽与存储很好的利用起来，形成具备存储、计算、传输、安全功能云计算节点，达到处理高频、高交互的海量数据的能力。[2018/11/13]

大型企业绝对承担不了押注错误技术堆栈的后果，错误的机会成本以及后续迁移/桥接的代价非常巨大。

我认为，现在——或者在未来两年内——能够回应这个问题的唯一区块链协议是Solana。

所有基于rollup的扩容方案都受制于上述困扰。尽管有不少优秀团队筹集了数十亿资金进行研究开发，但实际上所有分片系统都没有扩展到大规模。即使它们以PoC共识工作，也需要处理许多新出现的问题。

这里需要明确一点，我并不是指分片和rollup无法进行扩容。实际上我对这两种方案持乐观态度。但是，它们在目前没有真正发挥作用，并且会产生许多无法避免的二阶和三阶问题。由于多个相互交织的组件对以太坊进行扩展，一个需要可扩展确定性的大型机构很难在未来两年内得到它想要的。

碎片化的社交网络可扩展性成本

除了上述的不确定性，分散在各个分片和rollup之间的应用会产生明显的新型社会协调成本，而这在单分片系统中是不存在的。以下为几个例子：

目前，Layer1和各个Layer1之间的区块时间和计算吞吐量有所不同。这一点直接关系到所有管理风险的DeFi协议的实现方式。其中，一些DeFi团队已经承诺在多个Layer1和Layer2部署合约。但是，每个执行环境都需要唯一的风险参数。这会增加每个协议社区所需的社会协调数量，减慢行业发展速度。

声音 | 布鲁金斯学会高级研究员：加密技术可使交易支付更容易 并降低成本:今日在众议院金融服务委员会举办的加密货币听证会上，布鲁金斯学会高级研究员、康奈尔大学教授Eswar S. Prasad在回答加密货币带来的好处时表示，金融系统中存在许多低效率的事物。他特别指出了“支付系统”，表示加密技术可以使支付系统中的交易变得更容易，并降低成本。[2018/7/19]

退出optimisticrollups需要较长时间。市场普遍认为做市商会在rollup和Layer1之间提供流动性桥梁。但是，该操作的实现细节比较棘手。协议前端应该提供原生支持吗？如果是这样，他们是否应与特定做市商「签约」？还是把它留给前端用户自己去配置？如果用户想从一个ORU转移到另一个ORU，该怎么办……用户如何传递信号给应用，从而操作Connext或Thorchain而不是退出到Layer1？

对于Metamask用户，用户自己管理这么复杂的操作可能比较合理。但是对于试图抽象出复杂性的小众钱包，这些团队需要花费多少额外的开发时间来解决这些问题？又被迫放弃多少新功能？如果做市商出于某种原因停止在某个桥接/细分市场的流动性，那该怎么办？有哪些备份选项？

必须更新开发者工具来处理新的数据结构。索引和查询层将需要进行重大升级，应用开发人员可能需要重新编写其子图以处理新的数据结构。开发人员将被迫跨各种异构扩展方案重写大量应用。

随着分片和rollup数量的激增，开发交易所将变得更具挑战性。这些问题都不棘手，但是它们会减慢开发速度，还会让不想面对这些问题的众多开发人员感到有心无力。

可预测，但又很无聊的扩展性

Solana当前可支持每秒50,000笔交易，全球网络节点已经突破600个。最重要的一点在于，Solana提供了无限扩展的可预测路径。由于它可以在GPU上并行执行事务，因此可以利用GPU并行性带来的巨大增益。

摩尔定律可能是过去50年中最重要的经济力量。但是今天它更多呈现出一种假象。

世界经济论坛：区块链技术可从根本上改变水资源管理:近日，世界经济论坛刊文《第四次工业革命终结水危机的五种方法》，文章指出：通过提供安全、透明和分布式记账来记录各方之间的交易，区块链为基础的技术可以从根本上改变水资源的管理和交易方式。文章表示，首先，利用区块链技术可以使来自家庭、行业消费者、水务管理人员和政策制定者们都能获得关于水质和水量的数据从而得以做出更明智的决定。这样的透明度会帮助消费者做出何时储存、何时用水的方案。同时也可以帮助防止地方当局篡改或扣留水质数据的贪腐行为。[2018/4/4]

大约10到15年前，摩尔定律就不适应于单线程计算。因为热量的产生随着时钟速度超线性增加。这就是扇形设备停滞在大约3.5-4GHz，而无风扇设备停滞在1.5-2.0GHz的原因。尽管过去十年来各种优化让单线程性能有所提高，但单线程性能并没有做到每18-24个月增加一倍。

在过去的十年，几乎所有的计算收益都来自芯片专业化和并行计算。现代台式机图形卡通常有4000多个内核。上个年代，每张芯片的内核数量一直在按摩尔定律增长，并且这种趋势将持续下去，因为增加的内核数量所产生的热量几乎不影响时钟速度的提升。

Solana是唯一一个通过SeaLevel运行时进行分片内并行计算的区块链。SeaLevel在GPU本地执行事务。如果Nvidia在未来一两年发布8,000内核的新型GPU，Solana网络的计算带宽将增加大约一倍。

在这个过程中，开发者不用了解，或者不用在乎，也无需更改任何一行代码。

这就是可预测性的定义：开发者今天写好了代码，就知道它会一直生效，而且未来执行代码的成本还比现在低。

这时候，扩展计算的主要物理限制是散热。在字面上，Solana的扩展性能够做到物理上限。

量化去中心化以及弱主观性

从表面上看，许多人认为Solana协议不够去中心化。当然，他们并没有真正去量化这个说法，但却不断重申这一点。事实到底是怎么样呢？让我们做一些计算，来量化一下各个网络的去中心化程度。

区块链技术可以降低新三板公司信息不对称的整体风险:中国政法大学管晓峰教授、先驱资本董事长彭和平近日发表相似观点：“新三板一直存在挂牌企业虚增利润的道德风险问题，而利用区块链技术，股转系统可把新三板的相关信息和交易‘上链’，降低新三板公司信息不对称的整体风险，并和A股形成差异化竞争。”[2018/3/9]

首先我们来看一下硬件成本：

比特币可以在一个价值25美元的RaspberryPi上运行，只需要微弱的互联网连接。

以太坊在一台500美元的笔记本电脑上运行，需要宽带连接。

Solana需要运行在一个3500美元左右的服务器，需要千兆网络连接。

下一个主要考虑因素是状态大小。在50,000TPS和数十亿用户的情况下，Solana的状态大小将会增大。这一点非常好，为什么？因为1）假定Solana运行在可升级存储的服务器，2）NVMeSSD通过RAID0线性扩展读写性能，以及3）多字节NVMeSSD不到300美元——扩展状态存储的成本和维护成本将会微不足道。

如果读到了这里并且理解了前面的所有内容，那么您使用价格超过2,000美元的MacbookPro的可能性就很大了，这也是世界上5000万到1亿左右的开发者所钟爱的高端计算机。我怀疑对500到1000美元的硬件进行优化是最理想的做法。那么500到1000美元价位有什么特别之处呢？

我们来考虑一下硬件需求上限的合理价位。25,000美元肯定太高，因为开发者没有这种硬件。现在换一种思路，我们不考虑任意的硬件成本，而是从需要多少个节点来实现足够的防审查能力。很明显，这里的「足够」一词本质上是主观的，但是如果您假设需要100万个节点，那么自然会产生一个问题：“这个世界上有没有足够多的，价值3500美元的服务器和千兆网络连接，让100万个节点看起来比较合理？”

考虑一下世界上所有高端硬件的游戏玩家、开发者和企业的数量，我们很难对这个问题进行否定。

所以不能孤立地考虑硬件成本问题，而必须在系统的设计目标范围内去进行考量。

此前我曾经认为区块链应该迎合DeFi，而不是一味追求最大程度的审查抵抗性。根本没有必要对25美元或者500美元的硬件进行优化，因为绝大多数人永远都不会运行一个节点。那么，为什么还要费心去优化硬件成本及其基础上的协议呢？

这个世界是弱主观性的

这就来到了弱主观性，同时承认去中心化并没有你想象中那么重要。

这个世界是弱主观性的。意味着什么呢？我们来看一下下面的例子。

回忆一下，你上一次走进一栋高楼的时候，是先对建筑结构进行检查，然后询问建造商，从而确保这栋高楼不会坍塌然后把你埋了？

坐飞机，开车或者在你家的时候，有没有这种想法？

所以说，这个世界的所有事物都基于某种程度的信任。如果每个人都要独立验证所有相关事物的结构完整性，那么这个世界就无法正常运转了。

反过来我们可以认为：世界之所以能够正常运转，是因为每个人都知道已经有许多其他人对系统进行了验证，系统安全的概率非常高。

这就是弱主观性的基本假设。这个理论应用到节点数量的时候，就变成了这个关键问题：在没有运行节点的情况下，用户自己是否可以合理地假设有足够其他参与者和机构运行着节点，从而可以信任该系统？

Solana目前的节点数量约600个，在一年前只有100个左右。像其他区块链一样，随着生态的持续发展，节点数量还会随着时间推移而增长。类似于目前的主流区块链，随着时间流逝，越来越多用户采用，传递的价值越来越多，Solana网络自然会越来越去中心化。

这也是Qureshi观点的正确性，并且去中心化并没有你想象中那么重要。很显然，去中心化对审查抵抗至关重要。但目前业界也没有一个清晰的阈值，而且具体的数值本身并不重要——真正重要的是：1）风险-去中心化程度曲线实际上是反向的S曲线，以及2）我们知道区块链随着时间的推移会变得更加去中心化，因此审查抵抗能力会随之提升。只要区块链去中心化的速度足够快——并且你相信它可以去中心化程度增加的速度——那么用户就能够维持他们所需的审查抵抗性。

图片来源：HaseebQureshi《为什么去中心化并没有你想象中那么重要》

结论

于是现在的基本问题变成了：如何分清「本末」？

从2009年比特币诞生以后的第一个十年，很显然审查抵抗性、非主权货币是「本」，而其他的应是「末」。

但这个情况正在改变。如今加密货币的使用者会认为，DeFi会完全重塑金融。因此我觉得「本末」已经反转：如今DeFi是「本」，而非主权货币是「末」。

它们两者都需要一定程度的审查抵抗性，但是在技术受限的情况下，最大化DeFi效用与最大化系统审查抵抗性之间就出现了一个基本的取舍。

而当系统的基本设计目标发生变化的时候，相关的技术堆栈也需要随之变化。为了将DeFi扩展到数十亿用户的规模，每一层堆栈都必须遵从第一性原理，进行重新考量。

致谢：感谢Hasu对本文草稿的审核。

附录：以太坊与Solana的简单对比

比特币和以太坊在各自的设计中都进行许多假设，最明显的也许要数网络层和执行层。

网络层

在网络层，比特币和以太坊利用八卦协议。八卦协议也就是每个节点不加选择地将数据广播到其他每个节点。虽然这可以最大程度地提高审查抵抗性，但却以牺牲一部分性能为代价。按照定义，以高度冗余的方式重新广播数据效率不高，因此无法正确地针对高吞吐量DeFi应用进行优化。

另一方面，Solana发明了一种新的名为涡轮的网络协议，它的灵感来自BitTorrent协议。涡轮对效率进行了大幅优化，其工作原理如下：我们来考虑一个1MB大小的区块。其中节点不是将整个区块传输给另一个节点，而是将10KB传输到节点＃2和＃3，然后那些节点将这10KB区块重新广播到节点＃4和＃5，依此类推。然后原始节点向节点＃6和＃7广播另一个不同的10KB数据包，随后这些节点将这10KB内容重新广播给节点＃8和＃9，依此类推。此外，该模型的优点在于，随着节点数量的增加，延迟时间以及可用的绝对带宽保持不变。唯一降低的性能是，与大多数其他线性或超线性增加的系统相比，延迟增加了log(n)。

执行层

在执行层，EVM是单线程计算机。由于任何交易都可以修改全局状态的任何部分，因此为了支持并行性，系统需要某种方式来确保两笔交易不会尝试同时写入同一个状态。EVM选举根本无法处理该问题，它只能简单地串行执行所有交易。

Solana是唯一尝试处理分片内并发的协议。它是怎么做到的呢？Solana的运行时SeaLevel要求交易标头指定交易所有的相关状态。借助此信息，SeaLevel可以确定哪些交易可能发生冲突，并将对其进行序列化。所有不重复的交易都可以并行化，在数千个GPU内核中并行运行。

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