Solana中的流水线：交易处理单元

找出 Solana 网络利用的验证和复制交易的过程，以实现网页规模的速度和功能。

为了达到亚秒确认时间和 Solana 成为全球首个网页规模区块链所需的交易能力，仅仅快速达成共识是不够的。团队必须开发一种快速验证大量交易块，并快速在网络上复制它们的方式。为此，Solana 网络的交易验证过程广泛使用了一种在 CPU 设计中常见的优化技术，称为流水线（pipelining）。

流水线是一个合适的过程，当有一系列步骤需要处理一串输入数据，而每个步骤都有不同的硬件负责时。解释这一概念的经典隐喻是洗衣机和烘干机，它们按顺序清洗/干燥/折叠几批衣物。洗涤必须在干燥之前进行，而干燥必须在折叠之前进行，但这三个操作都是由单独的单元执行的。

为了最大化效率，人们创建了一个阶段流水线。我们将洗衣机称作一个阶段，将烘干机称作另一个阶段，将折叠过程称作第三个阶段。为了运行流水线，在第一个负荷被加入到烘干机后，立即将第二个负荷加入到洗衣机。同样，在第二个负荷在烘干机中时，将第三个负荷加入到洗衣机，并且第一个负荷正在被折叠。通过这种方式，可以同时推进三批衣物。假如负荷无限，流水线将始终以流水线中最慢阶段的速度完成一批。

“我们需要寻找一种方法，让所有硬件始终保持忙碌状态。这包括网络卡、CPU 核心和所有 GPU 核心。为了做到这一点，我们借鉴了 CPU 设计的经验，”Solana 创始人兼首席技术官 Greg Fitzgerald 解释道。“我们在软件中创建了一个四阶段的交易处理器。我们称之为 TPU，即交易处理单元。”

在 Solana 网络中，流水线机制 — 交易处理单元（TPU） — 通过 数据获取（Data Fetching，内核级别）、签名验证（Signature Verification，GPU 级别）、银行业务（Banking，CPU 级别）和 写入（Writing，内核空间）逐步推进。当 TPU 开始向验证者发送区块时，它已经获取了下一组数据包，验证了它们的签名，并开始入账代币。

验证节点同时运行两个流水线处理过程，一个在领导模式下使用，称为 TPU，另一个在验证者模式下使用，称为 TVU。在这两种情况下，被流水线处理的硬件是相同的，包括网络输入、GPU 卡、CPU 核心、写入磁盘和网络输出。它对这些硬件所做的事情是不同的。TPU 用于创建账本条目，而 TVU 用于验证这些条目。

“我们知道签名验证会成为瓶颈，但也知道这是一个可以卸载到 GPU 上的无上下文操作，”Fitzgerald 说。“即使卸载了这一最昂贵的操作，仍然存在许多其他瓶颈，如与网络驱动程序交互和管理智能合约中的数据依赖性，这限制了并发性。”

在这个四阶段流水线中，通过 GPU 并行化，在任何给定时刻，Solana TPU 可以同时推进 50,000 笔交易。“这所有的一切都可以通过一台价值不超过 $5000 的普通计算机实现，”Fitzgerald 解释说。“并不是某种超级计算机。”

通过将 GPU 卸载到 Solana 的交易处理单元，网络能够提高单节点的效率。实现这一目标一直是 Solana 自创立以来的目标。

“下一个挑战是以某种方式将区块从领导节点传送到所有验证节点，并确保不阻塞网络而导致吞吐量减慢，”Fitzgerald 继续说道。“为此，我们提出了一种称为 Turbine 的区块传播策略。”

“通过 Turbine，我们将验证节点结构分为多个级别，每个级别的大小至少是上一个级别的两倍。通过这种结构，这些不同的级别，确认时间最终与树的高度成正比，而不是其节点数量，这个数量大得多。每当网络大小翻倍时，你会看到确认时间轻微上升，但仅此而已。”

除了像流水线这样的技术实现外，还有几个关键创新使得 Solana 的网页规模区块链功能成为可能。要更深入地了解它们，你可以在 Solana 博客上阅读相关内容：

有 8 项关键创新使 Solana 网络成为可能：

• 历史证明 (Proof of History，POH) — 在共识之前的时钟；
• Tower BFT — 基于 PoH 优化的 PBFT 版本；
• Turbine — 区块传播协议；
• Gulf Stream — 无内存池的交易转发协议；
• Sealevel — 并行智能合约运行时；
• 流水线（Pipelining） — 提高验证优化的交易处理单元；
• Cloudbreak — 横向扩展的账户数据库；
• Archivers — 分布式账本存储。

• 原文链接： medium.com/solana-labs/p...
• 登链社区 AI 助手，为大家转译优秀英文文章，如有翻译不通的地方，还请包涵～