如何快速（QUICkly）缓解垃圾流量：你需要了解的 Solana 与 QUIC 知识
本文讲什么？
Solana 是目前市场上速度最快、可扩展性最高的区块链。它以交易速度著称，因此非常适合各种用例。尽管取得了这些成就，Solana 网络仍因停机问题受到恐惧、不确定性和怀疑的影响，俗称 FUD。过去，这些担忧确实有其合理性，但如今已没有依据。为什么？过去一年，Solana Labs 的工程师一直在推进多项网络升级，其中最重要的一项，是用 QUIC 取代 Solana 基于原始 UDP 的自定义交易接收协议。
本文将分析网络协议、TCP 和 UDP 的运作机制，并探讨 QUIC 如何改进这两种协议。随后，我们会将重点转向 Solana，讨论 QUIC 为其带来的独特优势。本文旨在帮助你全面理解，为什么这项网络升级是 Solana 的重要技术里程碑。
Solana 网络升级
2022 年 12 月 13 日，Solana Foundation 发布了一篇题为“Solana 网络升级”的新闻文章。文中列出了多项网络升级及其进展。具体如下：
QUIC
- 目前已在 Mainnet-beta 上线
权益加权 QoS
- 目前已在 Mainnet-beta 上线
费用市场
- 目前已在 Mainnet-beta 上线，即将支持 RPC 和钱包
- 你可以在这里关注其进展
扩大交易大小
- 目前正在开发中
紧凑投票状态
- 目前已在 Testnet 上线
Solana 过去发生停机的一大原因是垃圾流量。部分示例包括：
- 2021 年 9 月 14 日的 Grape IDO 垃圾流量事件
- 2022 年 1 月 6 日至 12 日发生的 DDoS 攻击
- 2022 年 4 月 30 日至 5 月 1 日发生的 NFT 铸造垃圾流量事件
自实施 QUIC 以来，Solana 尚未报告任何与垃圾流量相关的停机事件。这使 QUIC 成为改善 Solana 网络流量和数据接收的一项里程碑式成果。在了解 QUIC 之前，我们必须先探究网络协议的运作机制。深入理解网络基础知识，才能看清 QUIC 对 Solana 网络的真正影响。
什么是网络协议？
网络协议是一套既定规则，用于规定如何在同一网络中的设备之间发送数据。无论连接设备的内部机制、结构或设计如何，网络协议都能让它们轻松相互通信。
想象一下，你和朋友面对面坐在巴黎的一家餐厅里。你们决定都说法语，因此对话进行得十分顺畅。共同决定使用法语，意味着双方同意遵循一套彼此都理解的语法规则、词汇和发音。
网络协议在联网设备之间的作用与此类似，就像法语是你们在巴黎餐厅中对话的“协议”。选择使用 TCP、UDP 或 QUIC，就意味着同意遵循一套既定规则和约定来交换信息。遵循特定的网络协议，可确保联网设备能够准确理解彼此，不会产生混淆。
什么是 TCP？
传输控制协议（TCP）是一种标准化通信接口，用于在网络中的两个端点之间发送数据流。Vint Cerf 和 Bob Kahn 创建了传输控制程序，这是一种单体协议，后来被拆分为由 TCP 和互联网协议（IP）组成的模块化架构。整套协议统称为 TCP/IP。本文使用缩写 TCP 时，指的是传输控制协议，而不是整套协议。
TCP 是面向连接的协议；发送数据前，客户端与服务器之间必须先建立连接。TCP 通过三次握手建立连接：同步（SYN）、同步确认（SYN-ACK）和确认（ACK）。你可以把 SYN 想象成伸出手准备握手，并询问对方是否准备好交谈；SYN-ACK 就像对方与你握手，表示已经准备好，并询问你是否愿意继续；ACK 则像你回握对方的手，表示愿意继续交谈。至此，会话正式建立。双方都知道彼此已经连接，并确认已准备好共享信息。
TCP 会将数据拆分为数据包，再通过网络发送。每个数据包都会添加少量信息。这些附加信息包括用于检测数据包丢失或错序的序列号，以及用于检测数据包内部错误的校验和。
当对话被打断时，我们会请对方再说一遍，以确保自己听得准确。TCP 通过自动重传请求（ARQ）以类似方式处理传输中断。出现问题时，ARQ 会通知发送方重新发送受损或丢失的数据包。随后，TCP 会要求发送方降低数据传输速率，并限制传输途中尚未确认的数据包数量。错误解决后，TCP 会通过相应机制避免拥塞，并逐步提升速度。
TCP 会对所有流量排序，因此并不适合所有用例。如果部分数据丢失或损坏，其后的所有数据包都必须等待。但如果我们不必等待呢？
什么是 UDP？
用户数据报协议（UDP）是一种用于通过网络传输数据的标准化通信接口。与 TCP 不同，UDP 是无连接协议，不保证数据包的交付、顺序或去重。UDP 不执行任何握手过程，因此底层网络的任何不可靠因素都可能影响数据传输。UDP 无需花时间与目标建立连接，所以速度比其他协议更快。不过，这也让人们将其戏称为“不可靠数据报协议”。
UDP 通过网络发送数据报来工作。数据报是一组更加独立的数据，其中包含从源地址路由到目标地址所需的信息。由于包含这些信息，数据报在路由时不依赖其他数据报。每个数据报由标头和数据组成。标头包含四个字段，每个字段均为 16 位：可选的源端口、目标端口、长度和可选的校验和。发送过程如下：
- 发送应用创建一个 UDP 套接字
- 发送应用将待发送数据放入 UDP 数据报中，标头包含目标端口及其他相关信息
- 数据报被发送至 IP 层进行路由和交付
- IP 层接收数据报并将其传输至 UDP 层，同时移除其标头
- 数据报被发送至监听指定端口的应用
你可以把 UDP 想象成隔着一个喧闹的房间与某人交谈。你朝对方大喊，不关心他们是否听到，也不等待他们回应。你只想迅速传达信息，不进行长时间对话。这种方式有风险，因为对方可能没有听清你的全部内容，但也可能非常有效。
既然有 TCP 这种更可靠的协议，为什么还要使用 UDP 这样的无连接通信协议？UDP 对时间敏感型应用非常有用，也适合能够容忍部分数据丢失的场景。和朋友玩电子游戏时，丢失几帧画面远比持续暂停和缓冲好得多。UDP 也用于 VoIP 通话、域名系统（DNS）查询、监控和日志记录。
QUIC：兼顾效率与可靠性
QUIC 是一种现代传输层协议，由 Google 的 Jim Roskind 于 2013 年设计。它将 TCP 的可靠性与 UDP 的低延迟优势结合起来，为快速、安全的异步通信创建了优化环境。QUIC 将 TCP 的安全会话和高级流量控制策略整合到 UDP 提供的灵活快速框架中，从而脱颖而出。
QUIC 将加密密钥和协议详情的交换整合到初始握手中，从而简化连接设置。初始握手始终通过传输层安全协议（TLS）进行安全加密。该协议通过 UDP 实现多路复用连接，让多个独立数据流能够在互不影响的情况下到达各自端点。QUIC 独立控制每个数据流，即使一个数据流遇到错误，也不会阻碍其他数据流。这有助于防止队头阻塞（即队列中的第一个数据包导致后续一列数据包受阻），而 TCP 连接经常受到这一问题困扰。
如果数据包丢失或损坏，QUIC 会智能地重新传输数据，维持通信的完整性与连续性。此外，QUIC 能有效应对网络环境变化。每个数据包都携带一个连接标识符，无论来源如何，它都能唯一标识与服务器的连接。因此，只需再发送一个数据包即可重新建立连接，因为每个数据包都包含此 ID，这意味着原始连接仍然有效。打个比方，即使你走到另一个房间，对话也不会中断，而是能够无缝继续。
想象你再次置身于那个喧闹的房间，正尝试与朋友交谈。这一次，你们配备了加密对讲机，可以安全清晰地交流。当对话涉及不同话题时，你的朋友会竖起大拇指确认收到每条消息。如果对方露出困惑的表情，你就会重复未被理解的内容，确保信息不会在传递中丢失。即使你或朋友走到另一个房间，对话也不会中断。这正是 QUIC 的本质——稳健、灵活且高效的通信。
Solana 如何实施 QUIC
QUIC 为 Solana 带来了多项优势，主要包括：
- 缩短连接建立时间：QUIC 通过优化握手过程，将延迟降至最低
- 多路复用与高效的数据包管理：QUIC 能够同时处理多个数据流，且不会出现队头阻塞，从而提高交易吞吐量和效率
- 适应性与韧性：该协议旨在适应不断变化的网络状况，这对 Solana 这样的分布式去中心化系统至关重要
- 针对网络优化进行定制：QUIC 的灵活性支持 Solana 这类定制实现，以满足特定的网络性能和安全目标
QUIC 已添加到接收用户交易的端口。这样就能限制单个参与者的流量，让网络专注于处理真实交易。QUIC 已在 Solana 上线，并随 1.13.4 版本在 Mainnet-beta 中得到全面采用。集成后，网络的稳定性和吞吐量均得到显著改善。
尽管取得了这些进展，近期的网络拥塞仍引发了关于 QUIC 计算效率与 Solana 先前 UDP 实现相比孰优孰劣的争论。批评者指出，原始 UDP 方案允许验证者专注于交易处理，无需管理握手垃圾流量和加密。此外，在 Solana 的实现中，密钥交换与验证并不属于初始握手的一部分。Solana 使用 QUIC 发送“质询数据包”的选项来验证 IP 地址。这项质询的核心目的，是避免在握手的第一阶段验证证书，转而在完成 IP 验证后的第二阶段进行验证。考虑到 Solana 最近在 2 月发生的网络中断可被视为拒绝服务，Solana 是否曾因垃圾流量或 DDoS 攻击而停机，仍存在争议。
随着网络不断演进，持续审查并改进已经部署的网络实现非常重要。QUIC 旨在解决 TCP 和 UDP 的许多问题，但回过头来看，其实际效果仍有争议。一个重要考量是这些方案在硬件上的运行方式。由于 TCP 更简单，因此它在硬件上的运行效果远胜 QUIC。有人完全可以提出，在使用 AES 指令集时，基于 TCP 的协议会比 QUIC 拥有更高的吞吐量，并在 TPS 方面更高效。
值得注意的是，Jump Crypto 团队正在不断拓展 QUIC 的边界。该团队在开发 Solana 的新验证者客户端 Firedancer 时，创建了自己的稳健且可扩展的实现。Firedancer 的网络系统从零开始设计，以充分利用接收端扩展这一硬件加速负载均衡技术。这种并行架构让每个 CPU 核心都能高效处理一部分传入流量。该团队在推文中表示：
你可以在这里查看 Firedancer QUIC 技术里程碑的演示和主题帖。
总结
恭喜！本文介绍了网络协议的基础知识，重点分析了 TCP 和 UDP 的作用，以及它们如何演进为 QUIC。我们还研究了 Solana 对 QUIC 的实现，强调了它在增强网络方面的关键作用。虽然 QUIC 提升了 Solana 网络抵御垃圾流量和 DDoS 攻击的能力，但随着网络不断增长，其计算效率和实现细节也带来了新的挑战与争议。
QUIC 体现了 Solana 的核心目标：打造高吞吐量、低延迟的网络。它的多路复用和数据包丢失恢复能力，让 Solana 在性能与可扩展性讨论中处于前沿。Firedancer 团队的实现展示了 QUIC 的适应性，也凸显了通过定制优化来满足网络不断变化需求的潜力。
作为 Solana 开发者，理解 QUIC 有助于你在应用架构、交易错误等方面做出更明智的决策。Solana 在不断演进，QUIC 也是如此。及时掌握最新网络变化，是在 Solana 上构建高性能应用的最佳方式。即使你不是开发者，更深入地理解 QUIC 的技术原理，也能帮助你明白 为什么 Solana 是一条以速度和可扩展性著称的高性能区块链。
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