Solana 的 Gulf Stream：Mempool 越多，问题越多

可操作的洞察

• “Gulf Stream”大致可定义为：从节点在网络中接收到一笔交易开始，到该交易抵达当前 slot 的领导者并被 TPU（交易处理单元）的 Fetch Stage 接收为止的整个过程。
• Solana 的独特之处在于，它从一开始就被设计为无需内存池即可运行。传统区块链通常使用 gossip 协议在整个网络中广泛传播交易，而 Solana 会将每个 slot 的所有交易转发给预先确定的领导验证者，即领导者。领导者每 4 个 slot 轮换一次，所有活跃网络节点都提前知道领导者调度表，从而确保交易得到高效转发。
• 默认情况下，Solana 交易必须包含一个近期的 blockhash，开发者只需发起一次简单的 API 调用即可获取。近期 blockhash 最多可在 150 个 slot 内保持有效（约 1 分钟）。超过此期限后，它将过期，引用它的交易也会被网络丢弃。这可确保未处理的交易不会长期滞留。近期 blockhash 还有助于交易去重。开发者也可以使用相应方法添加持久 nonce。
• Gulf Stream 中的交易会经过编码，并通过 QUIC 流发送给领导者。2022 年末采用 QUIC 是一次重要的网络升级，取代了此前使用的 UDP 连接。这一变更主要是为了增强网络过滤垃圾流量的能力。不过，随着 Solana 在 2024 年全年经历前所未有的活跃度，改用 QUIC 也引发了一些争议。
• 2024 年初引入的质押加权服务质量（SWQoS）深刻改变了交易通过 Gulf Stream 抵达领导者的方式。领导者现在会优先处理由其他已质押验证者代理的交易消息。具体而言，领导者 80% 的容量（2,000 个连接）保留给已质押的对等节点，其余 20%（500 个连接）则分配给来自未质押节点的交易消息。
• 目前，Solana 超过 80% 的质押量都锁定在运行 Jito-Solana 客户端而非原始 Agave 客户端的验证者上。Jito 引入了协议外区块空间拍卖，进一步增加了交易抵达领导者的复杂性。具体来说，Jito relayer 会加入 200 毫秒的“减速带”，减缓传入交易消息的流速，为搜索者留出足够时间提交 bundle。

简介

“Gulf Stream”一词源自 Solana 创始团队在 2019 年撰写的一系列入门博客文章。他们为 Solana 的许多创新机制赋予了以航空为主题的名称。在这些文章中，Gulf Stream 被定义为 Solana 的“无内存池交易转发协议”。然而，如今在 Solana 代码库中搜索“Gulf Stream”，只会返回一处无关紧要的提及。

从更广泛的 Solana 交易生命周期来看，“Gulf Stream”可以理解为这样一个完整过程：从交易被网络节点（通常是 RPC）接收开始，到它抵达当前 slot 的领导者为止（即被 TPU 的“fetch stage”接收时）。我们也可以将 Gulf Stream 视为 Turbine 的镜像。Turbine 是 Solana 的区块传播机制，因为 Gulf Stream 负责让交易抵达领导者，而 Turbine 则负责让已处理的交易离开领导者。

首先，有必要说明 Solana 语境下的 RPC（远程过程调用）节点。这些节点可以视为与网络交互和读取网络数据的网关。它们充当用户与 Solana 验证者之间的中介。RPC 运行的软件与完整验证者相同，但配置不同，因此能够准确模拟交易，并维护当前状态（bank）的最新视图。不过，RPC 节点没有质押，因此不参与共识。没有质押，它们就无法投票或构建区块。这种设置不同于许多其他区块链，后者的验证者和 RPC 节点通常是同一类节点。就 Gulf Stream 而言，RPC 的作用可以概括为：通过 HTTP 接收交易，将交易转换为 QUIC（后文将详细说明），使用领导者调度表查找当前领导者的地址和端口信息，再将交易转发给当前和下一任领导者。

自网络上线以来，Gulf Stream 至少经历了两次重大升级：QUIC 和质押加权 QoS，本文稍后将详细介绍。由于 Solana 近年来出现前所未有的网络流量，它也可以说是核心协议中承受压力最大的部分。举例来说，当验证者成为领导者时，传入流量可能会激增至每秒超过 1 GB，因为整个网络都会将数据包发送给它。处理如此庞大的数据流入量是一项艰巨的工程挑战。

Mempool 越多，问题越多

创始团队最初对 Gulf Stream 的定义强调了它没有内存池。内存池（字面意思是“内存池”）可以定义为一组由用户提交、正在等待网络处理的交易。这些交易在公开等待期间通常未加密 或未受保护，并通过 gossip 协议在整个网络中传播。根据网络的不同，已签名交易可能无限期地留在内存池中，直到满足执行条件。对于那些将交易费（每单位计算量的价格）设置得远低于正常市场费率范围的交易，尤其如此。在极端情况下，如果网络条件不利于将它们纳入区块，这些交易可能需要数天甚至数周才能执行。

这种情况在 Solana 上不可能发生。Solana 不仅原生没有内存池概念，而且所有交易消息都必须包含近期 blockhash。开发者可以通过 JSON RPC API 调用 getLatestBlockhash 方法，轻松请求近期 blockhash。该 blockhash 会嵌入交易消息中，最多可在 150 个 slot 内保持有效。由于每个 slot 的目标时间为 400 毫秒，因此有效期约为 1 分钟。经过 150 个 slot 后，blockhash 会过期，引用它的交易也会被网络丢弃。默认情况下，RPC 会尝试每 2 秒转发一次交易，但近期 blockhash 一旦过期，交易就会被丢弃，确保它永远不会在链上执行。

近期 blockhash 也可用于检测和删除重复交易。在其他网络上，这通常需要强制加入 nonce（仅使用一次的数字）来实现。尽管开发者可以在特定的小众场景中为 Solana 交易添加持久 nonce，但标准 Solana 交易并不要求包含 nonce。

Solana 的 Gulf Stream 系统之所以可行，是因为所有活跃节点始终能够提前知道领导者调度表。每当 slot 高度跨越一个 epoch 边界时，节点都会更新领导者调度表，间隔约为 2 天。某个 epoch 的领导者调度表根据上一个 epoch 开始时的账本状态计算得出，其生成算法如下：

• 定期使用历史证明（PoH）的 tick 高度（即单调递增的计数器）为稳定的伪随机算法提供种子。
• 在该高度上，从 bank 中抽样选取所有已质押账户，这些账户的领导者身份必须在集群配置的 tick 数内投过票。该样本称为活跃集。
• 按质押权重对活跃集排序。
• 使用随机种子按质押权重选择节点，创建质押加权排序。
• 经过集群配置的 tick 数后，该排序生效。

来源：Solana 官方文档

质押加权可确保质押量较高、可信度较高的节点更有可能频繁当选领导者，而质押量较低的节点则较少被选中，甚至完全不会被选中。 

‍质押加权资源分配是 Solana 核心协议中反复出现的主题，涵盖投票奖励、Turbine 树、领导者调度表和 gossip 网络*。甚至 Gulf Stream 也采用了质押加权，本文稍后将对此进行介绍。

关于 QUIC

Gulf Stream 的第一次重大更新发生在2022 年末 ，当时它采用 QUIC 网络协议来处理发送给领导者的交易消息。此次升级源于 DDoS 攻击以及 NFT 铸造期间垃圾交易涌入链上造成的网络中断。随着 QUIC 在 1.13.4 版本中全面集成至 Mainnet-Beta，网络稳定性得到提升。

此前，Solana 依赖 UDP（用户数据报协议）网络协议将交易从 RPC 节点发送到当前领导者。UDP 虽然快速高效，但它是无连接协议，既没有流量控制，也没有接收确认机制。因此，几乎无法有效阻止或缓解滥用行为。为了控制网络流量，验证者的交易接收协议（即 TPU 的 Fetch Stage）使用 QUIC 重新实现。

QUIC 最初由 Google 于 2012 年开发，旨在结合 TCP 与 UDP 的优势。它支持类似 UDP 的快速异步通信，同时具备 TCP 的安全会话和高级流量控制策略。因此，网络可以限制单个流量来源，将资源集中用于处理真实交易。它还支持彼此独立的流，因此即使一笔交易被丢弃，也不会阻塞其他交易。在整个 Web2 领域，Google 一直是推动采用 QUIC 的主要力量。与 Google 服务器的连接使用 QUIC 建立，这意味着 Google 旗下的许多应用都基于 QUIC，例如 Hangouts、Gmail 和 YouTube。顺带一提，QUIC 并不是首字母缩略词，而是该协议的正式名称。 

尽管如此，QUIC 在 Solana 上的实现是否有效仍存在争议。当网络流量激增时，验证者可能因大量 QUIC 握手而不堪重负。可以说，它并未成为一些人最初所期待的万能方案，无法彻底解决网络层的拥堵问题。值得注意的是，除 Solana 的实现外，QUIC 在区块链行业中的采用率很低。Solana 验证者社区的一些成员公开批评了该协议，认为采用 QUIC 是一个错误决定。

质押加权服务质量（SWQoS）

2024 年初，Solana 采用了质押加权服务质量（SWQoS），以防止垃圾流量并增强女巫攻击抵抗能力。该系统允许领导者优先处理经由已质押验证者路由的交易消息。质押量越高的验证者，向领导者传输交易消息数据包的容量也会按比例增加，从而有效缓解来自网络中未质押或低质押节点的女巫攻击。由于 QUIC 可以验证 IP 地址，这种流量划分得以实现，验证者也因此能够针对特定连接设置流量优先级和限制。 

借助 SWQoS，验证者可以将其质押加权容量租给 RPC 节点。作为回报，RPC 节点可获得更高带宽，从而提高交易被纳入区块的比例。值得注意的是，领导者 80% 的容量（2,000 个连接）保留给质押加权 QoS，其余 20%（500 个连接）则分配给来自其他节点的交易消息。这种分配策略类似于高速公路上的优先车道，驾驶者通过支付通行费来避开拥堵。

目前，要成为已质押对等节点，最低质押量须达到总质押量的 0.04%。截至本文撰写时，总质押量为 3.84 亿 SOL，因此最低要求为 15,360 SOL。‍

SWQoS 提高了向领导者转发交易的门槛，并降低了垃圾流量攻击的有效性，对 Solana 生态系统产生了重大影响。这项变更推动高流量应用对其运营进行垂直整合。应用通过运行自己的验证者节点，可以确保获得访问领导者的优先权限，从而增强交易处理能力。Helius 很自豪能够运营网络中按质押量排名领先的验证者之一，从而帮助我们确保更高的交易纳入率。要了解如何通过我们进行质押，请阅读此处的详细质押指南。

Jito 减速带

本文不能不提 Jito。截至撰写时，网络中超过 80% 的质押量都使用 Jito 验证者客户端，这进一步增加了交易通常如何抵达领导者的复杂性。Jito-Solana 验证者客户端（Github）是 Agave 客户端（Github）的一个分叉，而 Agave 的前身是 Solana Labs 客户端。它引入了协议外区块空间拍卖，并允许验证者通过小费获得额外的经济激励。

全面研究 Jito 客户端超出了本文范围，因此我们将分析限定在 Jito 客户端如何影响普通交易通过 Gulf Stream 的流动。交易有两条可能的路径——从 RPC 流向与其配对的验证者，再到当前领导者（质押加权路径）；或者直接转发给领导者（开放连接路径）。无论采用哪条路径，如果领导者运行 Jito-Solana 客户端，这些交易都会先被发送到 Jito-Relayer（Github）。这是一款充当交易代理路由器的开源软件。 

其他网络节点并不知道 Jito-Relayer 的存在；它们只会将交易发送到领导者选择通过 gossip 网络广播为其 ingress_socket 的地址和端口配置。relayer 会将交易延迟 200 毫秒再转发给领导者。这个“减速带”机制会减缓传入交易消息的流速，并支持高效的离散时间拍卖。200 毫秒后，无论拍卖结果如何，relayer 都会以乐观方式释放这些交易。

Jito 此前运营过一个标准的协议外内存池服务，但现已弃用。当 Jito-Solana 验证者担任领导者时，搜索者仍可提交由多笔原子执行交易组成的交易组，即 bundle，用于不依赖内存池的其他类型 MEV 交易，例如套利交易和清算。

要了解更多信息，请参阅介绍 Solana MEV 的 Helius 博客文章，点击此处阅读。

总结

本文探讨了 Solana Gulf Stream 的多个方面，包括 QUIC 网络协议、质押加权 QoS 和 Jito 验证者配置。我们将 Gulf Stream 与更传统的内存池架构进行了对比，并概述了 Solana 方法在提高效率和降低延迟方面的优势。 

毫无疑问，Gulf Stream 将继续演进。Solana 协议及其更广泛的生态系统正在快速发展，预计将迎来重大升级。举例来说，Solana 联合创始人 Anatoly Yakovenko 一直积极倡导实现多个并发领导者。多个并发领导者可让世界各地的多个节点同时对用户交易进行排序，从而降低延迟，并避免在交易加入区块链前出现最坏情况下的完整全球往返。

Solana 不会停滞不前，包括 Gulf Stream 在内的整个协议都将迎来令人期待的未来。因此，开发者可以期待后续出现更多更新和优化。

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衷心感谢 Jacob Creech 和 0xIchigo 审阅本文的早期版本。‍

其他资源

• Gulf Stream：Solana 的无内存池交易转发协议
• QUIC：基于 UDP 的多路复用传输协议
• HTTP/3 与 QUIC 综合指南
• SWQoS 链接汇总
• Solana 质押加权服务质量指南
• Solana 验证者教程——质押加权 QoS
• Jito Relayer 文档
• 异步执行与终局架构

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