深入探討 Solana

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引言

Solana 區塊鏈的交易生命週期始於使用者與去中心化應用（DApp）的互動。DApp 作為 Web3 的門戶，將使用者的操作轉換為區塊鏈可理解的訊息。理解錢包如何管理公私鑰、簽署交易，DApp 如何組裝指令並發送交易，以及 Solana 如何儲存和管理狀態，是掌握 Solana 運作的核心。本篇將簡明介紹這些過程，幫助你了解 Solana 的交易流程。

提醒讀者：如果您尚未閱讀過或想先了解 Solana 的基本運作流程，建議先參考「由 Transaction 的生命週期看 Solana 的底層架構」，這將有助於您更好地理解本篇深入探討的技術細節。

1. 公私鑰系統與錢包運作 : Solana 的安全基石

在 Solana 區塊鏈中，錢包是用戶管理資產並與區塊鏈互動的關鍵工具，而公私鑰系統則是錢包運作的核心基礎。理解公私鑰的生成與管理，有助於掌握錢包如何保護資產並保障交易的安全性。

1.1 公私鑰生成與錢包管理

公鑰：公鑰就像是銀行帳號，是用來接收資金的唯一識別符號。在 Solana 中，錢包應用使用 Ed25519 橢圓曲線數位簽章演算法來生成公鑰。生成後的公鑰會作為您的帳戶地址，通常以 Base58 編碼表示，例如：FDKJvWcJNe6wecbgDYDFPCfgs14aJnVsUfWQRYWLn4Tn。這個地址是公開的，任何人都可以通過這個地址向您發送資產。
私鑰：私鑰則可以比作提款卡密碼，是保護您帳戶安全的核心工具。它由錢包生成並安全存儲在您的設備中，私鑰永遠不會離開您的控制範圍。只有擁有私鑰的人才能進行交易授權，意味著掌握私鑰的人擁有完全控制該帳戶的權限。
Keypair（密鑰對）：密鑰對由公鑰和私鑰組成，前 32 字節是公鑰，後 32 字節是私鑰。就像銀行帳號和密碼的組合一樣，公鑰用於接收資產，私鑰用於保護和操作您的資產。錢包透過管理這對密鑰，讓使用者可以安全地查看並操作自己的帳戶，確保每筆交易的安全性和合法性。

在 Terminal 中，我們可以利用 solana-keygen 去生成密碼對，可由上方觀察到 json 檔中，共64字節，前 32 是公鑰，後 32 是私鑰。

1.2 錢包的運作流程

錢包應用在日常使用中，扮演著多重角色，包括生成密鑰、管理帳戶、簽署交易以及與 DApp 進行交互。以下是錢包的核心運作流程：

密鑰管理：當使用者設置錢包時，應用會自動生成一對公私鑰並將其安全地存儲。私鑰被加密保護，並且通常會通過助記詞（mnemonic phrase）進行備份，這樣在用戶更換設備或重新安裝錢包時，可以通過助記詞恢復帳戶。
帳戶查看與管理：錢包允許使用者查看他們的公鑰（即帳戶地址）和資產狀態。這些信息通常是錢包界面的核心部分，用戶可以隨時查看帳戶中的 SOL 代幣和其他資產的餘額。
交易簽署與發送：當使用者在 DApp 中發起一筆交易時，交易數據會被傳遞到錢包中進行簽署。錢包使用私鑰對交易進行簽名，然後將簽名附加在交易數據上。這一步確保了交易的合法性和安全性，並防止未經授權的操作。簽署完成後，錢包會將簽署好的交易返回 DApp，然後通過 RPC（遠端程式呼叫）發送到 Solana 區塊鏈網路。

1.3 EVM v.s. Solana Address

EVM 公私鑰管理：在以太坊等 EVM 區塊鏈中，帳戶地址是通過將公鑰經過 Keccak-256 雜湊後的最後 20 字節生成的，這使得地址與公鑰之間沒有直接的雙向對應關係。這種設計雖然靈活，但增加了計算的複雜性。
Solana 的簡化設計：Solana 直接將公鑰用作帳戶地址，這不僅簡化了地址生成過程，還提高了交易處理效率。這樣的設計使得錢包操作更加直觀和高效，有利於減少開發者的工作量並提高用戶體驗。

2. Solana 帳戶系統：靈活與多樣化的數據管理

Solana 的帳戶系統具有高度的靈活性和多樣化，這使得它能夠支持更加複雜的應用程式邏輯。每個帳戶在 Solana 上都是一個數據結構，這些結構存儲了關於使用者與區塊鏈互動的所有狀態信息。

2.1 帳戶類型

帳戶在 Solana 中是持續保存數據的容器，類似於電腦上的文件，有不同形式：

用戶帳戶 (User accounts)：由私鑰控制，主要用於存儲 SOL 和其他代幣。例子：用戶可以通過這些帳戶進行交易和參與智能合約。
數據帳戶 (Data accounts)：保存 Program 的狀態數據，是智能合約運行的關鍵。例子：當用戶參與 DeFi 協議時，其狀態信息存儲於數據帳戶中。
程式帳戶 (Program accounts)：存儲可執行代碼，這些代碼在運行時只能更改其他帳戶，不會改變自身狀態。例子：智能合約的邏輯由這些帳戶管理，但合約本身不會自我修改。
原生程式帳戶 (Native Program accounts)：包含預部署的 Solana 核心功能，如 BPF 載入器和投票程式。例子：這些帳戶使得 Solana 能夠在不重新部署核心功能的情況下執行重要操作。

2.2 租金機制

Solana 的租金機制旨在減少帳戶狀態的膨脹。創建新帳戶時，必須保持最低 SOL 餘額，稱為“免租金”金額，以支付帳戶在驗證器內存中保持活躍的存儲成本。如果帳戶數據大小增加，最低餘額也會增加。當帳戶不再需要時，關閉帳戶可返還剩餘租金。

2.3 帳戶所有權

Solana 的所有權模型通過限制誰能修改帳戶數據來提升安全性。每個帳戶都有一個“所有者”，確保只有授權者才能更改帳戶數據。唯一例外是 Lamports 的轉移，無論帳戶所有權如何，增加帳戶的 Lamports 餘額是允許的。

2.4 狀態存儲

Solana 的 Program 是唯讀的可執行代碼，因此必須使用 PDA 來存儲狀態。PDA 是與特定 Program 關聯的特殊帳戶，其公鑰由參數與 Program ID 組合派生。PDA 存在於“橢圓曲線外”（因此沒有與其匹配的私鑰對），只有擁有 PDA 的 Program 可以生成簽名，這保證了只有該 Program 能修改 PDA 的狀態。

3. 交易與指令：Solana 的運作流程

在 Solana 區塊鏈中，交易（Transaction）和指令（Instruction）之間存在明確的層級關係。交易由一個或多個指令組成，每個指令都是對特定智能合約（Program）的請求。Solana 的交易是原子的，這意味著交易中的所有操作要麼全部成功執行，要麼完全失敗並回滾。這種設計確保了交易執行的精確性與高效性。

3.1 交易（Transaction）的結構

一筆 Solana 交易由以下四個關鍵部分組成：

帳戶地址列表（Account Addresses）
- 設計原理：Solana 要求在交易前列出所有會讀取或寫入的帳戶地址，讓系統能提前分配資源並優化操作。
- 挑戰與優勢：這對開發者來說可能具挑戰性，但能提高交易處理效率，並確保交易在多個處理器上平行化運行，提升網絡性能。
標頭（Header）
- 功能描述：標頭包括對帳戶地址列表的引用，並指出哪些帳戶需要簽署交易，從而確保交易簽署與驗證過程的安全性與準確性。
- 技術實現：標頭還包括簽名數量限制和其他安全性參數，這些參數確保即使在高並發環境中，交易也能快速且準確地被驗證。
最近區塊哈希（Recent Blockhash）
- 防止重複與過期交易：每筆交易都必須包含一個最近的區塊哈希，這用於防止交易重複提交或過期無法執行。這個區塊哈希在 151 個區塊（約 1 分鐘）後過期，保證了交易的時效性。
- 實際應用：RPC 節點通常每 2 秒重試一次，直到交易被最終確認或區塊哈希過期為止。這一機制有效防止了重複提交並阻止過期交易的執行。
指令（Instructions）
- 核心操作：指令是交易的核心部分，每個指令代表一個具體操作，如轉帳、代幣鑄造、帳戶創建等。指令包含要執行的程式、所需的帳戶，以及執行指令所需的數據。
- 多指令支持：Solana 允許一個交易中包含多個指令，這意味著可以通過單一交易完成多個操作，從而減少網路負載並提高處理效率。
- 計算單位（Compute Units, CUs）：每個指令的複雜度由計算單位來衡量。Solana 對每筆交易的總計算單位有上限，防止過於複雜的交易消耗過多資源。開發者需要謹慎設計交易，以確保其總計算單位不會超出網路限制。

3.2 示例代碼：組裝交易與指令

以下 TypeScript 代碼展示如何組裝一筆交易並將其發送到 Solana 區塊鏈：

import {
  Connection,
  PublicKey,
  Transaction,
  SystemProgram,
  sendAndConfirmTransaction
} from "@solana/web3.js";
import { useAnchorWallet, useConnection } from "@solana/wallet-adapter-react";

// 建立到 Solana 網路的連接
const { connection } = useConnection();
// 取得互動用戶的地址
const wallet = useAnchorWallet();
 
const provider = new AnchorProvider(connection, wallet, {});
setProvider(provider);

// 定義帳戶和參數
const fromPubkey = wallet.publicKey;
const toPubkey = new PublicKey("RecipientPublicKeyHere");
const lamports = 1000000; // 1 SOL = 1e9 lamports

// 創建一個轉帳指令
const instruction = SystemProgram.transfer({
  fromPubkey,
  toPubkey,
  lamports,
});

// 組裝交易並添加指令 (可以在CUs未達上限時，持續添加 instruction)
const transaction = new Transaction().add(instruction);

// 設置最近區塊哈希
transaction.recentBlockhash = (await connection.getRecentBlockhash()).blockhash;

// 設置交易的簽名者
transaction.feePayer = fromPubkey;

// 簽署並發送交易
const transactionSignature = await connection.sendTransaction(transaction, [
  wallet.payer
]);

這段代碼展示了一筆簡單的轉帳交易，涵蓋了交易的組裝、簽署和發送的基本流程。

4. Solana 交易詳解：費用結構與交易執行

在理解了 Solana 的公私鑰系統、錢包管理、帳戶類別以及交易的打包和簽署過程後，接下來將深入探討交易的費用結構、執行過程以及可能出現的交易錯誤。

4.1. 交易的限制與費用結構

在 Solana 區塊鏈上，每筆交易的指令數量首先受到交易大小的限制，最大可達 1,232 字節。此外，交易中可引用的帳戶數量也有限制。交易的複雜度則受到計算單位 (CUs) 的限制，CUs 用來量化處理交易時所消耗的計算資源。

交易費用結構

SOL 的最小單位稱為 "lamport"，相當於 1 SOL 的十億分之一，類似於比特幣中的 satoshi。執行交易的費用由兩部分組成：

基本費用：每個簽名固定收取 5000 lamports，無論交易的複雜度如何，通常每筆交易只需一次簽名。
優先費用：這是額外的費用，用於在區塊空間需求高時提高交易被驗證節點優先處理的可能性。優先費用以 micro-lamports（即 lamport 的百萬分之一）計算，按每個計算單位（CU）的價格來決定。

費用計算公式為：

交易總費用 = 優先費用 + 基本費用
優先費用 = 計算單位價格（micro-lamports）× CU limit

目前，所有交易相關費用的 50% 會被銷毀，永久性地將這部分 SOL 從流通中移除，其餘 50% 則分配給區塊生產者。未來的變更提案（SIMD 96）將允許 100% 的優先費用分配給區塊生產者，而基本費用保持不變。

4.2. 交易的執行過程

當使用者連接錢包後，應用程式 (Dapp) 可以讀取使用者的公鑰並開始構建交易。這個過程通常分為以下幾個步驟：

交易消息構建 (Dapp)：根據使用者的操作，如代幣交換或資產轉移，Dapp 會構建交易消息，設置包括交易對象的帳戶、公鑰、交易金額、滑點限制等參數。
錢包簽署交易 (Dapp→Wallet)：當交易消息準備就緒後，Dapp 會將其發送到使用者的錢包進行簽署。此時，錢包會彈出窗口讓使用者確認並簽署交易。簽署過程中，私鑰保持安全狀態，確保其不會離開錢包。
交易提交與確認 (Wallet→Dapp→Node)：簽署完成後，錢包將已簽署的交易返回給 Dapp。Dapp 隨後將交易提交給 RPC 提供者，RPC 作為中介，將交易轉發給 Solana 區塊鏈的驗證節點進行處理並等待確認。

4.3. 錯誤與故障分析

在 Solana 上，術語“交易失敗”容易引起誤解。這些交易會產生費用，並且已由運行時系統按照簽署者的意圖成功執行。所謂的“失敗”，往往是由於交易本身的邏輯要求而造成的結果。例如，如果交易超出了使用者設置的滑點限制，系統會自動使該交易“失敗”，以保護使用者的資產。

超過 80% 的“失敗”交易源於錯誤代碼 0x1771，即超出滑點限制的錯誤。值得注意的是，這些交易中有 95% 是由僅佔活躍 Solana 地址 0.1% 的自動化機器人提交的，這些機器人主要試圖利用時間敏感的價格套利機會。

Takeaways:

T1. 簡化的公私鑰系統：

Solana 直接使用公鑰作為帳戶地址，簡化了地址生成過程，降低計算複雜性，並提升交易處理效率，這使得錢包管理和 DApp 開發更加便捷。

T2. 靈活的帳戶系統：

Solana 支援多樣化的帳戶類型，適用於複雜的智能合約。透過租金機制管理鏈上資源，減少帳戶狀態膨脹。交易時提前指定參與帳戶，避免交易衝突，實現平行化處理，進一步提升網絡效能，為 Web3 應用提供更高效率。

T3. 合理的交易費用結構與計算單位限制：

Solana 的交易費用由基本費和優先費組成，計算單位（CUs）限制確保資源消耗可控，使其在處理大量交易時保持穩定性能。

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