Sonic: 号称400000TPS的高性能的EVM兼容区块链

简介

Sonic 区块链是基于创新的 Lachesis 共识算法构建的高性能 EVM 兼容区块链，专为DeFi和Web3创新而构建，官网宣称拥有400000 TPS的交易速度和即时确定性，尝试了区块链技术发展的新方向。本文从区块链学习者的角度，尝试解析 Sonic 的核心技术实现，包括其革命性的 DAG 共识机制、高效的事件传播协议、EVM 兼容的执行引擎，以及创新的 SCC 认证链技术。

1. Sonic 区块链技术概览

1.1 技术创新点

Sonic 区块链在传统区块链技术基础上实现了多项重大创新：DAG 共识机制、异步事件处理、Gas Power 反垃圾攻击和BLS 聚合签名认证。这些创新技术的结合，使 Sonic 能够在保持去中心化和安全性的同时，实现远超传统区块链的性能表现。

1.2 核心技术架构

1.2.1 Lachesis 共识机制

Sonic 的核心创新在于采用了 Lachesis 异步拜占庭容错（aBFT）共识算法，该算法基于 DAG（有向无环图）结构实现了革命性的性能突破。在这一架构中，验证器能够并发创建事件而无需等待全网同步，从而实现真正的异步处理机制。事件通过父子关系形成有向无环图结构，使得网络能够支持大规模并行处理，显著提升了系统的整体吞吐量。同时，系统通过 Atropos 事件来确定区块边界，确保在异步环境下仍能实现强一致性保证。这种创新的设计使得 Sonic 在理论上能够达到数万 TPS 的处理能力，为高性能区块链应用奠定了坚实的技术基础。

1.2.2 EVM 兼容性

Sonic 实现了完整的以太坊虚拟机兼容性，支持现有的以太坊生态。其状态处理器完全遵循以太坊的执行规则，不仅支持所有以太坊操作码和预编译合约，还采用了与以太坊相同的状态树结构和管理机制。在交易处理方面，Sonic 完全兼容以太坊的交易验证和执行流程，确保现有的以太坊应用可以无缝迁移。同时，系统采用与以太坊一致的 Gas 计费机制，为开发者提供了熟悉的开发环境和成本预期。

1.2.3 Gas Power 反垃圾攻击机制

Sonic 创新性地引入了 Gas Power 机制来防止垃圾事件攻击。在这一机制中，每个验证器拥有有限的 Gas Power 资源，创建事件时需要消耗相应的 Gas Power，从而在源头限制了恶意行为的可能性。系统设计了基于时间的自动恢复机制，使得 Gas Power 能够随时间逐步恢复，既防止了长期资源耗尽的问题，又确保了正常验证器的持续运行能力。这种设计有效防止了恶意验证器通过大量垃圾事件攻击网络，为整个系统的稳定运行提供了重要保障。

1.3 区块链数据流

核心技术特点：

1. 异步共识：事件创建与交易执行异步进行，提升并发性
2. EVM兼容：完全支持以太坊智能合约和工具链
3. Gas Power：创新的反垃圾攻击机制
4. BLS认证：额外的安全保障层

2. Lachesis 共识算法深度解析

2.1 DAG 共识机制原理

Lachesis 是 Sonic 区块链的核心创新，它突破了传统区块链的线性结构限制，采用有向无环图（DAG）实现异步拜占庭容错共识。

2.1.1 DAG 事件结构

在 Lachesis 中，每个验证器可以并发创建事件，事件通过父子关系形成 DAG 结构：

工作时序图

2.1.2 事件数据结构

每个事件包含完整的区块链状态转换信息，其数据结构设计体现了 DAG 共识的核心特征。事件结构首先包含版本控制信息，支持协议的向后兼容和平滑升级，确保系统的长期演进能力。时序信息方面，事件包含 Epoch、序列号、帧号等多层次的时序标识，配合创建者标识明确标识事件的创建验证器。通过父事件哈希列表构建的父子关系是 DAG 结构的核心，而 Lamport 时间戳和中位时间机制则确保了事件的正确排序。此外，事件还记录 Gas Power 的使用和剩余情况，包含实际的区块链交易数据作为载荷，并通过数字签名确保事件的完整性和不可篡改性。

事件的唯一标识通过哈希计算生成，确保了事件的全局唯一性和可验证性。

2.1.3 Lamport 时间戳机制

Lamport 时间戳用于确定事件的逻辑顺序，是 DAG 共识的关键组件：

Lamport 时间戳的核心原理： Lamport 时间戳作为分布式系统中的逻辑时钟，为事件提供了可靠的逻辑排序机制。它不仅确保事件间的因果关系得到正确维护，还为所有事件建立了全局的偏序关系，使得分布式环境下的事件排序成为可能。系统遵循严格的递增规则，即新事件的时间戳总是大于其所有父事件，这一设计保证了时间戳的单调性和因果关系的正确性。

时间戳计算遵循简单而有效的规则：新事件的 Lamport 时间戳等于所有父事件中最大时间戳加一，这确保了事件的逻辑顺序与其在 DAG 中的位置保持一致。

Lachesis 共识核心特点：

1. 异步处理：验证器无需等待全网同步即可创建事件
2. DAG结构：支持并发事件创建，突破线性区块链限制
3. 确定性排序：通过 Lamport 时间戳实现事件的全序排列
4. 最终一致性：通过 Atropos 事件确定区块边界

2.2 向量时钟与中位时间

2.2.1 向量时钟机制

向量时钟用于跟踪事件间的因果关系，确保 DAG 的一致性。该机制通过为每个验证器维护独立的时间维度，实现了多维时间跟踪，能够准确识别事件间的因果依赖关系。向量时钟的一个重要特性是能够区分并发事件和有序事件，这对于 DAG 结构中的并行处理至关重要。通过这种设计，系统确保所有节点对事件顺序达成一致，为分布式共识提供了坚实的时序基础。

向量时钟的核心功能是维护每个验证器的最新事件时间戳，通过比较不同验证器的时间戳向量，可以准确判断事件间的时序关系和因果依赖。

2.2.2 中位时间计算

中位时间确保事件时间的单调性和网络时间同步：

中位时间机制的核心特点： 中位时间机制基于验证器权重计算加权中位数，能够自动排除被检测到作弊的验证器，确保时间计算的准确性和安全性。该机制严格保证时间戳的单调递增特性，通过中位数计算实现网络时间同步，为分布式环境下的时间一致性提供了可靠保障。更重要的是，这一机制具备强大的拜占庭容错能力，能够容忍最多 1/3 的恶意验证器，确保即使在部分节点恶意行为的情况下，系统仍能维持正确的时间共识。

中位时间算法通过收集所有诚实验证器的时间戳，计算加权中位数来确定事件的最终时间戳，这种方法既保证了时间的准确性，又具备了良好的拜占庭容错特性。

2.3 Atropos 事件与区块确定

2.3.1 Atropos 选择算法

Atropos 事件是确定区块边界的关键机制，其选择算法体现了 DAG 共识的核心思想：

Atropos 选择的核心原理： Atropos 选择算法基于声誉评分机制，通过计算事件被后续事件引用的次数来确定声誉分数，这一分数直接反映了网络对该事件的认可度。算法能够确定性地选择最优的 Atropos 事件，避免了随机性带来的不确定性。被选中的 Atropos 事件标志着一个区块的完成，为 DAG 结构中的区块边界确定提供了明确的标准，确保了共识过程的确定性和可预测性。

区块生成流程：

1. 事件收集：收集 Atropos 事件之前的所有确认事件
2. 交易提取：从确认事件中提取所有包含的交易
3. 区块构建：基于 Atropos 事件和确认交易构建完整区块
4. 时间戳设定：使用 Atropos 事件的中位时间作为区块时间戳

这种机制确保了区块的确定性生成，同时保持了 DAG 结构的并发优势。

3. EVM 执行引擎与状态管理

3.1 EVM 兼容性实现

Sonic 实现了完整的以太坊虚拟机兼容性，支持所有以太坊智能合约：

3.1.1 状态处理器

EVM 状态处理的核心机制： EVM 状态处理严格按照以太坊标准流程处理每个区块中的交易，为每个区块创建独立的 EVM 执行环境，确保执行环境的隔离性和一致性。系统严格按照交易在区块中的顺序执行，通过 StateDB 管理所有状态变更，维护区块级别的 Gas 限制和使用情况。对于每个成功执行的交易，系统会生成相应的执行收据，同时妥善处理执行失败的交易，记录跳过的交易信息，确保整个执行过程的完整性和可追溯性。

状态处理器确保了与以太坊完全一致的执行语义，同时提供了高效的批量处理能力。

3.2 交易池管理

3.2.1 交易验证机制

Sonic 实现了多层次的交易验证，确保网络安全：

多层次验证体系：

1. 网络规则验证：确保交易符合当前网络的协议规则
2. 静态格式验证：检查交易的基本格式和参数有效性
3. 状态相关验证：验证交易在当前区块状态下的可执行性
4. 交易池规则验证：应用交易池特定的管理规则

交易池管理策略： 交易池采用分层队列管理机制，将交易分为可执行队列和等待队列，基于 Gas 价格对交易进行优先级排序，确保高价值交易得到优先处理。系统给予本地提交的交易更高的处理优先级，支持更高价格交易替换现有交易的动态替换机制，同时通过严格的配置限制防止内存溢出攻击，确保交易池的稳定运行和网络安全。

交易池核心特性：

1. 多层验证：确保交易的有效性和网络安全
2. 智能排序：基于 Gas 价格和 nonce 的智能排序
3. 内存管理：有效控制内存使用，防止 DoS 攻击
4. 本地优先：本地提交的交易享有优先处理权

4. SCC 认证链与 BLS 签名

4.1 Sonic Certification Chain

SCC 为 Sonic 区块链提供额外的安全保障层：

4.1.1 BLS 聚合签名实现

SCC 使用 BLS12-381 曲线实现高效的聚合签名，其核心优势包括：

BLS 签名的技术特点： BLS 签名基于 BLS12-381 椭圆曲线，提供 128 位安全级别，其最大优势在于多个签名可以聚合为单个签名，大幅减少存储和验证开销。系统支持公钥聚合，简化多签名验证流程，采用确定性签名机制确保相同消息和私钥总是产生相同的签名。此外，BLS 签名支持批量验证多个签名，显著提升验证效率，为大规模多签名场景提供了理想的解决方案。

密码学安全保证： BLS 签名在当前技术水平下具备良好的抗量子攻击能力，其安全性基于椭圆曲线离散对数问题的困难性，在随机预言机模型下可证明安全。特别重要的是，聚合签名保持与单个签名相同的安全级别，这意味着签名聚合过程不会降低系统的整体安全性，为大规模部署提供了可靠的安全保障。

4.1.2 委员会管理机制

委员会负责为区块和委员会变更提供认证，其管理机制包括：

委员会结构设计： 委员会由多个具有投票权重的成员组成，每个成员拥有唯一的 BLS 公钥用于身份识别和签名验证。系统基于质押或其他机制分配投票权重，确保权力分配的合理性，同时通过私钥拥有证明确保成员身份的真实性，防止身份伪造和恶意参与。

委员会验证机制： 系统设置最小和最大成员数量限制以确保委员会规模的合理性，通过重复检查防止同一成员重复加入委员会，验证投票权重的合理分配，并对每个成员的签名有效性进行严格验证，确保委员会的完整性和可靠性。

2/3 多数决策机制： 系统采用 2/3 多数决策机制实现拜占庭容错，能够容忍最多 1/3 的恶意节点。决策过程基于投票权重而非简单的节点数量计算多数，通过验证聚合签名是否达到所需的权重阈值来确认决策的有效性，确保只有获得足够支持的决策才能通过，为系统的安全性和可靠性提供了强有力的保障。

4.1.3 证书生成流程

SCC 证书的生成和验证流程：

证书生成的核心流程：

区块证书生成： 区块证书生成过程首先为每个新区块创建标准化的区块声明，然后向当前委员会成员请求对区块声明的签名。系统将收集到的签名聚合为单个聚合签名，最后将完成的区块证书存储到 SCC 链中，确保每个区块都获得了委员会的正式认证。

委员会证书生成： 委员会证书生成过程通过周期检测确定是否到达委员会轮换周期，为下一周期创建新的委员会声明，确保新委员会获得当前委员会的认可，最后更新委员会证书完成委员会轮换，保证权力交接的平滑过渡。

签名管理机制： 系统采用分类管理方式，区分区块证书和委员会证书的签名管理，支持签名的增量收集和验证，实时检查是否达到 2/3 多数签名阈值，确保证书生成过程的效率和准确性。

SCC 核心特性：

1. BLS 聚合签名：高效的多签名验证机制
2. 委员会轮换：周期性的委员会更新机制
3. 2/3 多数要求：确保拜占庭容错安全性
4. 额外安全层：为主链提供额外的安全保障

5. 总结

Sonic 区块链项目展示了现代区块链技术的发展方向和技术可能性。其创新的 DAG 共识机制、高效的 EVM 执行引擎、完善的安全机制等，为区块链技术的发展提供了宝贵的技术参考。对于区块链开发者而言，深入理解和学习 Sonic 的技术实现，将有助于把握区块链技术的发展趋势，构建更加高效、安全、可扩展的下一代区块链系统。