在2018年5月中旬，一組自稱為Team Rocket的開發(fā)人員發(fā)表了一篇白皮書，名為《Snowflake to Avalanche： 一種新的可轉(zhuǎn)移的共識協(xié)議》。

匿名發(fā)布

《Snowflake to Avalanche》白皮書是通過流行的分布式文件共享平臺IPFS匿名發(fā)布的。這個(gè)匿名組織的名字是指《精靈寶可夢》卡通系列中由善轉(zhuǎn)惡的組織，其口號是“做好讓她加倍麻煩的準(zhǔn)備”。

為了響應(yīng)這一口號，Avalanche白皮書描述了四種協(xié)議，它們被設(shè)計(jì)成在廣泛的場景中工作，開發(fā)人員將其描述為對現(xiàn)有共識機(jī)制的升級。

這份白皮書引起了不同程度的興趣和興奮?？的螤柎髮W(xué)（Cornell）教授埃明·塞勒（Emin Gun Sirer）是一位直言不諱的加密貨幣研究專家。他進(jìn)一步定義了該協(xié)議，“這是一項(xiàng)突破，將中本聰共識的精華與經(jīng)典共識的精華結(jié)合起來”。

共識的歷史

要理解Avalanche協(xié)議以及它如何不同于其前任的共識協(xié)議， 有必要深入研究計(jì)算機(jī)科學(xué)家過去開發(fā)的工具，這些工具被用于使分布式網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)能夠安全和可靠地進(jìn)行協(xié)作，從而作出集體決定。

計(jì)算機(jī)是強(qiáng)大的工具。這些設(shè)備在幾乎所有領(lǐng)域都變得非常寶貴，因?yàn)樗鼈兡軌蛱幚砀鞣N各樣的任務(wù)，有時(shí)還能同時(shí)快速地處理這些任務(wù)。當(dāng)一組計(jì)算機(jī)在同一功能上協(xié)同工作時(shí)，這些優(yōu)勢就會變得更加復(fù)雜。這是分布式系統(tǒng)工作的前提。

在這種協(xié)議中，聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)（有時(shí)位于遙遠(yuǎn)的地理位置）持有完成給定任務(wù)所必需的組件，而網(wǎng)絡(luò)的有效運(yùn)行是分布式網(wǎng)絡(luò)。在分布式網(wǎng)絡(luò)中，計(jì)算機(jī)通過不斷地相互傳遞數(shù)據(jù)來協(xié)調(diào)它們的操作。為了有效地執(zhí)行任務(wù)，分布式網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)必須能夠?qū)崟r(shí)查看底層數(shù)據(jù)庫的狀態(tài)。

分布式系統(tǒng)在許多場景中是必不可少的。例如，一個(gè)銀行系統(tǒng)需要服務(wù)于地理位置的廣泛泊位，或者一個(gè)向全球客戶開放的在線購物服務(wù)。

這兩個(gè)實(shí)例都需要一種機(jī)制，通過這種機(jī)制可以跨連接網(wǎng)絡(luò)上所有機(jī)器的底層數(shù)據(jù)庫維護(hù)穩(wěn)定的視圖。對于銀行系統(tǒng)，附帶的數(shù)據(jù)庫反映帳戶余額，而在電子商務(wù)場景中，它可以是商品可用的庫存或其他相關(guān)變量。

共識是一致的狀態(tài)。在分布式系統(tǒng)中，這一點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備無法就決策達(dá)成一致，可能會削弱整個(gè)配置。此外，無法支持大量設(shè)備的協(xié)商共識機(jī)制也不利于網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，因此是不可取的。因此，只要存在分布式系統(tǒng)，創(chuàng)建有效的消費(fèi)者機(jī)制就一直是計(jì)算機(jī)科學(xué)家的目標(biāo)。

在過去的四十年中，計(jì)算機(jī)科學(xué)家試圖找到可行的方法來解決這個(gè)普遍存在的問題。在分布式系統(tǒng)領(lǐng)域，協(xié)議主要有兩大類：經(jīng)典協(xié)議和中本協(xié)議。

經(jīng)典的共識協(xié)議是最古老的共識機(jī)制。這組工具是由一組計(jì)算機(jī)科學(xué)家開發(fā)的，并最終授予他們圖靈獎，這對計(jì)算機(jī)科學(xué)家來說相當(dāng)于諾貝爾獎。Leslie Lamport和Barbara Liskov引入了經(jīng)常被引用的拜占庭將軍的類比，用來解釋分布式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)共識的問題。它們也被廣泛認(rèn)為是經(jīng)典共識協(xié)議的創(chuàng)建者。

經(jīng)典的共識協(xié)議是基于實(shí)用的拜占庭容錯(cuò)（PBFT）原則。這種共識協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)包括快速的終局性以及對提交事務(wù)的及時(shí)保證。

缺點(diǎn)包括缺乏可伸縮性。傳統(tǒng)協(xié)議要求參與網(wǎng)絡(luò)的人支付設(shè)備之間的二次通信成本。這意味著網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點(diǎn)必須知道網(wǎng)絡(luò)上的所有其他設(shè)備。超過1000個(gè)節(jié)點(diǎn)的閾值，成本就變得太高，無法證明網(wǎng)絡(luò)是合理的。

此外，在經(jīng)典的共識協(xié)議中，安全性是由節(jié)點(diǎn)的仲裁決定的，這些節(jié)點(diǎn)提交特定的選擇是為了見證所討論的行為。這些節(jié)點(diǎn)必須相互信任。因此，經(jīng)典的協(xié)商共識機(jī)制不太適合無許可數(shù)據(jù)庫，比如數(shù)字貨幣數(shù)據(jù)庫。

這就引出了第二類工具，中本共識協(xié)議。隨著比特幣白皮書的發(fā)布，一種新型的共識機(jī)制應(yīng)運(yùn)而生?！吨斜咀h定書》在許多方面與其前身不同。首先，它特別適合支持分散的、不可靠的系統(tǒng)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)不必相互信任，但仍然能夠達(dá)成協(xié)議。該協(xié)議實(shí)現(xiàn)了這一壯舉，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)不必知道參與網(wǎng)絡(luò)的所有其他設(shè)備。

其次，中本協(xié)議允許任何節(jié)點(diǎn)在任何時(shí)候加入或離開網(wǎng)絡(luò)。它是一個(gè)開放的網(wǎng)絡(luò)，所有的節(jié)點(diǎn)都可以以任何選擇的方式參與網(wǎng)絡(luò)。由于這個(gè)特性，中本協(xié)議可以在全球范圍內(nèi)擴(kuò)展到大量參與者。與傳統(tǒng)模式相比，它還支持更大的審查阻力。

雖然中本協(xié)議開創(chuàng)了數(shù)字貨幣的新時(shí)代，并支持具有重大價(jià)值的加密貨幣部門，但它也并非沒有缺點(diǎn)。

例如，速度仍然是一個(gè)重要問題。盡管最近升級的比特幣網(wǎng)絡(luò)縮短了比特幣交易的等待時(shí)間，但與Visa或萬事達(dá)（Mastercard）等其他支付處理器相比，比特幣交易的等待時(shí)間仍然較長。而且，吞吐量很低，因?yàn)樗棵肟梢蕴幚?到7個(gè)事務(wù)。這些數(shù)字遠(yuǎn)沒有達(dá)到有效支撐一種全球貨幣所需的規(guī)模。

中本協(xié)議在很大程度上依賴于工作證明（PoW）。結(jié)果，這個(gè)共識機(jī)制消耗了大量的能量。隨著人們對環(huán)境問題的關(guān)注不斷升溫，要證明僅僅為網(wǎng)絡(luò)供電所耗費(fèi)的能源是合理的變得越來越困難。

Avalanche協(xié)議

如上所述，兩種協(xié)商共識機(jī)制各有優(yōu)缺點(diǎn)。由匿名rocket Team提出的這套新機(jī)制聲稱比它的兩個(gè)前輩都要好。rocket Team將Avalanche協(xié)議定義為“建立在亞穩(wěn)態(tài)機(jī)制上的一組新的拜占庭式故障容錯(cuò)協(xié)議”。

Avalanche協(xié)議由四種機(jī)制組成，它們相互建立，共同構(gòu)成更大共識工具的整個(gè)結(jié)構(gòu)。提議中描述的四種機(jī)制是Slush， Snowflake， Snowball，和 Avalanche。

它是如何工作的？

白皮書稱，“受到八卦算法的啟發(fā)，這個(gè)新的家庭通過一種故意的亞穩(wěn)態(tài)機(jī)制獲得了它的安全性。”具體來說，系統(tǒng)通過反復(fù)隨機(jī)采樣網(wǎng)絡(luò)，并引導(dǎo)正確的節(jié)點(diǎn)走向相同的結(jié)果來運(yùn)行。分析表明，亞穩(wěn)態(tài)是一種強(qiáng)大的技術(shù)，盡管不是通用的技術(shù)：它可以迅速將一個(gè)大的網(wǎng)絡(luò)移動到不可逆轉(zhuǎn)的狀態(tài)，盡管它并不總是能保證做到這一點(diǎn)。

八卦算法是點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的一種通信類型，它通常涉及對連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行隨機(jī)采樣，然后接收信息。

Avalanche協(xié)議在很大程度上借鑒了八卦協(xié)議的原理，它還利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的子采樣來實(shí)現(xiàn)協(xié)商共識。

要理解Avalanche協(xié)議是如何工作的，請考慮這個(gè)場景。想象一下，如果一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中有一些不可信的節(jié)點(diǎn)，它們希望在兩種顏色（比如藍(lán)色或紅色）之間進(jìn)行選擇。網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)會隨機(jī)選擇一些節(jié)點(diǎn)，并向它們提出問題。

被選擇為樣本組一部分的節(jié)點(diǎn)將用它們選擇的顏色向提問節(jié)點(diǎn)返回一個(gè)答案。使用來自樣本組的響應(yīng)，提問節(jié)點(diǎn)將看到網(wǎng)絡(luò)正傾向于某種顏色。隨后，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都經(jīng)歷同樣的過程，從而在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部達(dá)成共識。

該協(xié)議可以被描述為一個(gè)循環(huán)的次抽樣投票過程。在樣本組中，第一輪投票后顏色之間出現(xiàn)平局的情況下，第二輪投票將以指數(shù)形式降低再次出現(xiàn)平局的概率。此外，此后的每一輪投票都會越來越減少平局的幾率。

這個(gè)特性被稱為亞穩(wěn)性; Avalanche協(xié)議被設(shè)計(jì)成最終降落在一個(gè)選擇上。協(xié)商共識機(jī)制的全部前提是確保網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點(diǎn)之間達(dá)成一致，并避免可能出現(xiàn)的連接。Avalanche的亞穩(wěn)態(tài)協(xié)議被設(shè)計(jì)成將網(wǎng)絡(luò)引向場景中的一種選擇。

回到顏色選擇示例，隨著每一輪投票，網(wǎng)絡(luò)將開始看到節(jié)點(diǎn)傾向于哪個(gè)顏色的模式。隨著每一輪投票的進(jìn)行，網(wǎng)絡(luò)得出這一結(jié)論的速度都比前一輪快。在某一閾值下，網(wǎng)絡(luò)達(dá)到其最終狀態(tài)，所有節(jié)點(diǎn)都決定了一種顏色。

利與弊

Avalanche的特點(diǎn)使它能夠支持難以置信的高速。rocket Team聲稱只需兩秒鐘就能達(dá)到最終狀態(tài)。這意味著只需要兩秒鐘就可以處理和驗(yàn)證事務(wù)。開發(fā)人員還認(rèn)為，Avalanche協(xié)議具有非常高的吞吐量，每秒可以處理1，000到10，000個(gè)事務(wù)。

另一個(gè)重要的特性是它的健壯性。Avalanche協(xié)議工作時(shí)不需要知道或同意參與網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)的細(xì)節(jié)。網(wǎng)絡(luò)不需要就參與者的身份達(dá)成一致，就能達(dá)成不可否認(rèn)的共識。

Avalanche協(xié)議也是有效的能源。因此，協(xié)商共識意見是通過專門的八卦協(xié)議達(dá)成的，從而消除了在工作證明和其他類似機(jī)制中使用同樣大量能源的需要。

此外，由于所有節(jié)點(diǎn)都是相似的，并且具有相同的能力，所以沒有特殊類別的節(jié)點(diǎn)，比如比特幣生態(tài)系統(tǒng)中的礦工。這減少了節(jié)點(diǎn)對網(wǎng)絡(luò)的影響。它還增加了網(wǎng)絡(luò)拜占庭式的容錯(cuò)能力。簡單地說，即使網(wǎng)絡(luò)上50%的節(jié)點(diǎn)是不誠實(shí)或惡意的，網(wǎng)絡(luò)仍然是安全的。

另一個(gè)重要的特性（它可以被看作是優(yōu)點(diǎn)也可以看作缺點(diǎn)）是，對于沖突的事務(wù)沒有活躍性保證。這意味著，如果一個(gè)不誠實(shí)的節(jié)點(diǎn)試圖實(shí)現(xiàn)一個(gè)雙重支出，Avalanche協(xié)議將無法就這兩個(gè)操作達(dá)成一致。

與經(jīng)典協(xié)議和中本協(xié)議相反，Avalanche協(xié)議不能保證在這種情況下有選擇。缺乏共識將導(dǎo)致賠錢。懲罰是任何加密貨幣系統(tǒng)的基本特征，而Avalanche協(xié)議以一種有趣的方式解決了這一問題。缺乏活性保證就會對任何有意的惡意活動產(chǎn)生消極的作用。

雖然加密貨幣世界已經(jīng)對Avalanche協(xié)議表示支持，但是這個(gè)機(jī)制受到了首席開發(fā)人員Vlad Zamfir的批評，Casper表達(dá)了他的想法，即協(xié)議并不像它聲稱的那樣好或安全。他說：“它不是異步安全的，而是概率性的?！?。