雪崩协议（Avalanche）共识协议的新时代？

在2018年5月中旬，一组自称为Team Rocket的开发人员发表了一篇白皮书，名为《Snowflake to Avalanche: 一种新的可转移的共识协议》。

本文将解释该协议如何工作及其对加密货币的潜在影响。

匿名发布

《Snowflake to Avalanche》白皮书是通过流行的分布式文件共享平台IPFS匿名发布的。这个匿名组织的名字是指《精灵宝可梦》卡通系列中由善转恶的组织，其口号是“做好让她加倍麻烦的准备”。

为了响应这一口号，Avalanche白皮书描述了四种协议，它们被设计成在广泛的场景中工作，开发人员将其描述为对现有共识机制的升级。

这份白皮书引起了不同程度的兴趣和兴奋。康奈尔大学(Cornell)教授埃明·塞勒(Emin Gun Sirer)是一位直言不讳的加密货币研究专家。他进一步定义了该协议，“这是一项突破，将中本聪共识的精华与经典共识的精华结合起来”。

共识的历史

要理解Avalanche协议以及它如何不同于其前任的共识协议, 有必要深入研究计算机科学家过去开发的工具，这些工具被用于使分布式网络中的计算机能够安全和可靠地进行协作，从而作出集体决定。

计算机是强大的工具。这些设备在几乎所有领域都变得非常宝贵，因为它们能够处理各种各样的任务，有时还能同时快速地处理这些任务。当一组计算机在同一功能上协同工作时，这些优势就会变得更加复杂。这是分布式系统工作的前提。

在这种协议中，联网计算机(有时位于遥远的地理位置)持有完成给定任务所必需的组件，而网络的有效运行是分布式网络。在分布式网络中，计算机通过不断地相互传递数据来协调它们的操作。为了有效地执行任务，分布式网络中的计算机必须能够实时查看底层数据库的状态。

分布式系统在许多场景中是必不可少的。例如，一个银行系统需要服务于地理位置的广泛泊位，或者一个向全球客户开放的在线购物服务。

这两个实例都需要一种机制，通过这种机制可以跨连接网络上所有机器的底层数据库维护稳定的视图。对于银行系统，附带的数据库反映帐户余额，而在电子商务场景中，它可以是商品可用的库存或其他相关变量。

共识是一致的状态。在分布式系统中，这一点至关重要，因为网络中的设备无法就决策达成一致，可能会削弱整个配置。此外，无法支持大量设备的协商共识机制也不利于网络的目标实现，因此是不可取的。因此，只要存在分布式系统，创建有效的消费者机制就一直是计算机科学家的目标。

在过去的四十年中，计算机科学家试图找到可行的方法来解决这个普遍存在的问题。在分布式系统领域，协议主要有两大类:经典协议和中本协议。

经典的共识协议是最古老的共识机制。这组工具是由一组计算机科学家开发的，并最终授予他们图灵奖，这对计算机科学家来说相当于诺贝尔奖。Leslie Lamport和Barbara Liskov引入了经常被引用的拜占庭将军的类比，用来解释分布式系统中实现共识的问题。它们也被广泛认为是经典共识协议的创建者。

经典的共识协议是基于实用的拜占庭容错(PBFT)原则。这种共识协议的优点包括快速的终局性以及对提交事务的及时保证。

缺点包括缺乏可伸缩性。传统协议要求参与网络的人支付设备之间的二次通信成本。这意味着网络上的所有节点必须知道网络上的所有其他设备。超过1000个节点的阈值，成本就变得太高，无法证明网络是合理的。

此外，在经典的共识协议中，安全性是由节点的仲裁决定的，这些节点提交特定的选择是为了见证所讨论的行为。这些节点必须相互信任。因此，经典的协商共识机制不太适合无许可数据库，比如数字货币数据库。

这就引出了第二类工具，中本共识协议。随着比特币白皮书的发布，一种新型的共识机制应运而生。《中本议定书》在许多方面与其前身不同。首先，它特别适合支持分散的、不可靠的系统。这个网络上的节点不必相互信任，但仍然能够达成协议。该协议实现了这一壮举，因为网络中的节点不必知道参与网络的所有其他设备。

其次，中本协议允许任何节点在任何时候加入或离开网络。它是一个开放的网络，所有的节点都可以以任何选择的方式参与网络。由于这个特性，中本协议可以在全球范围内扩展到大量参与者。与传统模式相比，它还支持更大的审查阻力。

虽然中本协议开创了数字货币的新时代，并支持具有重大价值的加密货币部门，但它也并非没有缺点。

例如，速度仍然是一个重要问题。尽管最近升级的比特币网络缩短了比特币交易的等待时间，但与Visa或万事达(Mastercard)等其他支付处理器相比，比特币交易的等待时间仍然较长。而且，吞吐量很低，因为它每秒可以处理3到7个事务。这些数字远没有达到有效支撑一种全球货币所需的规模。

中本协议在很大程度上依赖于工作证明(PoW)。结果，这个共识机制消耗了大量的能量。随着人们对环境问题的关注不断升温，要证明仅仅为网络供电所耗费的能源是合理的变得越来越困难。

Avalanche协议

如上所述，两种协商共识机制各有优缺点。由匿名rocket Team提出的这套新机制声称比它的两个前辈都要好。rocket Team将Avalanche协议定义为“建立在亚稳态机制上的一组新的拜占庭式故障容错协议”。

Avalanche协议由四种机制组成，它们相互建立，共同构成更大共识工具的整个结构。提议中描述的四种机制是Slush, Snowflake, Snowball,和 Avalanche。

它是如何工作的?

白皮书称，“受到八卦算法的启发，这个新的家庭通过一种故意的亚稳态机制获得了它的安全性。”具体来说，系统通过反复随机采样网络，并引导正确的节点走向相同的结果来运行。分析表明，亚稳态是一种强大的技术，尽管不是通用的技术:它可以迅速将一个大的网络移动到不可逆转的状态，尽管它并不总是能保证做到这一点。

八卦算法是点对点网络中出现的一种通信类型，它通常涉及对连接节点进行随机采样，然后接收信息。

Avalanche协议在很大程度上借鉴了八卦协议的原理，它还利用网络节点的子采样来实现协商共识。

要理解Avalanche协议是如何工作的，请考虑这个场景。想象一下，如果一个网络中有一些不可信的节点，它们希望在两种颜色(比如蓝色或红色)之间进行选择。网络中的一个节点会随机选择一些节点，并向它们提出问题。

被选择为样本组一部分的节点将用它们选择的颜色向提问节点返回一个答案。使用来自样本组的响应，提问节点将看到网络正倾向于某种颜色。随后，网络中的每个节点都经历同样的过程，从而在网络内部达成共识。

该协议可以被描述为一个循环的次抽样投票过程。在样本组中，第一轮投票后颜色之间出现平局的情况下，第二轮投票将以指数形式降低再次出现平局的概率。此外，此后的每一轮投票都会越来越减少平局的几率。

这个特性被称为亚稳性; Avalanche协议被设计成最终降落在一个选择上。协商共识机制的全部前提是确保网络上各节点之间达成一致，并避免可能出现的连接。Avalanche的亚稳态协议被设计成将网络引向场景中的一种选择。

回到颜色选择示例，随着每一轮投票，网络将开始看到节点倾向于哪个颜色的模式。随着每一轮投票的进行，网络得出这一结论的速度都比前一轮快。在某一阈值下，网络达到其最终状态，所有节点都决定了一种颜色。

利与弊

Avalanche的特点使它能够支持难以置信的高速。rocket Team声称只需两秒钟就能达到最终状态。这意味着只需要两秒钟就可以处理和验证事务。开发人员还认为，Avalanche协议具有非常高的吞吐量，每秒可以处理1,000到10,000个事务。

另一个重要的特性是它的健壮性。Avalanche协议工作时不需要知道或同意参与网络的节点的细节。网络不需要就参与者的身份达成一致，就能达成不可否认的共识。

Avalanche协议也是有效的能源。因此，协商共识意见是通过专门的八卦协议达成的，从而消除了在工作证明和其他类似机制中使用同样大量能源的需要。

此外，由于所有节点都是相似的，并且具有相同的能力，所以没有特殊类别的节点，比如比特币生态系统中的矿工。这减少了节点对网络的影响。它还增加了网络拜占庭式的容错能力。简单地说，即使网络上50%的节点是不诚实或恶意的，网络仍然是安全的。

另一个重要的特性(它可以被看作是优点也可以看作缺点)是，对于冲突的事务没有活跃性保证。这意味着，如果一个不诚实的节点试图实现一个双重支出，Avalanche协议将无法就这两个操作达成一致。

与经典协议和中本协议相反，Avalanche协议不能保证在这种情况下有选择。缺乏共识将导致赔钱。惩罚是任何加密货币系统的基本特征，而Avalanche协议以一种有趣的方式解决了这一问题。缺乏活性保证就会对任何有意的恶意活动产生消极的作用。

虽然加密货币世界已经对Avalanche协议表示支持，但是这个机制受到了首席开发人员Vlad Zamfir的批评，Casper表达了他的想法，即协议并不像它声称的那样好或安全。他说:“它不是异步安全的，而是概率性的。”。