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： 一種新的可轉移的共識協議》。

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。這個匿名組織的名字是指《精靈寶可夢》卡通系列中由善轉惡的組織，其口號是“做好讓她加倍麻煩的準備”。

為了響應這一口號，Avalanche白皮書描述了四種協議，它們被設計成在廣泛的場景中工作，開發(fā)人員將其描述為對現有共識機制的升級。

這份白皮書引起了不同程度的興趣和興奮?？的螤柎髮W（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。他進一步定義了該協議，“這是一項突破，將中本聰共識的精華與經典共識的精華結合起來”。

共識的歷史

要理解Avalanche協議以及它如何不同于其前任的共識協議， 有必要深入研究計算機科學家過去開發(fā)的工具，這些工具被用于使分布式網絡中的計算機能夠安全和可靠地進行協作，從而作出集體決定。

計算機是強大的工具。這些設備在幾乎所有領域都變得非常寶貴，因為它們能夠處理各種各樣的任務，有時還能同時快速地處理這些任務。當一組計算機在同一功能上協同工作時，這些優(yōu)勢就會變得更加復雜。這是分布式系統工作的前提。

在這種協議中，聯網計算機（有時位于遙遠的地理位置）持有完成給定任務所必需的組件，而網絡的有效運行是分布式網絡。在分布式網絡中，計算機通過不斷地相互傳遞數據來協調它們的操作。為了有效地執(zhí)行任務，分布式網絡中的計算機必須能夠實時查看底層數據庫的狀態(tài)。

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

這兩個實例都需要一種機制，通過這種機制可以跨連接網絡上所有機器的底層數據庫維護穩(wěn)定的視圖。對于銀行系統，附帶的數據庫反映帳戶余額，而在電子商務場景中，它可以是商品可用的庫存或其他相關變量。

共識是一致的狀態(tài)。在分布式系統中，這一點至關重要，因為網絡中的設備無法就決策達成一致，可能會削弱整個配置。此外，無法支持大量設備的協商共識機制也不利于網絡的目標實現，因此是不可取的。因此，只要存在分布式系統，創(chuàng)建有效的消費者機制就一直是計算機科學家的目標。

在過去的四十年中，計算機科學家試圖找到可行的方法來解決這個普遍存在的問題。在分布式系統領域，協議主要有兩大類：經典協議和中本協議。

經典的共識協議是最古老的共識機制。這組工具是由一組計算機科學家開發(fā)的，并最終授予他們圖靈獎，這對計算機科學家來說相當于諾貝爾獎。Leslie Lamport和Barbara Liskov引入了經常被引用的拜占庭將軍的類比，用來解釋分布式系統中實現共識的問題。它們也被廣泛認為是經典共識協議的創(chuàng)建者。

經典的共識協議是基于實用的拜占庭容錯（PBFT）原則。這種共識協議的優(yōu)點包括快速的終局性以及對提交事務的及時保證。

缺點包括缺乏可伸縮性。傳統協議要求參與網絡的人支付設備之間的二次通信成本。這意味著網絡上的所有節(jié)點必須知道網絡上的所有其他設備。超過1000個節(jié)點的閾值，成本就變得太高，無法證明網絡是合理的。

此外，在經典的共識協議中，安全性是由節(jié)點的仲裁決定的，這些節(jié)點提交特定的選擇是為了見證所討論的行為。這些節(jié)點必須相互信任。因此，經典的協商共識機制不太適合無許可數據庫，比如數字貨幣數據庫。

這就引出了第二類工具，中本共識協議。隨著比特幣白皮書的發(fā)布，一種新型的共識機制應運而生?！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。這個網絡上的節(jié)點不必相互信任，但仍然能夠達成協議。該協議實現了這一壯舉，因為網絡中的節(jié)點不必知道參與網絡的所有其他設備。

其次，中本協議允許任何節(jié)點在任何時候加入或離開網絡。它是一個開放的網絡，所有的節(jié)點都可以以任何選擇的方式參與網絡。由于這個特性，中本協議可以在全球范圍內擴展到大量參與者。與傳統模式相比，它還支持更大的審查阻力。

雖然中本協議開創(chuàng)了數字貨幣的新時代，并支持具有重大價值的加密貨幣部門，但它也并非沒有缺點。

例如，速度仍然是一個重要問題。盡管最近升級的比特幣網絡縮短了比特幣交易的等待時間，但與Visa或萬事達（Mastercard）等其他支付處理器相比，比特幣交易的等待時間仍然較長。而且，吞吐量很低，因為它每秒可以處理3到7個事務。這些數字遠沒有達到有效支撐一種全球貨幣所需的規(guī)模。

中本協議在很大程度上依賴于工作證明（PoW）。結果，這個共識機制消耗了大量的能量。隨著人們對環(huán)境問題的關注不斷升溫，要證明僅僅為網絡供電所耗費的能源是合理的變得越來越困難。

Avalanche協議

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

Avalanche協議由四種機制組成，它們相互建立，共同構成更大共識工具的整個結構。提議中描述的四種機制是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)，這個新的家庭通過一種故意的亞穩(wěn)態(tài)機制獲得了它的安全性。”具體來說，系統通過反復隨機采樣網絡，并引導正確的節(jié)點走向相同的結果來運行。分析表明，亞穩(wěn)態(tài)是一種強大的技術，盡管不是通用的技術：它可以迅速將一個大的網絡移動到不可逆轉的狀態(tài)，盡管它并不總是能保證做到這一點。

八卦算法是點對點網絡中出現的一種通信類型，它通常涉及對連接節(jié)點進行隨機采樣，然后接收信息。

Avalanche協議在很大程度上借鑒了八卦協議的原理，它還利用網絡節(jié)點的子采樣來實現協商共識。

要理解Avalanche協議是如何工作的，請考慮這個場景。想象一下，如果一個網絡中有一些不可信的節(jié)點，它們希望在兩種顏色（比如藍色或紅色）之間進行選擇。網絡中的一個節(jié)點會隨機選擇一些節(jié)點，并向它們提出問題。

被選擇為樣本組一部分的節(jié)點將用它們選擇的顏色向提問節(jié)點返回一個答案。使用來自樣本組的響應，提問節(jié)點將看到網絡正傾向于某種顏色。隨后，網絡中的每個節(jié)點都經歷同樣的過程，從而在網絡內部達成共識。

該協議可以被描述為一個循環(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平局的情況下，第二輪投票將以指數形式降低再次出現平局的概率。此外，此后的每一輪投票都會越來越減少平局的幾率。

這個特性被稱為亞穩(wěn)性; Avalanche協議被設計成最終降落在一個選擇上。協商共識機制的全部前提是確保網絡上各節(jié)點之間達成一致，并避免可能出現的連接。Avalanche的亞穩(wěn)態(tài)協議被設計成將網絡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，網絡將開始看到節(jié)點傾向于哪個顏色的模式。隨著每一輪投票的進行，網絡得出這一結論的速度都比前一輪快。在某一閾值下，網絡達到其最終狀態(tài)，所有節(jié)點都決定了一種顏色。

利與弊

Avalanche的特點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到最終狀態(tài)。這意味著只需要兩秒鐘就可以處理和驗證事務。開發(fā)人員還認為，Avalanche協議具有非常高的吞吐量，每秒可以處理1，000到10，000個事務。

另一個重要的特性是它的健壯性。Avalanche協議工作時不需要知道或同意參與網絡的節(jié)點的細節(jié)。網絡不需要就參與者的身份達成一致，就能達成不可否認的共識。

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

此外，由于所有節(jié)點都是相似的，并且具有相同的能力，所以沒有特殊類別的節(jié)點，比如比特幣生態(tài)系統中的礦工。這減少了節(jié)點對網絡的影響。它還增加了網絡拜占庭式的容錯能力。簡單地說，即使網絡上50%的節(jié)點是不誠實或惡意的，網絡仍然是安全的。

另一個重要的特性（它可以被看作是優(yōu)點也可以看作缺點）是，對于沖突的事務沒有活躍性保證。這意味著，如果一個不誠實的節(jié)點試圖實現一個雙重支出，Avalanche協議將無法就這兩個操作達成一致。

與經典協議和中本協議相反，Avalanche協議不能保證在這種情況下有選擇。缺乏共識將導致賠錢。懲罰是任何加密貨幣系統的基本特征，而Avalanche協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生消極的作用。

雖然加密貨幣世界已經對Avalanche協議表示支持，但是這個機制受到了首席開發(fā)人員Vlad Zamfir的批評，Casper表達了他的想法，即協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?！?。