雪花還是雪崩——Avalanche能否成為下一代主流共識協議？_ALA

摘要

分布式系統中的共識問題一直是計算機科學領域中的重要問題。經典共識協議具有強一致性、高效的特點，然而卻存在通訊成本高，封閉性的問題；因比特幣而為人所熟知的中本聰共識協議具有開放性，無權限的特性，卻也存在成本高昂、浪費資源且性能有限的局限性。在2018年誕生的Avalanche共識協議則是結合了上述兩類協議的優點，借鑒中本聰協議的類似設計，采用概率性的安全保證，使用可調的安全參數來使共識失敗的概率任意小；另外加入了BFT屬性，增加系統的效率和安全性。Avalanche是一種基于亞穩態機制的分布式拜占庭容錯協議，共由Slush，Snowflake，Snowball和Avalanche四個子協議組成：Slush協議是Avalanche協議系列中最基礎的部分，該協議通過多次重復的隨機抽樣方式來使節點之間達成共識；盡管Slush協議是穩定的，但有拜占庭節點存在的情況下，該協議并不能提供強大的安全保證。為此，Rocketteam在Slush協議的基礎上增加了一個計數器來增加系統的安全性，該協議即Snowflake協議；Snowflake協議要求每次顏色的翻轉都會重置計數器，為了使系統獲得更高的安全性，在Snowflake協議的基礎上引入了一個更加持久的可信度，這就是Snowball協議；Avalanche是亞穩態協議族的最后一個協議，它在Snowball協議的基礎上增加了有向無循環圖來記錄所有的交易狀態。在Avalanche協議的論文發布后，人們還沒有發現Avalanche協議與零確認交易之間有什么關系。然而在2018年12月左右，BCH社區的技術人員認為可以使用Avalanche協議來保證零確認交易的安全性。然而，上述方案只是BCH技術人員的初步設想，目前BCH的Avalanche協議仍然在進行開發中，預計2019年底或2020年初進入主網測試階段。風險提示：數字貨幣具有高風險性，區塊鏈技術處于發展早期尚不成熟，政策監管態度不明。報告正文

香港財政司司長：Web3.0的基礎技術是區塊鏈，區塊鏈未來一定會繼續發展:6月9日消息，香港財政司司長陳茂波在 2023 財新夏季峰會上發言稱，盡管確實有部分虛擬資產服務提供者在經營上不規矩，比如經營者自己的資金和客戶的資金違規混合在一起，經營者自己運作平臺，同時也做莊家。但 web 3.0 的基礎技術是區塊鏈，不管你喜不喜歡，區塊鏈未來一定會繼續發展。

陳茂波表示，區塊鏈可以建立開放、安全和低成本的平臺，香港計劃引入合適的監管制度，以推動香港繼續負責任地發展互聯網 3.0 和虛擬資產。[2023/6/9 21:25:49]

1.引言

在區塊鏈領域，不是每天都會有人出來說“我有一個新的顛覆性突破”，即便有，也更多地來源于廣告營銷。從十年前中本聰在比特幣白皮書中提出的PoW機制，到五年前以太坊的智能合約，近幾年能有上述這些如明星般璀璨的技術突破案例乏善可陳。然而，在2018年出現的Avalanche共識協議可能是其中的例外。2018年5月，一個名為“Rocketteam”的匿名團隊在星際文件系統上發表了一篇名為《從“雪花”到“雪崩”：一種新型的亞穩態共識協議族》的論文，該論文立刻引起了人們巨大的關注。Avalanche是一種新型的區塊鏈共識協議，由Rocketteam從gossip協議中獲得靈感，通過亞穩態機制來保證系統的安全。相比于目前主流的共識算法，Avalanche具有許多優良特性，有望成為下一代區塊鏈共識算法中的明珠。正如康奈爾大學教授埃米·岡·瑟勒所言：“Avalanche描述了一種新的共識協議，它將中本聰共識協議與經典共識協議相結合，這是一次重大的突破。”2.早期共識協議的發展

Bitstamp：暫時停止支持通過Silvergate Bank進行的所有美元電匯:金色財經報道，Bitstamp在其官方博客發布聲明稱，這家總部位于盧森堡的加密貨幣交易所已經為所有用戶暫時取消了Silvergate Exchange Network (SEN) 服務，以及通過Silvergate Bank提供的所有美元電匯支持，對于即時美元支付，目前需要使用Signature銀行的SigNet服務。此外，Bitstamp澄清，客戶資金是安全的，Bitstamp對Silvergate Bank沒有重大風險，該交易所與全球17家銀行合作伙伴合作，并實施了替代銀行服務，以確保將對客戶的干擾降到最低。[2023/3/3 12:39:46]

分布式系統中的共識問題一直是計算機科學領域的一個重要問題。目前人們主要有兩類共識協議來解決該問題：一類是經典共識協議，另一類是中本聰共識協議。經典共識協議由圖靈獎得主蘭伯特提出，具有強一致性、高效的特點，然而它也存在一些缺點，首先是通信成本，在經典共識協議下，節點的個數不能超過1000個，因為系統的通信成本會隨著節點數量的增加呈二次指數形式增長；其次是要求網絡中所有的節點都是可信的，因此節點無法自由進出。另一類共識協議則是因比特幣而被眾人所熟知的中本聰共識協議，這類協議無法達到強一致性，但為系統提供了一個安全的概率保證——在實際運行中，只要達到一定的參數標準，共識就是不可逆的。采用該協議的系統具有開放性，無權限的特性，任何節點都可以隨時加入網絡，然而也存在成本高昂、浪費資源且性能有限的缺陷。而Avalanche共識協議則是結合了上述兩類協議的優點，借鑒中本聰協議的類似設計，采用概率性的安全保證，使用可調的安全參數來使共識失敗的概率任意小；另外加入了BFT屬性，增加系統的效率和安全性。3.從“雪花”到“雪崩”：Avalanche協議介紹

數據：標記為Alameda的地址已從Poloniex轉移約750萬美元的加密貨幣至幣安:11月7日消息，派盾（PeckShield）監測顯示，價值750萬美元的加密貨幣已通過標記為Alameda的地址從交易所Poloniex轉移到幣安，該地址最近1小時內的幣安存款包括約1,175枚ETH（約合1,858,248.53美元）和約570萬枚穩定幣（USDT和USDC）。[2022/11/7 12:27:56]

3.1.Avalanche基本原理

Avalanche是一種基于亞穩態機制的分布式拜占庭容錯協議，可為系統提供強大的安全保障，此外，其并發性的特征可實現高吞吐量和可擴展性。Avalanche一共由Slush、Snowflake、Snowball和Avalanche四個子協議組成：首先是最簡單的Slush協議，隨后在Slush的基礎上，又逐次構建了Snowflake、Snowball和Avalanch三個BFT協議。3.2.Slush協議

Slush協議是Avalanche協議系列中最基礎的部分，Slush協議的靈感來源于Gossip協議。該協議通過多次重復的隨機抽樣方式來使節點之間達成共識。為了簡單地理解該協議的基本原理，這里我們引用Avalanche白皮書里在一個無信任的分布式網絡中，節點投票選擇藍色或紅色作為最終顏色的例子。在Avalanche協議下，節點之間達成共識的步驟如下：所有的節點在初始時都是未著色的狀態；當節點從客戶端接受到交易信息時，未著色的節點A將自己的顏色更新為交易所攜帶的顏色，并向其他節點發起詢問。如果是未著色節點B收到詢問請求，那么該節點就會染成相同顏色，并對節點A進行相同顏色的回復，同時向另外的其他節點發起詢問；如果是已經著色的節點C收到詢問請求，那么節點就對節點A發出自己顏色的回復；如果節點A沒有在限定時間內收到k個響應，那么節點A就會從剩余節點中繼續選擇一些節點發出并發出請求，直到收集到k個響應；節點A收集到K個響應后，就會檢查是否存在相同顏色的樣本數值/總樣本數，使αk，這里α是協議的參數，并且α>0.5；如果x<αk，那么節點將會改變顏色；否則不改變顏色；Slush協議有許多優良的特性：狀態簡單：在該協議下節點可以是無內存的。節點在每輪查詢之間除了保留當前顏色之外不保留任何狀態，特別是不保留與其他節點交互的歷史記錄；小樣本：Slush協議與傳統共識協議有顯著的不同，傳統共識協議要求對每個參與者進行查詢，而Slush協議只是在每一輪中隨機抽取網絡中一個小的且大小固定的部分；重復抽樣：Slush要求進行m輪重復抽樣。此時，即使網絡一開始處于50/50紅藍分割的亞穩態，采樣過程中的隨機擾動也會導致一種顏色獲得微弱的優勢，之后的重復采樣將建立并放大這種優勢；通信成本低：每個節點每輪都有一個恒定的、可預測的通信成本，并且該成本隨n呈對數型增長。3.3.Snowflake協議

前Citadel Securities高管籌集5000萬美元創建加密做市商Portofino Technologies:金色財經報道，前Citadel Securities高管Leonard Lancia和Alex Casimo已經籌集了5000萬美元，他們將創建加密做市商Portofino Technologies。

這家公司得到了Valar Ventures、Global Founders Capital和Coatue的支持，估值沒有披露。

該創業公司成立于去年4月，正在建立一個數字資產的高頻交易技術，并聲稱已經在集中式和分散式的加密貨幣交易所和柜臺上交易了數十億美元。其客戶包括需要獲得數字資產市場流動性的機構和web3項目。（the block）[2022/9/15 6:58:45]

盡管Slush協議有許多優良的特性，但是當Slush協議部署在具有拜占庭節點的網絡中時，攻擊者可能會干擾決策。特別是如果誠實節點偏愛一種顏色，那么攻擊者可以嘗試將節點翻轉到相反的顏色，以保持網絡的平衡。Slush協議本身是穩定的，但有拜占庭節點存在的情況下，它本身并不能提供強大的安全保證。為此，Rocketteam在Slush協議的基礎上增加了一個計數器來增加系統的安全性，該協議即Snowflake協議。具體而言，在Snowflake協議里，計數器可以記錄有多少個連續的樣本都產生了同一個顏色。如果一個節點的計數值cnt超過了某個閾值β，它就會接受當前的顏色。這里的β是系統的另外一個安全參數。當該協議為拜占庭節點閾值和所需的保證數設定參數后，就可確保系統的安全性和活躍度。3.4.Snowball協議

CoinShares：上周數字資產投資產品資金流出總額為6300萬美元:9月13日消息，據CoinShares周報數據，上周數字資產投資產品資金流出總額為6300萬美元，是連續第五周流出。流出的規模仍然相對較小，過去5周總計9900萬美元。其中，以太坊投資產品上周資金流出總計6200萬美元，盡管合并的確定性有所提高，這可能凸顯了投資者對事件可能不會按計劃進行的擔憂。比特幣投資產品連續第5周資金外流，總計1300萬美元，而做空比特幣的投資產品資金流入總計1100萬美元，突顯出持續的負面情緒。 其他加密貨幣投資產品的資金流入總額為100萬美元，Polygon和Cardano排名前2位，各為40萬美元。[2022/9/13 13:26:04]

在歷史上，以太坊前前后后共經過七次硬分叉，其中與本次“君士坦丁堡”類似的還有“家園”階段和“拜占庭”階段的硬分叉，而其他的硬分或是是為了突發事件，或是在宣傳和規模上較小，與本次硬分叉沒有可比性。以太坊每次因技術升級帶來的硬分叉都會給ETH帶來巨大的行情波動。基于這一現象，我們選取上述兩次歷史上的硬分叉進行分析。Snowflake協議的狀態是短暫的：每次顏色的翻轉都會重置計數器。盡管從理論上將該協議能以最小的狀態代價保證系統的安全性，但是為了使系統的安全性更高，Rocketteam在Snowflake協議的基礎上引入了一個更加持久的可信度，這就是Snowball協議。具體而言，Snowflake協議和Snowball協議的區別如下：每成功查詢一次，節點就為該顏色的信任度計數值加1；在當前顏色的信任度計數值低于新顏色的信任度計數值時，節點將切換顏色。至此，Snowball協議不僅比Snowflake更難遭受攻擊，而且更容易推廣到多命令協議。3.5.Avalanche協議

Avalanche是亞穩態協議族的最后一個協議，它在Snowball協議的基礎上增加了有向無循環圖來記錄所有的交易狀態。DGA只有一個點，即創世點。引入DAG主要有兩個好處：高效性，給DAG中的某個節點投票就意味著給從創世點到該節點的路徑上的所有節點都投票，這提高了協議的效率；安全性，因為DAG里包含著交易信息，類似于區塊鏈的鏈式結構特征。這使得在沒有誠實節點的批準下，很難撤銷過去的決策。維護DAG的核心挑戰是在沖突交易中進行選擇，在加密貨幣的應用中，花費相同資金的交易即沖突，這些沖突的交易形成一個沖突集，誠實節點只能接受沖突集中的一筆交易。需要注意的是，包含有效交易的沖突集總是一個單元素集合。Avalanche協議實際上是一個體現了所有沖突集的Snowball協議。然而Snowball協議使用重復查詢和多個計數器來獲取在沖突交易中的信任值，而Avalanche協議則是利用DAG結構并使用交易的子代來達到此目的。具體流程如下所示：當節點A收到一個新交易T時，它就發起一個的查詢流程，啟動查詢的節點會把T加入自己已知的交易集合；收到消息的其他節點會查詢自己的DAG交易集，看看是否存在T交易的父交易，如果存在，那么交易T就可以看成是非常可信的，即確認該交易；否則，只要T交易的任何一個祖先交易不滿足條件，那么該筆交易就會被確認為非法；當節點A收到k個響應后，就會檢查是否存在至少αk個確認該筆交易的信息，如果是，那么T就會收集到一個Chit值，記為CuT=1，否則CuT=0。；上述的過程會為DAG中的每個交易標記上Chit值以及它關聯的可信度值的大小。需要注意的是，Chit是在一次抽樣中產生的，是不可變的值，取值只能為0或1，而它的可信度值是可以累加的，該值會隨著DAG的擴展而增加；圖7是一個交易被打上chit值和可信度值的DAG圖，圖中每個交易的查詢結果用來表示，顏色更深的方塊表示可信度更高。比如，T2的可信度是5，它比T3的可信度要高。這也就意味著，T2的后代比T3的后代更容易收集到Chit。3.6.Avalanche協議的特性

從實際情況看，在“家園”硬分叉階段，由于2015年下半年以太坊Frontier版本的發布，讓人們看到了以太坊的技術實力和智能合約的潛力，為此市場對即將到來的“家園”版本普遍持樂觀態度，因此以太坊在分叉前的幾個月處于上漲通道，此過程中必然有泡沫的累積，在硬分叉結束后市場的樂觀預期也隨之結束，因此硬分叉后ETH價格的下跌成為必然。在上文中我們介紹了Avalanche協議的基本原理，現在我們來具體分析Avalanche協議有什么優良特性。高效的可擴展性：因為協議是輕量級的，所以可以提供擴展性和低延遲；高拜占庭容錯：即使網絡中有超過50%的節點是拜占庭節點，網絡依然是安全的;靜態綠色：在Avalanche協議下，網絡運行時可持續的，與PoW機制不同，Avalanche協議不會浪費任何資源;低通信成本：傳統共識協議的通信復雜度為O(n^2)，而Avalanche協議的在O到O之間。4.零確認交易與Avalanche協議

在Avalanche協議的論文發布后，人們還沒有發現Avalanche協議與零確認交易之間有什么關系。然而在2018年12月左右，BCH社區的技術人員ChrisPacia發表一篇文章，認為可以使用Avalanche協議來保證零確認交易的安全性，至此引起了市場的廣泛興趣。在前文中我們提到，Avalanche協議要求經過m輪重復抽樣后來達成共識，為了限制確認的時間，重復抽樣的次數必須受到限制，而這意味著，當網絡中惡意節點的數量嘗過一定比例后，在受限制的重復抽樣輪次里，誠實節點之間無法達成共識。為此，ChrisPacia認為可以引入PoW機制作為反sybil機制來保護網絡的安全，阻止黑客激活的攻擊節點數量超過閾值。具體而言，如果在網絡上沒有雙重支付，那么礦工接收交易到他們的內存池中，選擇要放入區塊的交易，并將打包好的區塊廣播到網絡。此時，礦工之間甚至沒有發送avalanche消息。當雙重支付進入礦工的內存池時，它會觸發avalanche過程。礦工開始向相互發送avalanche查詢并執行n輪。最終，所有礦工都會決定交易A是有效的，B是無效的，或者A是無效的，B是有效的。上述方案只是BCH技術人員的初步設想。目前，BCH的Avalanche協議仍然在進行開發中，預計2019年底或2020年初進入主網測試階段。5.結論

Avalanche作為一種亞穩態的共識協議，通過多次重復抽樣的方式來使節點之間達成共識。為此，相較于經典共識協議和中本聰共識協議，Avalanche具有高拓展性、靜態綠色以及低通信成本的特點。同時，由于Avalanche協議中引入了可信度，而可信度會隨著DGA的擴展而累加，這意味著可達成預共識，即采用Avalanche有可能實現零確認交易。目前BCH團隊已經展開了相關技術的研發測試，一旦實現零確認交易，這將是對BCH的重大利好。

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