「雪崩」協議為何引起關注？

1.引言

近期，Avalanche主網正式上線，OKEx也已經上架Avalanche原生代幣AVAX，曾獲得「共識協議3.0」之稱的Avalanche重回大眾視野，為何Avalanche一舉一動受到如此大的市場關注？

這一切要從2015年5月說起，康奈爾大學出現了一篇《從「雪花」到「雪崩」：一種新型的亞穩態共識協議族》的論文，在市場上引發了雪崩式的迅速反響，成為可以和中本聰的PoW機制、以太坊智能合約相媲美的顛覆性技術創新。

2.結合早期協議優點並改進缺點

正如康奈爾大學教授埃米·岡·瑟勒（Emin Gun Sirer）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」。在此之前，經典共識協議和中本聰共識協議是早期兩類解決分散式系統拜占庭問題的主要共識協議。

分散式系統中的共識問題一直是計算機科學領域的重要話題，而拜占庭將軍問題則是重中之重。戰爭時期，在軍隊可能有叛徒和間諜的情況下忠誠的將軍如何達成一致的意見，這便是拜占庭將軍問題。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，但也有通信成本高、節點無法自由進出的缺點。

圖1：經典共識協議（PBFT）工作原理

資料來源：《區塊鏈技術指南》，OKEx Research

而著名的中本聰共識協議則創造性地用概率保證實際運行的共識，解決了節點無法自由進出的問題，但是成本高昂問題仍未被解決。

圖2：中本聰共識協議工作原理

資料來源：OKEx Research

Avalanche共識協議則結合了兩類協議的優點：借鑒了中本聰協議概率性安全保障的設計，同時加入了BFT屬性，增加系統的效率和安全性。

3.Avalanche原理：「雪花」到「雪崩」的層層完善

正如Avalanche白皮書提到的「雪花」到「雪崩」過程，Avalanche的4個子協議組成正是從最簡單的Slush協議，到Snowflake、Snowball 和 Avalanch，逐步完善，形成了「雪花」到「雪崩」的質變。

3.1. 「雪泥」Slush 協議：萬物之初

Slush協議是最基礎的「雪泥」，通過多次隨機抽樣來達成共識。為便於理解，這裡我們以投票確認顏色為例。節點達成共識的步驟如下：

（1）初始狀態時所有的節點均未著色；

（2）當節點A收到信息時，未著色的節點將信息顏色設為自己的顏色，並詢問其他節點的顏色；

（3）未著色的節點B收到詢問，將自己染成相同顏色並回復；已著色的節點C收到詢問會回復自己的顏色；

（4）節點A收到多個響應後，如果大多數顏色和自己的一直，則不改變顏色，否則改變顏色，即以大多數其他節點的顏色反饋來校正自己的顏色。

Slush協議就已經解決了經典共識協議通訊成本高的問題，還用部分抽樣等方式避免了中本聰共識協議高能耗的問題。後續協議的改進主要為了提升共識協議安全性。

3.2. 「雪花」Snowflake協議：初步改善

在拜占庭節點存在的情況下，Slush不能提供強大的安全保證。為此，Snowflake作為升級版協議引入了計數器（Counter）來增加系統的安全性。

具體而言，網路中的攻擊節點故意散播錯誤的顏色，可能導致Slush某一輪統計得到錯誤的顏色，而Snowflake的計數器統計了某種顏色連續出現的次數，只有某種顏色連續出現多次，節點才會改變自己的顏色。如此避免了拜占庭節點帶來的干擾，確保了系統的安全性和活躍度。

3.3. 「雪球」Snowball協議：深入升級

Snowball在Snowflake的基礎上更進一步地。引入了類似信譽積分的制度——信任度，以提高安全性。

具體而言，Snowflake協議的改進如下：

（1）每成功查詢一次，節點就為該顏色的信任度加1分；

（2）節點會切換為信任度較高的顏色。

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。

3.4. 「雪崩」Avalanche協議：量變到質變

終極Boss「雪崩」——Avalanche又在Snowball的基礎上增加了有向無循環圖（DAG）來記錄所有的交易狀態。在DAG中，如果想給從創世點到某節點路徑上的所有節點都投票只需要給該節點投票，大大提高了效率。其次，DAG有著類似於區塊鏈的鏈式結構記錄交易信息，使得過去的交易信息很難被篡改，進一步提升了安全性。

圖3：DAG示意圖

資料來源：《區塊鏈新共識演算法 Snowflake to Avalanche》，OKEx Research

3.5. Avalanche協議：集前期協議之大成

吸取了早期兩個共識協議的優點，並經過4個協議層次遞進、逐步改善，Avalanche協議具有許多優良特性。

（1）高效的可擴展性：輕量級，可擴展，低延遲；

（2）高拜占庭容錯：即使網路中有超過50%的節點是拜占庭節點，網路依然是安全的;

（3）靜態綠色：與PoW機制不同，Avalanche協議不會浪費任何資源;

（4）低通信成本：Avalanche協議比傳統共識協議的通訊複雜度更低。

4. 零確認交易與Avalanche協議

Avalanche剛面世時，人們還沒有發現Avalanche協議與零確認交易之間有什麼關係。然而在2018年12月左右，BCH社區的技術人員Chris Pacia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，一時起千層浪，引發了市場的廣泛興趣。

Avalanche協議的確認需要多次抽樣，為縮短確認時間，則抽樣次數必須受到限制，這意味著，惡意節點超過一定比例後，在有限抽樣里誠實節點無法達成共識。為此，Chris Pacia認為可以引入PoW機制來保護網路的安全，防止黑客的攻擊節點數量太多。

5. Avalanche現狀：眾望所歸

自2018年Avalanche白皮書發布以來，受到了廣泛的首肯心折，許多VC相競為之折腰。2019 年，雪崩協議Ava獲得了 a16z、Polychain Capital 等機構 600 萬美元融資。2020年6月，AVA Lab又完成了一筆1200萬美元的代幣私募融資，同年7月，又獲得IOSG Ventures的戰略投資，並就中國市場未來發展達成獨家戰略合作協議。根據最新消息，AVA的公募將於7月8日開啟。

6. 結語

Avalanche結合了早期兩種共識協議的優點並改進其缺點，具有高拓展性、靜態綠色以及低通信成本的優點。同時，從Slush到Avalanche層層遞進、逐步完善，引入計數器、可信度、DAG等，日臻完善，並且有可能實現零確認交易。