Snowflake to Avalanche:一种新型的亚稳态共识协议族

万向区块链技术研究报告 | 雪崩协议 (Avalanche)技术调研 区块链技术迅猛发展,新想法、新概念、新名词层出不穷。万向区块链因此推出“技术研究报告”专栏,定期与大家分享在区块链行业创新及热门技术方面的研究成果,带领大家第一时间研究学习新技术,紧跟技术发展趋势,探索发掘技术的应用价值。 在《雪崩协议 Avalanche 技术调研》一文中,我们将共同探索Avalanche共识算法的工作原理、优缺点及其在联盟链中的应用场景。 本文作者:万向区块链通用架构技术部 陈炫慧 导论 2015年5月,康奈尔大学发表了一篇《从“雪花”到“雪崩”:一种新型的亚稳态共识协议族》. 阅读详情

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该论文于2018年5月首次披露,提出了一种基于亚稳态机制(metastable)的共识协议族。作者是一个神秘团队Team Rocket(火箭队?)。

所谓亚稳态,是指系统在某段时间内处于稳定状态,但在另外一段时间内可能是不稳定的。稳态代表了系统的最低能量点,而亚稳态则是一个局部的而非全局的最低能量点。以下图中的小球为例,如果用比较小的力推小球,则会停留在位置1这个亚稳态上,而如果用比较大的力推,则会进入位置3这个真正的稳态上。
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那么这个新的共识协议族有什么特点呢?

  • 绿色(Green):消耗很少能源
  • 安静(Quiescent):没有交易时不需要工作(出块)
  • 高效(Efficient):节点交互复杂度O(knlogn) ~ O(kn)

如何实现以上目标?主要依赖以下几种措施:

  • 并行共识模型:不使用单一复制状态机(RSM)模型,每个节点维护自己的RSM(可以互相转移所有权),系统对有关联的交易只维护偏序(partial order)
  • 反复随机采样:引导诚实节点产生相同输出
  • 亚稳态决策:亚稳态决策可以使得一个大网络快速推进到一个不可逆的状态(虽然不能100%保证)

既然是共识协议,必然绕不过安全性和活性的证明。我们先看一下这两个特性的定义:

  • 安全性(Safety):nothing bad happens
  • 活性(Liveness):something good eventually happens

该论文证明,文中提出的算法可以提供强概率安全性保证,并且保证诚实节点的活性。所谓“强概率安全保证”,是指共识被逆转的可能性小到可以被忽略(甚至小于哈希冲突的概率),实际上POW提供的也是强概率安全性保证。
另外,文中的理论分析是基于同步系统假设,而实验过程则是在部分同步系统中完成的,实验结果和理论分析基本吻合。

下面开始依次介绍这四种共识算法。

Slush(雪泥)

该算法的灵感来源于Gossip(流言)协议,或者也被称为Epidemic(传染病)协议,主要用于数据同步。
算法流程参见下图:
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为了算法的通用性,这里是以颜色冲突为例:R表示红色,B表示蓝色,⊥表示没有颜色(初始状态)。

  • 初始状态:没有颜色(⊥)
  • 收到交易:染成交易中指定的颜色,同时发起查询
  • 查询:在网络中随机选取k个节点,如果规定时间内没有收到k个回复,再多选一些节点,直到收到k个回复为止
  • 收到查询:如果没有染色,染成查询中指定的颜色,并回复该颜色,同时自己也发起查询。否则直接回复自己当前的颜色
  • 决策:收到k个回复后,如果某种颜色所占比例超过阈值α(0.5~1),则把自己染成那种颜色。然后继续进入下一轮查询,一共查询m轮,决定最终结果
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