Snowflake to Avalanche：一种新型的亚稳态共识协议族

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。

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：

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