雪崩協議(Avalanche)共識協議的新時代?

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在2018年5月中旬,一組自稱為Team Rocket的開發人員發表了一篇白皮書,名為《Snowflake to Avalanche: 一種新的可轉移的共識協議》。
本文將解釋該協議如何工作及其對加密貨幣的潛在影響。匿名釋出《Snowflake to Avalanche》白皮書是透過流行的分散式檔案共享平臺IPFS匿名釋出的。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。康奈爾大學(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於其前任的共識協議, 有必要深入研究電腦科學家過去開發的工具,這些工具被用於使分散式網路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。這些裝置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,這些優勢就會變得更加複雜。這是分散式系統工作的前提。在這種協議中,聯網計算機(有時位於遙遠的地理位置)持有完成給定任務所必需的元件,而網路的有效執行是分散式網路。在分散式網路中,計算機透過不斷地相互傳遞資料來協調它們的操作。為了有效地執行任務,分散式網路中的計算機必須能夠實時檢視底層資料庫的狀態。分散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於地理位置的廣泛泊位,或者一個向全球客戶開放的線上購物服務。
這兩個例項都需要一種機制,透過這種機制可以跨連線網路上所有機器的底層資料庫維護穩定的檢視。對於銀行系統,附帶的資料庫反映帳戶餘額,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數。共識是一致的狀態。在分散式系統中,這一點至關重要,因為網路中的裝置無法就決策達成一致,可能會削弱整個配置。此外,無法支援大量裝置的協商共識機制也不利於網路的目標實現,因此是不可取的。因此,只要存在分散式系統,建立有效的消費者機制就一直是電腦科學家的目標。 在過去的四十年中,電腦科學家試圖找到可行的方法來解決這個普遍存在的問題。在分散式系統領域,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。這組工具是由一組電腦科學家開發的,並最終授予他們圖靈獎,這對電腦科學家來說相當於諾貝爾獎。Leslie Lamport和Barbara Liskov引入了經常被引用的拜占庭將軍的類比,用來解釋分散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建立者。經典的共識協議是基於實用的拜占庭容錯(PBFT)原則。這種共識協議的優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路的人支付裝置之間的二次通訊成本。這意味著網路上的所有節點必須知道網路上的所有其他裝置。超過1000個節點的閾值,成本就變得太高,無法證明網路是合理的。
此外,在經典的共識協議中,安全性是由節點的仲裁決定的,這些節點提交特定的選擇是為了見證所討論的行為。這些節點必須相互信任。因此,經典的協商共識機制不太適合無許可資料庫,比如數字貨幣資料庫。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釋出,一種新型的共識機制應運而生。《中本議定書》在許多方面與其前身不同。首先,它特別適合支援分散的、不可靠的系統。這個網路上的節點不必相互信任,但仍然能夠達成協議。該協議實現了這一壯舉,因為網路中的節點不必知道參與網路的所有其他裝置。其次,中本協議允許任何節點在任何時候加入或離開網路。它是一個開放的網路,所有的節點都可以以任何選擇的方式參與網路。由於這個特性,中本協議可以在全球範圍內擴充套件到大量參與者。與傳統模式相比,它還支援更大的審查阻力。 雖然中本協議開創了數字貨幣的新時代,並支援具有重大價值的加密貨幣部門,但它也並非沒有缺點。例如,速度仍然是一個重要問題。儘管最近升級的比特幣網路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模。中本協議在很大程度上依賴於工作證明(PoW)。結果,這個共識機制消耗了大量的能量。隨著人們對環境問題的關注不斷升溫,要證明僅僅為網路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“建立在亞穩態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,“受到八卦演算法的啟發,這個新的家庭透過一種故意的亞穩態機制獲得了它的安全性。”具體來說,系統透過反覆隨機取樣網路,並引導正確的節點走向相同的結果來執行。分析表明,亞穩態是一種強大的技術,儘管不是通用的技術:它可以迅速將一個大的網路移動到不可逆轉的狀態,儘管它並不總是能保證做到這一點。八卦演算法是點對點網路中出現的一種通訊型別,它通常涉及對連線節點進行隨機取樣,然後接收資訊。
Avalanche協議在很大程度上借鑑了八卦協議的原理,它還利用網路節點的子取樣來實現協商共識。要理解Avalanche協議是如何工作的,請考慮這個場景。想象一下,如果一個網路中有一些不可信的節點,它們希望在兩種顏色(比如藍色或紅色)之間進行選擇。網路中的一個節點會隨機選擇一些節點,並向它們提出問題。被選擇為樣本組一部分的節點將用它們選擇的顏色向提問節點返回一個答案。使用來自樣本組的響應,提問節點將看到網路正傾向於某種顏色。隨後,網路中的每個節點都經歷同樣的過程,從而在網路內部達成共識。該協議可以被描述為一個迴圈的次抽樣投票過程。在樣本組中,第一輪投票後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,此後的每一輪投票都會越來越減少平局的機率。這個特性被稱為亞穩性; 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路上各節點之間達成一致,並避免可能出現的連線。Avalanche的亞穩態協議被設計成將網路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,網路將開始看到節點傾向於哪個顏色的模式。隨著每一輪投票的進行,網路得出這一結論的速度都比前一輪快。在某一閾值下,網路達到其最終狀態,所有節點都決定了一種顏色。
利與弊Avalanche的特點使它能夠支援難以置信的高速。rocket Team聲稱只需兩秒鐘就能達到最終狀態。這意味著只需要兩秒鐘就可以處理和驗證事務。開發人員還認為,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路的節點的細節。網路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,協商共識意見是透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,由於所有節點都是相似的,並且具有相同的能力,所以沒有特殊類別的節點,比如比特幣生態系統中的礦工。這減少了節點對網路的影響。它還增加了網路拜占庭式的容錯能力。簡單地說,即使網路上50%的節點是不誠實或惡意的,網路仍然是安全的。另一個重要的特性(它可以被看作是優點也可以看作缺點)是,對於衝突的事務沒有活躍性保證。這意味著,如果一個不誠實的節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徵,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協議表示支援,但是這個機制受到了首席開發人員Vlad Zamfir的批評,Casper表達了他的想法,即協議並不像它聲稱的那樣好或安全。他說:“它不是非同步安全的,而是概率性的。”。更多區塊鏈資訊:www.qukuaiwang.com.cn/news

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