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雪崩DEX開發者爲你詳解Avalanche共識機制

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Avalanche 徹底改變了區塊鏈網絡的每一層，它採用了基於隨機抽樣的全新共識算法，這項創新高於其他一切。

原文作者：Connor Daly，Avalanche DEX 平臺 Pangolin 創始人

原文編譯：eternal，律動 BlockBeats

本文梳理自 Avalanche DEX 平臺 Pangolin 創始人 Connor Daly 在個人社交媒體平臺上的觀點，律動 BlockBeats 對其整理翻譯如下：

Avalanche（雪崩協議）徹底改變了區塊鏈網絡的每一層，但它有一項創新高於其他一切。當我發現這一點時，立刻辭去了原本的工作，全身心地投入 Avalanche 的事業中。

以下是關於 Avalanche 的權威解讀。

首先，什麼是共識？

它是確保分佈式系統中的多個節點做出相同決定的機制，對於區塊鏈而言，最重要的決策是判定哪個區塊應該成爲鏈上的新區塊。

在 Avalanche 的共識機制問世前，有兩大系列的共識算法：Classical（經典式）和 Nakamoto（中本聰式）。

Classical 的共識是通過多輪投票來實現的。網絡中的每個節點都要與其他節點進行通信，把自己的決定廣播出去。由於節點需要和整個網絡內的其他節點進行交流，因此，網絡節點的成員需要一個準確的協議成員列表。

Classical 共識算法在節點數量較少時很有效，但該算法的時間複雜度 O(n^2 ) 特別高，導致節點網絡的運營成本巨大（往往與節點數量 n 的二次方成正比）。同時，這種算法無法擴展到支持用戶流動的大型去中心化網絡。

一些採用 Classical 共識算法的區塊鏈試圖掩蓋性能方面的不足。這些區塊鏈往往只讓一小部分驗證節點（validators）參與共識機制及出塊驗證過程，來矇蔽用戶。在這類區塊鏈網絡中，表面存在 1000 個驗證者，但實際上只有 100 個驗證者參與共識決策。

第二大類共識算法派系是 Nakamoto 共識。這就是比特幣及許多其他種類的加密貨幣所採用的。它採用「最長鏈原則」，默認消耗工作量最大的那條鏈有權威的歷史數據記錄。礦工不參與投票驗證，他們只進行哈希計算並將工作成果對外分發。

Nakamoto 共識算法的優勢在於，它可以擴展到大量的用戶而不損失性能。但問題在於，性能本來就不是很好。

任意數量的礦工節點可以隨意的參與或退出爆塊過程，這導致出塊的速度緩慢，並且隨時可進行區塊重組，導致鏈上存儲內容可變更。

你可能聽說過，比特幣網絡上的一筆交易在新出 6 個區塊後，就完成了最終確定。但這只是概率達 99% 的高概率事件，僅僅基於置信估計。

一個新區塊及其所在的鏈被網絡節點確認的次數越多，就越不可能有更長的鏈條分叉來取代之。但這並不能確保更長的鏈條分叉不會出現。

接下來介紹 Avalanche 的共識機制。這是一類全新的共識算法，通過隨機二次抽樣（random subsampling）來實現。

該共識協議由包括 Avalanche 聯合創始人 Emin Gün Sirer、Ted Yin、kevin sekniqi 在內的康奈爾大學研究人員發明，並進行了標準化。

讓我們通過一個例子來介紹 Avalanche 共識機制。

假設有 1000 名會議參與者需要共同決定午餐吃什麼：披薩還是三明治。每個人都有一個最初的偏好，但他們需要在最終方案上達成一致。

作爲參與者，你進行了一次小的隨機採樣，問了 10 位參與者，他們想吃什麼。7 個人說披薩。看起來大多數人都想吃披薩，所以現在若有人問你，你也會回答說想吃披薩。

接下來，你執行另一輪隨機採樣。你詢問另一組隨機抽到的 10 個人，如果大多數人回答三明治，你就改變自己的偏好；而如果大多數人回答比薩，你會再次回答說想吃披薩。這樣下來，你在兩次抽樣調查後，得到的結果是一致的。

您可以繼續迭代此過程，直到連續 100 次獲得相同的結果。此時，你認爲最終決定已經完成。

由於節點在每輪抽樣調查中，只與固定數量的少量節點進行通信，所以單輪抽樣中消息傳遞的時間複雜度爲 O(1)（往往爲常數級別）。與 Classical 共識算法不同，消息傳遞的複雜度不會隨節點數量 n 的增加而增加。

但是，需要多少輪隨機抽樣才能得到最終結果呢？這取決於網絡的大小。然而，它的複雜度是一個可控的 O(log n)（與對數函數成正比，數量級低於一次函數）。

雪崩共識是基於概率統計的。一個節點可能只對少量節點進行重複採樣，並得出錯誤的結論。但該協議是可調參的。我們可以使這種情況發生的概率變爲極小，比如低於 0.0000000001%。

由於這種高度的可預見性，Avalanche 具有最終性。一旦網絡內的交易被決定，它們就被永遠鎖定在鏈上。Avalanche 上不會有區塊重組。

這是 Avalanche 共識機制的可視化效果展示。

https://twitter.com/das_connor/status/1470147125870841861

如果你仔細觀察，會發現抽取到某些節點後，多輪抽樣的最終結果便不可能逆轉。這就好像移動的雪花變爲雪崩一樣。雪崩協議 Avalanche 由此得名。

既然你知道了它是如何工作的，它又爲何顯得重要？它能做什麼呢？

屬性 1：該協議具有較高的運轉效率，限制因素主要在於消息延遲和網絡帶寬。

這意味着您可以在低配的硬件上接入 Avalanche 網絡，不需要專門的挖礦設備，中間層的服務器就可以了. 一些用戶甚至在樹莓派微型計算機（Raspberry Pi）上運行 Avalanche 驗證節點。

屬性 2：該協議是靜態的，只在有工作需要處理的時候運行，沒有像工作量證明（POW）機制那樣的 "浪費 "。

屬性 3：Avalanche 的共識算法是環保的。由於其硬件要求非常低，因此對環境的影響最小。Avalanche 最近還與企業家 Vinay 合作，以保證碳中和。

屬性 4：Avalanche 共識算法的執行速度很快，在模擬實驗及實踐中，Avalanche 每秒可以處理 4500 筆交易，並在 1-2 秒內完成最終確定。

屬性 5：Avalanche 可以使用任何形式的 Sybil 保護機制。您可能聽說過 Avalanche 是一個採用權益證明（POS）的區塊鏈。但 POS 不是共識算法，這只是一種針對女巫攻擊（Sybil Attack）的保護機制。

Sybil 保護機制可以防止單個用戶操縱多個節點並僞裝成多個用戶。要運行多個驗證節點（validators），您需要擁有大量權益（stake），我們認爲 stake 是一種稀缺資源。

儘管 Avalanche 協議需要 Sybil 保護機制，但您也可以採用其他的任何方法。例如，您可以使用工作量證明（pow）重建 Avalanche。

Avalanche 共識機制是具備可配置性的（系統能夠根據運行需要而被配置）。它實際上是一個全新的共識協議，沒有固定的代碼實現。

例如，您可以選擇設定網絡參數來優先考慮安全性或活躍性。

在 Avalanche 區塊鏈中，我們對網絡進行了調整，使其高度安全。與針對比特幣的「51% 攻擊」不同，入侵 Avalanche 需要 80% 的節點串謀。

比特幣的「51% 攻擊」看起來像是一箇中心化組織篡改歷史，並壓制少數派。而在 Avalanche 中，80% 的節點串謀引發的安全故障，會導致網絡不同部分的節點做出不同的決策。Avalanch 對安全性與活躍度進行了均衡考慮。如果 1/3 的網絡節點離線，網絡運轉進程將放緩或停止，直到恢復到閾值（臨界點）水平。