Avalanche共识

Posted 2021-10-07 mutourend

1. 引言

Avalanche共识白皮书 中介绍了Avalanche区块链平台采用的Avalanche共识。

直观举例为：
房间里有很多人，大家一起决策中午是吃披萨还是烧烤。某些人初始可能选择披萨，另一些人初始选择烧烤。最终，大家的目的是达成共识。

每个人询问房间内的a random subset of people其希望午餐吃什么。若有多于一半选择披萨，则其也选择披萨——即采用其所询问的大多数人的选择。

每个人都重复以上过程，每轮，会有越来越多的人具有相同的选择。This is because the more people that prefer an option, the more likely someone is to receive a majority reply and adopt that option as their preference. 足够轮数之后，可达成共识，每个人都选择同一选项。

2. Snowball

Snowball算法是Avalanche共识的基础。
Snowball算法关键参数有：

• $n$：参与者数量
• $k$（sample size）：取值范围为1到$n$
• $\alpha$（法定人数）：取值范围为1到$k$
• $\beta$（decision threshold）：$>=1$

Snowball算法伪代码示例为：

preference := pizza
consecutiveSuccesses := 0
while not decided:
  ask k random people their preference
  if >= α give the same response:
    preference := response with >= α
    if preference == old preference:
      consecutiveSuccesses++
    else:
      consecutiveSuccesses = 1
  else:
    consecutiveSuccesses = 0
  if consecutiveSuccesses > β:
    decide(preference)

具体示例可参看Snowball BFT demo示例：

Snowball可用于对多个possible choices达成共识。

随着网络中节点数$n$增加，Snowball具有可扩展性，其每次sample的size可仍然为$k$。

3. DAG(有向无环图)

DAG可实现partial ordering of decisions。
如上图，可只a在b之前，b在d之前，c在e之前。根据传递性可知a在e之前。但是，所谓partial ordering，是指：某些元素之间的顺序是不确定的，如——无法确定b和c之间的顺序关系。

DAG中相关的概念有：

• ancestors：为DAG中可用线连上的节点，如上图中，$d$的ancestors为$a,b,c$，$e$的ancestors为$a,c$。
• descendants：与ancestors相反，如上图中，$a$的descendants为$b,c,d,e$。$b$的descendants为$d$。

以太坊和比特币采用linear chain方式，每个block仅有一个parent和一个child。
但是，Avalanche采用DAG来存储数据，DAG中每个元素可能有多个parents。DAG中的parent-child relationship不代表application-level dependency。

为了避免在DAG中包含conflicting transactions，在Avalanche中定义了conflict set，Avalanche中的每笔交易都属于一个conflict set，conflict set中只能有1笔交易可包含在DAG中，每个节点需prefer one transaction in a conflict set。

详细的可参看 Working Example。

4. Vertices

Ava Labs在对白皮书中共识进行实现时，做了一定的优化来降低延迟和提高吞吐量。最大的优化是引入了vertices。
vertex类似于linear blockchain中的区块，vertex中包含了the hashes of its parents 以及 a list of transactions。Vertices支持将多笔交易打包并被voted on in groups rather than one by one。

DAG由vertices组成。

若节点收到a vote for a vertex，则可认为是a vote for all the transactions in a vertex。votes具有可向上传递性。
A vertex is accepted when all the transactions which are in it are accepted. If a vertex contains a rejected transaction then it is rejected and all of its descendants are rejected. If a vertex is rejected, any valid transactions are re-issued into a new vertex which is not the child of a rejected vertex. New vertices are appended to preferred vertices.

5. Finality

Avalanche共识在一定的safety threshold具有probabilistically safe。即，the probability that a correct node accepts a transaction that another correct rejects can be made arbitrarily low by adjusting system parameters。
不同于以太坊和比特币需很长时间来等待区块固化，Avalanche中acceptance/rejection是final and irreversible的，仅需几秒钟。

6. 优化

节点query new transaction的同时，也会不断query知道没有不善良的vertices。善良的vertex中没有conflicts。

节点也无需等待$k$个query responses才register the outcome of a poll，因为若交易未获得$\alpha$ majority，则无需在等待剩余的response了。

7. Validator

要称为Validator，节点需质押AVAX，质押量越多，越容易被其他节点query，对网络的影响力会越大。
节点query时并不是uniformly random的，而是weighted by stake amount。

Avalanche没有slash，Validator作恶或者不响应并不会惩罚，其质押金到期仍将全额返还，只是没有reward。As long as a sufficient portion of the bonded AVAX is held by correct nodes，则网络是安全的，且is live for virtuous transactions。

8. 两大创新

Avalanche中的2大创新分别是：

• subsampling：具有low message overhead。不随20个节点还是2000个节点影响，the number of consensus messages a node sends during a query remains constant。
• transitive voting：即a vote for a vertex is a vote for all its ancestors，这样有助于提升交易吞吐量。each note is actually many votes in one。

如上图，a vote for vertex D，也是a vote for A,B,C。

9. Loose Ends

用户可调用AvalancheGo全节点 API或者直接使用avalanchejs库 的方式来发起交易。

基于以下2种情况，vertex将被创建并添加到DAG：

• when nodes batch incoming transactions together。
• when accepted transactions from a rejected vertex get reissued。

10. Snowman

可将以上Avalanche consensus protocol改为linear chain，即要求each vertex has only one parent，这样可确定vertices的全局排序，适用于如智能合约——one needs to know if a transaction came before another transaction。

Avalanche consensus protocol for linear chains的实现，称为Snowman，即对应的为C-Chain 和P-Chain采用的为Snowman共识。

Avalanche中没有leader，任意节点都可提交交易，任意质押AVAX的节点都可对每一笔交易进行投票，可make the network more robust and decentralized。

参考资料

[1] Avalanche Consensus