星云研究院:Avalanche论文解读(一)

本文作者:星云研究院资深研究院汤载阳博士。华中科技大学计算机博士,日本会津大学和法国南巴黎国立电信学院访问学者,研究方向包括分布式系统、无线网络和区块链共识,在TPDS、ICDCS等顶级期刊会议上发表过论文。上一篇介绍了Hyperledger相关工作,这一周我们来看看permissionlessblockchain有什么最新的研究。这篇论文“Avalanche:ThePowerofMetastableConsensus”实际上还没有被正式接收,来自于Cornell的RobertKleinberg和EminGunSirer研究组。虽然还没被接收,但仍然是一篇质量非常高的论文。个人觉得整个论文架构有一些说不上的奇怪,前半部分风格比较偏系统,后面的证明部分又略显晦涩。同事告诉我这篇论文其实是由两个同学共同完成,一个早期提出了理论模型,一个负责系统实现。这也是为什么我打算分两篇来解读的原因,不过很有可能后面的理论证明部分我看不懂就放弃写第二篇了。Basics首先还是介绍下文中的一些基本概念。在任何基于复制状态机的分布式系统,都需要满足两个特性,即安全性和活性,文中定义如下:P1.Safety.Notwocorrectnodeswillacceptconflictingtransactions.P2.Liveness.Anytransactionissuedbyacorrectclient(akavirtuoustransaction)willeventuallybeacceptedbyeverycorrectnode.在很多其他论文中,这两个特性又称之为consistency和liveness,这里就不纠结了。Slush论文首先提出了名为Slush的共识算法,也是整个协议簇中最简单最基础的部分。Slush是非拜占庭协议,意味着其不能容忍作恶节点的存在。作者抽象出一个“染色”问题:任何时刻所有节点可能处于{red,blue,⊥}三种状态之一,共识就是如何通过节点间的通信使得所有节点最终的颜色一致。Slush算法描述如下:

海纳星云与保利厦门NFT拍卖品牌南风堂签署战略合作:金色财经现场报道,9月15日在海纳星云主办的战略发布会上,海纳星云与保利厦门NFT拍卖品牌南风堂签署战略合作协议,双方将致力于艺术品资产数字化、安全化而努力,亦将帮助传统艺术市场NFT化。[2021/9/15 23:27:40]

算法解释:在起始时刻,所有节点都是uncolored状态;节点u循环发起Query,总共m轮,每轮随机选择k个样本发送包含自身color的Query;当其他节点v收到一个Query时,则返回一个包括自己color的Respond,如果此时节点v还是uncolored状态,则先将Query中的color更新为自己的color再Respond;一旦收集到k个Responds,节点u判断是否存在某个color数大于等于αk,α>0.5表示一个协议参数。如果存在某个color满足该阈值则将自身color更新为该color;如果没有在限定时间收集到k个Responds,则u重新抽样发送Query,直至收集到k个Respondsslush有如下优点:memoryless,每轮之间节点除了自身color不记录额外信息;小样本抽样,不同于其他算法需要对所有节点发送请求,slush只需要发送k个请求;抗亚稳态,即便是50/50的初始状态,也可以通过抽样的随机扰动打破平衡,然后反复抽样放大优势;如果m足够大,算法可以保证所有节点都有同等机会被染色;但是slush并不能提供足够强的拜占庭安全保证,如果存在拜占庭节点故意将自身color变成和主流color不一样,则可能打乱平衡。因此slush并不是BFT,但为后续机制提供了基础。Snowflake相比slush,第二个算法snowflake做了进一步改进,其中轮询部分如下:

声音 | 星云链创始人:IEO只是ICO的变种 快速融资对于创业团队反而不好:星云链创始人徐义吉在《玉竹陪你迎牛市》栏目中表示:16年就已初步探索过IEO,只是ICO的变种,快速融资一大笔钱对于创业团队反而不好,创业公司应该关注自己的核心业务,而不是管理资产。区块链项目应该关注如何让用户使用到自己手上的Token,并参与到生态的建设中。在区块链的世界里,每个人的数据和资产都应该是神圣不可侵犯的,所以每个人都应有话语权和投票权。[2019/3/22]

详细分析:每个节点引入了一个计数器cnt变量,初始cnt=0,每当一轮Query返回的k个Responds某个color满足≥αk,则将其cnt+1;如果满足条件的color和自身color不同,则将自身color设定为该color,并且重置cnt;引入另一个安全系数β,当cnt大于β时,则最终确定该节点color,而不需要执行m次询问。当给定一个ε-guarantee的拜占庭环境,Snowflake可以保证Safety和Liveness。Snowballsnowflake中每次color翻转时cnt都会重置,理论上来说已经足够安全。Snowball进一步作出改进,通过引入confidencecounter保证更加持久的可信度,使协议更难被攻击。算法具体如下:

nebulas发布星云激励计划第一季评选周期调整公告:nebulas发布星云激励计划第一季评选周期调整公告称,目前星云第一季激励计划仍在进行中,已有超过1600个应用提交到了星云主网。我们对参加者热情的参与和建设星云DApp生态的贡献精神表示感谢。经过两周的观察和审核我们发现,每周日是应用提交高峰。考虑到应用排名参考的是整周的表现,而且周日会继续举办Hackathon等活动,所以从本周起,我们决定将应用评选截止日期提前到周六24:00。所以每周日的提交将并入下周提交。[2018/5/24]

详细分析:对每个color都增加一个confidencecounter,例如d、d;每当一轮Query返回的k个Responds某个color'满足≥αk,将该color'的d+1,如果d最大,则将自身col更变为该col’;进一步地,如果col’和上次Respond通过阈值的lastcol不一样,则更新lastcol为col’,并且重置cnt;如果col’和上次Respond通过阈值的lastcol一样,则cnt+1,当cnt大于β时,则最终确定该节点color。总的来说,Snowball中仍然是连续β满足阈值条件的color才可能成为最终color,但confidencecounter的引入保证了最终确定的color同样具有高信任度。AvalancheDAG作为论文中协议簇的最终版本,Avalanche将Snowball拓展为multi-decreeprotocol。为了适用于资产交易这样的真实场景,Avalanche相比前三个算法引入了很多新概念,具体如下:

2018共识大会-黑客马拉松获奖揭晓 PayPal首席工程师赢得星云挑战:由Coindesk举办的,区块链领域最高级别会议-共识大会的黑客马拉松活动于纽约当地时间5月12日至5月13日进行,197名来自世界各地的顶尖开发者参与了此次活动。

星云联合创始人兼CTO钟馥百担任本次大赛评委,他给出的挑战题目是:用星云主网实现预测市场。经过30多个小时的紧张开发后,PayPal的首席数据工程师Amir Youssefi的Predict Mart and Social Network(预测市场)项目,通过搭建预言机将结果上链的方式,赢得了星云的挑战,获得了等值5120美元的NAS奖励。星云链(NAS)是致力于构建可持续升级的良性生态3.0公链。(已于3月29号主网上线)[2018/5/15]

图中,每个方块表示一笔交易,具有一对<chit,confidence>,可以看到颜色更深的方块confidence更高。而每个交易都有一个冲突交易集,例如T9、T6和T7属于同一个冲突交易集,即PT9=PT6=PT7,但由于T9具有更高的confidence,因此该交易集的preferredtx=T9。上面提到每个PT包括了pref和cnt两个属性,初始化的PT只有T本身,因此PT.pref=T,PT.cnt=0。当后续收到更多冲突交易后,PT集合增加,pref和cnt的更新则发生在收到Respond后。

星云链NAS推出激励计划后,市值单日涨幅超20%:据数据行情显示,今日NAS快速升高突破10美元,单日涨幅超过20%。近一周NAS保持连续上涨势头,主力资金流入及换手率均居于前五,交易量猛增。星云链(NAS)是新一代区块链公链,致力于构建可持续升级的良性生态。[2018/4/29]

Avalanche发送Query和收集Responds流程如下:

详细分析:节点u找到新交易T(还未确定的交易,即

最后,跟比特币一样,Avalanche也把对最终交易的确认时间点和决定权交给了应用层。应用层通过自己定义的谓词,把接受交易的风险加入考虑。确认一笔交易可以通过一个叫做“safeearycommitment”的动作来完成。对于诚实交易T(virtuoustransaction),如果它是在包含它的冲突交易集PT中的唯一交易,并且受到的Chit超过阈值β1,那么就认为T是可以接受的。如果一个诚实交易T由于liveness问题没被接受,那么它依然可以通过重新选择不同的parents交易来被接受。由于不同的交易只会消费和生成自己的UTXO,彼此互不相干,因此,任何交易都可以重新选择parents。至此,Avalanche整个流程介绍完毕,抽象而言,节点间的通信如下所示:

Experiments实验部分主要包括了对Throughput和Scalability测试,这里简单放下结果。

总结下来就是,Avalanche可以保证在节点规模在2000左右时,仍然有将近7000TPS。如此之高的性能得益于三点:Avalanche本质上来说就是DAG,在只需要保证偏序的情况下,可以允许更多的并发,而传统的BFT策略则是需要保证Linearizability,开销更大。PS:很难简单地评价两者那种更好,因为在有智能合约运行的场景下,只保证偏序是显然不够的。Avalanche不存在Leader,后者则可能成为性能瓶颈;每个节点通过采样只和k个其他节点通信,因此在网络规模增加时通信开销也不会增加太多。难得的是,论文复现了Algorand和Conflux的实现,并且做了横向比较,为了统一,这里全部采用Bitcoin的transaction平均数据规模。结果如下:TPS:Bitcoin为3~7,Algorand为874,Conflux为3355,Avalanche为3400;Latency:Bitcoin为10~60mins,Algorand为50s,Conflux为7.6~13.8mins,Avalanche为1.35s;Thinking:可以发现,同样都为DAG,Avalanche和Conflux在TPS上几乎一样,实际上最原始的GHOST也能达到这个级别的性能。所以个人认为单从TPS上而言,Avalanche并没有太大提升。论文中作者承认cryptographicverification是当前一个主要性能瓶颈,但个人认为另一个瓶颈在于节点处理Query的环节,当中需要判断交易TisSTRONGLYPREFERRED,而这一步实际上需要遍历T所有的祖先交易的冲突交易集合,随着交易的增加这个开销将会变得非常大。尽管作者不愿意在论文中引用IOTA的工作,但两者确实有很多相似之处,核心思想都是优先保证诚实节点的liveness。但两者都缺少economicincentive,并不能消除拜占庭节点的作恶动机。

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