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：
在这里插入图片描述
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)

在这里插入图片描述
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。

在这里插入图片描述
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

Avalanche共识