代幣質(zhì)押機制Harmony將如何防止質(zhì)押走向中心化

Harmony于2018年5月發(fā)布了基于競標(biāo)的代幣質(zhì)押機制（Staking Mechanism）。此后，Harmony團隊收到來自各方的各種不同反饋和建議，包括質(zhì)押即服務(wù)公司、個人驗證者，以及以太坊創(chuàng)始人Vitalik Buterlin。

Harmony團隊重視這些反饋意見，其中包括競標(biāo)頻次過高帶來的操作負(fù)擔(dān)、連續(xù)驗證7個周期（也就是7天）的過高硬性要求。除此之外，之前的Staking設(shè)計還有未解決的問題。例如如何實現(xiàn)代幣的委托質(zhì)押、如何在基于分片的區(qū)塊鏈中實現(xiàn)出塊獎勵的復(fù)利。

本文通過梳理PoS系統(tǒng)的設(shè)計思想，并提出Harmony的最新staking機制：EPoS（Effective Proof-of-Stake），有效權(quán)益證明。EPoS目標(biāo)是解決上述提及的問題，同時仍然保持區(qū)塊鏈的去中心化。

如何選取驗證者

PoS區(qū)塊鏈大多都有“委員會”的概念，“委員會”是一組驗證者，擁有生產(chǎn)和驗證區(qū)塊的權(quán)利。有些區(qū)塊鏈把它們稱為區(qū)塊生產(chǎn)者，也有稱為超級節(jié)點。一般來說，委員會的數(shù)量有限制，例如當(dāng)前EOS為21個，Cosmos為100個。

驗證者選舉的基本問題是以什么機制來決定誰在委員會中獲得席位。理論上，這跟經(jīng)濟學(xué)問題類似，它涉及到如何在現(xiàn)實世界中分配有限資源。經(jīng)濟學(xué)中分配有限資源的方式有（包括但不限于）：

·按財富標(biāo)準(zhǔn)，以競價或定價手段，出價更高機會越大

·按社會標(biāo)準(zhǔn)，例如根據(jù)社會聲譽、社會地位排序

·按時間標(biāo)準(zhǔn)，消耗時間越多，機會越大，例如排隊掛號，工齡與福利分配掛鉤

·按隨機性選擇，例如搖號購車、彩票等。

同理，委員會中選取驗證者的方法也類似。當(dāng)前PoS中的一些常見方法：

1.按質(zhì)押代幣多少來選擇驗證者，例如波卡Polkadot、阿童木Cosmos，這跟上述的第一個方法類似，在這種模型中，質(zhì)押金額最高的一些驗證者將獲得數(shù)量有限的驗證者席位。類似于現(xiàn)實世界的競標(biāo)。這也是Harmony最初的PoS設(shè)計，即是說基于競標(biāo)的設(shè)計。

2.在質(zhì)押者池中進行隨機選擇，例如以太坊2.0、Tezos，這跟上述的第四個方法類似，也就是根據(jù)隨機性進行選擇。不過，這種模型也有最小的質(zhì)押代幣數(shù)量要求。例如，以太坊2.0要求潛在驗證者所質(zhì)押的代幣至少超過32個ETH，Tezos則至少需要8000個XTZ代幣，達到這一要求的驗證者才有資格參與委員會選舉。也就是說，這種模型是定價和隨機選擇的組合。

3.按社會標(biāo)準(zhǔn)選擇，通過社會聲譽和投票進行，例如EOS和Tron。EOS中，21個區(qū)塊生產(chǎn)者是有限席位，由代幣持有者投票數(shù)量來決定。這種方式類似于社會聲譽的標(biāo)準(zhǔn)，在現(xiàn)實中常見。

此外，PoS還有其他的選取驗證者的方法，例如按時間的標(biāo)準(zhǔn)，例如Peercoin利用持幣總時間（也包括持幣數(shù)量和一定的隨機性）來決定區(qū)塊的生產(chǎn)者。

總體而言，Harmony認(rèn)為上述第一種機制最有效，經(jīng)濟上也最安全。原因在于代幣質(zhì)押機制將驗證者的利益和區(qū)塊鏈自身安全實現(xiàn)綁定，一旦質(zhì)押大量代幣，驗證者沒有動機去攻擊用自己代幣質(zhì)押的鏈。

Harmony的EPoS設(shè)計，采用上述的第一種，而不是第二種方法。原因是在于第一種方法的簡單性和有效性。第二種隨機性的方法雖然為更多的潛在質(zhì)押者提供了公平的機會，但也存在資源利用效率不高的問題。也就是說，在很長的時間內(nèi)，潛在的驗證者只能閑置等待，這極大增加了驗證者的機會成本。

如何分配區(qū)塊獎勵

一旦區(qū)塊被成功確認(rèn)，PoS系統(tǒng)通常會給驗證者分發(fā)區(qū)塊獎勵，以激勵其參與共識。當(dāng)前大多數(shù)的PoS區(qū)塊鏈設(shè)計中都存在“富人越來越富”的問題，因為按照驗證者質(zhì)押代幣的數(shù)量比例來獲得等比例的區(qū)塊獎勵，這最終會導(dǎo)致質(zhì)押代幣走向集中。例如，撰寫本文時，阿童木Cosmos的100位驗證者中，排名前十的驗證者持有的質(zhì)押代幣比例超過50%。

有個方法可以緩解這一問題：無論驗證者質(zhì)押代幣數(shù)量多少，給所有人同等數(shù)量的區(qū)塊獎勵。這也是Harmony在當(dāng)初基于競標(biāo)的staking設(shè)計中所提出的想法，波卡Polkadot質(zhì)押模型NPoS也有類似的想法。

這種激勵機制鼓勵驗證者均勻地分配其質(zhì)押的代幣，因為相對于質(zhì)押數(shù)量小的質(zhì)押者，質(zhì)押代幣數(shù)量過多的質(zhì)押者回報率會更低。（藍狐筆記注：也就是說，通過給予驗證者同等數(shù)量的代幣獎勵，鼓勵持有代幣的用戶將其代幣委托給合適數(shù)量的驗證者，而不是質(zhì)押代幣數(shù)量最多的驗證者。當(dāng)然，委托者需要考慮安全問題，這是另外一個問題。）

即便如此，持幣大戶仍然可以通過拆分其質(zhì)押的代幣，以多個質(zhì)押者的身份去參與PoS權(quán)益證明。因此，“富人越來越富”的問題未能得到徹底解決，只是得到某種程度上的緩解。

此外，還需要考慮創(chuàng)建一個對驗證者友好的質(zhì)押經(jīng)濟。其中之一就是，讓驗證者能夠獲得其區(qū)塊獎勵的復(fù)利，這也是驗證者最大化其收益的重要方法。不過，提供同等區(qū)塊獎勵的設(shè)計是無法支持復(fù)利的，原因是如果驗證者把新的區(qū)塊獎勵再次加入質(zhì)押中，區(qū)塊獎勵依然還是一樣，并沒有產(chǎn)生更多回報。

另外，關(guān)于代幣質(zhì)押的委托也是PoS區(qū)塊鏈的標(biāo)準(zhǔn)要求，因為這允許普通的持幣者可以在不運行驗證者節(jié)點的情況下進行代幣質(zhì)押，從而獲得回報。Harmony當(dāng)初基于競標(biāo)的初步質(zhì)押機制設(shè)計不適合代幣委托，這是因為競標(biāo)是一種不確定行為，委托人的代幣在用于競標(biāo)的過程中難免出現(xiàn)使用不當(dāng)或不充分的問題。

對Harmony的分片系統(tǒng)設(shè)計而言，有一個特定的設(shè)計約束：對于每個分片，它的質(zhì)押量只有整個系統(tǒng)的N分之一，N是分片的數(shù)量，那么，它需要包含大量的具有同等權(quán)利（質(zhì)押數(shù)量）的驗證者，以分散持幣大戶在分片中的力量。否則，擁有大量質(zhì)押代幣的驗證者可以輕易實現(xiàn)單個分片攻擊（即1%攻擊）。

根據(jù)以上的闡述，Harmony的設(shè)計目標(biāo)如下：

? 驗證者所質(zhì)押的代幣數(shù)量需要均勻分布（以避免質(zhì)押中心化情況）

? 支持明晰的質(zhì)押代幣委托機制

? 支持區(qū)塊獎勵的復(fù)利

EPOS如何防止質(zhì)押走向中心化

Harmony的權(quán)益證明是EPoS（Effective Proof-of-Stake），它是一種高效的機制，可以防止質(zhì)押代幣走向中心化。與此同時，它還支持區(qū)塊獎勵的復(fù)利和質(zhì)押代幣委托，這有利于需要大量同等權(quán)利的驗證者的分片系統(tǒng)。

如何選取驗證者

在EPoS中，Harmony將基于質(zhì)押者代幣數(shù)量的排名來選取驗證者。具體而言，對于每個驗證周期（約1天），前1600名質(zhì)押者將獲得有限的1600個驗證者席位（4個分片* 400個席位）。當(dāng)驗證周期向前推進時，新的質(zhì)押代幣數(shù)量排名將決定誰是下一個周期的驗證者。

基于“有效質(zhì)押量”的獎勵分配

上文也提到過，不管是按質(zhì)押比例來分配區(qū)塊獎勵，還是按同等獎勵來分配區(qū)塊獎勵都無法完全滿足Harmony設(shè)計目標(biāo)，也就是實現(xiàn)質(zhì)押代幣的均勻分布、支持質(zhì)押獎勵復(fù)利以及質(zhì)押委托。

在EPoS權(quán)益證明機制中，驗證者獲得的區(qū)塊獎勵不是按照其實際質(zhì)押代幣量來分配，而是按照其”有效質(zhì)押量“的比例來分配。那么，什么是“有效質(zhì)押量”？它的定義如下：

其中，median_stake表示前1600名質(zhì)押者的中位數(shù)質(zhì)押量；actual_stake是每個驗證者持有的實際質(zhì)押數(shù)量；c是協(xié)議參數(shù)（例如，c = 0.15）。 驗證者的“有效質(zhì)押量”本質(zhì)上是它的實際質(zhì)押量被上限閾值（1 + c）* median_stake和下限閾值（1-c）* median_stake限制之后的數(shù)量。

除了區(qū)塊獎勵之外，每個驗證者在共識中的投票權(quán)也根據(jù)驗證者的有效質(zhì)押量按比例確定。

由于引入“有效質(zhì)押量”的概念，這導(dǎo)致，排名較高的驗證者實際上會因為質(zhì)押過多代幣而遭受一定程度經(jīng)濟懲罰，排名較低的驗證者則可以享受額外的獎勵。也就是說，“有效質(zhì)押”相當(dāng)于均衡器，它能推動驗證者均勻地分配其質(zhì)押的代幣，實現(xiàn)自身的去中心化。

如上圖，由于有了有效質(zhì)押量的設(shè)計，藍色和綠色區(qū)域中的驗證者可以通過在同一驗證者節(jié)點中反復(fù)質(zhì)押區(qū)塊獎勵來直接獲得復(fù)利，而黃色區(qū)域中的驗證者為了獲得更多區(qū)塊獎勵，只能通過啟動新驗證者節(jié)點的方式。這對于持有大量代幣的礦池來說，為了獲得更多收益，這會迫使其主動進行自身的去中心化。

另外，EPoS還支持明晰的質(zhì)押代幣委托，持幣者可以根據(jù)驗證者的傭金率、正常運行時間以及排名位置，將其代幣委托給一個或多個驗證者。區(qū)塊獎勵首先給驗證者分配其所設(shè)定的傭金費用，之后區(qū)塊獎勵將按委托代幣的比例分配給委托者。對于代幣委托人來說，將其代幣委托給綠色區(qū)域的驗證者在經(jīng)濟上會獲得更高回報（藍狐筆記注：綠色區(qū)域是指上圖右下位置的綠色區(qū)域。之所以回報更高，是因為在當(dāng)選的驗證者中其抵押的代幣數(shù)少，相對于其所抵押的代幣量，獲得更高比例的收益）。這也能有效避免大量委托代幣向頭部驗證者集中的情況，從而避免質(zhì)押中心化。

EPoS的設(shè)計，有效實現(xiàn)了質(zhì)押去中心化，同時支持代幣委托和質(zhì)押復(fù)利的設(shè)計目標(biāo)。

質(zhì)押削減機制

激勵驗證者正確行事的區(qū)塊獎勵很重要，質(zhì)押削減的懲罰機制也同樣重要，因為它可以有效阻止惡意行為和潛在攻擊。在Harmony的EPoS中，將采用以下削減規(guī)則：

1.對雙重簽名的消減

? 削減至少2％的質(zhì)押代幣。此外，其削減的數(shù)量還將隨著同時間被消減的驗證者數(shù)量的增加而增加，呈線性關(guān)系（例如，如有1/3的驗證者雙重簽名，那么，每個驗證者的削減比例將上升到33％）

? 這個削減規(guī)則也跟之前提及的“有效質(zhì)押量”相呼應(yīng)，有利于防止持幣大戶的惡意行為。因為大戶為了自身利益會成立多個驗證者，如果其大戶的多個驗證者節(jié)點同時發(fā)起攻擊，他們的質(zhì)押代幣也會受到更嚴(yán)重的消減。

2.對節(jié)點不在線的消減

? 每3個小時不在線，驗證者的投票權(quán)將被泄漏25％，泄漏指的是其部分代幣被強制移出質(zhì)押，不過并不損失所有權(quán)，它跟消減不同。

? 連續(xù)12個小時不在線，驗證者將失去所有投票權(quán)并進入停滯狀態(tài)。停滯的驗證者將受到0.1％代幣消減的懲罰。如果驗證者重新上線，其投票權(quán)將重新恢復(fù)。

? 對于那些處在停滯狀態(tài)的驗證者，他們無法參與下一次的驗證者選舉。他們只能通過發(fā)送“請求加入”交易，來重新參與之后的驗證者選舉。

結(jié)語

激勵模型和質(zhì)押機制是PoS區(qū)塊鏈的核心組成部分。在某種意義上，它們跟區(qū)塊鏈協(xié)議一樣重要。Harmony梳理并總結(jié)了幾個主流PoS項目的質(zhì)押和激勵機制，其中也包括Harmony相關(guān)的質(zhì)押工作流程信息。

最后，如果想要在主網(wǎng)之前嘗試EPoS機制的質(zhì)押驗證，可加入Pangaea游戲，這是一個在Harmony測試網(wǎng)絡(luò)上帶有激勵模型的游戲，歡迎反饋意見，以進一步優(yōu)化EPoS設(shè)計，為推出主網(wǎng)做準(zhǔn)備。