代幣質(zhì)押機(jī)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(jìng)標(biāo)的代幣質(zhì)押機(jī)制（Staking Mechanism）。此后，Harmony團(tuán)隊(duì)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(gè)人驗(yàn)證者，以及以太坊創(chuàng)始人Vitalik Buterlin。

Harmony團(tuán)隊(duì)重視這些反饋意見，其中包括競(jìng)標(biāo)頻次過高帶來的操作負(fù)擔(dān)、連續(xù)驗(yàn)證7個(gè)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(jì)還有未解決的問題。例如如何實(shí)現(xiàn)代幣的委托質(zhì)押、如何在基于分片的區(qū)塊鏈中實(shí)現(xiàn)出塊獎(jiǎng)勵(lì)的復(fù)利。

本文通過梳理PoS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，并提出Harmony的最新staking機(jī)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(shí)仍然保持區(qū)塊鏈的去中心化。

如何選取驗(yàn)證者

PoS區(qū)塊鏈大多都有“委員會(huì)”的概念，“委員會(huì)”是一組驗(yàn)證者，擁有生產(chǎn)和驗(yàn)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(jí)節(jié)點(diǎn)。一般來說，委員會(huì)的數(shù)量有限制，例如當(dāng)前EOS為21個(gè)，Cosmos為100個(gè)。

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

·按財(cái)富標(biāo)準(zhǔn)，以競(jìng)價(jià)或定價(jià)手段，出價(jià)更高機(jī)會(huì)越大

·按社會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，例如根據(jù)社會(huì)聲譽(yù)、社會(huì)地位排序

·按時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，消耗時(shí)間越多，機(jī)會(huì)越大，例如排隊(duì)掛號(hào)，工齡與福利分配掛鉤

·按隨機(jī)性選擇，例如搖號(hào)購(gòu)車、彩票等。

同理，委員會(huì)中選取驗(yàn)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(yàn)證者，例如波卡Polkadot、阿童木Cosmos，這跟上述的第一個(gè)方法類似，在這種模型中，質(zhì)押金額最高的一些驗(yàn)證者將獲得數(shù)量有限的驗(yàn)證者席位。類似于現(xiàn)實(shí)世界的競(jìng)標(biāo)。這也是Harmony最初的PoS設(shè)計(jì)，即是說基于競(jìng)標(biāo)的設(shè)計(jì)。

2.在質(zhì)押者池中進(jìn)行隨機(jī)選擇，例如以太坊2.0、Tezos，這跟上述的第四個(gè)方法類似，也就是根據(jù)隨機(jī)性進(jìn)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(yàn)證者所質(zhì)押的代幣至少超過32個(gè)ETH，Tezos則至少需要8000個(gè)XTZ代幣，達(dá)到這一要求的驗(yàn)證者才有資格參與委員會(huì)選舉。也就是說，這種模型是定價(jià)和隨機(jī)選擇的組合。

3.按社會(huì)標(biāo)準(zhǔn)選擇，通過社會(huì)聲譽(yù)和投票進(jìn)行，例如EOS和Tron。EOS中，21個(gè)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(huì)聲譽(yù)的標(biāo)準(zhǔn)，在現(xiàn)實(shí)中常見。

此外，PoS還有其他的選取驗(yàn)證者的方法，例如按時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)，例如Peercoin利用持幣總時(shí)間（也包括持幣數(shù)量和一定的隨機(jī)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(jī)制最有效，經(jīng)濟(jì)上也最安全。原因在于代幣質(zhì)押機(jī)制將驗(yàn)證者的利益和區(qū)塊鏈自身安全實(shí)現(xiàn)綁定，一旦質(zhì)押大量代幣，驗(yàn)證者沒有動(dòng)機(jī)去攻擊用自己代幣質(zhì)押的鏈。

Harmony的EPoS設(shè)計(jì)，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(jiǎn)單性和有效性。第二種隨機(jī)性的方法雖然為更多的潛在質(zhì)押者提供了公平的機(jī)會(huì)，但也存在資源利用效率不高的問題。也就是說，在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，潛在的驗(yàn)證者只能閑置等待，這極大增加了驗(yàn)證者的機(jī)會(huì)成本。

如何分配區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)

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

有個(gè)方法可以緩解這一問題：無論驗(yàn)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(jiǎng)勵(lì)。這也是Harmony在當(dāng)初基于競(jìng)標(biāo)的staking設(shè)計(jì)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(lì)機(jī)制鼓勵(lì)驗(yàn)證者均勻地分配其質(zhì)押的代幣，因?yàn)橄鄬?duì)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(bào)率會(huì)更低。（藍(lán)狐筆記注：也就是說，通過給予驗(yàn)證者同等數(shù)量的代幣獎(jiǎng)勵(lì)，鼓勵(lì)持有代幣的用戶將其代幣委托給合適數(shù)量的驗(yàn)證者，而不是質(zhì)押代幣數(shù)量最多的驗(yàn)證者。當(dāng)然，委托者需要考慮安全問題，這是另外一個(gè)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(gè)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(gè)對(duì)驗(yàn)證者友好的質(zhì)押經(jīng)濟(jì)。其中之一就是，讓驗(yàn)證者能夠獲得其區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)的復(fù)利，這也是驗(yàn)證者最大化其收益的重要方法。不過，提供同等區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)的設(shè)計(jì)是無法支持復(fù)利的，原因是如果驗(yàn)證者把新的區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)再次加入質(zhì)押中，區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)依然還是一樣，并沒有產(chǎn)生更多回報(bào)。

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?yàn)檫@允許普通的持幣者可以在不運(yùn)行驗(yàn)證者節(jié)點(diǎn)的情況下進(jìn)行代幣質(zhì)押，從而獲得回報(bào)。Harmony當(dāng)初基于競(jìng)標(biāo)的初步質(zhì)押機(jī)制設(shè)計(jì)不適合代幣委托，這是因?yàn)楦?jìng)標(biāo)是一種不確定行為，委托人的代幣在用于競(jìng)標(biāo)的過程中難免出現(xiàn)使用不當(dāng)或不充分的問題。

對(duì)Harmony的分片系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，有一個(gè)特定的設(shè)計(jì)約束：對(duì)于每個(gè)分片，它的質(zhì)押量只有整個(gè)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(yàn)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(yàn)證者可以輕易實(shí)現(xiàn)單個(gè)分片攻擊（即1%攻擊）。

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

? 驗(yàn)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(jī)制

? 支持區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)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(jī)制，可以防止質(zhì)押代幣走向中心化。與此同時(shí)，它還支持區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)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(yàn)證者的分片系統(tǒng)。

如何選取驗(yàn)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(yàn)證者。具體而言，對(duì)于每個(gè)驗(yàn)證周期（約1天），前1600名質(zhì)押者將獲得有限的1600個(gè)驗(yàn)證者席位（4個(gè)分片* 400個(gè)席位）。當(dāng)驗(yàn)證周期向前推進(jìn)時(shí)，新的質(zhì)押代幣數(shù)量排名將決定誰是下一個(gè)周期的驗(yàn)證者。

基于“有效質(zhì)押量”的獎(jiǎng)勵(lì)分配

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

在EPoS權(quán)益證明機(jī)制中，驗(yàn)證者獲得的區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)不是按照其實(shí)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(gè)驗(yàn)證者持有的實(shí)際質(zhì)押數(shù)量；c是協(xié)議參數(shù)（例如，c = 0.15）。 驗(yàn)證者的“有效質(zhì)押量”本質(zhì)上是它的實(shí)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(jiǎng)勵(lì)之外，每個(gè)驗(yàn)證者在共識(shí)中的投票權(quán)也根據(jù)驗(yàn)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(yàn)證者實(shí)際上會(huì)因?yàn)橘|(zhì)押過多代幣而遭受一定程度經(jīng)濟(jì)懲罰，排名較低的驗(yàn)證者則可以享受額外的獎(jiǎng)勵(lì)。也就是說，“有效質(zhì)押”相當(dāng)于均衡器，它能推動(dòng)驗(yàn)證者均勻地分配其質(zhì)押的代幣，實(shí)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(jì)，藍(lán)色和綠色區(qū)域中的驗(yàn)證者可以通過在同一驗(yàn)證者節(jié)點(diǎn)中反復(fù)質(zhì)押區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)來直接獲得復(fù)利，而黃色區(qū)域中的驗(yàn)證者為了獲得更多區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)，只能通過啟動(dòng)新驗(yàn)證者節(jié)點(diǎn)的方式。這對(duì)于持有大量代幣的礦池來說，為了獲得更多收益，這會(huì)迫使其主動(dòng)進(jìn)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(yàn)證者的傭金率、正常運(yùn)行時(shí)間以及排名位置，將其代幣委托給一個(gè)或多個(gè)驗(yàn)證者。區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)首先給驗(yàn)證者分配其所設(shè)定的傭金費(fèi)用，之后區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)將按委托代幣的比例分配給委托者。對(duì)于代幣委托人來說，將其代幣委托給綠色區(qū)域的驗(yàn)證者在經(jīng)濟(jì)上會(huì)獲得更高回報(bào)（藍(lán)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(bào)更高，是因?yàn)樵诋?dāng)選的驗(yàn)證者中其抵押的代幣數(shù)少，相對(duì)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(yàn)證者集中的情況，從而避免質(zhì)押中心化。

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

質(zhì)押削減機(jī)制

激勵(lì)驗(yàn)證者正確行事的區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)很重要，質(zhì)押削減的懲罰機(jī)制也同樣重要，因?yàn)樗梢杂行ё柚箰阂庑袨楹蜐撛诠?。在Harmony的EPoS中，將采用以下削減規(guī)則：

1.對(duì)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(shí)間被消減的驗(yàn)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(yàn)證者雙重簽名，那么，每個(gè)驗(yàn)證者的削減比例將上升到33％）

? 這個(gè)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?yàn)榇髴魹榱俗陨砝鏁?huì)成立多個(gè)驗(yàn)證者，如果其大戶的多個(gè)驗(yàn)證者節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)起攻擊，他們的質(zhì)押代幣也會(huì)受到更嚴(yán)重的消減。

2.對(duì)節(jié)點(diǎn)不在線的消減

? 每3個(gè)小時(shí)不在線，驗(yàn)證者的投票權(quán)將被泄漏25％，泄漏指的是其部分代幣被強(qiáng)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(gè)小時(shí)不在線，驗(yàn)證者將失去所有投票權(quán)并進(jìn)入停滯狀態(tài)。停滯的驗(yàn)證者將受到0.1％代幣消減的懲罰。如果驗(yàn)證者重新上線，其投票權(quán)將重新恢復(fù)。

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

結(jié)語

激勵(lì)模型和質(zhì)押機(jī)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(gè)主流PoS項(xiàng)目的質(zhì)押和激勵(lì)機(jī)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(jī)制的質(zhì)押驗(yàn)證，可加入Pangaea游戲，這是一個(gè)在Harmony測(cè)試網(wǎng)絡(luò)上帶有激勵(lì)模型的游戲，歡迎反饋意見，以進(jìn)一步優(yōu)化EPoS設(shè)計(jì)，為推出主網(wǎng)做準(zhǔn)備。