代币质押机制Harmony将如何防止质押走向中心化

Harmony于2018年5月发布了基于竞标的代币质押机制（Staking Mechanism）。此后，Harmony团队收到来自各方的各种不同反馈和建议，包括质押即服务公司、个人验证者，以及以太坊创始人Vitalik Buterlin。

Harmony团队重视这些反馈意见，其中包括竞标频次过高带来的操作负担、连续验证7个周期（也就是7天）的过高硬性要求。除此之外，之前的Staking设计还有未解决的问题。例如如何实现代币的委托质押、如何在基于分片的区块链中实现出块奖励的复利。

本文通过梳理PoS系统的设计思想，并提出Harmony的最新staking机制：EPoS（Effective Proof-of-Stake），有效权益证明。EPoS目标是解决上述提及的问题，同时仍然保持区块链的去中心化。

如何选取验证者

PoS区块链大多都有“委员会”的概念，“委员会”是一组验证者，拥有生产和验证区块的权利。有些区块链把它们称为区块生产者，也有称为超级节点。一般来说，委员会的数量有限制，例如当前EOS为21个，Cosmos为100个。

验证者选举的基本问题是以什么机制来决定谁在委员会中获得席位。理论上，这跟经济学问题类似，它涉及到如何在现实世界中分配有限资源。经济学中分配有限资源的方式有（包括但不限于）：

·按财富标准，以竞价或定价手段，出价更高机会越大

·按社会标准，例如根据社会声誉、社会地位排序

·按时间标准，消耗时间越多，机会越大，例如排队挂号，工龄与福利分配挂钩

·按随机性选择，例如摇号购车、彩票等。

同理，委员会中选取验证者的方法也类似。当前PoS中的一些常见方法：

1.按质押代币多少来选择验证者，例如波卡Polkadot、阿童木Cosmos，这跟上述的第一个方法类似，在这种模型中，质押金额最高的一些验证者将获得数量有限的验证者席位。类似于现实世界的竞标。这也是Harmony最初的PoS设计，即是说基于竞标的设计。

2.在质押者池中进行随机选择，例如以太坊2.0、Tezos，这跟上述的第四个方法类似，也就是根据随机性进行选择。不过，这种模型也有最小的质押代币数量要求。例如，以太坊2.0要求潜在验证者所质押的代币至少超过32个ETH，Tezos则至少需要8000个XTZ代币，达到这一要求的验证者才有资格参与委员会选举。也就是说，这种模型是定价和随机选择的组合。

3.按社会标准选择，通过社会声誉和投票进行，例如EOS和Tron。EOS中，21个区块生产者是有限席位，由代币持有者投票数量来决定。这种方式类似于社会声誉的标准，在现实中常见。

此外，PoS还有其他的选取验证者的方法，例如按时间的标准，例如Peercoin利用持币总时间（也包括持币数量和一定的随机性）来决定区块的生产者。

总体而言，Harmony认为上述第一种机制最有效，经济上也最安全。原因在于代币质押机制将验证者的利益和区块链自身安全实现绑定，一旦质押大量代币，验证者没有动机去攻击用自己代币质押的链。

Harmony的EPoS设计，采用上述的第一种，而不是第二种方法。原因是在于第一种方法的简单性和有效性。第二种随机性的方法虽然为更多的潜在质押者提供了公平的机会，但也存在资源利用效率不高的问题。也就是说，在很长的时间内，潜在的验证者只能闲置等待，这极大增加了验证者的机会成本。

如何分配区块奖励

一旦区块被成功确认，PoS系统通常会给验证者分发区块奖励，以激励其参与共识。当前大多数的PoS区块链设计中都存在“富人越来越富”的问题，因为按照验证者质押代币的数量比例来获得等比例的区块奖励，这最终会导致质押代币走向集中。例如，撰写本文时，阿童木Cosmos的100位验证者中，排名前十的验证者持有的质押代币比例超过50%。

有个方法可以缓解这一问题：无论验证者质押代币数量多少，给所有人同等数量的区块奖励。这也是Harmony在当初基于竞标的staking设计中所提出的想法，波卡Polkadot质押模型NPoS也有类似的想法。

这种激励机制鼓励验证者均匀地分配其质押的代币，因为相对于质押数量小的质押者，质押代币数量过多的质押者回报率会更低。（蓝狐笔记注：也就是说，通过给予验证者同等数量的代币奖励，鼓励持有代币的用户将其代币委托给合适数量的验证者，而不是质押代币数量最多的验证者。当然，委托者需要考虑安全问题，这是另外一个问题。）

即便如此，持币大户仍然可以通过拆分其质押的代币，以多个质押者的身份去参与PoS权益证明。因此，“富人越来越富”的问题未能得到彻底解决，只是得到某种程度上的缓解。

此外，还需要考虑创建一个对验证者友好的质押经济。其中之一就是，让验证者能够获得其区块奖励的复利，这也是验证者最大化其收益的重要方法。不过，提供同等区块奖励的设计是无法支持复利的，原因是如果验证者把新的区块奖励再次加入质押中，区块奖励依然还是一样，并没有产生更多回报。

另外，关于代币质押的委托也是PoS区块链的标准要求，因为这允许普通的持币者可以在不运行验证者节点的情况下进行代币质押，从而获得回报。Harmony当初基于竞标的初步质押机制设计不适合代币委托，这是因为竞标是一种不确定行为，委托人的代币在用于竞标的过程中难免出现使用不当或不充分的问题。

对Harmony的分片系统设计而言，有一个特定的设计约束：对于每个分片，它的质押量只有整个系统的N分之一，N是分片的数量，那么，它需要包含大量的具有同等权利（质押数量）的验证者，以分散持币大户在分片中的力量。否则，拥有大量质押代币的验证者可以轻易实现单个分片攻击（即1%攻击）。

根据以上的阐述，Harmony的设计目标如下：

• 验证者所质押的代币数量需要均匀分布（以避免质押中心化情况）

• 支持明晰的质押代币委托机制

• 支持区块奖励的复利

EPOS如何防止质押走向中心化

Harmony的权益证明是EPoS（EffecTIve Proof-of-Stake），它是一种高效的机制，可以防止质押代币走向中心化。与此同时，它还支持区块奖励的复利和质押代币委托，这有利于需要大量同等权利的验证者的分片系统。

如何选取验证者

在EPoS中，Harmony将基于质押者代币数量的排名来选取验证者。具体而言，对于每个验证周期（约1天），前1600名质押者将获得有限的1600个验证者席位（4个分片* 400个席位）。当验证周期向前推进时，新的质押代币数量排名将决定谁是下一个周期的验证者。

基于“有效质押量”的奖励分配

上文也提到过，不管是按质押比例来分配区块奖励，还是按同等奖励来分配区块奖励都无法完全满足Harmony设计目标，也就是实现质押代币的均匀分布、支持质押奖励复利以及质押委托。

在EPoS权益证明机制中，验证者获得的区块奖励不是按照其实际质押代币量来分配，而是按照其”有效质押量“的比例来分配。那么，什么是“有效质押量”？它的定义如下：

其中，median_stake表示前1600名质押者的中位数质押量；actual_stake是每个验证者持有的实际质押数量；c是协议参数（例如，c = 0.15）。 验证者的“有效质押量”本质上是它的实际质押量被上限阈值（1 + c）* median_stake和下限阈值（1-c）* median_stake限制之后的数量。

除了区块奖励之外，每个验证者在共识中的投票权也根据验证者的有效质押量按比例确定。

由于引入“有效质押量”的概念，这导致，排名较高的验证者实际上会因为质押过多代币而遭受一定程度经济惩罚，排名较低的验证者则可以享受额外的奖励。也就是说，“有效质押”相当于均衡器，它能推动验证者均匀地分配其质押的代币，实现自身的去中心化。

如上图，由于有了有效质押量的设计，蓝色和绿色区域中的验证者可以通过在同一验证者节点中反复质押区块奖励来直接获得复利，而黄色区域中的验证者为了获得更多区块奖励，只能通过启动新验证者节点的方式。这对于持有大量代币的矿池来说，为了获得更多收益，这会迫使其主动进行自身的去中心化。

另外，EPoS还支持明晰的质押代币委托，持币者可以根据验证者的佣金率、正常运行时间以及排名位置，将其代币委托给一个或多个验证者。区块奖励首先给验证者分配其所设定的佣金费用，之后区块奖励将按委托代币的比例分配给委托者。对于代币委托人来说，将其代币委托给绿色区域的验证者在经济上会获得更高回报（蓝狐笔记注：绿色区域是指上图右下位置的绿色区域。之所以回报更高，是因为在当选的验证者中其抵押的代币数少，相对于其所抵押的代币量，获得更高比例的收益）。这也能有效避免大量委托代币向头部验证者集中的情况，从而避免质押中心化。

EPoS的设计，有效实现了质押去中心化，同时支持代币委托和质押复利的设计目标。

质押削减机制

激励验证者正确行事的区块奖励很重要，质押削减的惩罚机制也同样重要，因为它可以有效阻止恶意行为和潜在攻击。在Harmony的EPoS中，将采用以下削减规则：

1.对双重签名的消减

• 削减至少2％的质押代币。此外，其削减的数量还将随着同时间被消减的验证者数量的增加而增加，呈线性关系（例如，如有1/3的验证者双重签名，那么，每个验证者的削减比例将上升到33％）

• 这个削减规则也跟之前提及的“有效质押量”相呼应，有利于防止持币大户的恶意行为。因为大户为了自身利益会成立多个验证者，如果其大户的多个验证者节点同时发起攻击，他们的质押代币也会受到更严重的消减。

2.对节点不在线的消减

• 每3个小时不在线，验证者的投票权将被泄漏25％，泄漏指的是其部分代币被强制移出质押，不过并不损失所有权，它跟消减不同。

• 连续12个小时不在线，验证者将失去所有投票权并进入停滞状态。停滞的验证者将受到0.1％代币消减的惩罚。如果验证者重新上线，其投票权将重新恢复。

• 对于那些处在停滞状态的验证者，他们无法参与下一次的验证者选举。他们只能通过发送“请求加入”交易，来重新参与之后的验证者选举。

结语

激励模型和质押机制是PoS区块链的核心组成部分。在某种意义上，它们跟区块链协议一样重要。Harmony梳理并总结了几个主流PoS项目的质押和激励机制，其中也包括Harmony相关的质押工作流程信息。

最后，如果想要在主网之前尝试EPoS机制的质押验证，可加入Pangaea游戏，这是一个在Harmony测试网络上带有激励模型的游戏，欢迎反馈意见，以进一步优化EPoS设计，为推出主网做准备。