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

Harmony團隊重視這些反饋意見，其中包括競標頻次過高帶來的操作負擔、連續驗證7個周期（也就是7天）的過高硬性要求。除此之外，之前的Staking設計還有未解決的問題。例如如何實現代幣的委托質押、如何在基于分片的區塊鏈中實現出塊獎勵的復利。

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

如何選取驗證者

PoS區塊鏈大多都有“委員會”的概念，“委員會”是一組驗證者，擁有生產和驗證區塊的權利。有些區塊鏈把它們稱為區塊生產者，也有稱為超級節點。一般來說，委員會的數量有限制，例如當前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，這跟經濟學問題類似，它涉及到如何在現實世界中分配有限資源。經濟學中分配有限資源的方式有（包括但不限于）：

·按財富標準，以競價或定價手段，出價更高機會越大

·按社會標準，例如根據社會聲譽、社會地位排序

·按時間標準，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。當前PoS中的一些常見方法：

1.按質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，質押金額最高的一些驗證者將獲得數量有限的驗證者席位。類似于現實世界的競標。這也是Harmony最初的PoS設計，即是說基于競標的設計。

2.在質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，也就是根據隨機性進行選擇。不過，這種模型也有最小的質押代幣數量要求。例如，以太坊2.0要求潛在驗證者所質押的代幣至少超過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.按社會標準選擇，通過社會聲譽和投票進行，例如EOS和Tron。EOS中，21個區塊生產者是有限席位，由代幣持有者投票數量來決定。這種方式類似于社會聲譽的標準，在現實中常見。

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

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

Harmony的EPoS設計，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，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。

如何分配區塊獎勵

一旦區塊被成功確認，PoS系統通常會給驗證者分發區塊獎勵，以激勵其參與共識。當前大多數的PoS區塊鏈設計中都存在“富人越來越富”的問題，因為按照驗證者質押代幣的數量比例來獲得等比例的區塊獎勵，這最終會導致質押代幣走向集中。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：無論驗證者質押代幣數量多少，給所有人同等數量的區塊獎勵。這也是Harmony在當初基于競標的staking設計中所提出的想法，波卡Polkadot質押模型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押的代幣，因為相對于質押數量小的質押者，質押代幣數量過多的質押者回報率會更低。（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量的驗證者，而不是質押代幣數量最多的驗證者。當然，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押的代幣，以多個質押者的身份去參與PoS權益證明。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，還需要考慮創建一個對驗證者友好的質押經濟。其中之一就是，讓驗證者能夠獲得其區塊獎勵的復利，這也是驗證者最大化其收益的重要方法。不過，提供同等區塊獎勵的設計是無法支持復利的，原因是如果驗證者把新的區塊獎勵再次加入質押中，區塊獎勵依然還是一樣，并沒有產生更多回報。

另外，關于代幣質押的委托也是PoS區塊鏈的標準要求，因為這允許普通的持幣者可以在不運行驗證者節點的情況下進行代幣質押，從而獲得回報。Harmony當初基于競標的初步質押機制設計不適合代幣委托，這是因為競標是一種不確定行為，委托人的代幣在用于競標的過程中難免出現使用不當或不充分的問題。

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

根據以上的闡述，Harmony的設計目標如下：

? 驗證者所質押的代幣數量需要均勻分布（以避免質押中心化情況）

? 支持明晰的質押代幣委托機制

? 支持區塊獎勵的復利

EPOS如何防止質押走向中心化

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

如何選取驗證者

在EPoS中，Harmony將基于質押者代幣數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名質押者將獲得有限的1600個驗證者席位（4個分片* 400個席位）。當驗證周期向前推進時，新的質押代幣數量排名將決定誰是下一個周期的驗證者。

基于“有效質押量”的獎勵分配

上文也提到過，不管是按質押比例來分配區塊獎勵，還是按同等獎勵來分配區塊獎勵都無法完全滿足Harmony設計目標，也就是實現質押代幣的均勻分布、支持質押獎勵復利以及質押委托。

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

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

除了區塊獎勵之外，每個驗證者在共識中的投票權也根據驗證者的有效質押量按比例確定。

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

如上圖，由于有了有效質押量的設計，藍色和綠色區域中的驗證者可以通過在同一驗證者節點中反復質押區塊獎勵來直接獲得復利，而黃色區域中的驗證者為了獲得更多區塊獎勵，只能通過啟動新驗證者節點的方式。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還支持明晰的質押代幣委托，持幣者可以根據驗證者的傭金率、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。區塊獎勵首先給驗證者分配其所設定的傭金費用，之后區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域的驗證者在經濟上會獲得更高回報（藍狐筆記注：綠色區域是指上圖右下位置的綠色區域。之所以回報更高，是因為在當選的驗證者中其抵押的代幣數少，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，從而避免質押中心化。

EPoS的設計，有效實現了質押去中心化，同時支持代幣委托和質押復利的設計目標。

質押削減機制

激勵驗證者正確行事的區塊獎勵很重要，質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，將采用以下削減規則：

1.對雙重簽名的消減

? 削減至少2％的質押代幣。此外，其削減的數量還將隨著同時間被消減的驗證者數量的增加而增加，呈線性關系（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％）

? 這個削減規則也跟之前提及的“有效質押量”相呼應，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點同時發起攻擊，他們的質押代幣也會受到更嚴重的消減。

2.對節點不在線的消減

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

? 連續12個小時不在線，驗證者將失去所有投票權并進入停滯狀態。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，其投票權將重新恢復。

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

結語

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

最后，如果想要在主網之前嘗試EPoS機制的質押驗證，可加入Pangaea游戲，這是一個在Harmony測試網絡上帶有激勵模型的游戲，歡迎反饋意見，以進一步優化EPoS設計，為推出主網做準備。