PoS (Proof of Stake) 區(qū)塊鏈系統(tǒng)廣遭詬病的缺陷之一便是馬太效應(yīng)，即富者愈富貧者愈貧。目前，已有諸多項(xiàng)目通過新穎的設(shè)計(jì)來緩解和改善該問

PoS (Proof of Stake) 區(qū)塊鏈系統(tǒng)廣遭詬病的缺陷之一便是馬太效應(yīng)，即富者愈富貧者愈貧。目前，已有諸多項(xiàng)目通過新穎的設(shè)計(jì)來緩解和改善該問題：Polkadot 的 NPoS (Nominated Proof-of-Stake) 使得每個(gè) validator 獲得的系統(tǒng)獎(jiǎng)勵(lì)相同，與票數(shù)無關(guān);

Decred 的選票機(jī)制由于票價(jià)不固定，且浮動(dòng)的投票時(shí)間是導(dǎo)致短期收益不確定，加之 PoS 只獲得區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)的 30%， 因此大節(jié)點(diǎn)無法僅通過持有現(xiàn)有權(quán)益而維持其在 DCR 流通中的相對份額;CPChain 則引入了榮譽(yù)度評估算法，除節(jié)點(diǎn)持倉量外，還將節(jié)點(diǎn)交易量、數(shù)據(jù)貢獻(xiàn)、區(qū)塊鏈維護(hù)、代理榮譽(yù)等納入了考核指標(biāo)。

本文介紹一種創(chuàng)新的 Staking 機(jī)制——著名分片項(xiàng)目 Harmony 設(shè)計(jì)的有效抵押證明機(jī)制 EPoS (Effective Proof-of-Stake) ，基于有效抵押的區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)來緩解馬太效應(yīng)。

1. 馬太效應(yīng)

馬太效應(yīng)典出《新約圣經(jīng)·馬太福音》：“凡是少的，就連他所有的也要奪過來。凡是多的，還要給他，叫他多多益善。”反映的社會(huì)現(xiàn)象是兩極分化，即富者愈富，貧者愈貧。

在某些 PoS 項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，驗(yàn)證者按照他們接受抵押的數(shù)量占比獲得等比例的區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)，這極易導(dǎo)致抵押代幣的過度集中。

2. Harmony共識機(jī)制

Harmony 的整體架構(gòu)與以太坊 2.0 類似，由信標(biāo)鏈和分片鏈組成。分片作為一種區(qū)塊鏈的拓展方案，首先在 Zilliqa 上實(shí)現(xiàn);但 Zilliqa 僅實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)分片和交易分片。Zilliqa 將其網(wǎng)絡(luò)分為多個(gè)分片，每個(gè)分片有數(shù)百個(gè)節(jié)點(diǎn)(網(wǎng)絡(luò)分片)，允許不同的交易由不同的分片同時(shí)處理(交易分片)。

但為了能夠處理交易，分片中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都必須存儲(chǔ)整個(gè)區(qū)塊鏈狀態(tài)信息，這使得網(wǎng)絡(luò)對節(jié)點(diǎn)的要求較高，阻止了硬件資源一般的節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，不利于網(wǎng)絡(luò)的去中心化。Harmony 進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)分片，并將其分片技術(shù)命名為深度分片 (Deep Sharding)，不僅對交易層面進(jìn)行分片，還對共識發(fā)生的層面進(jìn)行分片，從而提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量。此外，由于所有節(jié)點(diǎn)都無需存儲(chǔ)整個(gè)區(qū)塊鏈狀態(tài)，因此一般的個(gè)人計(jì)算機(jī)也可以作為節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)去中心化。

Harmony 采用 PoS+FBFT 共識機(jī)制，即首先通過 PoS 選出參與區(qū)塊簽名的節(jié)點(diǎn)，再通過 FBFT 達(dá)成共識。成為 Harmony 的驗(yàn)證者需要質(zhì)押一定數(shù)量的 ONE 通證，抵押的通證數(shù)量代表驗(yàn)證者的投票份額，每個(gè)投票份額對應(yīng) FBFT 共識的一票。

為防止單個(gè)分片中出現(xiàn)單個(gè)/多個(gè)節(jié)點(diǎn)投票份額過大等問題， Harmony 采用了自適應(yīng)閥值 PoS，根據(jù)分布式隨機(jī)生成協(xié)議把節(jié)點(diǎn)的投票份額隨機(jī)分配到不同的分片當(dāng)中，而非單個(gè)驗(yàn)證者連同其所有選票隨機(jī)分配到一個(gè)分片(如上圖所示)。這樣一來，即使某惡意節(jié)點(diǎn)持有大量的選票份額，也無法影響單個(gè)分片的選票結(jié)果。

每個(gè)周期(epoch)伊始，Harmony 網(wǎng)絡(luò)會(huì)通過分布式隨機(jī)生成協(xié)議產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，基于隨機(jī)數(shù)來確定分片結(jié)構(gòu)。周期是預(yù)定的時(shí)間間隔，在此期間，分片結(jié)構(gòu)是固定的，每個(gè)分片持續(xù)與同一組驗(yàn)證者運(yùn)行共識。

為防止分片保持結(jié)構(gòu)固定可能會(huì)出現(xiàn)的靜態(tài)循環(huán)攻擊、慢適應(yīng)攻擊或完全適應(yīng)攻擊等，Harmony 還采用基于 Cuckoo 規(guī)則的重新分片機(jī)制對分片的選票進(jìn)行重新洗牌。此外，Harmony 還設(shè)置了使驗(yàn)證者快速進(jìn)行狀態(tài)同步與驗(yàn)證的機(jī)制。

簡單來說，每個(gè)周期的首個(gè)區(qū)塊都包含上一個(gè)周期首個(gè)區(qū)塊的哈希鏈接。當(dāng)驗(yàn)證者新加入一個(gè)分片時(shí)，它們需要檢索狀態(tài)，并確保狀態(tài)有效。新加入的驗(yàn)證者只需下載當(dāng)前狀態(tài)即可獲得從當(dāng)前狀態(tài)到創(chuàng)始區(qū)塊的路徑，新驗(yàn)證者可通過灰色區(qū)塊快速驗(yàn)證當(dāng)前狀態(tài)(如上圖所示)。

3. Harmony EPoS 設(shè)計(jì)

Harmony 的抵押證明機(jī)制 EPoS(Effective Proof-of-Stake)是一種高效的抵押機(jī)制，可避免抵押代幣中心化，同時(shí)支持抵押復(fù)利和代幣委托，適合需要大量同等權(quán)利驗(yàn)證者的分片系統(tǒng)。

EPoS 系統(tǒng)基于抵押者代幣數(shù)量的排名選取驗(yàn)證者，對于每個(gè) epoch(約為1天)，前 1600 名抵押者將獲得有限的 1600 個(gè)驗(yàn)證者席位(4個(gè)分片* 400個(gè)席位)。epoch 更新后，新的抵押排名將決定誰是下一個(gè) epoch 的驗(yàn)證者。在 EPoS 中，驗(yàn)證者的區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)按照其“有效抵押量”的比例進(jìn)行分配，而非實(shí)際抵押量。有效抵押量的共識定義如下：

其中，c 是鏈上設(shè)定的參數(shù)，median stake 表示前1600名抵押者的中位數(shù)抵押量，actual stake 則是每個(gè)驗(yàn)證者持有的實(shí)際抵押數(shù)量。驗(yàn)證者的有效抵押量本質(zhì)上為其實(shí)際抵押量介于上限閾值(1 + c)* median stake 和下限閾值(1-c)* median stake 之間的數(shù)量。除區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)外，每個(gè)驗(yàn)證者在共識中的投票權(quán)也根據(jù)驗(yàn)證者的有效抵押按比例確定。

上圖為當(dāng) c = 0.15 時(shí)前 1600 位驗(yàn)證者的實(shí)際抵押量和有效抵押量曲線。

隨著有效抵押的引入，排名較高的驗(yàn)證者會(huì)因?yàn)榈盅捍鷰艛?shù)量過高而獲得較低回報(bào)，間接蒙受一定經(jīng)濟(jì)損失;而排名較低的驗(yàn)證者則可享受額外獎(jiǎng)勵(lì)。有效抵押在此充當(dāng)均衡器，推動(dòng)驗(yàn)證者之間更均勻地分配抵押代幣，避免集中。

為實(shí)現(xiàn)復(fù)利，藍(lán)色和綠色區(qū)域中的驗(yàn)證者可通過在同一驗(yàn)證者節(jié)點(diǎn)中反復(fù)抵押區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)來直接獲得復(fù)利，黃色區(qū)域中的驗(yàn)證者則只能通過啟動(dòng)新驗(yàn)證者節(jié)點(diǎn)來獲得更多區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)。對于持有大量代幣的礦池而言，這種設(shè)計(jì)迫使其自身加強(qiáng)去中心化，從而避免單點(diǎn)故障。

此外，EPoS 支持直觀有效的代幣委托：代幣持有者可根據(jù)驗(yàn)證者的傭金率、正常運(yùn)行時(shí)間和其在排名中的位置，自行選擇將代幣委托給一個(gè)或多個(gè)驗(yàn)證者?？鄢?yàn)證者設(shè)定的傭金費(fèi)用后，塊獎(jiǎng)勵(lì)將按委托代幣的比例分配給委托者。對委托者而言，委托給綠色區(qū)域的驗(yàn)證者會(huì)獲得更高回報(bào)，這也避免大量代幣被委托給頭部驗(yàn)證者，從而降低抵押中心化風(fēng)險(xiǎn)。

在節(jié)點(diǎn)懲罰機(jī)制設(shè)計(jì)中，節(jié)點(diǎn)若觸發(fā) slash ，將削減至少 2% 的抵押代幣，且削減數(shù)量將隨著同時(shí)間被削減的驗(yàn)證者的數(shù)量呈線性增加。舉例來說，若三分之一驗(yàn)證者觸發(fā)雙重簽名，則每位驗(yàn)證者的削減比例上升為 33%。這一規(guī)則與有效抵押機(jī)制相得益彰。若大戶的多個(gè)抵押者節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)起攻擊，他們的抵押代幣也會(huì)受到更為嚴(yán)重的削減。

通過上述設(shè)計(jì)，Harmony 網(wǎng)絡(luò)得以有效避免抵押中心化，從而進(jìn)一步緩解馬太效應(yīng)。（張良慧）

關(guān)鍵詞： NPoS 抵押 區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)