如何采用有效抵押的區(qū)塊獎勵來緩解馬太效應

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，即富者愈富貧者愈貧。目前，已有諸多項目通過新穎的設計來緩解和改善該問題：Polkadot 的 NPoS （Nominated Proof-of-Stake） 使得每個 validator 獲得的系統(tǒng)獎勵相同，與票數(shù)無關；Decred 的選票機制由于票價不固定，且浮動的投票時間是導致短期收益不確定，加之 PoS 只獲得區(qū)塊獎勵的 30%， 因此大節(jié)點無法僅通過持有現(xiàn)有權益而維持其在 DCR 流通中的相對份額；CPChain 則引入了榮譽度評估算法，除節(jié)點持倉量外，還將節(jié)點交易量、數(shù)據(jù)貢獻、區(qū)塊鏈維護、代理榮譽等納入了考核指標。

本文介紹一種創(chuàng)新的 Staking 機制——著名分片項目 Harmony 設計的有效抵押證明機制 EPoS （Effective Proof-of-Stake） 。

1. 馬太效應

馬太效應典出《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。”反映的社會現(xiàn)象是兩極分化，即富者愈富，貧者愈貧。

在某些 PoS 項目的設計中，驗證者按照他們接受抵押的數(shù)量占比獲得等比例的區(qū)塊獎勵，這極易導致抵押代幣的過度集中。

2. Harmony共識機制

Harmony 的整體架構與以太坊 2.0 類似，由信標鏈和分片鏈組成。分片作為一種區(qū)塊鏈的拓展方案，首先在 Zilliqa 上實現(xiàn)；但 Zilliqa 僅實現(xiàn)了網(wǎng)絡分片和交易分片。Zilliqa 將其網(wǎng)絡分為多個分片，每個分片有數(shù)百個節(jié)點（網(wǎng)絡分片），允許不同的交易由不同的分片同時處理（交易分片）。但為了能夠處理交易，分片中的每個節(jié)點都必須存儲整個區(qū)塊鏈狀態(tài)信息，這使得網(wǎng)絡對節(jié)點的要求較高，阻止了硬件資源一般的節(jié)點加入網(wǎng)絡，不利于網(wǎng)絡的去中心化。Harmony 進一步實現(xiàn)了狀態(tài)分片，并將其分片技術命名為深度分片 （Deep Sharding），不僅對交易層面進行分片，還對共識發(fā)生的層面進行分片，從而提升網(wǎng)絡吞吐量。此外，由于所有節(jié)點都無需存儲整個區(qū)塊鏈狀態(tài)，因此一般的個人計算機也可以作為節(jié)點加入網(wǎng)絡，進一步推動網(wǎng)絡去中心化。

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

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

每個周期（epoch）伊始，Harmony 網(wǎng)絡會通過分布式隨機生成協(xié)議產(chǎn)生隨機數(shù)，基于隨機數(shù)來確定分片結(jié)構。周期是預定的時間間隔，在此期間，分片結(jié)構是固定的，每個分片持續(xù)與同一組驗證者運行共識。

為防止分片保持結(jié)構固定可能會出現(xiàn)的靜態(tài)循環(huán)攻擊、慢適應攻擊或完全適應攻擊等，Harmony 還采用基于 Cuckoo 規(guī)則的重新分片機制對分片的選票進行重新洗牌。此外，Harmony 還設置了使驗證者快速進行狀態(tài)同步與驗證的機制。簡單來說，每個周期的首個區(qū)塊都包含上一個周期首個區(qū)塊的哈希鏈接。當驗證者新加入一個分片時，它們需要檢索狀態(tài)，并確保狀態(tài)有效。新加入的驗證者只需下載當前狀態(tài)即可獲得從當前狀態(tài)到創(chuàng)始區(qū)塊的路徑，新驗證者可通過灰色區(qū)塊快速驗證當前狀態(tài)（如上圖所示）。

3. Harmony EPoS 設計

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

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

其中，c 是鏈上設定的參數(shù)，median stake 表示前1600名抵押者的中位數(shù)抵押量，actual stake 則是每個驗證者持有的實際抵押數(shù)量。驗證者的有效抵押量本質(zhì)上為其實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)塊獎勵外，每個驗證者在共識中的投票權也根據(jù)驗證者的有效抵押按比例確定。

上圖為當 c = 0.15 時前 1600 位驗證者的實際抵押量和有效抵押量曲線。

隨著有效抵押的引入，排名較高的驗證者會因為抵押代幣數(shù)量過高而獲得較低回報，間接蒙受一定經(jīng)濟損失；而排名較低的驗證者則可享受額外獎勵。有效抵押在此充當均衡器，推動驗證者之間更均勻地分配抵押代幣，避免集中。

為實現(xiàn)復利，藍色和綠色區(qū)域中的驗證者可通過在同一驗證者節(jié)點中反復抵押區(qū)塊獎勵來直接獲得復利，黃色區(qū)域中的驗證者則只能通過啟動新驗證者節(jié)點來獲得更多區(qū)塊獎勵。對于持有大量代幣的礦池而言，這種設計迫使其自身加強去中心化，從而避免單點故障。

此外，EPoS 支持直觀有效的代幣委托：代幣持有者可根據(jù)驗證者的傭金率、正常運行時間和其在排名中的位置，自行選擇將代幣委托給一個或多個驗證者?？鄢炞C者設定的傭金費用后，塊獎勵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)域的驗證者會獲得更高回報，這也避免大量代幣被委托給頭部驗證者，從而降低抵押中心化風險。

在節(jié)點懲罰機制設計中，節(jié)點若觸發(fā) slash ，將削減至少 2％ 的抵押代幣，且削減數(shù)量將隨著同時間被削減的驗證者的數(shù)量呈線性增加。舉例來說，若三分之一驗證者觸發(fā)雙重簽名，則每位驗證者的削減比例上升為 33％。這一規(guī)則與有效抵押機制相得益彰。若大戶的多個抵押者節(jié)點同時發(fā)起攻擊，他們的抵押代幣也會受到更為嚴重的削減。

通過上述設計，Harmony 網(wǎng)絡得以有效避免抵押中心化，從而進一步緩解馬太效應。
來源： HashQuark社區(qū)