pos共识怎么出块(Polkadot创新NPoS共识下的Staking经济)

去年年底参加Polkadot在北京聚会后，就一直在期待官方关于Staking这块的经济与治理计划，虽然最终方案还没有定下，但是Web3地研究文档看起来相當完整了，整个设计让我有惊艳的感觉，看了很多以PoS為共识的项目，关于Staking经济的设计都不尽相同，新项目总会学习过往项目，这次Polkadot带来的NPoS是具备相当创新程度，且一定程度解决PoS的现有问题。

Polkadot可以写的东西还很多，这篇文章将会主要环绕Staking部分与NPoS公式挑选验证人节点的方法，这两个方面与持币人与节的收益有非常密切的关系

如果对Polkadot的背景没有了解的朋友可以先看我过去的文章，我就直接开始主题了。

简单为大家复习一下PoS共识项目的完整出块过程

1. 团队运行节点

2. 注册成为验证人

（过了基本门槛）

3. Staking过程

（持币人委托给节点，或是团队自由代币进行Staking委托）

4. 选举验证人

（系统通过某种算法选出每一轮的出块节点或是验证节点，这篇文章细说的就是Polkadot的NPoS选举算法）

5. 打包交易、广播交易、验证人确认一连串过程

6. 获得奖励（奖励是由节点与持币人按照Staking比例分配）

从持币人的角度，更简单理解PoS

持币人拥有以PoS为共识的代币Moon，将Moon进行Staking委托给喜欢的节点，节点代持币人进行出块并获得奖励，奖励依照Staking比例进行分发。（Staking比例=持币人参与Staking的Moon数量/所有参与Staking的Moon数量）。

上面提到的是一般的PoS项目计算奖励的做法（奖励多寡与持币人Staking量为正相关）

Polkadot提出了NPoS, 初衷是为了解决过去PoS运行后，遇到的问题，因为奖励与Staking量正相关造成富有节点更富有，代币分配趋向中心化。

NPoS里最终奖励结果不是依据Staking量，而是依据每个被选出节点确实出块的工作量计算（白话来说就是不管节点拥有多少Staking量，出一个块或是验证一个块得到的奖励是一样的），NPoS将解决一部分大节点因为Staking量大获得更多奖励的问题，但同时也损害了一些大节点利益。

PS: 个人意见一般项目在初期不一定适合这样的做法，这是一个博弈过程，Polkadot是一个明星项目，他认为大多数的人愿意参与到网路中，即使超过一定Staking量的节点不会获得如预期那么多的收益，他们还是愿意贡献

Polkadot究竟是怎么做到的呢？

NPoS既然有别于传统PoS项目，不是Staking权重越高出块概率越高，我们就要详细说明下NPoS选举验证人的算法。

非常详细的文档在Web3的研究中，另外有一篇medium文章“How Nominated Proof-of-Stake will work in Polkadot”，我参考了里面的举例（Web 3研究中有很多数学，如果发现我的逻辑错误请告诉我）

NPoS的共识算法历史

NPoS参考了当时19世纪末，一个瑞典数学家Lars Edvard Phragmén提议的选举方法，当时瑞典的国会席位都是被主流党派占据，通过他的算法能更公平的让席位分配是和投票的比例有更高的联系，小党派能够获取过去没有办法获得的席位，Polkadot团队认为两者在设计理念上有相似之处，改良后就是现在看到的NPoS。

NPoS的选举人算法，我们都知道区块链这个分布式系统是由众多分散各地的节点（验证人）来维护，在PoS共识里大部分的链为了保证一定效率及安全下，会限制一定数量的验证人进行出块，也就是没有被选上的验证人就只是备选出块人，而NPoS就是从一群验证人中选取出正式验证人，Polkadot里把一群正式验证人成为选举人委员会（Committee）。

选举人算法有三大客观目标

1. 平衡Balance

一旦选举人委员会确定后，会将持币人Nominators的Staking量尽可能平均分配给每个选上的选举人Validators。PS: 持币人是可以选择多个选举人的，所以存在系统重新分配空间

2. 最大支持Support

选出一个选举人委员会，委员会中的选举人Validators收到的Staking量要尽可能贴近总持币用户Nominators的Staking量。

3. 公平代表FairRepresentation

选出一个选举人委员会，其中持币人Nominators的投票权不会被过度代表，也不会被低估代表。

PS: 持币人可以选择多个节点，公平代表最简化是，每个持币人对应到的节点至少有一个会被选出，加上现实条件（持币状况及系统要选出几个节点）后有些节点会被淘汰，但尽可能保证拥有一定Staking权重的持币人可以至少对应到一个节点。

基于这三大原则筛选出来的验证人群（选举人委员会）可能有多个，最终系统会挑选出一组最合理的Committee（选举人委员会）进行出块，看起来很复杂很懵吧，我最开始也绕了很久，接下来会搭配下面持币人选举验证人的例子，大家会更加清晰的理解，建议先快速看过这个例子，然后阅读过程中搭配上面三个选举人算法的客观目标思考，最后再仔细看一次例子。

这是Medium上官方人员的举例（我会协助大家更好的理解）

假设有5个持币人（左边），5个节点（右边），要从中选出4个节点进行出块，为了简化模型先忽略节点自己拥有Staking量

下面是选举结果的举例（我一一为大家说明）

第一张图（最左边）

并不符合公平代表（FairRepresentation）的目标，因为图中第一个持币人拥有10Dot的权重, 相比第五个持币人只有3Dot的权重，最终却没有对应到任何他支持的节点，不符合公平代表目标拥有一定Staking权重的持币人至少对应到一个节点（在现在情况下，第一个持币人是拿不到奖励的）。

第二张图

符合公平代表（FairRepresentation）的目标，有些人可能会质疑为什么E节点选上了，而B节点没有选上，这和接下来会举例的重新分配算法相关，这边简单理解，图中第二个持币人同时支持了3个节点，系统只要保证他支持的节点至少有一个被选举上就好（这边他支持的节点有两个选上，第二个持币人所有Staking量将会被分配到这两个节点上），同时保持第五个持币人也有支持的节点E，对于Polkadot这样的选举结果是可能之一。

第三张图

符合公平代表（FairRepresentation）的目标，有些人可能会质疑这个与第二张图产生矛盾，目标是尽可能让每个持币人最少要有一个支持节点被选上，那第5个持币人支持的节点没有被选上，因为整个系统只需要选出4个节点，所以第五个Staking权重低的持币人支持的节点没有选上的结果是可能之一。

以下是上述两个符合公平原则的选举人委员会可能结果，确立选举人委员会后系统还要经过Staking权重重新分配

Polkadot系统会在每次从中选出一个更公平分配且具备安全性的结果，这个例子中选择右边因为它平均分配的更好，右边的节点中平均最低都拥有了9的Staking权重。

以上就介绍完Polkadot的选举算法了，上面的逻辑非常的绕，背后的数学更是复杂，官方的举例是在一个简单的情况下，真实情况如果放大到100个节点，每个持币人Staking权重都不同，同时又委托给多个节点，就会相当相当复杂，大家可以多思考几遍，依照上面提到的三大目标，每一个目标都可以当作标准检验一遍，就能够更明白。

NPoS这个选举算法动态分配持币人Staking权重，还基于一些规则挑选出最后的选上的节点，对现有的PoS生态中造成了一些不同。

1. 在持币人可以选择多个节点下，大节点不努力争取社区支持，也有机会在算法下被排除在外（如图二中间B节点）

2. 在平衡staking量目标下，小且没有资本的节点更有利，因为只要社区中越多人选择它，在系统分配Staking量的机制下，选上出块可以获得奖励概率更高（如图二右边D节点）

3. 在平衡staking量目标下，大节点利润相对被压缩，大节点需要思考是否将自己的币委托出去，能获得更多利润

4. 持币人更有动机去选择小节点，利润更高，因为奖励是依据被选上节点的工作量计算的，只要持币人支持的小节点成功选上进行出块，小节点上累积的Staking的权重没有那么高，不同持币人依据委托给小节点的Staking比例分奖励，相对于委托给大节点，委托给小结点利润更高（就想像每个节点都赚10块钱，大节点需要和100个人分，小节点只需要和30个人分）

Polkadot到底想解决现有PoS什么问题

1. 一部分不可避免地中心化问题

2. 低手续费未来不会无限地吸引staking量，因为收益是看节点工作量

（现在Cosmos上就出现0手续费节点吸引大量持币人委托，在Polkadot里这样高Staking权 重的节点与普通Staking权重的节点获得的收益是一样的）

3. 持币人可以通过挑选不同节点最大化自己利益，同时促进去中心化

（对于持币人就可以有多种委托策略，我可以挑选安全可靠的节点，同时也可以挑选一些小但是也挺靠谱节点，可以获得更高收益率）

Polkadot在整个机制其实非常复杂，我可能也有漏掉的地方，怎么攻击这样的机制，包挂选举算法到底有没有漏洞可以钻，都需要专业人士投入大量精力区专研，这边就不进行讨论。

这是解读Polkadot机制的第一篇，未来正式参数与测试网出出来后也会给大家更多的例子。