[MyToken研报] Harmony 研究报告

Harmony 是一个公链，项目启动于2018年5月，主网发布于2019年6月，是主打“分片”概念的公链之一，兼容以太坊虚拟机(EVM)。Harmony 主网平均每秒处理 2,000 笔交易 (TPS)，最高可达 24,000 TPS。

 

Harmony 是一个基于状态分片和 PoS 的高性能公链项目，每个分片都相当于一条独立的区块链，但不同分片之间具有信息交互和相互转账的能力，使多个分片能连成一个一致的网络。该项目致力于建造一个新一代区块链网络：以分片架构为基础，实现高可扩展性、安全、低能耗的区块链。

 

除了分片技术，Harmony 还具有一些独特的功能，旨在解决其他区块链协议面临的挑战。

Harmony 采用 EPoS+FBFT 的共识机制，即先通过 EPoS 选出参与区块签名的节点，再通过 FBFT 达成共识。FBFT 是 Harmony 在 PBFT 基础上的创新。FBFT 对 PBFT 中的验证和投票环节进行了改进，在PBFT算法中，每个共识轮次都有两个阶段，准备和提交。在每个阶段中，领导节点向所有验证器节点广播提议，并且验证器节点本身将其投票轮流广播至其他节点。这种情况下所有节点达成共识，都需要进行 O(n^2) 时间复杂度的网络通信，其中 N 是节点的总数。当节点数量规模扩展到一定程度，会迅速扩大网络完成共识的时间。

 

 

pbft 算法达成共识的过程

 

在Harmony 中使用的 FBFT 利用聚集多重签名并返回验证的方式取代了广播投票的过程。FBFT算法中，领导节点打包生成新区块后，将区块头和区块分别进行广播。验证节点验证区块头后，使用BLS签名算法将其签名，并发回给领导节点。随后，领导节点将收集到的结果聚合起来，将BLS多重签名和相应的签名节点广播到网络内。收到BLS多重签名后，验证节点再对多重签名结果进行验证，证明至少有三分之二的签名者，之后将区块内容进行验证和签名，发回领导节点。领导节点再将聚集的签名区块进行广播，验证节点在验证多重签名合法后将区块添加到区块链上。在这种情况下，FBFT 的验证者只需接收一个多重签名，通信的时间复杂度从 O(N²) 下降到 O(N)。网络达成共识的时间以线性的方式增加，扩展性更好。

 

 

FBFT 算法达成共识的过程

 

 

有效抵押证明（EPoS）是第一个适合分片公链的Staking机制。EPoS有效解决了抵押 Stake中心化的问题，同时支持抵押复利 Compounding 和抵押委托Delegation。

现在大多数现有的 PoS 区块链中，验证者所获得区块奖励和他们抵押的代币数量成正比，也就是抵押的代币越多，获得的区块奖励越多。这种设计存在“富人越富”的问题，通常会导抵押代币的集中化。例如，在Cosmos中，排名前10位的验证者拥有超过50％以上的总抵押代币，这会对系统带来中心化风险。

 

缓解此问题的方法之一，是对所有验证者不论其抵押代币数量多少都给予同等的区块奖励，这是Polkadot的抵押模型所提出的方案。给予相等的奖励将推动验证者之间的抵押代币平均分配，因为与小Staker相比，大staker无论抵押多少代币，都只能和小Staker获得一样的区块奖励。尽管如此，其实富者越富的问题并没有完全消除，因为拥有大量stake的人仍然可以通过分散代币来充当多个小staker。因此，“富人致富”的问题还没有得到完全解决，只是在一定程度上得到缓解。

 

Polkadot的等额奖励机制在一定程度上缓解了抵押中心化的问题，但它的设计不能支持区块奖励的复利，因为抵押者把获得的区块奖励继续抵押后，不会获得更多回报。在EPoS中，Harmony引入了一个新的概念：“有效抵押”。抵押者并非按照实际抵押量来获得奖励，而是按照”有效抵押“获得奖励。

 

假设Harmony系统中允许1600个抵押者的参与，Harmony使用median_stake表示这1600名抵押者排名中位数的抵押数量，而actual_stake是抵押者持有的实际抵押。所谓“有效抵押”， 是抵押者实际抵押被限制在median_stake上下15%的数值。

 

具体讲，如果实际抵押超出了中位数抵押的15%，那么有效抵押等于中位数的1.15倍；同样，如果实际抵押低于中位数的15%，那么有效抵押等于中位数的0.85倍。其他情况下，有效抵押等于实际抵押。

 

EPoS 的设计中，区块奖励和投票权均和有效抵押成正比，和实际抵押没有关系。有了“有效抵押”的概念，排名较高的验证者实际上会受到一定程度上的经济惩罚，而排名较低的验证者则获得额外的奖励。（黄色区域内的人是相对来说获得了更少的奖励，而绿色区域的人，获得了更多的奖励，蓝色区域的人获得等比于其抵押的奖励）有效抵押的机制设计就像是一个均衡器（equalizer)，促使验证者之间的抵押分布更加均匀，从而避免了抵押中心化，保证分片系统的去中心化和安全性。因为对于黄色区域的人，他们最好的策略是把自己的高于有效抵押上限的代币委托给绿色区域的人。这样就相当于让财富从富人手里转移到了穷人手里，实现了财富的平均化。

 

EPoS在保证去中心化的同时，支持区块奖励的复利和抵押的委托。对于实现复利，黄色区域的人可以把奖励委托给绿色区域的人来实现复利。而蓝色和绿色区域的人可以直接把奖励重新抵押进系统，实现复利。而对于普通的代币持有者，他们可以自由选择验证者来委托其代币。一般情况下，他们会选择蓝色和绿色区域的验证者，因为只有委托给他们，才能有更多的回报。EPoS机制同时实现了抵押的去中心化，支持了复利和委托的功能，是目前为止市面上最有效，公平，去中心化的分片PoS模型。

 

分片技术通常被划分为网络分片、交易分片、状态分片。最早的分片技术出现在Zilliqa， Zilliqa 将其网络分成多个分片，每个分片有数百个节点（网络分片）。这允许不同的交易由不同的分片同时处理（交易分片）。但是，为了能够处理交易，分片中的每个节点都必须存储整个区块链状态信息。这使得网络对节点得要求较高，阻止了硬件资源一般得节点加入网络，不利于网络的去中心化。Harmony 不仅对交易层面进行分片，还会对共识发生的层面进行分片，这提高了并行处理的水平，从而提高了网络吞吐量。此外，由于所有节点都不需要存储整个区块链状态，因此一般的个人计算机也可以作为节点加入网络，从而使网络更去中心化。

 

Harmony的分片架构，是包括一条信标链和多条分片链组成的多链结构，每条链的属性是同质的，但信标链会提供更多服务，例如生成去中心化的随机数，分片链Header的验证，还有最重要的是接受验证节点的权益抵押。

 

Harmony 分片架构

 

Harmony采用了EPoS(Effective Proof-of-Stake)的有效抵押机制和安全的随机分片技术(Random Sharding)，靠协议的规定把大Staker的抵押代币打散成许多细小的部分，并随机分配到多个分片里，这样任何人就无法把他的stake集中到单一分片内，从而无法攻击单一分片。

 

Harmony 分片过程

 

Harmony在系统内引入了周期 （Epoch）的概念，在每个周期的开始要进行分片重组。所有想要在某个周期加入网络参与共识的节点都要在该周期开始前抵押通证取得选票。每个节点拥有的票数会在加入网络是随机分配到一 个或多个分片中。这也就是说，一个有多张选票的节点很可能在会参与多个分片的共识过程。这种设计是为了防止有持有大量通证的恶意节点能够操纵某个分片。根据Harmony的计算，在周期时间为24小时、每片选票数为600、恶意票数不超过总票数四分之一时，单个分片内恶意票数超过三分之一的概率不足万分之一。这证明了这种设计在理论上能够保证较高的安全性。

 

为了防止分片保持结构固定可能会出现的静态循环攻击、慢适应攻击或完全适应攻击等，Harmony 还采用基于 Cuckoo 规则的重新分片机制对分片的选票进行重新洗牌。

 

Harmony区块快速同步

 

同时，Harmony 还有使验证者快速进行状态同步和验证的机制。简单而言，如上图所示，每个周期的首个区块都包含上一个周期首个区块的哈希链接。当验证者新加入一个分片时，它们需要检索状态，并确保状态有效。新加入的验证者下载当前状态即可获得从当前状态到创始区块的路径；新验证者可以依赖灰色区块来快速验证当前的状态。

 

在将节点分配给分片时，分片系统通常采用基于随机性的方法，以降低攻击的风险。在所有方法中，基于随机性的分片已被认为是最安全的解决方案。在这种情况下，网络需要使用随机数生成方案来将节点随机分配给分片。此随机数应具有以下属性：

• 不可预测：没有人能够在生成之前预测随机数。
• 无偏见：生成随机数的过程不应该偏向任何一个参与者。
• 可验证：所生成的随机数的有效性可由任何观察者验证。
• 可扩展：随机生成算法应具备大量参与者可以参与的扩展性。

目前有以下方案实现分布式随机 (DRG) 的生成：

• Omniledger 使用 RandHound 协议，这是一个领导者驱动的分布式随机生成过程，涉及 PVSS（公开可验证的秘密共享）和拜占庭协议。RandHound 是一种复杂度为 O(n*c^2) 协议，它将参与者节点划分为多个大小为 c 的组。它实现了上面的前三个属性，但是在可扩展性方面不太合适。 
• RapidChain 采用一种更简单的方法，让每个参与者执行VSS（可验证秘密共享）并使用组合的秘密共享作为结果随机性。但是，这个协议并不安全，因为恶意节点可以向不同的节点发送不一致的共享。此外，RapidChain 没有描述节点如何在重建随机性的多个可能版本上达成共识。
• Algorand 依靠基于 VRF（可验证随机函数）的加密分类来选择一组共识验证者。
• 以太坊 2.0 设计提出使用 VDF（可验证延迟函数）来延迟实际随机数的揭示，以防止最后暴露者的攻击。VDF 是一种新发明的原生加密方式；它需要一个可调节的最小时间来计算，并且可以立即验证结果。

 

Harmony 融合了 Algorand 的 VRF 和以太坊 2.0 的 VDF，提出一种新的分布式随机生成协议，其过程如下图所示。

 

 

由于有 VDF，领导者在 pRnd 提交到区块链之前，无法知道实际的最终随机数。由于使用 VDF 来计算 Rnd，pRnd 已经在前一个区块中提交，所以领导者就无法操纵它。如果领导者不提交 pRnd 停止协议，FBFT 有一个超时机制可以切换领导者并重新启动协议。该分布式随机生成协议的复杂度是 O(n)，会比 RandHound 快一个数量级。

 

Harmony 网络

 

在基于 P2P 网络的任何区块链系统中，广播都是频繁的网络动作。特别是在共识协议中，有三种情况需要广播：

1. 领导者需要向所有验证者广播新提议的区块。
2. 需要将新生成的主链区块广播到整个网络。
3. 跨分片通信需要在分片之间广播消息。

 

在普通的 P2P 广播中，原始发送者需要将消息的副本发送给其每个邻居。这将导致发送方的 O(d*M) 的网络负载，其中 d 是发送方的平均邻居数，M 是消息大小。Harmony 对此进行了优化，如下图右部所示，发送者先使用纠删码对消息进行编码，然后再将编码消息的块发送给每个邻居。这将发送者的负载减少到 O(M+e)，其中 e 是擦除代码的大小，并且它通常小于原始消息 M 的大小。因此，Harmony的网络广播机制显着降低了广播发送者的网络负载。

 

 

对于任何基于分片的区块链系统，跨分片通信的协议都非常重要，它可能直接影响区块链的性能。Harmony 受 RapidChain 启发，使用 Kademlia 作为跨分片小小的路由机制。Harmony 网络中的每个节点都维护一个包含来自不同分片的节点的路由表。分片之间的距离定义为分片 ID 的 XOR 距离。当需要将来自分片 A 的消息发送到分片 B 时，分片 A 中的节点将查看路由表并将消息发送到具有最接近分片 ID 的节点。使用基于 Kademlia 的路由，消息仅在到达目标分片之前穿过 O(log(n)) 节点。与需要 O(n) 网络复杂度的普通八卦广播相比，Kademlia 路由机制可以将通信复杂度降低到 O(log(n))，显着减少分片区块链中的整体网络负载。

 

和以太坊 2.0 一样，Harmony 的分片架构由信标链和分片链组成。每个分片链处理总事务的子集。信标链是一个特殊的分片链，有两个额外的职责——为 DRG 生成随机数，并接受验证者的抵押。信标链还增加了整个生态系统的安全性。在将每个新块添加到分片链之后，将块头发送到信标链（通过 Kademlia 路由）。信标链检查块头是否有效，并将其广播到整个网络。每个分片都维护一个有效的块头列表，用于检查其他分片的事务是否有效。

由于信标链的存在，恶意攻击者必须攻击分片和信标链。此外，由于信标链本身广播所有有效的块头，因此通信复杂度再次仅为 O(n)。如果每个分片必须分别将有效块头的列表广播到所有其他分片，那么复杂性将是 O(n^2)。在安全性和可扩展性方面，信标链在 Harmony 的生态系统中是一个非常重要的实体。

 

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Harmony是最早开发跨链桥的项目之一，Harmony的代币ONE一开始发行在币安链（BEP2）上，后来又通过跨链转移到以太坊（ERC20）上，在主网完善后发行了主网代币，在BSC生态完善后又发行了BEP20代币。当前主要以主网代币为主，最主要的跨链桥是官方的Horizen Bridge。

Horizen Bridge是官方开发的跨链桥，智能合约锁定用户的原始资产，然后在Harmony上铸造新的资产分发给用户。

Horizen Bridge没有对跨链资产进行限制，可实现任意以太坊和BSC资产跨链到Harmony上，即任意ERC20和BEP20代币都可以通过Horizen Bridge跨链到Harmony上得到HRC20代币。任意HRC20代币也可以跨链到以太坊和币安智能链上。

这样的设计使跨链桥具备通用性，但是在使用中需要特别注意跨链后的资产是否是官方支持的。不同来源的资产，跨链后会生成两种不同的资产。比如BUSD，官方支持更多的是ERC20 BUSD跨链后生成的BUSD，而BEP20 BUSD跨链后生成的为bscBUSD。

即使是同一种资产，跨链后也可能生成两种资产，用户在跨链时最好选择目标链上的合约地址进行确认。例如Harmony上的1SUSHI，跨链到BSC上显示为11SUSHI，这并不是BSC上通用的SUSHI。若再将11SUSHI跨链回到Harmony上，则需手动输入Harmony中1SUSHI的合约地址，否则将默认得到在Harmony上不能使用的bsc11SUSHI。

费用上，将资产跨链到Harmony的费用较低，如ERC20代币跨链生成HRC20代币，费用仅为1~2次ERC20代币转账的成本。但是，若要将HRC20代币再跨链回到以太坊，则需要较高的成本。

Anyswap是最通用的跨链桥之一，当前已支持19条链上的500多个项目。Harmony先与Anyswap合作，将原生BTC带入Harmony网络，当前anyBTC已经可以在Viperswap中进行流动性挖矿。

9月14日，Polygon上的资产也可以通过Anyswap跨链到Harmony上，Anyswap将帮助Harmony构建多链未来。

早在Harmony官方公布3亿美元的生态建设资金前，Harmony上的SushiSwap就已经开始获得Harmony的资助，用户在SushiSwap上参与流动性挖矿可以同时获得SUSHI和ONE代币奖励。一开始，SUSHI与ONE的价值基本相等，但随着ONE奖励的下降，现在主要以SUSHI为主。

截至9月15日，Sushi上的Harmony一共支持16个交易对的流动性挖矿，平均APR为60%左右，稳定币交易对的APR为20%左右。此前TVL最高超过1亿美元，当前为8250万美元。

在Harmony上除SushiSwap之外的DEX中，ViperSwap的TVL最多，当前为1107万美元，主要包含ONE或VIPER与其它主流资产的流动性。Harmony官方大肆宣传的anyBTC也率先在ViperSwap中使用，挖矿获得的是VIPER代币。虽然APR显示为百分之几百，但是有95%的奖励会锁仓，到2021年12月25日后才开始解锁。

 

一个DEX，整体功能Fork自PancakeSwap，当前TVL一共163万美元，交易对的流动性普遍在几万美元，难以满足交易需求。此外，社区还创建了类似HTMOON的ONEmoon，每当有交易发生时，都会有部分代币分发给其它持币者、添加不可取消的流动性、加入社区资金、销毁。

又一个DEX，官网显示的TVL为128万美元，主要为oSWAP单币质押，而oSWAP单币池也因为资金过多，APR只有3.6%。

Beefy Finance是一个多链收益优化器，在BSC、Polygon、Fantom、Heco、Avalanche这五条链上的总TVL超过9亿美元。上周Beefy Finance部署到了Harmony上，但因为当前只有少量ONE代币激励，TVL仅为90万美元。

Beefy Finance依靠其它DEX的流动性，质押LP代币进行挖矿，当前Beefy Finance挖矿的APR略高于SushiSwap，由Harmony给予ONE代币奖励，支持的交易对和SushiSwap一致。

部分SushiSwap的LP代币从SushiSwap移动到Beefy Finance进行质押，但这并不会导致SushiSwap的TVL降低，流动性仍在SushiSwap上，这样也有利于提高SushiSwap中挖矿的收益率，这可能也是Harmony减少SushiSwap中ONE代币奖励的原因。

 

Harmony上的NFT平台，当前一共有3575位艺术家铸造了30721个NFT，包括副本在内共销售了44467件，总共售价957万ONE，折合约166万美元。

Harmony 处于公链赛道，在技术方面采用了和以太坊2.0一样的的分片技术，且实现了先进的状态分片，并在共识、网络层面都有一定的创新，在技术上有一定的竞争优势。在生态建设方面，官方推出了4亿美金生态建设扶持计划，取得了显著的效果，当前TVL排名在第十一位，项目数量为41个。头部项目DeFi Kingdom 是一个结合了游戏、defi 、NFT的综合性平台，在机制上有一定的创新，同时也是TVL占比最大的项目。

综合来看，Harmony 发展前景广阔，但也面临巨大的竞争压力，能否持续产生优质的项目，是Harmony 取得竞争优势的关键。