Qtum量子鏈的基本特性及原理解析

新年伊始，CSDN 以“讓區(qū)塊鏈回歸技術(shù)和應(yīng)用的本質(zhì)”為宗旨撰寫《區(qū)塊鏈開發(fā)者報(bào)告》包含技術(shù)掃描、公鏈選擇指南，以及公鏈與應(yīng)用開發(fā)實(shí)戰(zhàn) 3 個部分。

其中公鏈與應(yīng)用開發(fā)實(shí)戰(zhàn)部分，Qtum 量子鏈中國區(qū)技術(shù)負(fù)責(zé)人——鐘文斌，撰寫了《公鏈設(shè)計(jì)與開發(fā)實(shí)踐和開發(fā)細(xì)節(jié)》部分，講述了 Qtum 量子鏈基本特性、設(shè)計(jì)初衷，以及在Qtum量子鏈項(xiàng)目中所運(yùn)用技術(shù)的詳細(xì)介紹，本文為上篇，包含以下部分：

· 背景介紹

· Qtum 量子鏈的基本特性

· 賬戶抽象層 ― UTXO 和比特幣腳本如何支持智能合約？

· PoS 共識機(jī)制

公鏈設(shè)計(jì)與開發(fā)細(xì)節(jié)揭秘 作者：鐘文斌

背景介紹

2018 年被稱為“公鏈元年”，各種形形色色的公鏈如雨后春筍，一時間幾乎所有項(xiàng)目都在開發(fā)各種各具特色的公鏈。Qtum 量子鏈作為國內(nèi)最早的一批公鏈之一，在 2017 年 9 月上線了其主干網(wǎng)絡(luò)，其全球全節(jié)點(diǎn)數(shù)僅次于以太坊和比特幣，成為全球第三大去中心化區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。

Qtum 兼容比特幣和以太坊這兩大生態(tài)，可以說集合了主流公鏈開發(fā)的所有技術(shù)，并且在此基礎(chǔ)上提出并實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新。本文以 Qtum 為例，介紹了公鏈設(shè)計(jì)和開發(fā)需要注意的諸多細(xì)節(jié)，供所有公鏈開發(fā)者參考。

Qtum 量子鏈的基本特性

Qtum 是首個建立在 UTXO 模型之上，采用 PoS 共識機(jī)制和去中心化治理模式，且兼容多虛擬機(jī)的智能合約平臺和價值傳輸網(wǎng)絡(luò)。

為了讀者有直觀理解，先羅列 Qtum 區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的的基本特性和參數(shù) ：

底層模型 ：UTXO（Unspent Transaction Output）

區(qū)塊大小 ：2 MB

平均區(qū)塊間隔 ：144 秒

共識機(jī)制 ：PoS（Proof-of-Stake，權(quán)益證明機(jī)制）

鏈上理論最大 TPS ： 70~100 筆交易 / 秒

初始發(fā)行量 ：100，000，000 QTUM

當(dāng)前挖礦獎勵 ：4 QTUM，每四年減半

挖礦獎勵總額 ：約 7，884，000 QTUM（作為區(qū)塊生產(chǎn)者獎勵）

基礎(chǔ)代碼框架 ：比特幣 Bitcoin core

支持智能合約，支持 EVM，x86VM 等多虛擬機(jī)

支持去中心化鏈上治理機(jī)制

這些特性和參數(shù)的確定并非一時興起，而是 Qtum 創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)在綜合考慮公鏈生態(tài)的現(xiàn)狀、應(yīng)用場景、技術(shù)可行性以及未來發(fā)展方向等因素之后確定的。在正式開始介紹各部分設(shè)計(jì)前，不妨先回顧一下 Qtum 設(shè)計(jì)初衷，有助于理解后續(xù)的許多實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

Qtum 量子鏈設(shè)計(jì)初衷

Qtum 量子鏈的想法誕生于 2016 年，當(dāng)時的比特幣網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行了近 8 年，期間比特幣賬本從未出過一筆錯賬，足以看出比特幣 UTXO，PoW 等設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。當(dāng)時大部分項(xiàng)目都是對比特幣的簡單修改，本質(zhì)上還是中本聰最初設(shè)計(jì)的雛形。然而比特幣的美中不足之處在于其非圖靈完備的腳本，無法支持真正意義上的智能合約。

Qtum 創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)最初始的想法很簡單 ：讓比特幣支持智能合約。

然而，為什么團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一條新的公鏈，并且具有如此多與比特幣完全不同的特性呢？主要出于以下幾點(diǎn)考慮 ：

1. 出于安全性、穩(wěn)定性、匿名性和可擴(kuò)展性等方面考慮，選擇 UTXO 模型，而不是賬戶模型 ；

2. 比特幣的升級需要 Core 團(tuán)隊(duì)和比特幣社區(qū)的共識，如此重大的升級幾乎不可行，因此需要一條新公鏈 ；

3. 支持智能合約需要虛擬機(jī)，EVM 具有良好的生態(tài)，首先兼容

4. 不重復(fù)造輪子，并保持和比特幣及以太坊兩大社區(qū)的兼容性，復(fù)用比特幣和以太坊部分代碼

5. EVM 有其固有的缺點(diǎn)，因此 Qtum 也在自主研發(fā)更具兼容性的 x86 虛擬機(jī)

6. 同一條鏈上支持多種虛擬機(jī)，需要設(shè)計(jì)可擴(kuò)展的賬戶抽象層

7. PoW 共識的缺陷，兼顧去中心化，因此采用 PoS 作為共識機(jī)制

8. 已有的區(qū)塊鏈項(xiàng)目都缺乏有效的鏈上治理模式，需要設(shè)計(jì)一套去中心化治理機(jī)制。

簡而言之，Qtum = UTXO+PoS+ 智能合約 + 多虛擬機(jī)兼容 + 去中心化治理，這與開篇提到的 ：“Qtum 是首個建立在 UTXO 模型之上，采用 PoS 共識機(jī)制和去中心化治理模式，且兼容多虛擬機(jī)的智能合約平臺和價值傳輸網(wǎng)絡(luò)”完全吻合。上述設(shè)計(jì)涉及到較多技術(shù)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，接下來我們詳細(xì)解釋。

Qtum 技術(shù)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)

01 賬戶抽象層 ： UTXO 和比特幣腳本如何支持智能合約？

UTXO v.s. 賬戶模型UTXO（Unspent Transaction Output，未花費(fèi)的交易輸出）是比特幣采用的底層賬本模型。而以太坊則采用了賬戶模型。對于普通人來說，后者相對好理解，就是從一個地址到另一個地址，一筆 ETH 的傳輸，類似銀行賬戶。

而比特幣交易則相對復(fù)雜，它是由若干 input和 output 組成的，每個 output 包含特定”鎖定腳本”，該腳本規(guī)定了該 output 的花費(fèi)規(guī)則，提供符合規(guī)則的”解鎖腳本“即可花費(fèi)該 output，作為下一筆交易的 input。而尚未被花費(fèi)的 output 就是 UTXO。比特幣網(wǎng)絡(luò)上的交易都是由 input 和 output 串聯(lián)起來的。

UTXO 的優(yōu)點(diǎn)在于 ：

? 安全性：解決雙花問題的邏輯和處理方式都及其簡單，且支持原生多重簽名

? 匿名性：多入多出的交易，錢包可生成任意多個地址，每次生成新的找零地址

? 可擴(kuò)展性：可并行處理，生成離線交易無需像以太坊一樣維護(hù) nonce

? 輕錢包：SPV，支持輕錢包去中心化驗(yàn)證交易的合法性，特別適合移動設(shè)備

? 兼容性：兼容諸如閃電網(wǎng)絡(luò)，跨鏈原子交換，隱私交易等其他基于 UTXO 的項(xiàng)目所采用的技術(shù)

UTXO 雖然有諸多優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)時基于 UTXO 模型的各種項(xiàng)目的底層腳本語言都是非圖靈完備的，并且與以太坊虛擬機(jī)所采用的賬戶模型無法兼容。

為此 Qtum 開發(fā)賬戶抽象層（Account Abstraction Layer， AAL），實(shí)現(xiàn) UTXO 模型與賬戶模型的適配。這種分層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了底層賬本和上層智能合約的完全解耦，也使 Qtum 后續(xù)兼容多種虛擬機(jī)（EVM，x86，WASM 等）成為可能。

AAL 要實(shí)現(xiàn)的工作其實(shí)很簡單：UTXO 模型賬戶模型。

由于篇幅有限，本文只對其基本原理和遇到的問題做簡要解釋，感興趣的讀者可以進(jìn)一步閱讀《深度解析 Qtum 量子鏈賬戶抽象層》，文章從代碼層面對 AAL 進(jìn)行了詳細(xì)剖析 。擴(kuò)展比特幣腳本 ― UTXO 模型 -》 賬戶模型比特幣的 UTXO 模型采用了一套非圖靈完備的腳本語言，該腳本自帶的操作碼并不支持合約交易。Qtum 在比特幣腳本的基礎(chǔ)上增加了 3 個操作碼 ：

1. OP_CREATE ：創(chuàng)建智能合約

2. OP_CALL ：調(diào)用智能合約 （ 向合約發(fā)送 QTUM）

3. OP_SPEND ：花費(fèi)智能合約中的 QTUM在產(chǎn)生新區(qū)塊時，除了對交易腳本做常規(guī)的檢查外，還需要檢查是否包含上述的操作碼。OP_CREATE 用于向 EVM 傳遞合約字節(jié)碼。OP_CALL 將 data、gasPrice、gasLimit、VMversion 等運(yùn)行智能合約所需的關(guān)鍵參數(shù)通過交易腳本發(fā)送，最終傳遞到 EVM 中。OP_SEND 則用于合約執(zhí)行結(jié)果的 UTXO 轉(zhuǎn)換，稍后解釋。通過引入上述三個腳本，Qtum 的 UTXO 模型具備了識別和處理智能合約相關(guān)交易的能力。

02. 從 UTXO 獲取的合約如何在 EVM 中運(yùn)行？

合約的執(zhí)行會引起狀態(tài)改變，對于合約的狀態(tài)，Qtum 沿用了 EVM 的定義，所以能兼容所有的符合 EVM 規(guī)范的智能合約。從上述 OP_CREATE 或 OP_CALL 提取出合約交易參數(shù)之后，即可構(gòu)建運(yùn)行環(huán)境。合約的運(yùn)行過程基本采用了 EVM 的引擎，為使其與 Qtum 區(qū)塊鏈進(jìn)行正常交互，Qtum 完成了以下工作（這里只截取部分），供公鏈開發(fā)者參考 ：

1. 針對每個獨(dú)立交易構(gòu)建運(yùn)行環(huán)境，最大限度的把不同交易的合約執(zhí)行過程隔離開，避免合約執(zhí)行過程中的交叉影響

2. 實(shí)現(xiàn) EVM 的永久存儲，當(dāng)區(qū)塊成為孤塊或斷開時，可以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的回滾

3. 實(shí) 現(xiàn) EVM 和 Qtum 區(qū) 塊 鏈 間 的 接 口， 使 EVM 能夠獲取諸如 BLOCKHASH，COINBASE，DIFFICULTY，BLOCKNUMBER，GASLIMIT 等區(qū)塊基本信息 4. 實(shí)現(xiàn)已部署在鏈上的合約間的相互調(diào)用

5. 實(shí)現(xiàn)合約地址獲取自身余額的功能

6. 為 EVM 生成 debug 信息，方便調(diào)試智能合約

7. 重新設(shè)定各操作碼的 gas 價格，因?yàn)?QTUM 和 ETH 的價格差異較大，且 EVM 的 gas模型設(shè)計(jì)略不合理，因此需要重新優(yōu)化

8. 支持自毀操作碼，使合約可以自毀

9. ……

感興趣的讀者可以閱讀《Qtum 設(shè)計(jì)文檔》獲取更多設(shè)計(jì)方面的細(xì)節(jié)。在解決了上述問題之后，從 Qtum 交易傳入的智能合約代碼即可在 EVM 中成功運(yùn)行了。該實(shí)現(xiàn)理論上適用于所有基于 UTXO 的項(xiàng)目。運(yùn)行的結(jié)果會引起狀態(tài)改變，這時需要使用上述的 OP_SPEND 用于花費(fèi)合約中的余額，上面已經(jīng)提到，無論是比特幣還是 Qtum，都是通過私鑰”解鎖“ UTXO 腳本來花費(fèi) UTXO余額的，而 EVM 的執(zhí)行涉及不同賬戶之間的轉(zhuǎn)賬，所以需要通過 OP_SPEND 實(shí)現(xiàn)這些轉(zhuǎn)賬到 UTXO 模型交易的轉(zhuǎn)換，最終轉(zhuǎn)化為 Qtum 標(biāo)準(zhǔn)交易腳本（對比特幣交易腳本不熟悉的讀者建議閱讀《Mastering Bitcoin》）。

03、賬戶抽象層的安全性

上述的 UTXO 和賬戶模型的互相轉(zhuǎn)換雖然實(shí)現(xiàn)了 Qtum 區(qū)塊鏈與 EVM 的交互，但 AAL也引入了一個安全問題。由于合約地址本身也是一個 Qtum 的合法地址，并且底層都是UTXO 模型，這就意味著一個合約可以擁有多個 UTXO。這本身沒有問題，但卻給攻擊者提供了 DoS 攻擊的可能性。攻擊者可以通過給合約發(fā)送多個小額的 UTXO，然后一次性用 OP_SPEND 花費(fèi)大量 UTXO，從而導(dǎo)致區(qū)塊大小超過限制，新區(qū)塊無法被接收，使得網(wǎng)絡(luò)無法產(chǎn)生新的區(qū)塊。這是 UTXO 與 智能合約相結(jié)合所帶來的必然問題。Qtum 的解決方案是在共識層面做優(yōu)化，規(guī)定合約地址只能擁有一個 UTXO。每次合約運(yùn)行結(jié)束時，都會將原來的 UTXO 和新加入的 UTXO 進(jìn)行合并，從而保證合約地址始終只有一個 UTXO。

Qtum 稱之為“Condensing transaction”。為了保證合約狀態(tài)以及 UTXO 的共識，Qtum 的區(qū)塊頭除了包含與比特幣相同的字段外，還需要額外加入 hashStateRoot 以及 hashUTXORoot 兩個字段，感興趣的讀者可以閱讀Qtum 的源碼。賬戶抽象層帶來的好處比特幣的 UTXO 模型相較于以太坊的賬戶模型有諸多優(yōu)越性，以太坊有一套圖靈完備的語言，可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的智能合約邏輯。兩者都有強(qiáng)大的生態(tài)作為支撐，并且聚集了區(qū)塊鏈行業(yè)最優(yōu)秀的開發(fā)者。

Qtum 選擇不重復(fù)造輪子，而是在比特幣和以太坊的基礎(chǔ)上開發(fā)了賬戶抽象層 AAL，打通了兩個原本分離的生態(tài)。這一設(shè)計(jì)帶來的好處包括 ：

1. 獲得與比特幣一致的穩(wěn)定底層基礎(chǔ)設(shè)施（UTXO）；

2. 兼容比特幣后續(xù)所有包括性能上和安全性上的升級；（目前已同步升級到 0.16 版本，正在適配 0.17）

3. 兼容現(xiàn)有智能合約生態(tài)，以太坊上的智能合約可以零成本遷移 ；（QRC-20，QRC-721等均兼容）

4. 比特幣和以太坊的開發(fā)者自動成為 Qtum 的開發(fā)者 ；

5. 兼容所有基于比特幣和以太坊虛擬機(jī)的技術(shù)，比如閃電網(wǎng)絡(luò)，雷電網(wǎng)絡(luò)，plasma，加密隱私，原子交換，分片等等 ；

6. 兼容以太坊上所有智能合約開發(fā)工具（當(dāng)然有些需要做 RPC 的適配，Qtum 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這樣的適配），降低開發(fā)者學(xué)習(xí)成本。

04、小結(jié)

Qtum 首創(chuàng)的賬戶抽象層 AAL 實(shí)現(xiàn)了 UTXO 模型到賬戶模型的適配，從技術(shù)層面打通了比特幣和以太坊生態(tài)，并未后續(xù)兼容多種虛擬機(jī)（如 x86，WASM）提供了可能，其設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)值得公鏈開發(fā)者參考。

PoS 共識機(jī)制 為什么需要挖礦？

說到共識機(jī)制，我們首先從字面上回顧一下什么叫“區(qū)塊鏈”，所謂區(qū)塊實(shí)際上是一段時間內(nèi)交易的集合，每個區(qū)塊都有一個指向上一區(qū)塊的哈希指針，從而組成了一條鏈。所以簡單來說區(qū)塊鏈就是一個不可篡改的分布式數(shù)據(jù)庫，那為什么需要挖礦呢？ 這里以 PoW 挖礦為例。

首先，區(qū)塊鏈主要分為 ：公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈。它們的核心區(qū)別在于記賬權(quán)，公有鏈?zhǔn)侨ブ行幕?，賦予網(wǎng)絡(luò)上的每個節(jié)點(diǎn)記賬的權(quán)力，而私有鏈和聯(lián)盟鏈的記賬節(jié)點(diǎn)為少數(shù)幾個指定節(jié)點(diǎn)。

只有公有鏈才需要挖礦，其目的在于 ：

1. 安全性：依靠區(qū)塊獎勵和手續(xù)費(fèi)激勵節(jié)點(diǎn)記賬，去中心化地維護(hù)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的安全性

2. 隨機(jī)性：保證選出的記賬節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)性，否則固定的記賬節(jié)點(diǎn)很容易被 DoS 攻擊，出現(xiàn)單點(diǎn)故障

3. 代幣分發(fā) ：挖礦也是一個代幣分發(fā)的過程，從而把幣隨機(jī)地分發(fā)出去，而不是只在少數(shù)人手中

整個比特幣的精髓就在于它的激勵機(jī)制，但 PoW 共識機(jī)制也并非沒有問題，比如 ：

? 加入網(wǎng)絡(luò)的門檻較高，當(dāng)前需要花費(fèi)很多錢買礦機(jī)才能成為比特幣的全節(jié)點(diǎn)進(jìn)行挖礦，普通設(shè)備幾乎沒有機(jī)會 ；

? 越來越趨性中心化，大部分的挖礦所得被少數(shù)幾個大礦池占據(jù) ；

? 能源消耗巨大，礦機(jī)耗電甚至超過某些小國的耗電量（當(dāng)然這些電量支撐起這么大的網(wǎng)絡(luò)并不算多，但我們應(yīng)該尋找更好的方式替代）?；谶@些問題，2012 年時 Sunny King 提出 PoS（Proof-of-Stake，權(quán)益證明機(jī)制），其原理這里不做贅述，感興趣的讀者可以參考這篇文章。簡單來說，只要用戶持有該網(wǎng)絡(luò)的Token，就可以參與記賬。另外，代幣持有人作為利益相關(guān)者也更有動力維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的安全。PoS 機(jī)制同樣也能達(dá)到比特幣的隨機(jī)性、安全性和代幣分發(fā)等功能，而且相比于 PoW 來說顯得更加去中心化（前提是代幣初始分發(fā)足夠分散）。中本聰在設(shè)計(jì) PoW 共識機(jī)制時并 沒有想到會有礦機(jī)的出現(xiàn)從而使得比特幣越來越中心化，而 PoS 的挖礦根本不需要使用礦機(jī)，只需要一臺普通電腦、樹莓派就可以參與。

除此之外還有幾種共識機(jī)制比如 DPoS（代理權(quán)益機(jī)制）選出一些代理人來進(jìn)行記賬。pBFT，dBFT 等則是改進(jìn)后的拜占庭容錯機(jī)制解決方案。這幾個共識機(jī)制雖然效率較高，但都比較中心化的，容易導(dǎo)致一些中心化的問題。對于計(jì)算節(jié)點(diǎn)比較少的網(wǎng)絡(luò)，甚至一個節(jié)點(diǎn)掛掉都有可能導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓，但這些在比特幣或者 Qtum 上都沒有發(fā)生過。

Qtum 項(xiàng)目出于去中心化程度和能源消耗方面的考慮，選擇采用 PoS 共識機(jī)制。

01、關(guān)于 PoS 的誤解

關(guān)于 PoS 共識機(jī)制，大多數(shù)人的理解還停留在其最原始的版本，即 PoS1.0。實(shí)際上 PoS 共識機(jī)制已經(jīng)經(jīng)歷過 3 次大的迭代 ：

? PoS1.0 ：依賴“幣齡”，長期不在線，雙花問題等 ；

? PoS2.0 ：移除“幣齡”，增強(qiáng)安全性 ；

? PoS3.0 ：針對“short-range”攻擊，采用區(qū)塊時間和交易時間確認(rèn) UTXO 的“年齡”。

“幣齡”這個概念其實(shí)早就從共識機(jī)制中移除，現(xiàn)在的 PoS3.0 系統(tǒng)已經(jīng)可以解決很多初始版本遇到的安全性問題，甚至在抵抗 51% 攻擊上比 PoW 系統(tǒng)更具優(yōu)勢。

02、PoS + 智能合約帶來的問題

Qtum 沒有直接采用 PoS3.0，不是因?yàn)楣沧R機(jī)制本身有問題，而是由于 PoS 和智能合約的結(jié)合可能帶來潛在的攻擊可能。攻擊者可以通過支付比較昂貴的 gas 發(fā)起一系列“垃圾合約”。雖然這將消耗很多的 gas，但由于礦工可以獲得交易中的 gas 作為獎勵，只要攻擊者的合約設(shè)計(jì)得當(dāng)，就能保證其他節(jié)點(diǎn)無法正常處理該交易，而攻擊者則可利用先驗(yàn)知識成為區(qū)塊的生產(chǎn)者，從而將攻擊成本全部收回，實(shí)現(xiàn)零成本的 DoS 攻擊。

但是為何現(xiàn)有用 PoS 共識機(jī)制的區(qū)塊鏈項(xiàng)目就不會有這個問題，因?yàn)樗鼈兇蟛糠种恢С址菆D靈完備的腳本語言，無法支持上述的“垃圾合約”（實(shí)際上需要循環(huán)操作）。但是在Qtum 上既支持 PoS，又支持智能合約，使上述攻擊成為可能。

Qtum 的解決方案是 ：通過和其他節(jié)點(diǎn)分享收益并將收益延遲化，增加攻擊的成本。Qtum 在 PoS3.0 的基礎(chǔ)上修改激勵返還機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了 MPoS（Mutualized Proof-of-Stake）。

MPoS 的基本原理 ：每個區(qū)塊獎勵由 10 個礦工平分，其余獎勵延遲 500 區(qū)塊。即 1/10 區(qū)塊獎勵立刻獲得，其余 9/10 獎勵在 500 個區(qū)塊之后連續(xù) 9 個塊中獲得。挖礦獎勵 = 區(qū)塊所得 + 手續(xù)費(fèi) + 運(yùn)行智能合約 gas 費(fèi)用。這個簡單改進(jìn)在不改變 PoS3.0 的核心邏輯的前提下，使攻擊者無法預(yù)測獲得區(qū)塊獎勵的多少，也無法立即獲得區(qū)塊獎勵，從而極大提高了發(fā)動上述“垃圾合約”攻擊的成本（僅存在理論可能性，實(shí)際操作中完全無法實(shí)現(xiàn)）。

03、PoS 的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)

Qtum 的底層代碼源于比特幣，其采用的是 PoW 共識機(jī)制。如何將 PoS 應(yīng)用到其中，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn) MPoS 呢？Qtum 團(tuán)隊(duì)做了以下實(shí)現(xiàn)，供公鏈開發(fā)者參考 ，實(shí)現(xiàn) PoS 區(qū)塊驗(yàn)證和挖礦功能，具體細(xì)節(jié)如下 ：

? 同時支持 PoW 和 PoS 區(qū)塊，因?yàn)樵诔跏茧A段需采用 PoW 生成初始代幣，在一定高度后變?yōu)榧?PoS

? 每個區(qū)塊的 stake modifier 都會發(fā)生改變

? coinage（幣齡）不能改變 PoS 哈希值

? 交易費(fèi)不會作為共識規(guī)則

? 需要最近的 500 個區(qū)塊用于驗(yàn)證 PoS，這里區(qū)塊不宜太多，否則數(shù)據(jù)量太大難以處理

? 沒有幣齡概念，只需要幣達(dá)到一定的確認(rèn)數(shù)（如 500 個區(qū)塊）就可以進(jìn)行 PoS 挖礦

? 增加 PoS 相關(guān)的共識參數(shù)：區(qū)塊簽名，區(qū)塊類型（PoW 還是 PoS），前一個 stake 位置，以及 staking 交易創(chuàng)建時間等

? 區(qū)塊出 coinbase 交易外（實(shí)際上 coinbase 交易已經(jīng)沒有實(shí)際作用），還需要增加coinstake 交易，用于生成和分配區(qū)塊獎勵

? 接收區(qū)塊時要檢查區(qū)塊頭，因?yàn)樘幚?PoS 區(qū)塊時，需要處理重復(fù)哈希和孤塊問題

? Staker 只需要才成功發(fā)現(xiàn) stake 后才繼續(xù)處理交易，否則將導(dǎo)致交易被多次處理，特別是對于合約交易，多次處理可能會浪費(fèi)大量時間，這點(diǎn)與 PoW 區(qū)塊的交易處理略有不同

? 由于 AAL 引入了智能合約，PoS 區(qū)塊的交易不僅需要估計(jì)交易本身自帶的 sigop 的大小，還需要考慮由于智能合約產(chǎn)生的“condensing 交易”所引入的額外交易，否則將導(dǎo)致有可能生成超過區(qū)塊大小限制的交易，影響系統(tǒng)安全性。

關(guān)于 MPoS 的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)包括 ：

? 發(fā)送給 MPoS staker 的區(qū)塊獎勵必須來自于 staking 區(qū)塊 ? stake 交易必須包含至少 10 個輸出（outputs），1 個給區(qū)塊創(chuàng)建者，9 個給 MPoS staker

? stake 交易的第 1 個 10 個 outputs 是共識相關(guān)的，必須準(zhǔn)確地按照 MPoS staker 挖礦的區(qū)塊高度正確地排列，且創(chuàng)建者為第一個 output

? stake 交易可以包含額外的 outputs，例如，將一個大的 staking UTXO 分成多個 UTXO，input 也可以包含多個輸入，比如講零散的 UTXO 自動合并成較大的 UTXO。在第 10個 output 后，對于 output 不應(yīng)該有任何特殊的共識規(guī)則，只要交易的 output 值不會41超過輸入值 + 區(qū)塊獎勵 + 費(fèi)用

? 前 500 個 PoS 區(qū)塊不使用 MPoS，因此區(qū)塊的創(chuàng)建者獲得全部的獎勵，不需要使用前面的規(guī)則

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04、小結(jié)

Qtum 是首個采用純 PoS 共識機(jī)制的智能合約平臺，并解決了其潛在的安全隱患。公鏈開發(fā)者在采用新的共識規(guī)則時應(yīng)該首要考慮不同的技術(shù)組合帶來的安全性問題，不能完全照搬照套。

分布式自治協(xié)議

01、基本原理

區(qū)塊鏈治理要解決的是在一個去中心化網(wǎng)絡(luò)怎樣對軟件系統(tǒng)進(jìn)行升級、迭代等等問題。比特幣之前分叉成 BTC 和 BCH，分歧僅在于區(qū)塊的大?。ó?dāng)然這背后包含很多利益糾葛，但技術(shù)上只是一個參數(shù)的分歧），正因?yàn)楸忍貛攀且粋€沒有完整鏈上治理機(jī)制的去中心化網(wǎng)絡(luò)，所以導(dǎo)致這個爭論持續(xù)了很長一段時間。又比如 BCH 分叉的算力之爭。

分叉并不能說是絕對意義上的壞事，但基本的區(qū)塊鏈參數(shù)完全可以在無分叉的情況下實(shí)現(xiàn)升級，因此 Qtum 設(shè)計(jì)了 DGP（Decentralized Governance Protocol，分布式自治協(xié)議）。

影響分叉的因素大致可分為以下三類 ：

? 算法、功能的改變：共識算法、加密算法、交易腳本、虛擬機(jī)

? 策略、參數(shù)改變：區(qū)塊大小、出塊時間、交易數(shù)量、Gas 策略

? 關(guān)鍵漏洞的修復(fù)、回滾：DAO、Parity 多重簽名錢包

策略方面的的因素其實(shí)是最容易達(dá)成共識的，另外兩類有時必須通過分叉來解決。DGP 本身的框架是通過若干部署在創(chuàng)始區(qū)塊的智能合約來實(shí)現(xiàn)的，其基本的治理結(jié)構(gòu)是這樣，在整個社區(qū)內(nèi)部的礦工、區(qū)塊生成者和持有者都是區(qū)塊鏈治理的參與者，通過投票去完成治理的過程。最終讓區(qū)塊鏈能夠?qū)崿F(xiàn)自我管理、升級和迭代的系統(tǒng)。

02、DGP 實(shí)現(xiàn)

DGP 的實(shí)現(xiàn)需要某種可編程技術(shù)，UTXO 和 EVM 其實(shí)都提供了這種特性，所以理論上有兩種實(shí)現(xiàn)方式 ：

? 一是基于比特幣交易腳本，通過在交易腳本上實(shí)現(xiàn)協(xié)議邏輯。然而由于比特幣腳本非圖靈完備，這種實(shí)現(xiàn)會比較復(fù)雜

? 二是基于智能合約，具有圖靈完備的可編程能力，可以靈活實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯。Qtum 選擇了后者。DGP 核心邏輯的實(shí)現(xiàn)，是由一系列的智能合約（包括框架合約，特性合約）組成。

DGP 框架合約實(shí)現(xiàn)以下功能 ：

? 提案和投票 ：每個參數(shù)改變包括內(nèi)部治理席位管理需要先被提議，然后對它進(jìn)行投票。如果投票符合所選擇的條件，則該提議被接受，并執(zhí)行該操作。投票使用“msg.sender”計(jì)算，這樣公鑰哈希地址或合約地址都可以作為參與者參與投票

? 治理席位管理 ：可以添加和刪除參與者，也可以修改治理席參數(shù)，比如一個提案被接受需要多少個治理席位同意，添加一個治理席位需要多少個治理席位同意等等

? 發(fā)送正確格式的數(shù)據(jù)給 DGP 特性合約

? 允許自己被禁用，這樣在不使用硬分叉的情況下就不能進(jìn)行進(jìn)一步的 DGP 修改（防止重大的漏洞或問題）

? 一次只允許一個提案，提案只能由參與者提出。每個提案的有效期不超過 5000 個區(qū)塊。每個提案在到期后，或者在投票結(jié)束后，完全可以拒絕或者批準(zhǔn)。

? （可選功能）維護(hù)管理員的列表，管理員可以刪除提案，管理員也可以是唯一允許添加提案的人。

DGP 特性合約則更簡單，它只需要完成以下兩件事情 ：

1. 只從合適的 DGP 框架合約接收信息 / 數(shù)據(jù)（使用 msg.sender ）

2. 使用“SSTORE”以一種標(biāo)準(zhǔn)化的形式存儲共識數(shù)據(jù)，以便區(qū)塊鏈在不運(yùn)行 EVM 的情況下就能在 RPL 中檢索和解析該數(shù)據(jù)。區(qū)塊鏈核心代碼在共識過程中執(zhí)行協(xié)議的智能合約，獲得當(dāng)前的共識狀態(tài)。同時它能通過Transaction 完成區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，升級無需區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)軟件更新。

理論上，采用了圖靈完備的智能合約可以實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜度的協(xié)議設(shè)計(jì)，甚至是區(qū)塊鏈的核心協(xié)議，如共識部分的代碼等；權(quán)衡效率和安全性方面考慮，當(dāng)前協(xié)議僅適用于在安全范圍內(nèi)對特定參數(shù)進(jìn)行更改，同時對參數(shù)生效時間采取一定的時間限制。

未來 DGP 可以不斷迭代，實(shí)現(xiàn)更多更復(fù)雜的治理?；氐骄唧w實(shí)現(xiàn)，創(chuàng)世塊嵌入了常見的區(qū)塊鏈參數(shù)治理的智能合約，每個治理的主題都由獨(dú)立的框架合約控制 （ 模板 ），這意味著每個功能有獨(dú)立的治理、授權(quán)機(jī)制以及內(nèi)置限制條件 Block size， Min GasPrice， Block GasLimit， Gas Schedule。

此外 DGP 合約還具備自毀功能，能在提案治理上發(fā)生意外時啟動，治理參數(shù)退回到默認(rèn)狀態(tài)。

03、小結(jié)

鏈上治理往往是公鏈開發(fā)者容易忽略的一環(huán)，然而其實(shí)際上非常重要，是去中心化網(wǎng)絡(luò)后續(xù)升級迭代的重要基礎(chǔ)設(shè)施。Qtum 的分布式自治協(xié)議是行業(yè)內(nèi)真正意義上的鏈上治理機(jī)制，其設(shè)計(jì)思想可以引入到很多其他項(xiàng)目中。

Qtum x86 虛擬機(jī)

01、Qtum 已經(jīng)兼容 EVM，為何還需要 x86VM ？

雖然 EVM（以太坊虛擬機(jī)）是當(dāng)下最流行的智能合約虛擬機(jī)，但正如絕大多數(shù)新生事物一樣（比如 Javascript），它存在諸多缺點(diǎn)。并且由于它的設(shè)計(jì)比較非主流，很難有主流的 編程語言能夠移植到 EVM 上。這種設(shè)計(jì)可以說對于近50年來的大多數(shù)編程范例來說都不太友好。這里羅列一些其明顯的缺點(diǎn)（詳細(xì)描述可以參考這篇分析）：

? 編程語言局限性（Solidity）

? 缺少標(biāo)準(zhǔn)庫

? 256bit 整數(shù)，大部分處理器不能原生支持，運(yùn)行效率降低 ? Gas 模型不合理，難以估計(jì) Gas 消耗

? 生成的 bytecode 較大，浪費(fèi)區(qū)塊存儲資源

? 難以測試和調(diào)試

02、Qtum-x86 虛擬機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

正因?yàn)?EVM 存在諸多缺陷，Qtum 決定開發(fā)自己的虛擬機(jī)。x86 虛擬機(jī)兼容了被工業(yè)界充分驗(yàn)證過的 x86 指令集，對基于 x86 架構(gòu)之上的所有技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施都有很好的兼容性。

Qtum-x86 的基本特性包括 ：

? 支持多種主流編程語言 ： C/C++/Go/Rust 等等

? 豐富的標(biāo)準(zhǔn)庫，提高開發(fā)效率

? 更加優(yōu)化的 Gas 模型 ：為標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)設(shè)定合理的 gas 模型，可以準(zhǔn)確估計(jì) Gas 消耗

? 解鎖 AAL 的強(qiáng)大功能 ： 支持合約的 P2SH 交易，segwit 交易等

? 馮 · 諾依曼結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)版的智能合約 ： 代碼即數(shù)據(jù)，多任務(wù)協(xié)作，支持中斷和恢復(fù)

? 第一類預(yù)言機(jī) ：無需運(yùn)行合約即可獲得某些合約數(shù)據(jù)

? 區(qū)塊鏈動態(tài)分析 ：更全面地分析區(qū)塊鏈狀態(tài)

? 選擇性數(shù)據(jù)存儲 ：節(jié)省寶貴的區(qū)塊鏈上資源

? 清晰的依賴關(guān)系樹 ：有可能并行運(yùn)行智能合約，降低 gas 費(fèi)用由于Qtum-x86 還沒正式發(fā)布，其具體設(shè)計(jì)文檔暫時無法透入太多細(xì)節(jié)。但其設(shè)計(jì)目標(biāo)的描述可以參考這篇文章。

03、小結(jié)

Qtum 的賬戶抽象層使兼容多虛擬機(jī)，使集成 x86 成為可能。未來 Qtum 將同時支持多種 虛擬機(jī)，充分發(fā)揮不同虛擬機(jī)的優(yōu)勢。虛擬機(jī)是支持智能合約的區(qū)塊鏈系統(tǒng)不可或缺的部 分，Qtum 的 x86 虛擬機(jī)無論從設(shè)計(jì)上還是實(shí)現(xiàn)上都對公鏈開發(fā)者有極大的參考價值。其 發(fā)布后也可輸出到其他區(qū)塊鏈項(xiàng)目中。

Qtum 的可擴(kuò)展性

上面已經(jīng)介紹了 Qtum 區(qū)塊鏈的底層設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。由于 Qtum 兼容 UTXO 以及 EVM，使得很多已有的區(qū)塊鏈相關(guān)技術(shù)都能夠很容易地移植到 Qtum 上，這些都得益于 Qtum 優(yōu)秀的架構(gòu)設(shè)計(jì)。

下面的一些技術(shù)已經(jīng)成功在 Qtum 上實(shí)現(xiàn)，感興趣的讀者可以在 https://github.com/ qtumproject 上查看所有實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

? Qtum 閃電網(wǎng)絡(luò)

? Qtum 支付通道

? Qtum-IPFS

? Qtum-Plasma

? qtumjs

? QRC20，QRC721 等（與 ERC20，ERC721 保持一致）

? Qmix（類似 Remix）

? Qrypto （類似 metamask）

總結(jié)

Qtum 是首個建立在 UTXO 模型之上，采用 PoS 共識機(jī)制和去中心化治理模式，且兼容多 45 虛擬機(jī)的智能合約平臺和價值傳輸網(wǎng)絡(luò)。

1. Qtum 創(chuàng)新性的賬戶抽象層打通了以比特幣為代表的 UTXO 以及以以太坊為代表的智 能合約生態(tài)，兼容大部分主流區(qū)塊鏈項(xiàng)目的技術(shù)，可擴(kuò)展性極高

2. Qtum 采用了 PoS 共識機(jī)制，在保證去中心化的前提下解決了 PoW 固有的能源消耗問題，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高安全性，支持靈活的智能合約

3. Qtum 提出的分布式自治協(xié)議完成了去中心化鏈上治理，實(shí)現(xiàn)無分叉的區(qū)塊鏈升級，未來可應(yīng)用于更多場景

Qtum-x86 虛擬機(jī)支持主流的 x86 指令集，將主流語言和主流開發(fā)工具引入到智能合約，開發(fā)領(lǐng)域，大大降低了智能合約和 DApp 開發(fā)的門檻

4. Qtum 作為較早上線的主鏈，是典型的結(jié)合了區(qū)塊鏈領(lǐng)域多種主流技術(shù)，并包含多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新的公鏈項(xiàng)目，其良好的擴(kuò)展性可以支撐后續(xù)技術(shù)迭代，同時也為其他公鏈項(xiàng)目的開發(fā)提供了良好的范本，其 AAL，DGP，x86 虛擬機(jī)等都可以適配到其他公鏈項(xiàng)目，對公鏈開發(fā)者來說是很好的參考。