其间公链与运用开发实战部分，Qtum 量子链我国区技能负责人——钟文斌，编撰了《公链规划与开发实践和开发细节》部分，叙述了 Qtum 量子链底子特性、规划初衷，以及在Qtum量子链项目中所运用技能的详细介绍，本文为上篇，包含以下部分：

  2018 年被称为“公链元年”，各种形形的公链如漫山遍野，一时刻简直一切项目都在开发各种各具特色的公链。Qtum 量子链作为国内最早的一批公链之一，在 2017 年 9 月上线了其骨干网络，其全球全节点数仅次于以太坊和比特币，成为全球第三大去中心化区块链网络。

  Qtum 兼容比特币和以太坊这两大生态，能够说调集了干流公链开发的一切技能，而且在此根底上提出并完结了多项技能立异。本文以 Qtum 为例，介绍了公链规划和开发需求留意的许多细节，供一切公链开发者参阅。

  Qtum 是首个建立在 UTXO 模型之上，选用 PoS 共同机制和去中心化办理方法，且兼容多虚拟机的智能合约渠道和价值传输网络。

  这些特性和参数的承认并非一时鼓起，而是 Qtum 开创团队在归纳考虑公链生态的现状、运用场景、技能可行性以及未来发展方向等要素之后承认的。在正式开端介绍各部分规划前，无妨先回忆一下 Qtum 规划初衷，有助于了解后续的许多完结细节。

  Qtum 量子链的主意诞生于 2016 年，其时的比特币网络现已安稳运转了近 8 年，期间比特币账本从未出过一笔错账，足以看出比特币 UTXO，PoW 等规划的优越性。其时大部分项目都是对比特币的简略修正，本质上仍是中本聪开端规划的雏形。可是比特币的美中不足之处在于其非图灵齐备的脚本，无法支撑真实意义上的智能合约。

  可是，为什么团队发明了一条新的公链，而且具有如此多与比特币彻底不同的特性呢？首要出于以下几点考虑 ：

  1. 出于安全性、安稳性、匿名性和可扩展性等方面考虑，挑选 UTXO 模型，而不是账户模型 ；

  2. 比特币的晋级需求 Core 团队和比特币社区的共同，如此严重的晋级简直不行行，因而需求一条新公链 ；

  4. 不重复造轮子，并坚持和比特币及以太坊两大社区的兼容性，复用比特币和以太坊部分代码

  5. EVM 有其固有的缺点，因而 Qtum 也在自主研制更具兼容性的 x86 虚拟机

  8. 已有的区块链项目都缺少有用的链上办理方法，需求规划一套去中心化办理机制。

  简而言之，Qtum = UTXO+PoS+ 智能合约 + 多虚拟机兼容 + 去中心化办理，这与开篇提到的 ：“Qtum 是首个建立在 UTXO 模型之上，选用 PoS 共同机制和去中心化办理方法，且兼容多虚拟机的智能合约渠道和价值传输网络”彻底契合。上述规划触及到较多技能完结细节，接下来咱们详细解说。

  UTXO v.s. 账户模型UTXO（Unspent Transaction Output，未花费的买卖输出）是比特币选用的底层账本模型。而以太坊则选用了账户模型。关于一般人来说，后者相对好了解，便是从一个地址到另一个地址，一笔 ETH 的传输，相似银行账户。

  而比特币买卖则相对杂乱，它是由若干 input和 output 组成的，每个 output 包含特定”确定脚本”，该脚本规矩了该 output 的花费规矩，供给契合规矩的”解锁脚本“即可花费该 output，作为下一笔买卖的 input。而尚未被花费的 output 便是 UTXO。比特币网络上的买卖都是由 input 和 output 串联起来的。

  • 匿名性：多入多出的买卖，钱包可生成恣意多个地址，每次生成新的找零地址

  • 轻钱包：SPV，支撑轻钱包去中心化验证买卖的合法性，特别合适移动设备

  • 兼容性：兼容比方闪电网络，跨链原子交流，隐私买卖等其他依据 UTXO 的项目所选用的技能

  UTXO 尽管有许多长处，但其时依据 UTXO 模型的各种项目的底层脚本言语都对错图灵齐备的，而且与以太坊虚拟机所选用的账户模型无法兼容。

  为此 Qtum 开发账户笼统层（Account Abstraction Layer， AAL），完结 UTXO 模型与账户模型的适配。这种分层规划完结了底层账本和上层智能合约的彻底解耦，也使 Qtum 后续兼容多种虚拟机（EVM，x86，WASM 等）成为或许。

  因为篇幅有限，本文只对其底子原理和遇到的问题做扼要解说，感兴趣的读者能够进一步阅览《深度解析 Qtum 量子链账户笼统层》，文章从代码层面临 AAL 进行了详细剖析 。扩展比特币脚本 ― UTXO 模型 -》 账户模型比特币的 UTXO 模型选用了一套非图灵齐备的脚本言语，该脚本自带的操作码并不支撑合约买卖。Qtum 在比特币脚本的根底上增加了 3 个操作码 ：

  3. OP_SPEND ：花费智能合约中的 QTUM在发生新区块时，除了对买卖脚本做惯例的检查外，还需求检查是否包含上述的操作码。OP_CREATE 用于向 EVM 传递合约字节码。OP_CALL 将 data、gasPrice、gasLimit、VMversion 等运转智能合约所需的要害参数经过买卖脚本发送，终究传递到 EVM 中。OP_SEND 则用于合约履行成果的 UTXO 转化，稍后解说。经过引进上述三个脚本，Qtum 的 UTXO 模型具有了辨认和处理智能合约相关买卖的才干。

  合约的履行会引起状况改动，关于合约的状况，Qtum 沿用了 EVM 的界说，所以能兼容一切的契合 EVM 规范的智能合约。从上述 OP_CREATE 或 OP_CALL 提取出合约买卖参数之后，即可构建运转环境。合约的运转进程底子选用了 EVM 的引擎，为使其与 Qtum 区块链进行正常交互，Qtum 完结了以下作业（这儿只截取部分），供公链开发者参阅 ：

  1. 针对每个独立买卖构建运转环境，最大极限的把不同买卖的合约履行进程隔脱离，避免合约履行进程中的穿插影响

  2. 完结 EVM 的永久存储，当区块成为孤块或断开时，能够完结状况的回滚

  7. 从头设定各操作码的 gas 价格，因为 QTUM 和 ETH 的价格差异较大，且 EVM 的 gas模型规划略不合理，因而需求从头优化

  感兴趣的读者能够阅览《Qtum 规划文档》获取更多规划方面的细节。在处理了上述问题之后，从 Qtum 买卖传入的智能合约代码即可在 EVM 中成功运转了。该完结理论上适用于一切依据 UTXO 的项目。运转的成果会引起状况改动，这时需求运用上述的 OP_SPEND 用于花费合约中的余额，上面现已提到，不管是比特币仍是 Qtum，都是经过私钥”解锁“ UTXO 脚本来花费 UTXO余额的，而 EVM 的履行触及不同账户之间的转账，所以需求经过 OP_SPEND 完结这些转账到 UTXO 模型买卖的转化，终究转化为 Qtum 规范买卖脚本（对比特币买卖脚本不熟悉的读者主张阅览《Mastering Bitcoin》）。

  上述的 UTXO 和账户模型的相互转化尽管完结了 Qtum 区块链与 EVM 的交互，但 AAL也引进了一个安全问题。因为合约地址自身也是一个 Qtum 的合法地址，而且底层都是UTXO 模型，这就意味着一个合约能够具有多个 UTXO。这自身没有问题，但却给进犯者供给了 DoS 进犯的或许性。进犯者能够经过给合约发送多个小额的 UTXO，然后一次性用 OP_SPEND 花费许多 UTXO，然后导致区块巨细超越约束，新区块无法被接纳，使得网络无法发生新的区块。这是 UTXO 与 智能合约相结合所带来的必定问题。Qtum 的处理方案是在共同层面做优化，规矩合约地址只能具有一个 UTXO。每次合约运转完毕时，都会将本来的 UTXO 和新参加的 UTXO 进行兼并，然后确保合约地址一向只需一个 UTXO。

  Qtum 称之为“Condensing transaction”。为了确保合约状况以及 UTXO 的共同，Qtum 的区块头除了包含与比特币相同的字段外，还需求额定参加 hashStateRoot 以及 hashUTXORoot 两个字段，感兴趣的读者能够阅览Qtum 的源码。账户笼统层带来的优点比特币的 UTXO 模型相较于以太坊的账户模型有许多优越性，以太坊有一套图灵齐备的言语，能够完结比较杂乱的智能合约逻辑。两者都有强壮的生态作为支撑，而且集合了区块链职业最优异的开发者。

  Qtum 挑选不重复造轮子，而是在比特币和以太坊的根底上开发了账户笼统层 AAL，打通了两个本来别离的生态。这一规划带来的优点包含 ：

  2. 兼容比特币后续一切包含功能上和安全性上的晋级；（现在已同步晋级到 0.16 版别，正在适配 0.17）

  3. 兼容现有智能合约生态，以太坊上的智能合约能够零本钱搬迁 ；（QRC-20，QRC-721等均兼容）

  5. 兼容一切依据比特币和以太坊虚拟机的技能，比方闪电网络，雷电网络，plasma，加密隐私，原子交流，分片等等 ；

  6. 兼容以太坊上一切智能合约开发东西（当然有些需求做 RPC 的适配，Qtum 现已完结了这样的适配），下降开发者学习本钱。

  Qtum 开创的账户笼统层 AAL 完结了 UTXO 模型到账户模型的适配，从技能层面打通了比特币和以太坊生态，并未后续兼容多种虚拟机（如 x86，WASM）供给了或许，其规划思维和完结细节值得公链开发者参阅。

  提到共同机制，咱们首要从字面上回忆一下什么叫“区块链”，所谓区块实践上是一段时刻内买卖的调集，每个区块都有一个指向上一区块的哈希指针，然后组成了一条链。所以简略来说区块链便是一个不行篡改的散布式数据库，那为什么需求挖矿呢？ 这儿以 PoW 挖矿为例。

  首要，区块链首要分为 ：公有链、私有链和联盟链。它们的中心差异在于记账权，公有链是去中心化的，赋予网络上的每个节点记账的权利，而私有链和联盟链的记账节点为少量几个指定节点。

  1. 安全性：依托区块奖赏和手续费鼓励节点记账，去中心化地保护区块链网络的安全性

  2. 随机性：确保选出的记账节点的随机性，不然固定的记账节点很简略被 DoS 进犯，呈现单点故障

  3. 代币分发 ：挖矿也是一个代币分发的进程，然后把币随机地分发出去，而不是只在少量人手中

  整个比特币的精华就在于它的鼓励机制，但 PoW 共同机制也并非没有问题，比方 ：

  • 参加网络的门槛较高，当时需求花费许多钱买矿机才干成为比特币的全节点进行挖矿，一般设备简直没有机会 ；

  • 能源耗费巨大，矿机耗电乃至超越某些小国的耗电量（当然这些电量支撑起这么大的网络并不算多，但咱们应该寻觅更好的方法代替）。依据这些问题，2012 年时 Sunny King 提出 PoS（Proof-of-Stake，权益证明机制），其原理这儿不做赘述，感兴趣的读者能够参阅这篇文章。简略来说，只需用户持有该网络的Token，就能够参加记账。别的，代币持有人作为利益相关者也更有动力保护网络的安全。PoS 机制相同也能到达比特币的随机性、安全性和代币分发等功用，而且比较于 PoW 来说显得愈加去中心化（条件是代币初始分发满足涣散）。中本聪在规划 PoW 共同机制时并 没有想到会有矿机的呈现然后使得比特币越来越中心化，而 PoS 的挖矿底子不需求运用矿机，只需求一台一般电脑树莓派就能够参加。

  除此之外还有几种共同机制比方 DPoS（署理权益机制）选出一些署理人来进行记账。pBFT，dBFT 等则是改善后的拜占庭容错机制处理方案。这几个共同机制尽管功率较高，但都比较中心化的，简略导致一些中心化的问题。关于核算节点比较少的网络，乃至一个节点挂掉都有或许导致整个网络瘫痪，但这些在比特币或许 Qtum 上都没有发生过。

  Qtum 项目出于去中心化程度和能源耗费方面的考虑，挑选选用 PoS 共同机制。

  关于 PoS 共同机制，大多数人的了解还逗留在其最原始的版别，即 PoS1.0。实践上 PoS 共同机制现现已历过 3 次大的迭代 ：

  • PoS3.0 ：针对“short-range”进犯，选用区块时刻和买卖时刻承认 UTXO 的“年纪”。

  “币龄”这个概念其实早就从共同机制中移除，现在的 PoS3.0 体系现已能够处理许多初始版别遇到的安全性问题，乃至在反抗 51% 进犯上比 PoW 体系更具优势。

  Qtum 没有直接选用 PoS3.0，不是因为共同机制自身有问题，而是因为 PoS 和智能合约的结合或许带来潜在的进犯或许。进犯者能够经过付出比较贵重的 gas 建议一系列“废物合约”。尽管这将耗费许多的 gas，但因为矿工能够获得买卖中的 gas 作为奖赏，只需进犯者的合约规划妥当，就能确保其他节点无法正常处理该买卖，而进犯者则可运用先验常识成为区块的生产者，然后将进犯本钱悉数回收，完结零本钱的 DoS 进犯。

  可是为何现有用 PoS 共同机制的区块链项目就不会有这个问题，因为它们大部分只支撑非图灵齐备的脚本言语，无法支撑上述的“废物合约”（实践上需求循环操作）。可是在Qtum 上既支撑 PoS，又支撑智能合约，使上述进犯成为或许。

  Qtum 的处理方案是 ：经过和其他节点同享收益并将收益推迟化，增加进犯的本钱。Qtum 在 PoS3.0 的根底上修正鼓励返还机制，完结了 MPoS（Mutualized Proof-of-Stake）。

  MPoS 的底子原理 ：每个区块奖赏由 10 个矿工平分，其他奖赏推迟 500 区块。即 1/10 区块奖赏马上获得，其他 9/10 奖赏在 500 个区块之后接连 9 个块中获得。挖矿奖赏 = 区块所得 + 手续费 + 运转智能合约 gas 费用。这个简略改善在不改动 PoS3.0 的中心逻辑的条件下，使进犯者无法猜测获得区块奖赏的多少，也无法当即获得区块奖赏，然后极大进步了发起上述“废物合约”进犯的本钱（仅存在理论或许性，实践操作中彻底无法完结）。

  Qtum 的底层代码源于比特币，其选用的是 PoW 共同机制。如何将 PoS 运用到其间，并进一步完结 MPoS 呢？Qtum 团队做了以下完结，供公链开发者参阅 ，完结 PoS 区块验证和挖矿功用，详细细节如下 ：

  • 一起支撑 PoW 和 PoS 区块，因为在初始阶段需选用 PoW 生成初始代币，在必定高度后变为纯 PoS

  • 需求最近的 500 个区块用于验证 PoS，这儿区块不宜太多，不然数据量太大难以处理

  • 没有币龄概念，只需求币到达必定的承认数（如 500 个区块）就能够进行 PoS 挖矿

  • 增加 PoS 相关的共同参数：区块签名，区块类型（PoW 仍是 PoS），前一个 stake 方位，以及 staking 买卖创立时刻等

  • 区块出 coinbase 买卖外（实践上 coinbase 买卖现已没有实践效果），还需求增加coinstake 买卖，用于生成和分配区块奖赏

  • 接纳区块时要检查区块头，因为处理 PoS 区块时，需求处理重复哈希和孤块问题

  • Staker 只需求才成功发现 stake 后才继续处理买卖，不然将导致买卖被屡次处理，特别是关于合约买卖，屡次处理或许会糟蹋许多时刻，这点与 PoW 区块的买卖处理略有不同

  • 因为 AAL 引进了智能合约，PoS 区块的买卖不只需求估量买卖自身自带的 sigop 的巨细，还需求考虑因为智能合约发生的“condensing 买卖”所引进的额定买卖，不然将导致有或许生成超越区块巨细约束的买卖，影响体系安全性。

  • stake 买卖能够包含额定的 outputs，例如，将一个大的 staking UTXO 分红多个 UTXO，input 也能够包含多个输入，比方讲零星的 UTXO 主动兼并成较大的 UTXO。在第 10个 output 后，关于 output 不该该有任何特别的共同规矩，只需买卖的 output 值不会41超越输入值 + 区块奖赏 + 费用

  • 前 500 个 PoS 区块不运用 MPoS，因而区块的创立者获得悉数的奖赏，不需求运用前面的规矩

  Qtum 是首个选用纯 PoS 共同机制的智能合约渠道，并处理了其潜在的安全隐患。公链开发者在选用新的共同规矩时应该首要考虑不同的技能组合带来的安全性问题，不能彻底照搬照套。

  区块链办理要处理的是在一个去中心化网络怎样对软件体系进行晋级、迭代等等问题。比特币之前分叉成 BTC 和 BCH，不合仅在于区块的巨细（当然这背面包含许多利益纠葛，但技能上仅仅一个参数的不合），正因为比特币是一个没有完好链上办理机制的去中心化网络，所以导致这个争辩继续了很长一段时刻。又比方 BCH 分叉的算力之争。

  分叉并不能说是肯定意义上的坏事，但底子的区块链参数彻底能够在无分叉的情况下完结晋级，因而 Qtum 规划了 DGP（Decentralized Governance Protocol，散布式自治协议）。

  战略方面的的要素其实是最简略达到共同的，别的两类有时有必要经过分叉来处理。DGP 自身的结构是经过若干布置在开创区块的智能合约来完结的，其底子的办理结构是这样，在整个社区内部的矿工、区块生成者和持有者都是区块链办理的参加者，经过投票去完结办理的进程。终究让区块链能够完结自我办理、晋级和迭代的体系。

  DGP 的完结需求某种可编程技能，UTXO 和 EVM 其实都供给了这种特性，所以理论上有两种完结方法 ：

  • 一是依据比特币买卖脚本，经过在买卖脚本上完结协议逻辑。可是因为比特币脚本非图灵齐备，这种完结会比较杂乱

  • 二是依据智能合约，具有图灵齐备的可编程才干，能够灵敏完结杂乱的逻辑。Qtum 挑选了后者。DGP 中心逻辑的完结，是由一系列的智能合约（包含结构合约，特性合约）组成。

  • 提案和投票 ：每个参数改动包含内部办理座位办理需求先被提议，然后对它进行投票。假如投票契合所挑选的条件，则该提议被承受，并履行该操作。投票运用“msg.sender”核算，这样公钥哈希地址或合约地址都能够作为参加者参加投票

  • 办理座位办理 ：能够增加和删去参加者，也能够修正办理席参数，比方一个提案被承受需求多少个办理座位赞同，增加一个办理座位需求多少个办理座位赞同等等

  • 答应自己被禁用，这样在不运用硬分叉的情况下就不能进行进一步的 DGP 修正（避免严重的缝隙或问题）

  • 一次只答应一个提案，提案只能由参加者提出。每个提案的有用期不超越 5000 个区块。每个提案在到期后，或许在投票完毕后，彻底能够回绝或许同意。

  • （可选功用）保护办理员的列表，办理员能够删去提案，办理员也能够是仅有答应增加提案的人。

  2. 运用“SSTORE”以一种规范化的方法存储共同数据，以便区块链在不运转 EVM 的情况下就能在 RPL 中检索和解析该数据。区块链中心代码在共同进程中履行协议的智能合约，获妥当时的共同状况。一起它能经过Transaction 完结区块链网络的状况转化，晋级无需区块链网络软件更新。

  理论上，选用了图灵齐备的智能合约能够完结恣意杂乱度的协议规划，乃至是区块链的中心协议，如共同部分的代码等；权衡功率和安全性方面考虑，当时协议仅适用于在安全范围内对特定参数进行更改，一起对参数收效时刻采纳必定的时刻约束。

  未来 DGP 能够不断迭代，完结更多更杂乱的办理。回到详细完结，创世块嵌入了常见的区块链参数办理的智能合约，每个办理的主题都由独立的结构合约操控 （ 模板 ），这意味着每个功用有独立的办理、授权机制以及内置约束条件 Block size， Min GasPrice， Block GasLimit， Gas Schedule。

  此外 DGP 合约还具有自毁功用，能在提案办理上发生意外时发动，办理参数退回到默许状况。

  链上办理往往是公链开发者简略疏忽的一环，可是其实践上非常重要，是去中心化网络后续晋级迭代的重要根底设备。Qtum 的散布式自治协议是职业界真实意义上的链上办理机制，其规划思维能够引进到许多其他项目中。

  尽管 EVM（以太坊虚拟机）是当下最盛行的智能合约虚拟机，但正如绝大多数新生事物相同（比方Javascript），它存在许多缺点。而且因为它的规划比较非干流，很难有干流的 编程言语能够移植到 EVM 上。这种规划能够说关于近50年来的大多数编程典范来说都不太友爱。这儿罗列一些其显着的缺点（详细描绘能够参阅这篇剖析）：

  • 256bit 整数，大部分处理器不能原生支撑，运转功率下降 • Gas 模型不合理，难以估量 Gas 耗费

  正因为 EVM 存在许多缺点，Qtum 决议开发自己的虚拟机。x86 虚拟机兼容了被工业界充沛验证过的 x86 指令集，对依据 x86 架构之上的一切技能和根底设备都有很好的兼容性。

  • 愈加优化的 Gas 模型 ：为规范库函数设定合理的 gas 模型，能够精确估量 Gas 耗费

  • 冯 · 诺依曼结构，加强版的智能合约 ： 代码即数据，多任务协作，支撑中止和康复

  • 明晰的依托联络树 ：有或许并行运转智能合约，下降 gas 费用因为Qtum-x86 还没正式发布，其详细规划文档暂时无法透入太多细节。但其规划方针的描绘能够参阅这篇文章。

  Qtum 的账户笼统层使兼容多虚拟机，使集成 x86 成为或许。未来 Qtum 将一起支撑多种 虚拟机，充沛发挥不同虚拟机的优势。虚拟机是支撑智能合约的区块链体系不行或缺的部 分，Qtum 的 x86 虚拟机不管从规划上仍是完结上都对公链开发者有极大的参阅价值。其 发布后也可输出到其他区块链项目中。

  上面现已介绍了 Qtum 区块链的底层规划和完结。因为 Qtum 兼容 UTXO 以及 EVM，使得许多已有的区块链相关技能都能够很简略地移植到 Qtum 上，这些都得益于 Qtum 优异的架构规划。

  下面的一些技能现已成功在 Qtum 上完结，感兴趣的读者能够在 上检查一切完结细节。

  Qtum 是首个建立在 UTXO 模型之上，选用 PoS 共同机制和去中心化办理方法，且兼容多 45 虚拟机的智能合约渠道和价值传输网络。

  1. Qtum 立异性的账户笼统层打通了以比特币为代表的 UTXO 以及以以太坊为代表的智 能合约生态，兼容大部分干流区块链项目的技能，可扩展性极高

  2. Qtum 选用了 PoS 共同机制，在确保去中心化的条件下处理了 PoW 固有的能源耗费问题，并在此根底上进一步进步安全性，支撑灵敏的智能合约

  3. Qtum 提出的散布式自治协议完结了去中心化链上办理，完结无分叉的区块链晋级，未来可运用于更多场景

  Qtum-x86 虚拟机支撑干流的 x86 指令集，将干流言语和干流开发东西引进到智能合约，开发范畴，大大下降了智能合约和 DApp 开发的门槛

  4. Qtum 作为较早上线的主链，是典型的结合了区块链范畴多种干流技能，并包含多项技能立异的公链项目，其杰出的扩展功能够支撑后续技能迭代，一起也为其他公链项目的开发供给了杰出的范本，其 AAL，DGP，x86 虚拟机等都能够适配到其他公链项目，对公链开发者来说是很好的参阅。

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