《2019 区块链开发者报告》：Qtum 量子链公链设计与开发细

新年伊始，CSDN 以“让区块链回归技术和应用的本质”为宗旨撰写《区块链开发者报告》包含技术扫描、公链选择指南，以及公链与应用开发实战 3 个部分。

点击查看：新年到，献给从一线工程师到CTO的实用指南:《2019区块链开发者报告》

其中公链与应用开发实战部分，Qtum 量子链中国区技术负责人——钟文斌，撰写了《公链设计与开发实践和开发细节》部分，讲述了 Qtum 量子链基本特性、设计初衷，以及在Qtum量子链项目中所运用技术的详细介绍，上篇请戳：《CSDN：2019 区块链开发者报告》：Qtum 公链设计与开发细节揭秘（上篇）本文为下篇，包含以下部分：

• 分布式自治协议

• Qtum x86 虚拟机

• 总结

公链设计与开发细节揭秘

作者：钟文斌

分布式自治协议

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基本原理

区块链治理要解决的是在一个去中心化网络怎样对软件系统进行升级、迭代等等问题。比特币之前分叉成 BTC 和 BCH，分歧仅在于区块的大小（当然这背后包含很多利益纠葛，但技术上只是一个参数的分歧），正因为比特币是一个没有完整链上治理机制的去中心化网络，所以导致这个争论持续了很长一段时间。又比如 BCH 分叉的算力之争。

分叉并不能说是绝对意义上的坏事，但基本的区块链参数完全可以在无分叉的情况下实现升级，因此 Qtum 设计了 DGP（Decentralized Governance Protocol，分布式自治协议）。

影响分叉的因素大致可分为以下三类 ：

• 算法、功能的改变：共识算法、加密算法、交易脚本、虚拟机

• 策略、参数改变：区块大小、出块时间、交易数量、Gas 策略

• 关键漏洞的修复、回滚：DAO、Parity 多重签名钱包

策略方面的的因素其实是最容易达成共识的，另外两类有时必须通过分叉来解决。DGP 本身的框架是通过若干部署在创始区块的智能合约来实现的，其基本的治理结构是这样，在整个社区内部的矿工、区块生成者和持有者都是区块链治理的参与者，通过投票去完成治理的过程。最终让区块链能够实现自我管理、升级和迭代的系统。

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DGP 实现

DGP 的实现需要某种可编程技术，UTXO 和 EVM 其实都提供了这种特性，所以理论上有两种实现方式 ：

• 一是基于比特币交易脚本，通过在交易脚本上实现协议逻辑。然而由于比特币脚本非图灵完备，这种实现会比较复杂

• 二是基于智能合约，具有图灵完备的可编程能力，可以灵活实现复杂的逻辑。Qtum 选择了后者。DGP 核心逻辑的实现，是由一系列的智能合约（包括框架合约，特性合约）组成。

DGP 框架合约实现以下功能 ：

• 提案和投票 ：每个参数改变包括内部治理席位管理需要先被提议，然后对它进行投票。如果投票符合所选择的条件，则该提议被接受，并执行该操作。投票使用“msg.sender”计算，这样公钥哈希地址或合约地址都可以作为参与者参与投票

• 治理席位管理 ：可以添加和删除参与者，也可以修改治理席参数，比如一个提案被接受需要多少个治理席位同意，添加一个治理席位需要多少个治理席位同意等等

• 发送正确格式的数据给 DGP 特性合约

• 允许自己被禁用，这样在不使用硬分叉的情况下就不能进行进一步的 DGP 修改（防止重大的漏洞或问题）

• 一次只允许一个提案，提案只能由参与者提出。每个提案的有效期不超过 5000 个区块。每个提案在到期后，或者在投票结束后，完全可以拒绝或者批准。

• （可选功能）维护管理员的列表，管理员可以删除提案，管理员也可以是唯一允许添加提案的人。

DGP 特性合约则更简单，它只需要完成以下两件事情 ：

1. 只从合适的 DGP 框架合约接收信息 / 数据（使用 msg.sender ）

2. 使用“SSTORE”以一种标准化的形式存储共识数据，以便区块链在不运行 EVM 的情况下就能在 RPL 中检索和解析该数据。区块链核心代码在共识过程中执行协议的智能合约，获得当前的共识状态。同时它能通过Transaction 完成区块链网络的状态转换，升级无需区块链网络软件更新。

理论上，采用了图灵完备的智能合约可以实现任意复杂度的协议设计，甚至是区块链的核心协议，如共识部分的代码等；权衡效率和安全性方面考虑，当前协议仅适用于在安全范围内对特定参数进行更改，同时对参数生效时间采取一定的时间限制。

未来 DGP 可以不断迭代，实现更多更复杂的治理。回到具体实现，创世块嵌入了常见的区块链参数治理的智能合约，每个治理的主题都由独立的框架合约控制 ( 模板 )，这意味着每个功能有独立的治理、授权机制以及内置限制条件 Block size, Min GasPrice, Block GasLimit, Gas Schedule。

此外 DGP 合约还具备自毁功能，能在提案治理上发生意外时启动，治理参数退回到默认状态。

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小结

链上治理往往是公链开发者容易忽略的一环，然而其实际上非常重要，是去中心化网络后续升级迭代的重要基础设施。Qtum 的分布式自治协议是行业内真正意义上的链上治理机制，其设计思想可以引入到很多其他项目中。

Qtum x86 虚拟机

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Qtum 已经兼容 EVM，为何还需要 x86VM ？

虽然 EVM（以太坊虚拟机）是当下最流行的智能合约虚拟机，但正如绝大多数新生事物一样（比如 Javascript），它存在诸多缺点。并且由于它的设计比较非主流，很难有主流的 编程语言能够移植到 EVM 上。这种设计可以说对于近50年来的大多数编程范例来说都不太友好。这里罗列一些其明显的缺点（详细描述可以参考这篇分析）：

• 编程语言局限性（Solidity）

• 缺少标准库

• 256bit 整数，大部分处理器不能原生支持，运行效率降低 • Gas 模型不合理，难以估计 Gas 消耗

• 生成的 bytecode 较大，浪费区块存储资源

• 难以测试和调试

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Qtum-x86 虚拟机的设计目标

正因为 EVM 存在诸多缺陷，Qtum 决定开发自己的虚拟机。x86 虚拟机兼容了被工业界充分验证过的 x86 指令集，对基于 x86 架构之上的所有技术和基础设施都有很好的兼容性。

Qtum-x86 的基本特性包括 ：

• 支持多种主流编程语言 ： C/C++/Go/Rust 等等

• 丰富的标准库，提高开发效率

• 更加优化的 Gas 模型 ：为标准库函数设定合理的 gas 模型，可以准确估计 Gas 消耗

• 解锁 AAL 的强大功能 ： 支持合约的 P2SH 交易，segwit 交易等

• 冯 · 诺依曼结构，加强版的智能合约 ： 代码即数据，多任务协作，支持中断和恢复

• 第一类预言机 :无需运行合约即可获得某些合约数据

• 区块链动态分析 :更全面地分析区块链状态

• 选择性数据存储 :节省宝贵的区块链上资源

• 清晰的依赖关系树 :有可能并行运行智能合约，降低 gas 费用由于Qtum-x86 还没正式发布，其具体设计文档暂时无法透入太多细节。但其设计目标的描述可以参考这篇文章。

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小结

Qtum 的账户抽象层使兼容多虚拟机，使集成 x86 成为可能。未来 Qtum 将同时支持多种 虚拟机，充分发挥不同虚拟机的优势。虚拟机是支持智能合约的区块链系统不可或缺的部 分，Qtum 的 x86 虚拟机无论从设计上还是实现上都对公链开发者有极大的参考价值。其 发布后也可输出到其他区块链项目中。

Qtum 的可扩展性

上面已经介绍了 Qtum 区块链的底层设计和实现。由于 Qtum 兼容 UTXO 以及 EVM，使得很多已有的区块链相关技术都能够很容易地移植到 Qtum 上，这些都得益于 Qtum 优秀的架构设计。

下面的一些技术已经成功在 Qtum 上实现，感兴趣的读者可以在 https://github.com/ qtumproject 上查看所有实现细节。

• Qtum 闪电网络

• Qtum 支付通道

• Qtum-IPFS

• Qtum-Plasma

• qtumjs

• QRC20，QRC721 等（与 ERC20，ERC721 保持一致）

• Qmix（类似 Remix）

• Qrypto （类似 metamask）

• ……

总结

Qtum 是首个建立在 UTXO 模型之上，采用 PoS 共识机制和去中心化治理模式，且兼容多 45 虚拟机的智能合约平台和价值传输网络。

1. Qtum 创新性的账户抽象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，兼容大部分主流区块链项目的技术，可扩展性极高

2. Qtum 采用了 PoS 共识机制，在保证去中心化的前提下解决了 PoW 固有的能源消耗问题，并在此基础上进一步提高安全性，支持灵活的智能合约

3. Qtum 提出的分布式自治协议完成了去中心化链上治理，实现无分叉的区块链升级，未来可应用于更多场景

4. Qtum-x86 虚拟机支持主流的 x86 指令集，将主流语言和主流开发工具引入到智能合约，开发领域，大大降低了智能合约和 DApp 开发的门槛

Qtum 作为较早上线的主链，是典型的结合了区块链领域多种主流技术，并包含多项技术创新的公链项目，其良好的扩展性可以支撑后续技术迭代，同时也为其他公链项目的开发提供了良好的范本，其 AAL，DGP，x86 虚拟机等都可以适配到其他公链项目，对公链开发者来说是很好的参考。更多信息欢迎登陆 qtum.org 查看。