Qtum量子鏈的起源及技術創新解析!Qtum量子鏈開始于2016年，正是區塊鏈領域的技術創新迭出、項目百花齊放的時間。Qtum團隊的成員早在2012年就開始接觸、研究比特幣和其他區塊鏈項目的技術，并在這個領域進行了持續的深挖。

直到2016年，加密貨幣市場已經在小范圍內經歷了兩輪周期，以比特幣為代表的各色加密貨幣項目正如火如荼，以以太坊為代表的智能合約平臺項目也呈追趕之勢。然而，作為當時行業中最具技術創新性的兩大社區，比特幣和以太坊一直是割裂的，這在很大程度上阻礙了行業的進一步發展。Qtum 量子鏈的初衷是在比特幣這套精妙的符號體系之上，增加對智能合約的支持，兼容兩個社區已有的技術積累和后續的技術創新，進一步實現更豐富的技術演進，最終實現公有鏈領域的突破。

Qtum 量子鏈是首個成功在 UTXO 模型之上實現智能合約的公鏈項目，并且其核心協議可以在包括比特幣在內的幾乎所有基于 UTXO 的區塊鏈項目中實施。

Qtum的設計中，最重要的幾個關鍵詞是安全、靈活、解耦、去中心化和自治。通過復用比特幣的底層架構和以太坊虛擬機(EVM)，Qtum能夠同時跟進比特幣和EVM的所有技術更新，既具有比特幣 UTXO 模型的安全性和穩定性，又具有圖靈完備的 EVM 帶來的無限靈活性以及豐富的配套開發工具。

為了打通原本互不兼容的兩套體系，也為了未來的擴展與迭代，Qtum設計了賬戶抽象層(Account Abstraction Layer, AAL)。AAL將UTXO的資金層與智能合約層完全解耦，一方面將UTXO抽象成EVM等虛擬機可用的賬戶形式，另一方面也為后續兼容多虛擬機并行(如WASM，Qtum x86 虛擬機等)做好了準備。Qtum 采用純 PoS 共識機制，并進一步提升了共識機制的安全性。

參與共識的節點只需持有QTUM，無需特殊硬件，全節點就可以幾乎無感地運行在普通家用電腦上，參與網絡共識、競爭出塊、獲得獎勵。這使得Qtum常年有數千個全節點在線，是全節點數量全球第三的去中心化公鏈網絡。

在強調去中心化的同時，Qtum實現了60-70TPS的性能，高于比特幣與以太坊。鑒于區塊鏈領域社區共識的重要性，Qtum還提出了分布式治理協議(DGP)，使用智能合約對區塊鏈進行鏈上治理，生態參與者可以通過DGP動態地修改區塊大 小、合約費用模型等重要參數，實現 Qtum 網絡的無縫升級，同時可以有效避免由社區分歧引發的分裂。

Qtum是在比特幣、以太坊等項目的基礎上提出了自己的設計。一切開源項目，甚至可以說一切發明創造、科學探索都是踩在前人的肩膀上前行，就算比特幣也不例外。

量子鏈的技術創新

Qtum量子鏈成功復用了比特幣和以太坊中最具創新性也是最有價值的部分：比特幣底層的UTXO記賬系統和以太坊的EVM虛擬機，將比特幣的穩定、安全與智能合約的無限靈活性結合了起來，并以此為基礎實現自身的創新和迭代。得益于與比特幣、以太坊良好的兼容性，Qtum 陸續發布了閃電網絡、跨鏈原子交換、Qtum-IPFS，Qtum-Plasma 等代表行業內最新技術進展的實現。

與此同時，Qtum 也在不斷對外進行技術輸出，反哺比特幣、以太坊等開源項目。Qtum 核心團隊曾發現并修復了比特幣增發漏洞，改進了 PoS 共識機制的安全性問題，還提出了智能合約代付手續費機制以降低使用門檻。而團隊正在研發的隱私資產、云鏈結合以及智能合約 Staking 等也將對行業的進一步發展提供技術基礎。

MPoS共識機制

Qtum的另一項創新是MPoS共識機制。作為公有鏈最為核心的部分之一，共識機制是公有鏈能夠去中心化地決定記賬權歸屬、完成交易驗證取得全局共識的依據。現有的主流共識規則都存在各自的問題：PoW算法沒有進入門檻，任何人都可以使用PC等設備進行驗證和挖礦，但以目前專業礦場的算力水平來看，普通設備在概率上幾乎完全沒有可能取得出塊權。

而且PoW算法一直被詬病無謂的消耗大量能源，對環境不友好。DPoS、dBFT等算法由于對性能的追求，去中心化程度較低。而且此類網絡需要高性能服務器才能成為全節點參與網絡驗證，想要成為出塊節點的門檻極高。

Qtum的MPoS算法改進自PoS3.0.但傳統的PoS共識機制和智能合約的結合會帶來“垃圾合約”攻擊等安全隱患，無法直接用于Qtum。對此，Qtum 通過使出塊節點和其他節點分享收益并將收益延遲化，增加攻擊的成本。

每個區塊獎勵由 10 個礦工平分，其余獎勵延遲 500 區塊。即 1/10 區塊獎勵立刻獲得，其余 9/10 獎勵在 500 個區塊之后連續 9 個塊中獲得。挖礦獎勵 = 區塊所得 + 手續費 + 運行智能合約 gas 費用。這個收益機制的改進在不改變 PoS3.0 的核心邏輯的前提下，使攻擊者無法預測獲得區塊獎勵的多少，也無法立即獲得區塊獎勵，從而極大提高了發動上述“垃圾合約”攻擊的成本(僅存在理論可能性，實際操作中完全無法實現)。

MPoS使Qtum在可擴展性與去中心化之間實現了一個平衡。MPoS共識對硬件要求低，可以在幾乎所有家用電腦上運行，而對系統資源的占用不會影響電腦的正常操作，參與區塊生成的抵押物不是算力(硬件成本與電費)，而是一定量的QTUM。

相比于現在PoW公鏈的算力集中程度和DPoS公鏈的低節點數，Qtum的設計可能更符合中本聰對去中心化網絡的設想。在維持了去中心化的基礎上，Qtum的可擴展性也遠大于比特幣和以太坊，能達到60-70TPS，有效緩解了網絡擁堵問題，并隨著費用模型的優化和x86虛擬機的應用，可擴展性可以進一步提高。

相對于別的有Staking功能的區塊鏈，由于Qtum的共識算法為Staker帶來了更靈活的參與與退出方式。首先參與Qtum的Staking，只需下載Qtum核心錢包，借助家用電腦即可成為全節點，參與Staking，無需信任各種服務商，也無需繳納費用。

其次，UTXO模型使得參與者可以將Staking的QTUM分割成多筆UTXO，每筆UTXO在計算凍結時間時互相獨立，所以質押投票更為靈活，只有取得出塊權的UTXO會被凍結，而且凍結時間只有約17小時。因此，參與者的流動性風險也小于市面大多數Staking項目。

分布式治理協議(DGP)

Qtum在未來還將對智能合約Staking等離線Staking手段進行研發，進一步降低用戶參與網絡的門檻，并保證收益的安全性。

區塊鏈社區關于一個項目的發展方向產生不同意見而分裂、通過硬分叉產生新鏈的事件時有發生。此類不同意見大致可以分為三類：

對項目算法、功能等發展方向的分歧;

對區塊鏈某些參數的分歧;

修復關鍵漏洞、回滾。

1與3在某些情況下必須借助硬分叉才能解決，但第二類問題可以以更溫和的方式取得一致。DGP 本身的框架是通過若干部署在創始區塊的智能合約來實現的，其基本的治理結構是這樣，在整個生態內部的礦工(Staker)、開發者和 QTUM 持有者都是區塊鏈治理的參與者，通過投票去完成治理的過程。最終讓區塊鏈能夠實現自我管理、升級和迭代。 DGP 核心邏輯的實現，是由一系列的智能合約(包括框架合約，特性合約)組成。區塊鏈核心代碼在共識過程中執行協議的智能合約，獲得當前的共識狀態。同時它能通過發送相應交易完成區塊鏈網絡的狀態轉換，升級無需區塊鏈網絡軟件更新。

目前出于安全考慮，只允許DGP對系統部分參數進行治理，未來 DGP 可以不斷迭代，實現更多更復雜的治理。回到具體實現，創世塊嵌入了常見的區塊鏈參數治理的智能合約，每個治理的主題都由獨立的框架合約控制 ( 模板 )，這意味著每個功能有獨立的治理、授權機制以及內置限制條件 Block size, Min GasPrice, Block GasLimit, Gas Schedule。 此外 DGP 合約還具備自毀功能，能在提案治理上發生意外時啟動，治理參數退回到默認狀態。

Qtum 2.0 以及未來方向

Qtum 一直專注于區塊鏈底層基礎設施的研究，在比特幣和 EVM 的基礎上不斷進行技術迭代。在主網穩定運行近兩年后，Qtum暴露出現有系統和共識規則中存在的一些缺陷。為了適應日益變化的區塊鏈技術應用場景，Qtum 將逐步對底層協議進行升級，推出 Qtum 2.0.

底層協議升級

Qtum 于 2019 年 10 月 17 日完成了 Qtum 2.0 的第一次硬分叉升級，旨在對底層協議進行優化，并作為后續升級的技術準備。此次升級包含如下更新：

引入了智能合約手續費代付機制，從根本上改變了智能合約的調用和手續費支付邏輯，進一步降低使用門檻，并豐富了其應用場景;

增加多個實用的預編譯合約，特別是對復雜的密碼學邏輯的支持，在降低開發成本的同時擴展了智能合約未來可應用的范圍，如用于構造隱私資產、智能Staking等;

升級了虛擬機版本，支持更多新特性，為開發者提供更強大的技術支撐;

改進了難度調整算法，進一步增強網絡的穩定性。

對于項目近期的研究與開發，Qtum將重點放在新的x86虛擬機與隱私資產、智能合約Staking、將區塊鏈與云計算結合等方面。

x86 虛擬機

x86虛擬機是Qtum項目的重要組成部分，該虛擬機的實現將使Qtum上的智能合約開發更接近主流編程范式。盡管以太坊的Solidity已經擁有了很多開發者，但由于其設計上的缺陷、缺少很多通用現代編程語言的特性，使得開發者學習與開發成本都很高，很多想法無法實現。Qtum的x86虛擬機遵循與EVM完全不同的基礎設計，能夠更便宜地支持更多種類的通用計算。

x86是一種延續了數十年的計算機指令代碼架構，被Intel等芯片廠商廣泛使用，幾乎所有主流的編程語言和工具都是在此架構基礎上實現的。x86 虛擬機將會自動繼承對上層語言和工具鏈的支持，從而使Qtum擺脫EVM計算空間和功能上的限制，解鎖更多特性。Qtum的x86虛擬機計劃首先實現Rust語言版本，并且將會陸續支持包括 Rust/C/C++ 在內的幾乎所有主流編程語言進行智能合約開發。

使用x86虛擬機也能為開發者提供更多標準庫，這些標準庫將以類似預編譯合約的方式存在，并且可以通過 DGP 對其費用價格進行治理，這將極大地降低開發者開發智能合約的難度和開發運營成本。除了虛擬機的內核之外，Qtum x86虛擬機還設計了一種存儲租用模型和新型的狀態存儲模型，為區塊鏈瘦身。狀態膨脹的問題在Qtum上可能還不明顯，但比特幣和以太坊的全節點已經達到200GB以上，EOS更是超過了1TB。

如果普通家用計算機無法輕松運行全節點，那區塊鏈網絡必然會落入少部分專業人士手中，去中心化也就無從談起。x86虛擬機設計的存儲空間租用模型將從費用模型的角度有效解決這個問題。而新型的增量狀態存儲模型使智能合約的簡單支付驗證(SPV)成為可能，未來甚至可以通過手機等移動設備實現完全去中心化的 Qtum 智能合約調用。此外，x86虛擬機還將支持可變長度的變量、可以利用更大的內存空間實現長時間監視區塊鏈狀態的智能合約、快速調取第三方合約狀態等更復雜的功能，將極大地豐富智能合約開發的想象力。

隱私資產

對于現今的大多數公鏈來說，無論是普通轉賬還是合約調用，各參與方的地址與數額、賬戶余額等信息都是透明的，十分不利于區塊鏈的商業化應用。而現有的解決方案往往因為成本、效率、區塊鏈的支持程度等因素，無法大范圍地應用。Qtum計劃通過智能合約支持隱私資產的發行和流轉，并通過部署預編譯合約、優化隱私證明數據結構等方式，降低隱私資產相關合約在 Qtum 區塊鏈上的開發和使用成本。日前進行的Qtum2.0的升級中，已經部署了btc_ecrecover預編譯合約，未來還將繼續部署更多關于secp256k1橢圓曲線、Schnorr簽名的預編譯合約，進一步降低隱私資產方案的部署運行成本。

區塊鏈+云

此外，針對目前去中心化應用面臨的困境，Qtum還在積極探索區塊鏈與云計算相關技術的結合。區塊鏈發展到，仍然沒有脫離比特幣的按時間出塊+全局同步驗證的邏輯。這對于轉賬這類低交互頻率的使用方式來說問題不大，但是對于應用平臺，可能并不是最好的方式。可以看到，一些簡單的小游戲就能將以太坊、EOS等平臺堵塞，所以在大規模商業應用上，現有的公鏈平臺很難被信任。盡管現在有很多項目正在分片、DAG、鏈下計算方案等方向進行探索，但仍沒有定論，都在實驗階段。Qtum 團隊認為，區塊鏈為應用帶來的最重要特性并不是“去中心化”，而在于以下三個“區塊鏈特征”：

賬戶、地址、資金和身份“四位一體”的權限管理機制;

自帶一套天然的清結算網絡;

激勵機制和流動性帶來的高速增長。

而這些，正是現有的所有互聯網應用所缺少的特性。現有的大多數互聯網應用都部署在云上，而且在可以預見的未來，部署在云上的應用仍將是主流。如何將上述的區塊鏈特征與部署在云上的應用進行融合，將是區塊鏈應用能否真正落地的關鍵，也是突破去中心化應用困境的最可行方案。

智能合約 Staking 機制

在標準的 PoS 系統中，參與 Staking 的節點必須保持在線，Qtum 也不例外。但節點在線的弊端在于，首先對于普通用戶，雖然他們可以在自己的個人電腦上進行 Staking，但在不租用服務器的情況下，很難保證 24 小時在線，從而很難保證收益，長此以往會影響其參與 Staking 的積極性，從而降低網絡去中心化程度;而對于“大戶”，即持幣較多的 Staker，他們對于把大量的幣始終放在熱錢包也有安全上的顧慮。

純 PoS 機制下的公鏈也存在礦池，雖然礦池有較高的安全性，但用戶必須把幣轉給礦池才能由其代為 Staking，這使用戶喪失了對幣的控制權，既有損失本金的危險，又有使網絡降低去中心化程度的風險。而一些項目采用的代理共識機制，如 dPoS，dBFT 等，本質上更接近中心化網絡，而且普通用戶代理給超級節點的幣所獲得的收益也得到通過鏈上邏輯的保證，而是根據約定在鏈下分配收益，這無疑也帶來了很大的不確定性。

Qtum 正在研發的智能合約 Staking 機制能很好地解決上述問題。普通用戶可以將 Staking 的權利代理給專門的 Staking 智能合約，從而無需保持自己的節點在線，而且始終有對自己代幣的控制權或提幣權;大的 Staker 也可以將幣的 Staking 權利托管給合約，而將幣保存在安全的冷錢包里;所有托管用戶的收益都是由智能合約在鏈上進行分配的，不存在中心化礦池的風險。

不僅如此，由于智能合約是可編程的，這種機制將為 Staking 帶來更多的靈活性，收益方式、回報方式都可以通過合約邏輯進行控制，無需第三方介入，用戶可以選擇適合自己的合約進行托管，也可以部署自己定制的 Staking 合約。

賬戶抽象層(AAL)

如第一節所述，為了將比特幣和智能合約結合起來，Qtum設計了賬戶抽象層(AAL)。AAL主要有兩個作用：一是將比特幣的UTXO模型抽象成EVM可用的賬戶模型，使EVM能在比特幣的底層上運行，執行智能合約;二是將資金層與合約層分離、解耦，使各層的運行相對獨立，為后續的迭代、擴展做好準備。依靠這種設計，Qtum后續的x86虛擬機可以與EVM并行地運行在量子鏈上，而無需對底層協議做大幅修改，保留了良好的功能擴展性。

甚至在未來，任何基于賬戶模型的虛擬機都可以適配運行在量子鏈上。為了實現AAL，Qtum針對智能合約操作和UTXO操作之間的對應與轉換進行了大量調整與優化，并設計了三個新的操作碼：

OP_CREATE ：創建智能合約

OP_CALL ：調用智能合約 ( 向合約發送 QTUM)

OP_SPEND ：花費智能合約中的 QTUM

在產生新區塊時，除了對交易腳本做常規的檢查外，還需要檢查是否包含上述的操作碼。OP_CREATE 用于向虛擬機傳遞合約字節碼。OP_CALL 將 data、gasPrice、gasLimit、VMversion 等運行智能合約所需的關鍵參數通過交易腳本發送，最終傳遞到虛擬機中。

OP_SPEND 則用于把合約執行結果轉換為標準的 UTXO。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交易的能力。為了保證合約狀態以及 UTXO 的共識，Qtum 的區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。更多技術細節可以參考這篇文章。