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一文看懂比特币的UTXO模型

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1.目前的链用的都是哪些模型

以太坊,EOS,Solana 这些大家所熟知的链都使用的是账户模型,甚至可以说 90% 以上的项目都使用的是账户模型,而只有一些老牌项目用的是 UTXO 模型,如, BTC ,DOGE, LTC ,当然也有一些比较新的项目也用的这个模型,如 Layer 2 中使用 OP 方案的 FUEL。

2.什么是账户模型

简单理解,就是银行账户那套系统,比如银行之间的转账,支付宝、微信的转账等等都属于账户模型。下面我举个栗子:

假如 A 有 100 ,B 有 100

这时 A 给 B 转账 50 块钱

在系统中的表现形式就是

A -50 ,B + 50

所以他们的余额

A 50 , B 150

这是一笔转账。

再假如,A 还是有 100 ,他要给 100 个新开户的新人转账 1 元。

这时需要 A 同时给 100 人转账 1 块钱

第 1 笔

A -1 ,第 1 个人 + 1

所以他们的余额

A 99 ,第 1 个人 1

第 2 笔

A -1 ,第 2 个人 + 1

所以他们的余额

A 98 ,第 2 个人 1

第 3 笔

A -1 ,第 3 个人 + 1

所以他们的余额

A 97 ,第 3 个人 1

以此类推

......

第 100 人

A -1 ,第 100 个人 + 1

所以他们的余额

A 0 ,第 100 个人 1

理论上要转账 100 次,而且下一次的转账都必须要先完成前一笔,不然账户余额就无法保证一致性,会混乱,有没有多转,余额够不够转出等。

理论上,随着交易笔数的增长,执行所需要的时间就越多。

3.什么是 UTXO 模型

前面也有提到,很多老牌主流用的是 UTXO,而这个圈子的老祖宗比特币也是用的 UTXO 模型,顺便提一下,我们国家的发行的法定数字 货币 DCEP 也是基于 UTXO 模型做的,所以这个模型必然有它的独特之处。

UTXO 全称 Unspent Transaction Output,意思是“未花费交易输出”,他的模型简单说有点像日常生活中的现金体系,举个栗子:

A 有一个 钱包 (现实中的钱包),里面有 1 元面值, 10 元面值以及 100 元面值。

A 要给 B、C、D 分别 1 块钱。

A 有三种方式

第一种:拿出 1 元面值的钱给 B

第二种:拿出 10 元面值的钱给 C,找回 9 元

第三种:拿出 100 元面值的钱给 D,找回 99 元

这三种方式都可以把这次交易完成。

再回到链上,想象一下这里每一个面值的钱其实就是一个链上 UTXO,具体在使用过程中的 UTXO 并不是在转移的,而是在不断的销毁和重建,例如:

A 用第二种方式给 C 转钱, 10 元面值的 UTXO 会被销毁,系统会重新印出一张 1 元面值和一张 9 元面值的 UTXO, 1 元的给 C, 9 元的还给 A。

第三种方式也同理, 100 元的销毁,印出 1 张 1 元面值的和一张 99 元面值的 UTXO, 1 元的给 D, 99 元的还给 A。

这是 UTXO 和账户模型转账方式的不同,更牛逼的是,UTXO 模型可以并行转账,因为余额是通过分散的 UTXO 存在的,所以每个面值其实可以同时转账给不同的人,上面三种方式是可以在一笔交易中同时完成的,因为不会涉及到账户一致性问题,每个 UTXO 都是单独独立计算的。

我们在对比上面的账户模型,每一笔交易都必须依托于上一笔交易的完成,这其中的性能差距可想而知。这样就理解为什么央行数字货币使用的是 UTXO 模型了,不然深圳怎么给 5 万个钱包发送 1000 万数字人民币?

再说回上面那个例子:

A 有 100 ,他要给 100 个新开户的新人转账 1 元。

面值 100 的 UTXO 可以拆分成 100 个面值 1 块钱的 UTXO,然后在一笔交易中直接分给 100 个人,瞬间完成。

总之,把 UTXO 的面值想象成更加灵活的现金,在链上不断的销毁和重建。

想知道这个钱包地址到底有多少钱就需要统计底下有多少个余额的 UTXO 并求和。

4.账户模型和 UTXO 的优缺点

账户模型优点:

合约以代码形式保存在 Account 中,并且 Account 拥有自身状态。这种模型具有更好的可编程性,容易开发人员理解,场景更广泛。

批量交易的成本较低。设想矿池向矿工支付手续费,UTXO 中因为每个 Input 和 Out 都需要单独 Witness script 或者 Locking script,交易本身会非常大,签名验证和交易存储都需要消耗链上宝贵的资源。而 Account 模型可以通过合约的方式极大的降低成本。

账户模型缺点:

Account 模型交易之间没有依赖性,需要解决重放问题。Ethereum 是怎么解决的,我们清楚 Ethereum 是采用的是唯一的 Nonce 值的方法,每个交易 Tx 中有一个 Nonce 字段,对于每个用户来说,这个 Nonce 都不能重复,从而避免了重放攻击。

对于实现 闪电网络 /雷电网络,Plasma 等,用户举证需要更复杂的 Proof 证明机制,子链向主链进行状态迁移需要更复杂的协议。

UTXO 优点:

计算是在链外的,交易本身既是结果也是证明。节点只做验证即可,不需要对交易进行额外的计算,也没有额外的状态存储。交易本身的输出 UTXO 的计算是在钱包完成的,这样交易的计算负担完全由钱包来承担,一定程度上减少了链的负担。

Coinbase 交易外,交易的 Input 始终是链接在某个 UTXO 后面。交易无法被重放,并且交易的先后顺序和依赖关系容易被验证,交易是否被消费也容易被举证。

UTXO 模型是无状态的,更容易并发处理。

对于 P 2 SH 类型的交易,具有更好的隐私性。交易中的 Input 是互不相关联的,可以使用 CoinJoin 这样的 技术 ,来增加一定的隐私性。

UTXO 缺点:

无法实现一些比较复杂的逻辑,可编程性差。对于复杂逻辑,或者需要状态保存的合约,实现难度大,且状态空间利用率比较低。

当 Input 较多时,见证脚本也会增多。而签名本身是比较消耗 CPU 和存储空间的。

5.账户模型和 UTXO 简要区别有哪些

  • 账户余额

账户模型:可以简单明了的看到账户底下有多少钱。

UTXO 模型:统计该地址底下有多少个 UTXO ,把他们汇总起来的结果才是余额。

  • 当交易笔数指数级上升时

账户模型:会越来越吃力。

UTXO 模型:天然支持高并发。

  • 智能合约 / 开发者 角度出发

账户模型符合开发者的逻辑习惯,相对容易写逻辑

UTXO 脚本编程较为复杂

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