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UTXO

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什么是UTXO

在比特幣錢包當中,我們通常能夠看到賬戶余額,然而在中本聰設計的比特幣系統中,并沒有余額這個概念。“比特幣余額”是由比特幣錢包應用派生出來的產物。中本聰發明了UTXO交易模型,并將其應用到比特幣當中。

UTXO(Unspent Transaction Outputs)是未花費的交易輸出,它是比特幣交易生成及驗證的一個核心概念。交易構成了一組鏈式結構,所有合法的比特幣交易都可以追溯到前向一個或多個交易的輸出,這些鏈條的源頭都是挖礦獎勵,末尾則是當前未花費的交易輸出。

基于賬戶的交易

我們先看下傳統的交易是如何進行的:我們設計一個支付系統,給張三一個賬戶,里面有余額100 元,李四有一個賬戶,里面有余額50元。當張三要付給李四20元時,做以下操作:

1. 檢查張三賬戶余額是否充足,如果不足20元就終止交易,向張三報“余額不足”

2. 在張三賬戶里減去20元(假設零手續費)

3. 在李四賬戶里增加20元

現在的銀行也好、信用卡也好、證券交易系統也好,互聯網第三方支付系統也好,其核心都是基于賬戶(account based)的設計,由關系數據庫支撐。

基于UTXO的交易

要理解UTXO,最簡單的辦法就是把一枚比特幣從誕生到在商海中沉浮的經歷描述一下。我們假設一個這樣的場景:張三挖到12.5 枚比特幣。過了幾天,他把其中 2.5 枚支付給李四。又過了幾天,他和李四各出資 2.5 比特幣湊成 5 比特幣付給王五。

比特幣的區塊鏈賬本里記錄的是一筆又一筆的交易。

每筆交易都有若干交易輸入,也就是資金來源,也都有若干筆交易輸出,也就是資金去向。一般來說,每一筆交易都要花費(spend)一筆輸入,產生一筆輸出,而其所產生的輸出,就是“未花費過的交易輸出”,也就是 UTXO。

比特幣交易遵守幾個規則:

第一,除了 coinbase交易之外,所有的資金來源都必須來自前面某一個或者幾個交易的 UTXO,就像接水管一樣,一個接一個,此出彼入,此入彼出,生生不息,錢就在交易之間流動起來了。

第二,任何一筆交易的交易輸入總量必須等于交易輸出總量,等式兩邊必須配平。

上圖第一個交易#1001 號交易是 coinbase 交易。比特幣是礦工挖出來的。當一個礦機費盡九牛二虎之力找到一個合格的區塊之后,它就獲得一個特權,能夠創造一個 coinbase 交易,在其中放入一筆新錢,并且在交易輸出的收款人地址一欄,堂堂正正的寫上自己的地址。假設這筆比特幣的數額為12.5 枚,這個coinbase 交易隨著張三挖出來的區塊被各個節點接受,經過六個確認以后永遠的烙印在歷史中。

過了幾天,張三打算付 2.5 個比特幣給李四,張三就發起#2001號交易,這個交易的資金來源項寫著“#1001(1)”,也就是 #1001 號交易——張三挖出礦的那個 coinbase 交易——的第一項 UTXO。然后在本交易的交易輸出 UTXO 項中,把2.5個比特幣的收款人地址設為李四的地址。

請注意,這一筆交易必須將前面產生那一項 12.5 個比特幣的輸出項全部消耗,而由于張三只打算付給李四 2.5 個比特幣,為了要消耗剩下的10比特幣,他只好把剩余的那 10 個比特幣支付給自己,這樣才能符合輸入與輸出配平的規則。

再過幾天,張三和李四打算AA制合起來給王五付 5 枚比特幣。那么張三或李四發起 #3001 號交易,在交易輸入部分,有兩個資金來源,分別是#2001(1) 和 #2001(2),代表第 #2001 號交易的第 (1) 和第 (2) 項 UTXO。然后在這個交易的輸出部分里如法炮制,給王五5比特幣,把張三剩下的 7.5 比特幣發還給自己。以后王五若要再花他這5比特幣,就必須在他的交易里注明資金的來源是 #3001(1)。

所以,其實并沒有什么比特幣,只有UTXO。當我們說張三擁有 10 枚比特幣的時候,我實際上是說,當前區塊鏈賬本中,有若干筆交易的 UTXO 項收款人寫的是張三的地址,而這些 UTXO 項的數額總和是 10。而我們在比特幣錢包中所看到的賬戶余額,實際上是錢包通過掃描區塊鏈并聚合所有屬于該用戶的UTXO計算得來的。

兩種交易方式對比

1.UTXO只需要看最后一次交易,而賬戶系統要看歷史全數據后所有的增減操作全部加起來才能獲得正確的余額,兩者效率差異隨著時間推移會越來越大;

2.UTXO未來可以裁剪歷史老數據,而賬戶系統則不能丟棄老數據,前者區塊鏈可以控制住整體大小,而后者只能持續膨脹。

一點思考

比特幣規定每一筆新的交易的輸入必須是某筆交易未花費的輸出,每一筆輸入同時也需要上一筆輸出所對應的私鑰進行簽名,并且每個比特幣的節點都會存儲當前整個區塊鏈上的UTXO,整個網絡上的節點通過UTXO及簽名算法來驗證新交易。


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