比特币交易本质--UTXO(Unspent Transaction Output)

Posted 2020-10-09 紫魔戒

　　UTXO 代表 Unspent Transaction Output。
　　Transaction 被简称为 TX，所以上面这个短语缩写为 UTXO。

　　现在的银行也好、信用卡也好、证券交易系统也好，互联网第三方支付系统也好，其核心都是基于账户（account based）的设计，由关系数据库支撑。

　　数据库要确保两点，第一是你要确保业务规则得到遵守，张三的余额充足。第二是确保事务性，也就是原子性、一致性、隔离性、持久性（ACID）。这种基于账户的设计，简单直观，而且在 IT 系统设计里用了几十年，应该说没有什么问题。

　　我们假设一个这样的场景：张三挖到12.5 枚比特币。过了几天，他把其中 2.5 枚支付给李四。又过了几天，他和李四各出资 2.5 比特币凑成 5 比特币付给王五。
　　如果是基于账户的设计，张、李、王三人在数据库中各有一个账户，则他们三人的账户变化如下图所示：

　　但在比特币中，这个过程是通过 UTXO 实现的，图示如下：

　　比特币的区块链账本里记录的是一笔又一笔的交易。
　　每笔交易都有若干交易输入，也就是资金来源，也都有若干笔交易输出，也就是资金去向。一般来说，每一笔交易都要花费（spend）一笔输入，产生一笔输出，而其所产生的输出，就是“未花费过的交易输出”，也就是 UTXO。
　　比特币交易遵守几个规则：

1. 除了 coinbase 交易之外，所有的资金来源都必须来自前面某一个或者几个交易的 UTXO，就像接水管一样，一个接一个，此出彼入，此入彼出，生生不息，钱就在交易之间流动起来了。
2. 任何一笔交易的交易输入总量必须等于交易输出总量，等式两边必须配平。

　　上图第一个交易#1001号交易是coinbase交易。比特币是矿工挖出来的。当一个矿机费尽九牛二虎之力找到一个合格的区块之后，它就获得一个特权，能够创造一个coinbase交易，在其中放入一笔新钱，并且在交易输出的收款人地址一栏，堂堂正正的写上自己的地址。这个coinbase交易随着张三挖出来的区块被各个节点接受，经过六个确认以后永远的烙印在历史中。
　　过了几天，张三打算付2.5个比特币给李四，张三就发起一#2001号交易，这个交易的资金来源项写着“#1001(1)”，也就是#1001号交易——张三挖出矿的那个coinbase交易——的第一项UTXO。然后在本交易的交易输出UTXO项中，把2.5个比特币的收款人地址设为李四的地址。
　　请注意，这一笔交易必须将前面产生那一项12.5个比特币的输出项全部消耗，而由于张三只打算付给李四2.5个比特币，为了要消耗剩下的10比特币，他只好把剩余的那10个比特币支付给自己，这样才能符合输入与输出配平的规则。
　　再过几天，张三和李四打算AA制合起来给王五付5枚比特币。那么张三或李四发起#3001号交易，在交易输入部分，有两个资金来源，分别是#2001(1)和#2001(2)，代表第#2001号交易的第(1)和第(2)项 UTXO。然后在这个交易的输出部分里如法炮制，给王五5比特币，把张三剩下的7.5比特币发还给自己。以后王五若要再花他这5比特币，就必须在他的交易里注明资金的来源是#3001(1)。
　　所以，其实并没有什么比特币，只有UTXO。当我们说张三拥有10枚比特币的时候，我实际上是说，当前区块链账本中，有若干笔交易的UTXO项收款人写的是张三的地址，而这些UTX 项的数额总和是10。因为在比特币系统里，一个人可以拥有的地址资源，可谓取之不尽用之不竭。要知道自己的一大堆地址里一共收了多少UTXO，人是算不过来的，需要由比特币钱包代为跟踪计算。

　　如果采用基于账户的方案，需要一个数据库。这个数据库能够让你很方便的查到张三、李四各自的账户余额。
　　而 UTXO 方案当然也需要一个数据库，这个数据库记录着当前系统里每一笔“没有花出去的交易输出”，也是就比特币。当节点接收到一笔交易的时候，它需要去 UTXO 数据库里查，看看这笔交易所引用的 UTXO 是否存在，它的收款人（拥有者）是不是当前新交易的付款者。而交易结束之后，数据库要做相应的更新。
　　首先要明确，无论是账户数据库还是 UTXO 数据库，必须是分散的，每结点一个克隆，一定不能是中心化的。如果比特币系统有一个中心数据库，不管你有多少节点，每一笔交易都要跑去中心数据库验证一下、然后再执行“转账”的事务操作，那就完全谈不上“去中心化”，比特币就毫无价值了，不如老老实实用支付宝。
　　长期来看，账户数据库会无限膨胀，而UTXO 数据库体积会小很多。
　　比特币是个匿名体系，它的账户就是“地址”。每一个比特币用户可以拥有几乎无限多的地址，在比特币系统来看，它完全不知道两个地址背后对应的是不是同一个人。

　　在版本控制方面的考虑，svn 是中心化的数据库保持一份账本，这和区块链的设计自然是相违背的，git 是去中心化的数据库，但会保存太多冗余数据，对于分布式性能肯定是要大打折扣。UTXO数据库是抛弃了历史包袱的git， 只存储了最后一个版本。简易实用。

　　UTXO具有天然的匿名效果，一个账户所对应的未花费交易是难以发现的。
　　在性能方面，由于UTXO是独立的数据记录，那么就存在极大的并行性可以提升区块链交易验证速度。

http://www.frankyang.cn/2017/09/30/utxo/