比特币UTXO和去中心化系统的设计

刚进2018年，区块链突然大热，程序员们可能莫名其妙，不就是一个分布式系统么，怎么突然就要改变互联网了？还是按照我们熟悉的分布式系统设计分析开始，我们了解一些区块链的基础知识，看看是否可以改变世界。

UTXO是什么

UTXO是Unspent Transaction Output（未消费交易输出）简写。这绝对是比特币的非常特殊的地方，理解UTXO也就理解了比特币去中心化的含义。

说起UTXO必须先要介绍交易模型。以我们平时对交易的理解，我给张三转账了一笔100块钱，那就是我的账上的钱少了100，张三账上的钱多了100。我们再把问题稍微复杂一些，我和张三合起来买一个李四的一个商品390块钱。我的账户支付100，张三账户支付300，李四的帐户获得390，支付宝账户获得了10块钱的转账手续费。那么对这比交易的记录应该是这样的：

这种记账方式常用在财务记账上。不过作为一个去中心化的系统，是没有一个中心化银行管理你的开户、销户、余额的。没有余额，怎么判断你的账上有100块钱？

如上图的一个例子，在最后一笔交易中，用户C必须将前面几次交易的比特币输出作为下一个关联交易的输入，具体见下图的no 321笔交易，用户C将前面获得的两次输出，作为输入放在了交易中，然后给自己输出1个比特币的找零（如果不给自己输出找零，那么这个差额就被矿工当成小费了，切记切记）。比特币的程序会判定，如果两个UTXO加在一起不够支付，则交易不成功。

比特币UTXO使用有点像古代的银锭

• 五两的银锭付给别人二两，需要通过夹剪将一整块银锭剪成两块，二两的给别人，三两的留给自己。对比：比特币在输出中重新创建一个新的UTXO作为给自己的找零

• 要付给别人五两，手上有几块碎银子单都不足五两，则需要将碎银子一起付给对方。对比：比特币在输入中同时引用多个输出UTXO。

这样的做法很繁琐，所以银两在古代并不是一个很普遍的支付方式（别被武侠片给骗了，大部分还是用铜钱）。 比特币采用UTXO并不能很直观的去理解，但是为什么要用呢？

使用UTXO的动机

那么我们站在系统设计的角度猜测一下为什么中本聪会考虑使用UTXO。

• 比特币是没有开户的过程的，一个本地计算生成公私钥就能构成一个合法的帐户，甚至有些用户为了一些“靓号”帐户，通过暴力运算生成天量的再也不会使用的帐户。去中心化系统无法跟踪每个账户的生成和销毁，这样的系统里面的帐户数量远大于未消费的输出数量，所以以UTXO来替代跟踪帐户交易的方式，消耗的系统资源会比较少 ；

• 比特币有个比较好的特性是匿名性，很多人每次交易就换一对公私钥，交易输出的给自己的找零往往输出到一个另外的帐户下去，UTXO迎合了这种需求。而使用帐户就没那么灵活了。

• 如果我使用余额系统，那么在生成一笔交易的时候，我首先要考虑的就是“幂等”问题，因为发出去的交易是给某个帐户加减钱，如果交易因为网络等原因重新发送，变成两笔交易重复扣钱，我就要哭了，这是在区块链里面著名的“重放攻击”。所以交易必须设计一个唯一的标识id让服务器知道这是同一笔交易。但是在去中心化系统中没有一个超级服务器统一分配交易ID，只能本地生成，而且跟踪这些交易ID的状态，也是一个很大的负担，因为我需要将区块链从创世块到现在所有的交易都遍历一遍，才能确定是是否是重复交易。如果用UTXO就可以避免这个问题，UTXO相比交易数少了不止一个数量级，而且UTXO只有两个状态—未消费、被消费，比特币只能有一个操作— 将为消费的UTXO变为已消费状态。不管我发送多少次交易，都会得到一个结果。

• 在中本聪倡导每个cpu都是一票的去中心化社区，让每个节点都有能力去做计算是需要特别重视的，否则单个节点的计算能力要求过高，整个系统将向着“中心化”趋势滑下去。

在比特币的实现中，是把所有的UTXO保存在一个单独的UTXOSet缓存中，截止2017年9月，这个缓存大概2.7Gb，与之对应，整个区块链的交易数据达到140Gb，UTXO缓存像是一个只保存了最终一个状态的git，整体的消耗负担小了很多很多。

但是中本聪没想到，很多人现在把交易输出的脚本玩出花来了，导致很多UTXO创建出来就是不为消费用的，永远不会被消费掉，节点的负担越来越重。这才有了后续的BIP改进以及以太坊的账户模型。那又是一个很长的故事了...

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