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区块链中UTXO和账户模型的对比

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在当前区块链世界中,主要有两种记录保存方式,UTXO 模式(Unspent Transaction Output) 和 Account (账户)模式。Bitcoin 采用的是 UTXO 模型,Ethereum 采用的 Account 模型,同样 CITA 也采用了 Account 模型。
9 {- M/ W" i  z* O& FBitcoin 的设计初衷是点对点的电子现金系统,在比特币中,每个交易消耗之前交易生成的 UTXO 然后生成新的 UTXO,账户的余额即所有属于该地址的未花费 UTXO 集合,Bitcoin 的全局状态即当前所有未花费的 UTXO 集合。Ethereum 意图创建一个更为通用的协议,该协议支持图灵完备的编程语言,在此协议上用户可以编写智能合约,创建各种去中心化的应用。由于 UTXO 模型在状态保存以及可编程性方面的缺陷,Ethereum 引入了 Account 模型。下面我们对两种模型的优缺点做进一步展开。% p) G3 J& [$ S, z& n% b/ }8 e: f
UTXO 模型
# O# ?8 q5 i4 R+ \# |: SUTXO 模型中,交易只是代表了 UTXO 集合的变更。而账户和余额的概念是在 UTXO 集合上更高的抽象,账号和余额的概念只存在于钱包中。
1 y/ D& ~( e4 w0 p优点:
9 J0 y9 N6 F) ]+ K; w- d! U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。
3 @8 Z- b+ i( Y, ?: {除 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。$ e; o8 p- o' ^$ @
UTXO 模型是无状态的,更容易并发处理。1 P: J7 M- \- _
对于 P2SH 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。
- a0 ^% C/ p# G7 d# r缺点:
# d$ ^! l. e  \& `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。
' r  S" O$ N3 \( e) q当 Input 较多时,见证脚本也会增多。而签名本身是比较消耗 CPU 和存储空间的。, m1 g. T: `3 E9 t  G/ p# X! C
Account 模型对于 Account 模型,Account 模型保存了世界状态,链的状态一般在区块中以 StateRoot 和 ReceiptRoot 等形式进行共识。交易只是事件本身,不包含结果,交易的共识和状态的共识本质上可以隔离的。; r+ D% O' y4 Q# V6 q% y
1 {- @3 X8 x( J: Q2 c- H: c, F
优点:
6 [1 l4 J+ B! \) Q( k. y4 q6 Q8 T2 @8 p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。
% y- R8 k4 V7 |4 i/ r4 d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。  {0 E, l! p" W: E% h9 T
缺点:$ R0 b6 |! H+ I- c+ y& V
Account 模型交易之间没有依赖性,需要解决重放问题。
* Y: w# I, c! \6 w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。, S" n5 u  P8 a! o( t' P) c1 j# F+ \
UTXO VS Account对于以上几个优点和缺点,我们再做一些分析和对比。
( d$ l# B' A! w; `第一,关于计算的问题的。  B. D1 l7 W# w" p  d
UTXO 交易本身对于区块链并没有复杂的计算,这样简单的讲其实并不完全准确,原因分有两个,一是 Bitcoin 本身的交易多为 P2SH,且 Witness script 是非图灵完备的,不存在循环语句。而对于 Account 模型,例如 Ethereum,由于计算多在链上,且为图灵完备,一般计算较为复杂,同时合约安全性就容易成为一个比较大的问题。当然是否图灵完备对于是否是账户模型并没有直接关联。但是账户模型引入之后,合约可以作为一个不受任何人控制的独立实体存在,这一点意义重大。
) w( @. F- `8 Z0 W( {第二,关于 UTXO 更易并发的问题。2 u) w$ ?* s6 d6 S+ N5 o* b; A; r
在 UTXO 模型中,世界状态即为 UTXO 的集合,节点为了更快的验证交易,需要在内存中存储所有的 UTXO 的索引,因此 UTXO 是非常昂贵的。对于长期不消费的 UTXO,会一直占用节点的内存。所以对于此种模型,理论上应该鼓励用户减少生产 UTXO,多消耗 UTXO。但是如果要使用 UTXO 进行并行交易则需要更多的 UTXO 作为输入,同时要产生更多的 UTXO 来保证并发性,这本质上是对网络进行了粉尘攻击。并且由于交易是在钱包内构造,所以需要钱包更复杂的设计。反观 Account 模型,每个账户可以看成是单独的互不影响的状态机,账户之间通过消息进行通信。所以理论上用户发起多笔交易时,当这些交易之间不会互相调用同一 Account 时,交易是完全可以并发执行的。. [  d9 d- G# M3 F. Z2 x0 P2 O
第三,关于 Account 模型的交易重放问题。4 I  j# S3 Q3 C* i" K
Ethereum 使用了在 Account 中增加 nonce 的方式,每笔交易对应一个 nonce,nonce 每次递增。这种方式虽然意在解决重放的问题,但是同时引入了顺序性问题,同时使得交易无法并行。例如在 Ethereum中,用户发送多笔交易,如果第一笔交易打包失败,将引起后续多笔交易都打包不成功。在 CITA 中我们使用了随机 nonce 的方案,这样用户的交易之间没有顺序性依赖,不会引起串联性失败,同时使得交易有并行处理的可能。  s, P$ R: O. t1 @1 A0 }
第四,存储问题。因为 UTXO 模型中,只能在交易中保存状态。. _3 D7 H; b7 g* R4 D
而 Account 模型的状态是在节点保存,在 Ethereum 中使用MPT 的方式存储,Block 中只需要共识 StateRoot 等即可。这样对于链上数据,Account 模型实际更小,网络传输的量更小,同时状态在节点本地使用 MPT 方式保存,在空间使用上也更有效率。例如 A 向 B 转账,如果在 UTXO 中假设存在 2 个 Input 和2个 Output,则需要 2 个 Witness script 和 2 个Locking script;在 Account 模型中则只需要一个签名,交易内容只包含金额即可。在最新的隔离见证实现后,Bitcoin的交易数据量也大大减少,但是实际上对于验证节点和全节点仍然需要针对 Witness script 进行传输和验证。
) c+ e" l. i! h! P# u4 l第五,对于轻节点获取某一地址状态,UTXO 更复杂。
: ]9 ~, o4 d/ Q- f2 ]1 B9 S例如钱包中,需要向全节点请求所有关于某个地址的所有 UTXO,全节点可以发送部分 UTXO,钱包要验证该笔 UTXO 是否已经被消费,有一定的难度,而且钱包很难去证明 UTXO 是全集而不是部分集合。而对于 Account 模型则简单很多,根据地址找到 State 中对应状态,当前状态的 State Proof 则可以证明合约数据的真伪。当然对于 UTXO 也可以在每个区块中对 UTXO 的 root 进行验证,这一点与当前 Bitcoin 的实现有关,并非 UTXO 的特点。
  s& B! B  _9 U2 ~. x" e) B结论综上来看,Account 模型在可编程性,灵活性等方面更有优势;在简单业务和跨链上,UTXO 有其非常独到和开创性的优点。对于选择何种模型,要从具体的业务场景进行出发。
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