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比特池塘 区块链前沿 正文

Bitcoin的UTXO模型和 Ethereum的Account模型

冰川2017
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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(UnspentTransactionOutput)和Account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。
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) `7 z3 t9 `6 N" ?    Bitcoin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。
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$ x$ D6 S, w. |! \! K    UTXO模型?, D, O- ]' i, ~8 u/ Z

! Q8 Z6 X: Q. ?7 o  j% y) l4 v    UTXO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。
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    优点:
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# p9 E# G9 s( f. i1 ]/ p& [8 R& y( E    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。* w  l& p; W! p4 F

/ Q" ^( S$ ?4 y  V1 [. K; e$ ^    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。
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    UTXO模型是无状态的,更容易并发处理。
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" i5 F7 x! ~6 f    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。
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    缺点:
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    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。/ n5 q8 M& r$ h  [0 D

5 o: w' P, ?& l1 U    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。
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3 n5 d# ^5 L/ \6 g9 z; V: n9 u    ACCOUNT模型
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    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。% f: O1 S/ \: U3 B  c/ W

0 k' r5 b8 {! a$ q: l- ~- e    优点:
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    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。
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2 S) B, r6 v  Z7 f( ~    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Witnessscript或者Lockingscript,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。
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    缺点:
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    Account模型交易之间没有依赖性,需要解决重放问题。4 ]7 t; I  m7 [; y" Z% t4 y
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    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。
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0 l& _" V4 G$ C. T( w* F    UTXOVSACCOUNT
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    对于以上几个优点和缺点,我们再做一些分析和对比。5 y" U! x2 D2 B: k, p# ^. T1 `! o

% X% C: ~9 D# B: n' t9 j  C/ `2 S    第一,关于计算的问题。
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! B+ N" [  ?; Q# e7 Y: A& R    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Witnessscript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。
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    第二,关于UTXO更易并发的问题。; N, |9 r7 Z4 @+ e
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    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。) J% K$ `, w& B

- V2 v7 F  k, o: @4 t    第三,关于Account模型的交易重放问题。. e- s7 y' L3 O# L) |- k

; B  Y0 w& k* z5 H5 b    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。+ f  @7 b6 P0 x$ E5 h# U

' P0 Q  i5 a5 a' ]0 e    第四,存储问题。$ Y# I9 @' W+ Q

  [5 f5 R- k% ~2 l: L( l* ]" B    因为UTXO模型中,只能在交易中保存状态。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Witnessscript和2个Lockingscript;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Witnessscript进行传输和验证。
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    第五,对于轻节点获取某一地址状态,UTXO更复杂。: F" {0 ^5 e4 m; P
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    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StateProof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。
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0 \0 P2 n! w2 M$ \' q+ F    结论
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9 D( i. T) V3 l. e    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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