Hi 游客

更多精彩,请登录!

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
104 0 0
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。8 d" z4 {  o! i2 s

7 [" h1 @* H) g( p  u) z    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。
6 i% \1 s3 P7 V0 y; ~5 o! P
8 o* P9 f9 A2 i. q  q    UTXO模型?. s# l9 X6 F. p2 s4 ~+ G. o- Q
, C. V4 Y* H& `% E& Z
    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。
' e! y3 Z9 v( m% q3 J! _& Q, x5 P8 _, |
    优点:0 ]* p' [1 Z0 X" Q7 P$ Z

- i3 z% t: G5 r9 @# ~( Y    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。
, v$ X2 u2 z( x0 Z: W3 n- c  j7 r! }! ^; n5 b
    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。
+ H8 Y: E& y6 Z; G, H& o3 o( ?& ^
5 ]$ Z) e. O5 `    UTXO模型是无状态的,更容易并发处理。* L% Z2 P( D. o) Q% G& v# r. h' b

" x+ g8 n/ H1 o# ?0 x9 B  ?8 B    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。% ?7 e$ |/ M" q) `! }7 D
# F% ~$ w. x7 X% W8 E( a
    缺点:
$ F8 P( x8 f: j5 M) i
$ v, K& l, a- j    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。2 p/ Z. b$ U2 M* Y9 q* I" G6 Y, |

* s+ S3 ~7 ?+ E; N$ h" M3 @    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。
& v4 I: w& I7 q% q& s6 y
9 B6 R! I1 b# b" }. H3 h    ACCOUNT模型3 [0 T- A0 b3 E7 @1 O9 G
5 B% I& ~) G8 Z4 W, p
    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。2 d# R' D: {" A* m' R6 H

# u) m+ @/ S2 F' I3 t' M2 W    优点:
4 _8 N- Z" F( c7 [( _5 q( _' r) X/ M" ]; T+ E
    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。
& b7 i* s% U/ v  ~0 r. }- \
  z) F. J; _3 L% v" |* E  k    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。: G3 K& o! U4 t1 p2 B# E# p9 J* {

$ {. U; Q! `* \, T, p    缺点:1 g- _' T5 B5 T  n4 k5 T
9 \( D. m/ l, k; V: l0 f  x/ M& C, x
    Account模型交易之间没有依赖性,需要解决重放问题。) v8 ~" v7 k: Z% q/ S
$ c, A1 T6 \+ p6 A4 p/ b
    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。3 \7 J) @4 g9 X' B' l% J8 s
# o$ i) W; T* c% A3 q
    UTXOVSACCOUNT
  ]; ^! u' E$ k9 k, n* t5 x/ U
% |$ X- p; X* ?8 G    对于以上几个优点和缺点,我们再做一些分析和对比。# J5 i9 c" o2 q; m$ v9 d4 g, s

3 ^* S8 l; \1 Y' Z    第一,关于计算的问题。6 K1 i9 I8 U* n1 p/ d% H

  t  [' W% c  s; R! _" D% X    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。
( ^  N9 Z1 U7 z/ B; F; `) |1 t3 k% @( S. ?
    第二,关于UTXO更易并发的问题。) k! m$ H, S5 u" P4 _, V
. e0 F' Y  }& y6 c/ ?6 Z( ^( N
    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。, ]4 |9 Z4 J9 @

8 a# ~2 x* W: c4 }, M$ m  J    第三,关于Account模型的交易重放问题。
3 n& }7 q8 h" N3 ^- v
: i9 ]% c8 T! S$ `9 G    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。
+ a( @1 @. d% N- Y2 j' u$ w6 a! P
* Q) a8 I3 i/ b. m9 J- [    第四,存储问题。
9 R) W9 V9 U& H5 @+ O% c  B1 `; U2 K+ |; e
    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。
0 M; R- _) [0 W2 @9 S: R( V7 A/ D
    第五,对于轻节点获取某一地址状态,UTXO更复杂。  w1 }$ h: \6 N4 f& e: B2 S+ v# p) a
! \1 T6 V9 g  E, q$ T, ]0 k" r6 A
    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。
! T% d& H- J4 o! S3 H5 _
: M: R, R/ B, ^9 ?) ^  P9 o    结论
5 W! R1 S0 \$ i7 T) E
! O. H) U, J! @: s! K    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。
BitMere.com 比特池塘系信息发布平台,比特池塘仅提供信息存储空间服务。
声明:该文观点仅代表作者本人,本文不代表比特池塘立场,且不构成建议,请谨慎对待。
您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

成为第一个吐槽的人

冰川2017 小学生
  • 粉丝

    0

  • 关注

    0

  • 主题

    1