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比特池塘 区块链技术 正文

UTXO 和 Account 模型对比

_宁不知
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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。( F1 N- M* f' v3 \  X

) W5 I0 q5 U9 z$ ?/ j, C- O    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。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。  S' w  s* Z4 L0 F; u9 A/ n

& [1 N2 n' d& U) B" B3 z9 }    UTXO模型?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。优点:3 C7 S, x) M' w) X8 U5 u5 T
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    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。
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0 G# c/ Y! S0 i    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。9 y3 I9 o7 f" h: t- D& }3 ]9 ]. Y

% h7 s& R% K) G2 F& ?4 k$ C8 U    UTXO模型是无状态的,更容易并发处理。
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' e: [. Q0 s- q9 T5 Y' s    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:9 A+ J5 b) S7 r9 J+ o
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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。
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! @; `6 S. T; T' F    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。8 h! x4 x# X' w; g$ I* C1 F6 F0 i

4 O' |7 {* y7 t- q- I    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。优点:( X  ?; K) D$ w* Y1 h; ?

0 P( i# g1 {% K3 q    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。. H2 o* w  L  M1 j

# S5 n$ j& {6 B" N% ]1 ^    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。9 J/ l" p2 A. l7 N

0 A: M& G8 q8 m4 h    缺点:! p% p6 J% f" A8 R
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    Account模型交易之间没有依赖性,需要解决重放问题。& Z" {, K5 r3 U; G! X4 G- R" {
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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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1 ^  {# U# V4 t7 P    UTXOVSACCOUNT对于以上几个优点和缺点,我们再做一些分析和对比。第一,关于计算的问题。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。! |  Z! o: A/ [9 G, e

( N, `9 ?7 i! ^1 m' y7 X6 p/ B    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。0 u1 f* w# s. K
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    第二,关于UTXO更易并发的问题。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。
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+ G9 Y* U4 C* r( z    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。
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    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。" s" l$ h- L/ \, J% Z+ ~$ E

4 O8 \8 R6 }* C+ _3 M    第三,关于Account模型的交易重放问题。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。
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  Z7 M4 Y4 z* m1 p$ C( |    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。
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1 m8 n( `& M9 `& ^0 v    第四,存储问题。因为UTXO模型中,只能在交易中保存状态。
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    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。* |; F5 M- f9 k% O. p( _) G+ H4 @
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    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。
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! w: t* C$ l5 M4 h- B    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。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。
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    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。9 l3 A' q. f( A( K4 q* T
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    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。, p! X! O) Q3 j' y
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    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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