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1.4.5 比特币账户模型:UTXO

《白话区块链》第1章初识区块链,本章我们将从区块链的原理及分类、技术组成、技术特点等出发来初步介绍区块链的概念,并通过分析比特币的结构让大家对区块链有一个感性的认识。比特币作为区块链技术的第一个应用,它的原理设计影响深远。本节为大家介绍比特币账户模型:UTXO。

作者:蒋勇/文延/嘉文来源:机械工业出版社|2017-11-24 11:49

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1.4.5 比特币账户模型:UTXO

我们来认识一下比特币中交易事务的数据结构,首先看这个名词UTXO(Unspent Transaction Output,“未花费事务输出”),老实说,第一次看到这个术语的时候,一时之间真是有些懵,如果说是未花费的余额还能理解,我钱包里有1000,花了200,还有800未花费,这是很符合通常的理解逻辑的,可这个未花费的“事务输出”是个什么意思,实际上,这与比特币中的交易事务结构是很有关系的。

为了让大家更容易理解,我们暂且先不来解析这个交易数据结构,让我们进入到一个仓库,我们知道仓库的主要业务就是进和出,仓库也会把日常的进出流水账记录下来,为了查询统计方便,除了流水账通常还会汇总一份库存表出来,举例如下:

以上图为例,这是从2017-8-1到2017-8-5之间,仓库记录的出入流水账,为了统计方便,仓库还汇总保存了一份每天的库存日报表,如下:

每天仓库在需要出库的时候,只要查看一下库存日报表就知道数量是否足够了,比如2017-8-3需要出库15支毛笔,此时查看库存表发现毛笔的库存量有30支,足够发出,于是就将库存表中的毛笔数量减掉15,并且将出库明细记录在流水账中。然而,这里有一个问题,库存日报表是另外编制保存的,那就有可能发生数据不一致的情况,比如2017-8-2时毛笔的库存本来是30却误写为20,这样导致后续的账务就都是错的了。因此在有些系统中,为了防止出现这样的不一致,索性不再另外保存库存表,而只是出一张视图统计(逻辑统计,并非实际去保存这样一个统计表)。

比特币中的交易事务过程与上述的库存进出是很相像的,某个钱包地址中转入了一笔比特币,然后这个地址又向其他钱包地址转出了一笔比特币,这些不断发生的入和出跟仓库的进出是异曲同工的。然而,在比特币中并没有去保存一份“库存表”,每当“出库”的时候也并不是去“库存表”中进行扣除,而是直接消耗“入库记录”,也就是说在出库的时候就去找有没有之前的入库记录拿来扣除,比如2017-8-3时需要出库15支毛笔,此时系统就会去搜索之前的入库记录,发现有2017-8-1和2017-8-2分别有一笔数量为10和20的入库记录,为了满足15的发出数量,首先可以消耗掉10的这一笔,然后从20的这一笔再消耗掉5支,判断成功后,系统会直接产生一条数量为10的出库记录和数量为5的出库记录,按这样的方法,将每一笔入和出都对应了起来。

在比特币的交易事务结构中,“入”就是指金额转入,“出”就是指金额转出,为了让大家对这种金额转入与转出有一个更加通俗的理解,我们来看一幅示意图:

上图展示了比特币中的交易事务结构,在比特币的交易事务数据中,存储的就是这样的输入和输出,相当于仓库中的进出流水账,并且“输入”和“输出”彼此对应,或者更准确地说,“输入”就是指向之前的“输出”,我们解释一下图中发生的交易事务。

1)001号交易为Coinbase交易,也就是挖矿交易,在这个交易中,“输入”部分没有对应的“输出”,而是由系统直接奖励发行比特币,矿工Alice得到了12.5个比特币的奖励,放在001号交易的“输出”部分。此时,对于Alice来说,拥有了这12.5个比特币的支配权,这12.5个比特币的输出可以作为下一笔交易的“输入”,顾名思义,这笔“输出”就称之为是Alice的未花费输出,也就是Alice的UTXO的意思。

2)002号交易中,Alice转账6比特币到Bob的地址,Alice找到了自己的UTXO(如果Alice不止一笔UTXO,可以根据一定的规则去选用,比如将小金额的先花费掉)。由于只需要转账6比特币,可是UTXO中却有12.5个,因此需要找零6.5个到自己的地址中,由此产生了002号中的交易输出,注意,在002号交易输出中的Alice地址是可以和001号中的Alice地址不一样的,只要都是属于Alice自己的钱包地址就可以。

3)003号交易中,Bob转账了2比特币到Lily的地址,过程与002号交易相同,就不再赘述了。

相信大家看到这里,已经基本理解了所谓的UTXO是什么意思,我们再来总结一下。

1)比特币的交易中不是通过账户的增减来实现的,而是一笔笔关联的输入/输出交易事务。

2)每一笔的交易都要花费“输入”,然后产生“输出”,这个产生的“输出”就是所谓的“未花费过的交易输出”,也就是UTXO。每一笔交易事务都有一个唯一的编号,称为交易事务ID,这是通过哈希算法计算而来的,当需要引用某一笔交易事务中的“输出”时,主要提供交易事务ID和所处“输出”列表中的序号就可以了。

3)由于没有账户的概念,因此当“输入”部分的金额大于所需的“输出”时,必须给自己找零,这个找零也是作为交易的一部分包含在“输出”中。

有朋友会问:这个UTXO的意思是明白了,可是就这么一条条的“输入”和“输出”,怎么证明哪一条UTXO是属于谁的呢?

在比特币中,是使用输入脚本和输出脚本程序实现的,有时候也称为“锁定脚本”和“解锁脚本”。简单地说,就是通过“锁定脚本”,利用私钥签名解锁自己的某一条UTXO(也就是之前的“输出”),然后使用对方的公钥锁定新的“输出”,成功后,这笔新的“输出”就成为了对方的UTXO。同样,对方也可以使用“锁定脚本”和“解锁脚本”来实现转账。这个脚本程序其实本质上就可以看成是比特币中的数字合约,这也是为什么比特币被称为可编程数字货币的原因,它的转入/转出或者说输入/输出是通过脚本程序的组合来自动实现的,实现过程中还使用到了私钥和公钥,也就是公开密钥算法,所以比特币还称为可编程加密数字货币。


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