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UTXO模型 ​

目录 ​

  1. 什么是UTXO
  2. UTXO的基本概念
  3. UTXO模型 vs 账户模型
  4. 交易结构
  5. UTXO的生命周期
  6. 实际例子
  7. UTXO模型的优势
  8. 常见问题

什么是UTXO ​

UTXO 是 Unspent Transaction Output（未花费的交易输出）的缩写。它是比特币账本系统的核心概念，用于追踪和管理资金所有权。

UTXO 是比特币区块链上的"硬币"——每一个 UTXO 代表一定数量的比特币，处于可被花费的状态。当你拥有比特币时，实际上你拥有的是一个或多个 UTXO，以及花费这些 UTXO 的私钥。

UTXO的关键特性 ​

  • 离散化：每个 UTXO 是独立的、具体的价值单位
  • 原子性：UTXO 要么被完全花费，要么保持未花费状态，不存在中间状态
  • 不可分割性：UTXO 必须作为一个整体被花费（如需部分花费，需要创建新的 UTXO）
  • 可追踪性：每个 UTXO 的来源和历史都可以通过区块链追踪

UTXO的基本概念 ​

交易输入（Input） ​

交易输入是指向前一个交易输出的引用。当你花费一个 UTXO 时，你需要：

  1. 引用前一个交易：指定该 UTXO 来自哪个交易
  2. 指定输出索引：如果该交易有多个输出，要指定是哪一个
  3. 提供解锁脚本：通常包含数字签名和公钥，证明你有权花费这个 UTXO

交易输出（Output） ​

交易输出定义了新的 UTXO。每个输出包含：

  1. 金额：该输出代表的比特币数量（以聪为单位，1 BTC = 100,000,000 聪）
  2. 锁定脚本：定义谁能花费这个输出。最常见的是 Pay-to-Public-Key-Hash (P2PKH)，指定接收方的比特币地址
  3. 输出索引：在该交易中的位置编号（从 0 开始）

比特币地址与UTXO的关系 ​

  • 比特币地址是公钥的哈希值
  • 当有人发送比特币到你的地址时，实际上是创建了一个锁定到你的公钥哈希的 UTXO
  • 只有持有对应私钥的人才能花费这个 UTXO

UTXO模型 vs 账户模型 ​

UTXO模型（比特币使用） ​

特性UTXO模型
账本类型基于交易输出的模型
状态管理记录所有 UTXO 的状态
余额通过扫描所有 UTXO 计算
交易验证验证输入的 UTXO 是否存在且有效
隐私性更好的隐私性（难以追踪关联地址）
并行处理支持更好的并行交易

账户模型（以太坊使用） ​

特性账户模型
账本类型基于账户余额的模型
状态管理直接记录每个账户的余额
余额直接查询账户余额字段
交易验证验证账户是否有足够余额
隐私性隐私性较差（容易追踪账户活动）
并行处理涉及同一账户的交易无法并行

对比示例 ​

UTXO模型示例：

Alice 拥有：
  - UTXO1: 3 BTC（来自交易 TX_A）
  - UTXO2: 2 BTC（来自交易 TX_B）
总余额 = 5 BTC

Alice 要发送 4 BTC 给 Bob：
1. 输入：UTXO1 (3 BTC) + UTXO2 (2 BTC) = 5 BTC
2. 输出：
   - 4 BTC 给 Bob（新的 UTXO）
   - 1 BTC 找零给 Alice（新的 UTXO）

账户模型示例：

Alice 账户：余额 5 BTC

Alice 要发送 4 BTC 给 Bob：
1. Alice 余额 - 4 BTC = 1 BTC
2. Bob 余额 + 4 BTC = 4 BTC

交易结构 ​

基本交易结构 ​

交易（Transaction）
├── 版本（Version）
├── 输入列表（Inputs）
│   ├── Input 1
│   │   ├── 前一个交易哈希（Previous Tx Hash）
│   │   ├── 输出索引（Output Index）
│   │   ├── 解锁脚本长度（Script Length）
│   │   └── 解锁脚本（Unlock Script / ScriptSig）
│   ├── Input 2
│   └── ...
├── 输出列表（Outputs）
│   ├── Output 1
│   │   ├── 金额（Amount）
│   │   ├── 锁定脚本长度（Script Length）
│   │   └── 锁定脚本（Lock Script / ScriptPubKey）
│   ├── Output 2
│   └── ...
└── 锁定时间（Locktime）

脚本机制 ​

比特币使用一种叫做 Script 的栈式编程语言来验证交易。

锁定脚本（ScriptPubKey） - 创建 UTXO 时设置：

OP_DUP OP_HASH160 <公钥哈希> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG

这表示："验证这个公钥的哈希等于指定的值，然后验证签名"

解锁脚本（ScriptSig） - 花费 UTXO 时提供：

<签名> <公钥>

这提供了满足锁定脚本要求的数据。

UTXO的生命周期 ​

1. 创建阶段 ​

  • 当一个交易被包含在区块中时，其输出成为 UTXO
  • 该 UTXO 处于"未花费"状态
  • 拥有对应私钥的人可以花费它

2. 存在阶段 ​

  • UTXO 存储在完整节点的 UTXO 集中
  • 节点维护 UTXO 数据库以快速验证交易
  • UTXO 可以被引用多次以创建新交易（但只能被花费一次）

3. 花费阶段 ​

  • 当一个新交易将 UTXO 作为输入时
  • 该 UTXO 被花费，状态从"未花费"变为"已花费"
  • 同时，新交易的输出创建新的 UTXO

4. 消亡阶段 ​

  • UTXO 不再存在于 UTXO 集中
  • 它的历史仍然记录在区块链中
  • 无法再被花费

实际例子 ​

例子 1：简单的单笔转账 ​

场景： Alice 有 10 BTC，要发送 7 BTC 给 Bob

初始状态：

Alice 拥有：UTXO_A (10 BTC)

交易过程：

交易 TX_1
├── 输入：
│   └── UTXO_A (10 BTC) - 来自之前的交易
├── 输出：
│   ├── Output 1: 7 BTC 给 Bob（Bob的地址对应的公钥哈希）
│   └── Output 2: 3 BTC 找零给 Alice（Alice的地址对应的公钥哈希）
└── 费用：0 BTC（在输入和输出之差中隐含）

结果：

交易前 UTXO 集：
  UTXO_A (10 BTC, 状态：未花费)

交易后 UTXO 集：
  UTXO_A (状态：已花费 - 已从集合中移除)
  UTXO_B1 (7 BTC, 属于 Bob)
  UTXO_B2 (3 BTC, 属于 Alice)

例子 2：多输入交易（硬币合并） ​

场景： Alice 有多个小额 UTXO，需要合并

初始状态：

Alice 拥有：
  UTXO_1 (2 BTC)
  UTXO_2 (3 BTC)
  UTXO_3 (1.5 BTC)
总计：6.5 BTC

交易过程：

交易 TX_2
├── 输入：
│   ├── UTXO_1 (2 BTC)
│   ├── UTXO_2 (3 BTC)
│   └── UTXO_3 (1.5 BTC)
│   ├── 总输入：6.5 BTC
├── 输出：
│   └── 6.4 BTC 给 Alice（新地址）
└── 费用：0.1 BTC

结果：

多个小额 UTXO → 一个大额 UTXO
便于后续交易

例子 3：多输出交易（批量支付） ​

场景： Alice 要同时支付给多个接收方

交易过程：

交易 TX_3
├── 输入：
│   └── UTXO_X (10 BTC)
├── 输出：
│   ├── Output 1: 3 BTC 给 Bob
│   ├── Output 2: 4 BTC 给 Carol
│   ├── Output 3: 2.8 BTC 找零给 Alice
└── 费用：0.2 BTC

UTXO模型的优势 ​

1. 更好的隐私性 ​

  • 每个地址通常用于单次接收，降低地址关联风险
  • 难以追踪同一个体的多笔交易
  • 相比之下，账户模型中账户的所有交易都关联在一起

2. 更简洁的数据结构 ​

  • 不需要维护全局账户余额映射
  • 交易的输入输出关系清晰
  • 易于验证和审计

3. 更好的并行性 ​

  • 不同的 UTXO 可以被独立并行处理
  • 账户模型中涉及同一账户的交易必须串行
  • 这对区块链的可扩展性很重要

4. 防重放攻击 ​

  • 每个 UTXO 只能被花费一次
  • 硬分叉时，旧链上的交易难以在新链上重放
  • 提供了更好的安全性

5. 更灵活的脚本系统 ​

  • UTXO 模型支持丰富的脚本语言
  • 可以实现复杂的支付条件（多签名、时间锁等）
  • 比账户模型提供更多的可编程性

常见问题 ​

Q1: 我的比特币钱包里的余额是如何计算的？ ​

A: 钱包通过扫描区块链中的所有交易，找出锁定到你的地址的所有 UTXO，然后将它们的金额相加。这就是你的总余额。

Q2: 如果我发送 10 BTC 但只需要花费 7 BTC，剩余的 3 BTC 去哪了？ ​

A: 剩余的 3 BTC（减去交易费）会作为"找零"返回到你指定的一个地址。这会创建一个新的 UTXO。重要的是，要么完整花费 UTXO，要么不花费——不存在"部分花费"的概念。

Q3: UTXO 和钱币的类比是什么？ ​

A: UTXO 就像实物钱币一样。如果你有一张 10 元纸币，想买 7 元的东西，你必须给出整张纸币，然后收取 3 元找零。你不能只用纸币的一部分。

Q4: 为什么有的交易有很多输入？ ​

A: 通常是因为发送方之前收到过多个 UTXO（也许来自多个来源），现在需要合并它们来进行一笔大额转账。

Q5: UTXO 越多越好吗？ ​

A: 不一定。虽然隐私性好，但 UTXO 过多会导致：

  • 交易体积更大（多个输入）
  • 交易费用更高
  • 钱包维护成本增加

这被称为"UTXO 碎片化"问题。

Q6: 未确认的交易产生的 UTXO 能使用吗？ ​

A: 可以，但有风险。比特币支持"未确认交易链"（transaction chains），即在未确认交易的输出上构建新交易。但如果原交易失败，后续交易也会失败。