Pre:

UTXO 与账户余额模型，学习记录。
内容有点多，分成两部分来学习。

目前的绝大多数区块链项目不是使用 UTXO模型作为底层的数据结构，就是使用账户余额模型存储交易相关的信息。

在这篇文章中，我们会分别展示两种不同区块链模型的实现方式以及优缺点，
我们会以 Bitcoin 和 Ethereum 为例分别介绍 UTXO 模型和账户余额模型。

先看UTXO模型,刚好有一些疑问

这篇文章写得非常好，后续要反复多读几遍🤡🤡🤡

区块与区块链:

在具体介绍 UTXO 模型和账户余额模型之前，我们不得不首先介绍它们两者、甚至所有区块链应用中最重要的概念和数据结构，也就是区块（Block）。
区块链其实就是由一个长度不断增长的链表组成的，其中包含了很多记录，也就是区块。

在上述区块链网络中，绿色的区块都被包含在主链中，所有黄色的区块都是孤块（Orphan Block），它们没有被主链接受，在每一个区块链网络中只能有一条主链，也就是最长的有效链，也是当前区块链网络中所有节点达成的共识。

区块的数据结构:

想要了解区块到底是什么，最简单快捷的办法就是分析它的数据结构，以 Bitcoin 中的区块 #514095 为例：

{
　　"hash":"00000000000000000018b0a6ae560fa33c469b6528bc9e0fb0c669319a186c33",
　　"confirmations":1009,
　　"strippedsize":956228,
　　"size":1112639,
　　"weight":3981323,
　　"height":514095,
　　"version":536870912,
　　"versionHex":"20000000",
　　"merkleroot":"5f8f8e053fd4c0c3175c10ac5189c15e6ba218909319850936fe54934dcbfeac",
　　"tx":[
　　  // ...
　　],
　　"time":1521380124,
　　"mediantime":1521377506,
　　"nonce":3001236454,
　　"bits":"17514a49",
　　"difficulty":3462542391191.563,
　　"chainwork":"0000000000000000000000000000000000000000014d2b41a340e60b72292430",
　　"previousblockhash":"000000000000000000481ab128418847dc25db4dafec464baa5a33e66490990b",
　　"nextblockhash":"0000000000000000000c74966205813839ad1c6d55d75f95c9c5f821db9c3510"
}

在这个 Block 的结构体中，previousblockhash 和 merkleroot 是两个最重要的字段；
前者是一个哈希指针，它其实是前一个 Block 的哈希，通过 previousblockhash 我们能递归地找到全部的 Block，也就是整条主链。
后者是一个 Merkle 树的根，Merkle 树中包含整个 Block 中的全部交易，通过保存 merkleroot，我们可以保证当前 Block 中任意交易都不会被修改。

Ethereum 的区块链模型虽然与 Bitcoin 有非常大的不同，但是它的 Block 结构中也有着类似的信息：

{
   "jsonrpc":"2.0",
   "result":{
      "author":"0x00d8ae40d9a06d0e7a2877b62e32eb959afbe16d",
      "difficulty":"0x785042b0",
      "extraData":"0x414952412f7630",
      "gasLimit":"0x47b784",
      "gasUsed":"0x44218a",
      "hash":"0x4de91e4af8d135e061d50ddd6d0d6f4119cd0f7062ebe8ff2d79c5af0e8344b9",
      "logsBloom":"0x00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000",
      "miner":"0x00d8ae40d9a06d0e7a2877b62e32eb959afbe16d",
      "mixHash":"0xb8155224974967443d8b83e484402fb6e1e18ff69a8fc5acdda32f2bcc6dd443",
      "nonce":"0xad14fb6803147c7c",
      "number":"0x2000f1",
      "parentHash":"0x31919e2bf29306778f50bbc376bd490a7d056ddfd5b1f615752e79f32c7f1a38",
      "receiptsRoot":"0xa2a7af5e3b9e1bbb6252ba82a09302321b8f0eea7ec8e3bb977401e4f473e672",
      "sealFields":[
         "0xa0b8155224974967443d8b83e484402fb6e1e18ff69a8fc5acdda32f2bcc6dd443",
         "0x88ad14fb6803147c7c"
      ],
      "sha3Uncles":"0x1dcc4de8dec75d7aab85b567b6ccd41ad312451b948a7413f0a142fd40d49347",
      "size":"0x276",
      "stateRoot":"0x87e7e54cf229003014f453d64f0344e2ba4fc7ee3b95c7dd2642cca389fa1efe",
      "timestamp":"0x5a10968a",
      "totalDifficulty":"0x1804de0c47ffe1",
      "transactions":[...],
      "transactionsRoot":"0xc2091b032961ca23cf8323ea827e8956fe6dda9e68d75bcfaa8b910035397e35",
      "uncles":[]
   },
   "id":1
}

parentHash 和 transactionsRoot 分别对应着 Bitcoin 中 previousblockhash 和 merkleroot，这两者在整个区块链网络中是非常重要的。

哈希指针:

Block 结构体中的哈希指针在区块链中有两个作用，它不仅能够连接不同的区块，还能够对 Block 进行验证，保证 Block 中的数据不会被其他恶意节点篡改。

除了第一个 Block，每一个 Block 中的 prev_hash 都是前一个 Block 的哈希，如果某一个节点想要修改主链上 Block 的交易，就会改变当前 Block 的哈希，后面的 Block 就没有办法通过 prev_hash 找到前面的链，所以当前节点篡改交易的行为就会被其他节点发现。

Merkle Tree:

另一个字段 merkleroot 其实就是一个 Merkle 树的根节点，它其实是一种使用哈希指针连接的数据结构；
虽然 Merkle 树有叶节点和非叶节点，但是它只有叶节点会存储数据，所有的非叶结点都是用于验证数据完整性的哈希。

每一个 Block 中的全部交易都是存储在这个 Merkle 树中并将 merkleroot 保存在 Block 的结构体中，保证当前 Block 中任意交易的篡改都能被立刻发现。

小结:

prev_hash 和 merkleroot 分别通过『指针』的方式保证所有的 Block 和交易都是连接起来的，最终保证 Block 和交易不会被恶意节点或攻击者篡改，几乎全部的区块链项目都会使用类似方式连接不同的 Block 和交易，这可以说是区块链项目的基础设施和标配了。

UTXO 模型:

作为最早出现的加密货币，Bitcoin 就采用了 UTXO 模型作为其底层存储的数据结构，其全称为 Unspent Transaction output，也就是未被使用的交易输出。

在 Bitcoin 以及其他使用 UTXO 模型的加密货币中，某一个『账户』中的余额并不是由一个数字表示的，而是由当前区块链网络中所有跟当前『账户』有关的 UTXO 组成的。

专业的定义：UTXO 模型是资产在用户之间移动的有向图

大白话定义：UTXO 模型——假设所有的资产都是一个个的硬币，那我们记下所有硬币的「流动轨迹」，知道当前没花的硬币都在哪里，那么我们无需给每个人创建账户，也能知道每个人有多少钱。

上图中所有绿色的交易输出才是 UTXO，红色的交易输出已经被当前『账户』使用了，所以在计算当前账户的余额时只会考虑绿色的交易输出，也就是 UTXO。

{
   "addr":"14uhqGYDEhqwfdoP59QdLWdt4ha5CHttwQ",
   "n":1,
   "script":"76a9142ae017a5bd24a3f935897085253e503fbfd66f4e88ac",
   "spent":false,
   "tx_index":335926477,
   "type":0,
   "value":21680000
}

上述的 UTXO 中包含了很多信息，例如：包含当前 UTXO 属于的交易索引 tx_index、交易接收方的地址 addr、交易的数额 value。

交易:

UTXO 其实就是交易的一部分，基于 UTXO 模型的交易由输入和输出两个部分组成：

{
   "txid":"5be7a9e47f56c98e5297a44df52da0475f448ece98bb51489103cdf70653092f",
   "hash":"5be7a9e47f56c98e5297a44df52da0475f448ece98bb51489103cdf70653092f",
   "version":1,
   "size":224,
   "vsize":224,
   "locktime":0,
   "vin": [...],
   "vout": [...],
   "hex":"0100000001a90b4101e6cbb75e1ff885b6358264627581e9f96db9ae609acec98d72422067000000006b483045022100c42c89eb2b10aeefe27caea63f562837b20290f0a095bda39bec37f2651af56b02204ee4260e81e31947d9297e7e9e027a231f5a7ae5e21015aabfdbdb9c6bbcc76e0121025e6e9ba5111117d49cfca477b9a0a5fba1dfcd18ef91724bc963f709c52128c4ffffffff02a037a0000000000017a91477df4f8c95e3d35a414d7946362460d3844c2c3187e6f6030b000000001976a914aba7915d5964406e8a02c3202f1f8a4a63e95c1388ac00000000",
   "blockhash":"0000000000000000000c23ca00756364067ce5e815deb5982969df476bfc0b5c",
   "confirmations":5,
   "time":1521981077,
   "blocktime":1521981077
}

交易对象中的大多数其它字段并没有什么意义，只是对当前的交易进行了一些描述，让我们能够更好的理解当前交易的相关信息，例如：上述交易中的 size 和 vsize 字段可以从交易其他部分计算出来。
在每一笔合法的交易中，所有的输入的 value 之和必须大于所有输出的 value 之和，这两者之间的差值就是矿工费：
sum(inputs.value) = sum(outputs.value) + fee

基于 UTXO 的交易模型，与我们在日常生活中使用纸币的场景是非常相似的，每一张纸币都是不可分割的整体，当我们想要使用现金购买商品或者服务时，往往都会获得找零。
inputs = price + change + fee

每一个 UTXO 和纸币一样，只可能有两种状态，要么是没有被花费的，要么就是已经被花费，所有权变成了其他人或者地址，成为其他地址的 UTXO。

在基于 UTXO 的区块链网络中，除了找零（Change）非常常见之外，将多个 UTXO 整合（Consolidate）成一个 UTXO 的操作也比较常见，在 Bitcoin 的网络中，无论当前的 UTXO 中有多少钱，每一个 UTXO 的大小都是差不多的，所以在进行大额转账时，往往需要多个 UTXO 作为输入，这样会明显的增加交易的矿工费。

输入和签名:

UTXO 模型中的每一笔交易都是由多个交易输入组成的，这些输入其实就是 UTXO + 签名：

{
   "vin":[
      {
         "txid":"672042728dc9ce9a60aeb96df9e9817562648235b685f81f5eb7cbe601410ba9",
         "vout":0,
         "scriptSig":{
            "asm":"3045022100c42c89eb2b10aeefe27caea63f562837b20290f0a095bda39bec37f2651af56b02204ee4260e81e31947d9297e7e9e027a231f5a7ae5e21015aabfdbdb9c6bbcc76e[ALL] 025e6e9ba5111117d49cfca477b9a0a5fba1dfcd18ef91724bc963f709c52128c4",
            "hex":"483045022100c42c89eb2b10aeefe27caea63f562837b20290f0a095bda39bec37f2651af56b02204ee4260e81e31947d9297e7e9e027a231f5a7ae5e21015aabfdbdb9c6bbcc76e0121025e6e9ba5111117d49cfca477b9a0a5fba1dfcd18ef91724bc963f709c52128c4"
         },
         "sequence":4294967295
      }
   ]
}

上述 JSON 其实就是 Bitcoin 交易 #338309214 的输入，这里的 prev_out 就来自于另一笔交易 #338283541 的输出，通过不停的回溯，最终我们会找到当前交易涉及的 Coinbase，也就是当前 UTXO 相关 Bitcoin 被挖出来的 Block 的首笔交易。

通过 txid 和 vout 两个字段，我们能够在区块链网络中定位到唯一一个 UTXO，这个 UTXO 加上持有当前 UTXO 的地址对交易的签名构成了一个交易输入。

输出:

每一个交易都可能会有多个输出，也就是 vout 数组，每一个 vout 都可以指向不同的地址，其中也有当前输出包含的值 value，在这里也就是 Bitcoin 的单位：

{
   "vout":[
      {
         "value":0.10500000,
         "n":0,
         "scriptPubKey":{
            "asm":"OP_HASH160 77df4f8c95e3d35a414d7946362460d3844c2c31 OP_EQUAL",
            "hex":"a91477df4f8c95e3d35a414d7946362460d3844c2c3187",
            "reqSigs":1,
            "type":"scripthash",
            "addresses":[
               "3CcqrGq4oQcfx3u75ijj4tDiqf4HJvhoeP"
            ]
         }
      },
      {
         "value":1.84809190,
         "n":1,
         "scriptPubKey":{
            "asm":"OP_DUP OP_HASH160 aba7915d5964406e8a02c3202f1f8a4a63e95c13 OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG",
            "hex":"76a914aba7915d5964406e8a02c3202f1f8a4a63e95c1388ac",
            "reqSigs":1,
            "type":"pubkeyhash",
            "addresses":[
               "1GedHcxdxq2tab98hqAmREUK9BBYHKznof"
            ]
         }
      }
   ]
}

每一个未被使用的 vout 就是一个 UTXO（Unspent Transaction Output），我们可以通过其中的 addresses 字段找到持有当前输出的地址。

小结:

UTXO 模型通过链式的方式组织所有交易的输入和输出，每一个交易的输出最终都能追寻到一个 Coinbase，也就是当前 Bitcoin 被挖出时的区块的第一笔交易。

由于在 UTXO 中没有账户的概念，所以并行地处理交易不会出现任何问题，同时不可变的账本能够让我们在 Bitcoin 节点快速更新时，也能分析某一时刻整个网络中数据的快照。

虽然 UTXO 模型的不可变账本条目带来一些好处，但是当我们需要计算某个地址中的余额时，需要遍历整个网络中的全部相关区块，同时，并行的处理交易虽然可行，不过并行的创建交易却会出现很多问题，例如多笔交易使用了同一个 UTXO，导致双花，最终只有一笔交易能够被网络确认。

UTXO 模型确实能够解决区块链世界中的各种问题，它的核心思想就是保证已经写入的数据不可变，链式的 UTXO 就是基于这一核心思想的，通过哈希指针连接不同交易的输入和输出，保证所有交易的合法性。

Refs:

UTXO 与账户余额模型

这篇写得确实好，语言简单而清晰👍🏻👍🏻👍🏻

Trash Bin

StudyRecord-UTXO与账户余额模型(一)