UTXO：未使用的交易輸出，比特幣核心概念之一

2019-09-13 16:35:14

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供稿：網友

在比特幣系統(tǒng)上其實并不存在“賬戶”，而只有“地址”。只要你愿意，你就可以在比特幣區(qū)塊鏈上開設無限多個錢包地址，你擁有的比特幣數(shù)量是你所有的錢包地址中比特幣的總和。比特幣系統(tǒng)并不會幫你把這些地址匯總起來形成你的賬戶。

從我（甲）到你（乙）的一筆比特幣轉賬，是從我的一個錢包地址轉到你的一個錢包地址上去。

接下來的討論就涉及比特幣系統(tǒng)的一個關鍵技術性細節(jié)：UTXO（未使用的交易輸出）。通證經濟專家孟巖曾撰寫一篇文章，標題是“其實沒有什么比特幣，只有UTXO”，這個標題指出了，對于計算機來說比特幣是什么——比特幣是區(qū)塊鏈賬本上的交易輸出。

我們來看一個兩個人進行轉賬交易的過程，以深入理解UTXO：

假設我有 8 個比特幣，這其實意味著，之前有一個交易把這些比特幣轉入我的地址，這個交易的輸出（即 8 個比特幣）未被使用，我擁有了這 8 個比特幣。

現(xiàn)在，我要發(fā)起一個轉賬交易，這個交易中的輸入是讓我擁有這些比特幣的上一個交易。

我要轉賬給你，我做的是，對讓我擁有這些 8 個比特幣的上一個交易進行簽名，把這一新轉賬交易的輸出地址設為你的錢包地址。

這樣，我就發(fā)起了一個轉賬支付交易。等礦工將這一交易打包進新的區(qū)塊，轉賬交易完成，這 8 個比特幣就屬于你了。你擁有的是你我這個交易的未使用的交易輸出。

對于一個交易簽名所涉及的比特幣的公鑰和私鑰的非對稱加密機制，之后再討論。為便于理解可類比看，錢包地址相當于房間號和鎖，私鑰則相當于鑰匙，鑰匙可以打開對應的鎖。

以上兩個人的轉賬交易過程是：我用私鑰（從一個輸出是我的地址的交易中）取出比特幣，并用私鑰對從我的地址轉到你的地址的新交易進行簽名。一旦交易完成，這些比特幣就轉到你的錢包地址中去。你的錢包中新交易的未使用交易輸出，只有你的私鑰才可以打開。

從以上討論中我們可以看到，的確不存在比特幣，只有未使用的交易輸出（UTXO）。每一筆比特幣都源自上一個交易，可以一直向上追溯上去。而一直向上追溯，在每一筆比特幣的源頭，都有一種特殊的交易，即比特幣礦工因挖礦獲得獎勵的創(chuàng)幣交易，每一個比特幣都是通過挖礦被創(chuàng)造出來的。假設我作為比特幣礦工挖礦成功贏得了 25 個比特幣，那么這個特殊交易是，它的輸入是 0，而輸出是 25 個比特幣進到礦工的錢包地址中。

未使用的交易輸出（UTXO）和我們熟悉的銀行賬戶有著很大的不同。為什么要采用這樣的設計？對比銀行賬戶和比特幣的 UTXO，我們可以看到 UTXO 的優(yōu)點。

1) UTXO設計易于確認比特幣的所有權

如果采用傳統(tǒng)的賬戶設計，當我要轉賬 8 個比特幣出去時，為了完全避免造假，我們就需要逐一向上追溯，確認之前的每一筆交易，從而證明我的確擁有 8 個比特幣。

采用現(xiàn)在的 UTXO 設計，要確認我擁有 8 個比特幣，只要確認上一個交易我的確獲得了它們即可。通常只要上一個交易是真實的，我就的確擁有這些比特幣。而我們都知道，一個區(qū)塊經過 6 次確認，其中的交易可被認為是真實無誤的。

2) UTXO設計與區(qū)塊鏈賬本是完全融為一體的

區(qū)塊鏈賬本存儲的是狀態(tài)。以太坊是對比特幣區(qū)塊鏈的改進，在白皮書中，以太坊創(chuàng)始人維塔利克分析了比特幣，他認為，“比特幣賬本可以被認為是一個狀態(tài)轉換系統(tǒng)（state transition system）”。以太坊也是采用這種狀態(tài)轉換系統(tǒng)的設計，但對之進行了改進。

微觀地看，每一個區(qū)塊鏈中的交易都是一個狀態(tài)轉換函數(shù)，以太坊白皮書就用“以太坊狀態(tài)轉換函數(shù)”（Ethereum state transition function）來討論在區(qū)塊鏈上一個交易的進行過程。

幾乎所有的區(qū)塊鏈都是采用這一設計，每一個新區(qū)塊和它之前的所有區(qū)塊一起形成了一個新的狀態(tài)，如此重復、持續(xù)下去。在確認之后，之前的狀態(tài)就不可篡改，即不可隨意更改。UTXO（未使用的交易輸出）是與這種狀態(tài)的設計相對應的。

加深對 UTXO 的理解

UTXO 是 unspent transaction outputs（未使用的交易輸出）的縮寫，每一個比特幣其實都是 UTXO，它是比特幣的最核心概念之一。

參考資料：《區(qū)塊鏈：技術驅動金融》中相應的討論，及文章“比特幣和以太坊的記賬方式——UTXO 和賬戶余額”（黃世亮/文）。

你的比特幣就是 UXTO

比特幣的挖礦節(jié)點獲得新區(qū)塊的挖礦獎勵，比如 12.5 個比特幣，這時，它的錢包地址得到的就是一個 UTXO，即這個新區(qū)塊的幣基交易（也稱創(chuàng)幣交易）的輸出。幣基交易是一個特殊的交易，它沒有輸入，只有輸出。

當甲要把一筆比特幣轉給乙時，這個過程是把甲的錢包地址中之前的一個 UTXO，用私鑰進行簽名，發(fā)送到乙的地址。這個過程是一個新的交易，而乙得到的是一個新的 UTXO。

這就是為什么有人說在這個世界上根本沒有比特幣，只有 UTXO，你的地址中的比特幣是指沒花掉的交易輸出。

詳看從甲轉賬給乙的過程

假設甲（Alice）向乙（Bob）轉賬，則轉賬過程可以分成三個階段（見圖1）：

1) 假設Alice之前通過挖礦獲得了 12.5 個比特幣，在她的地址中，這些比特幣是某個幣基交易的 UTXO。

2) Alice 發(fā)起一個交易，輸入是自己的上一個交易，輸出是 Bob 的地址，數(shù)量是 12.5 個比特幣，Alice 用自己的私鑰對交易進行簽名。

這里簡化了交易過程，只討論了將上一個交易的輸出全部轉帳的情況。如果試圖轉出上一個交易的輸出的一部分比特幣，則要進行略復雜的處理。

按照比特幣系統(tǒng)的設計，比特幣交易還要遵循一個原則：每一次交易的輸入值都必須全部花掉，不能只花掉部分。比如，我要轉出比特幣給你的錢包地址中只有 8 個比特幣，那么很簡單，我發(fā)起一個交易，把這 8 個比特幣轉到你的錢包地址中，我簽名確認這個交易。但假如我的錢包地址中有 25 個比特幣，那我發(fā)起的交易就不是轉給你 8 個比特幣，然后自己的錢包地址中還剩下 17 個比特幣。這時，我發(fā)起的交易是：從我的錢包地址中轉 8 個比特幣給你，同時轉 17 個比特幣給我的同一地址。

3) 當交易被區(qū)塊鏈確認后，Alice 的 UTXO 就變成了 0。而在Bob的地址中就多了一個 UTXO，數(shù)量是 12.5。

圖1：比特幣轉賬的三個階段

存在 Bob 的錢包地址中的這些比特幣只有用 Bob 的私鑰才可以簽名轉賬給其他人。

如果Bob要將這些比特幣轉賬給其他人，則重復上述過程。

簡單地說，從一個地址向另一個地址轉賬比特幣的過程，是用這個地址對應的私鑰打開，再加密到另一個地址的過程。這個私鑰的打開和加密就是簽名的過程。在這個過程中，接收比特幣的一方并不需要動用自己的私鑰。

我的比特幣是什么樣的？它們存在哪兒

初次接觸比特幣的人會問：我的比特幣是什么樣的？它們存在哪兒？

如果你頭腦中參照的是在物理世界中購買金幣，那么這里很不一樣，你的比特幣并不是存在家中或金庫中，并不存在一個數(shù)字文件表示“你的比特幣”。

如果你頭腦中參照的是銀行的存款，那么你可以假設，你的比特幣就“存在”于一個賬本上，我們已經知道了，在數(shù)字世界中，價值是賬本中的“記錄”。

不同的是，對比特幣來說，這個賬本不是一家銀行的中心化數(shù)據(jù)庫，比特幣的賬本是一個分布式賬本，存在于一個去中心化的網絡上。任何人都可以接入這個網絡，把這個賬本下載下來。但是，只有用你的私鑰才能動用你的地址中的比特幣。

我們還可以再換一個角度看，你的比特幣在哪兒？按前面說的，比特幣就是 UTXO，那么比特幣可以被看成是上面的物理世界金幣和銀行存款兩種概念的混合：

一方面，你的比特幣是有一個“物理存在”的——對應著一個數(shù)據(jù)文件。比特幣以一個交易的UTXO的形式存在著，每個交易都可被看成是一個數(shù)據(jù)文件。
另一方面，所有這些交易被打包進區(qū)塊鏈的區(qū)塊中，后一個區(qū)塊連著前一個區(qū)塊，形成一條鏈，也就是獨特的賬本。這么看，你的比特幣是這個賬本上的記錄。

為什么采用UTXO的形式

UTXO 與我們熟悉的賬戶概念的差別很大。我們日常接觸最多的是賬戶，比如，我在銀行開設一個賬戶，賬戶里的余額就是我的錢。

但在比特幣網絡中沒有賬戶的概念，你可以有多個錢包地址，每個錢包地址中都有著多個 UTXO，你的錢是所有這些地址中的 UTXO 加起來的總和。

中本聰發(fā)明比特幣的目標是創(chuàng)建一個點對點的電子現(xiàn)金，UTXO 的設計正可以看成是借鑒了現(xiàn)金的思路：我們可能在這個口袋里裝點現(xiàn)金，在那個柜子角落里放點現(xiàn)金，在這種情況下不存在一個賬戶，你放在各處的現(xiàn)金加起來就是你所有的錢。

采用 UTXO 設計還有一個技術上的理由，這種特別的數(shù)據(jù)結構可以讓雙重花費更容易驗證。對比一下：

如果采用賬戶和賬戶余額設計，Alice 要轉賬給 Bob，為了確保 Alice 的確有錢，我們需要核查她之前所有的交易。隨著時間的推移，比特幣的交易越來越多，這個驗證的難度會持續(xù)上升。
采用 UTXO 設計，我們只要沿著每個交易的輸入逐級向上核查，直到查到這筆比特幣的創(chuàng)幣交易即可。隨著時間的推移，這個核查也會變難，但變難的速度要遠低于采用賬戶和賬戶余額設計。

這種設計使得比特幣系統(tǒng)作為一種電子現(xiàn)金系統(tǒng)有著非常大的可擴展性。當然，我們很快會看到，通常被認為是區(qū)塊鏈 2.0 的以太坊沒有繼續(xù)采用 UTXO 設計，而是考慮到其他因素，采用了賬戶余額的設計，其代價正是中本聰可能已經考慮到的復雜性。

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