UTXO模型

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比特币的区块链由一个个区块串联构成,而每个区块又包含一个或多个交易。

如果我们观察任何一个交易,它总是由若干个输入(Input)和若干个输出(Output)构成,一个Input指向的是前面区块的某个Output,只有Coinbase交易(矿工奖励的铸币交易)没有输入,只有凭空输出。所以,任何交易,总是可以由Input溯源到Coinbase交易。

这些交易的Input和Output总是可以串联起来:

┌─────────────┐     ┌─────────────┐     ┌─────────────┐     ┌─────────────┐
│Block #1     │     │Block #2     │     │Block #3     │     │Block #4     │
│┌──┬────┬───┐│     │┌──┬────┬───┐│     │┌──┬────┬───┐│     │┌──┬────┬───┐│
││CB│50.0│OUT├┼──┐  ││CB│50.0│OUT├┼──┐  ││CB│50.0│OUT├┼──┐  ││CB│50.0│OUT││
│└──┴────┴───┘│  │  │└──┴────┴───┘│  │  │└──┴────┴───┘│  │  │└──┴────┴───┘│
│             │  │  │┌──┬────┬───┐│  │  │┌──┬────┬───┐│  │  │┌──┬────┬───┐│
│             │  │  ││  │8.70│OUT├┼──┼──>│IN│    │   ││  └──>│IN│25.0│OUT││
│             │  └──>│IN├────┼───┤│  │  │├──┤58.7│OUT││     │├──┼────┼───┤│
│             │     ││  │41.3│OUT├┼─┐└──>│IN│    │   ││  ┌──>│IN│66.3│OUT││
│             │     │└──┴────┴───┘│ │   │└──┴────┴───┘│  │  │└──┴────┴───┘│
└─────────────┘     └─────────────┘ │   └─────────────┘  │  └─────────────┘
                                    └────────────────────┘

还没有被下一个交易花费的Output被称为UTXO:Unspent TX Output,即未花费交易输出。给定任何一个区块,计算当前所有的UXTO金额之和,等同于自创世区块到给定区块的挖矿奖励之和。

因此,比特币的交易模型和我们平时使用的银行账号有所不同,它并没有账户这个说法,只有UTXO。想要确定某个人拥有的比特币,并无法通过某个账户查到,必须知道此人控制的所有UTXO金额之和。

在钱包程序中,钱包管理的是一组私钥,对应的是一组公钥和地址。钱包程序必须从创世区块开始扫描每一笔交易,如果:

  1. 遇到某笔交易的某个Output是钱包管理的地址之一,则钱包余额增加;
  2. 遇到某笔交易的某个Input是钱包管理的地址之一,则钱包余额减少。

钱包的当前余额总是钱包地址关联的所有UTXO金额之和。

如果刚装了一个新钱包,导入了一组私钥,在钱包扫描完整个比特币区块之前,是无法得知当前管理的地址余额的。

那么,给定一个地址,要查询该地址的余额,难道要从头扫描几百GB的区块链数据?

当然不是。

要做到瞬时查询,我们知道,使用关系数据库的主键进行查询,由于用了索引,速度极快。

因此,对区块链进行查询之前,首先要扫描整个区块链,重建一个类似关系数据库的地址-余额映射表。这个表的结构如下:

addressbalancelastUpdatedAtBlock
address-150.00

一开始,这是一个空表。每当扫描一个区块的所有交易后,某些地址的余额增加,另一些地址的余额减少,两者之差恰好为区块奖励:

addressbalancelastUpdatedAtBlock
address-150.00
address-240.03
address-350.03
address-410.03

这样,扫描完所有区块后,我们就得到了整个区块链所有地址的完整余额记录,查询的时候,并不是从区块链查询,而是从本地数据库查询。大多数钱包程序使用LevelDB来存储这些信息,手机钱包程序则是请求服务器,由服务器查询数据库后返回结果。

如果我们把MySQL这样的数据库看作可修改的,那么区块链就是不可修改,只能追加的只读数据库。但是,MySQL这样的数据库虽然其状态是可修改的,但它的状态改变却是由修改语句(INSERT/UPDATE/DELETE)引起的。把MySQL的binlog日志完整地记录下来,再进行重放,即可在另一台机器上完整地重建整个数据库。把区块链看作不可修改的binlog日志,我们只要把每个区块的所有交易重放一遍,即可重建一个地址-余额的数据库。

可见,比特币的区块链记录的是修改日志,而不是当前状态。

小结

比特币区块链使用UTXO模型,它没有账户这个概念;

重建整个地址-余额数据库需要扫描整个区块链,并按每个交易依次更新记录,即可得到当前状态。


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