從BTC到Sui、ADA與Nervos：UTXO模型及其相關擴展

作爲比特幣的核心設計原則之一，UTXO模型在誕生之日起就成爲了區塊鏈領域中一種重要的技術範式。它在保障交易安全性和可追溯性方麵髮揮了重要作用，衕時提供了傳統賬戶餘額模型以外的另一條道路。隨著近些年區塊鏈技術不斷經歷更新迭代，UTXO模型本身也在不斷地演化與擴展（如eUTXO、cell、Strict access list等）。

本文以學習和了解UTXO模型爲目的，用淺顯易懂的方式，簡單梳理從BTC到Sui、Cardano和Nervos、Fuel各自的UTXO模型及實現方式，使其更好理解。

什麽是UTXO？

可以通過一個例子理解UTXO模型：

假設有兩個人，Alice和Bob，他們原本各有5塊錢。之後，雙方髮生了衝突，Alice被Bob搶走了2塊錢。二人最終持有的金錢數額如下圖所示：

不難看出，Alice最終剩下3塊錢，Bob最終持有7塊錢。這種小學加減法一樣的記賬方式頻繁出現在銀行繫統中，被稱爲“賬戶/餘額模型”。其中，賬戶的餘額作爲單一的數值而存在。

如果用不衕於賬戶模型的方式，比如UTXO錶示Alice和Bob之間髮生的財富轉移，示意圖則會變成不衕的樣子：

此時，Alice還是剩3塊錢，Bob還是剩7塊錢，但這7塊錢併不是用一個單一數值錶示的，而是被拆成了“5塊錢”和“2塊錢”。這種反常規的方法是不是讓人感到不太習慣？這就是特殊的記賬方式——UTXO 。

UTXO英文全稱Unspent Transaction Output，指“未被花費的輸出”。在這種記賬方式下，每筆鏈上交易會錶現爲UTXO的變化與轉移。比如，在上文提到的交易事件中，Alice最初擁有的“5塊錢”作爲輸入參數，被標記爲UXTO_0，之後會被銷毀；衕時，程序會生成“2塊錢”（UTXO_1）和“3塊錢”（UTXO_2）作爲輸出參數，UTXO_1將被轉給Bob，UTXO_2將轉回給Alice，ALice和Bob之間的財富轉移以此完成。

實際上，在UTXO模型中，不存在“賬戶”和“餘額”這兩個明確的概念，UTXO隻是幫助交易執行的數據結構，它會記録自身代錶的金額、與其相關的交易索引等信息。每個UTXO都代錶一個可以被使用但未被使用的交易輸入，具有確定的所有者。當一筆交易髮生時，可以將某些UTXO作爲輸入，將其銷毀後會産生新的UTXO作爲交易輸出結果。

這就是Bitcoin的記賬方式：每次交易都會有舊的UTXO被銷毀，新的UTXO被産生。被銷毀的UTXO總金額等於新造的UTXO金額（其中某部分是給礦工的手續費）。這樣一來，沒有人可以憑空增髮資金。

UTXO模型和賬戶/餘額模型的比較

假設有一批用戶衕時髮起了大量交易請求，如果分別使用UTXO模型和賬戶/餘額模型處理交易，情況會是怎樣？

在賬戶/餘額模型中，每個用戶都擁有一個賬戶，其中記録著餘額信息。有交易髮生時，相應賬戶的餘額要被更新，這涉及對其“讀”和“寫”的操作。可如果某兩筆交易涉及衕一個賬戶，往往會産生讀寫上的衝突，即狀態爭用，這是必鬚要避免的情況。

傳統的數據庫繫統往往通過“鎖”機製，解決對某部分數據的讀寫爭用。在這種場景下，構成數據爭用關繫的多筆交易往往要排隊，無法衕時執行，這會使交易的處理效率下降。當有大量交易待處理時，上述情況可能會導緻嚴重的性能瓶頸，彼此有數據爭用關繫的交易可能長時間處於等待狀態，無法被快速處理。

相比於賬戶餘額模型，比特幣的UTXO模型可以更好的解決數據爭用問題。因爲在這種方式下，每筆交易的直接處理對象不再是某個“賬戶”，而是各個獨立的UTXO。由於不衕的UTXO互不幹擾，比特幣網絡中每筆交易都是互不幹擾的。因此，比特幣網絡節點在處理大量的待處理交易時，可以衕時處理多筆交易，無需使用“鎖”，這樣可以大大提高繫統的吞吐量和併髮性能。

此外，UTXO模型的加密錢包通常會在用戶髮起一筆交易後，生成一個新地址，這樣可以實現隱私保護——要將交易和某個具體的人關聯起來變得更爲睏難——相比之下，賬戶/餘額模型由於使用固定的地址，更容易被關聯性分析。

但UTXO也存在局限性，其設計初衷是實現簡單的貨幣轉移，不是處理覆雜的業務邏輯，盡管可以用腳本語言進行一些簡單的功能實現，如多簽、時間鎖等，但由於比特幣的UTXO能記録的狀態信息太簡陋，使其在進行一些覆雜操作時有心無力。

比特幣UTXO的局限性間接推動了“以太坊”的誕生——Vitalik作爲Bitcoin Magazine最早的撰稿人之一，對比特幣的缺點十分了解。而賬戶/餘額模型不僅更容易爲大多數人所理解，還可以解決UXTO難以處理富狀態應用的睏境，正如他在“以太坊白皮書”中所説的：

UTXO 可以是已使用或未使用；用於保存任何其他內部狀態的多階段合約或腳本是沒有機會出現的。這使得多階段期權合約、去中心化交易報價或兩階段加密承諾協議（這是安全計算賞金所必需的）難以創建。這也意味著 UTXO 隻能用於構建簡單的一次性合約，而不是去中心化組織等更覆雜的“有狀態”合約，使得元協議難以實現。二進製狀態加之價值盲點也意味著另一個重要應用 — 提款限製 — 是不可能實現的。

UXTO模型的應用、優化和擴展

在介紹各種對UXTO的應用和優化之前，首先要分析UTXO在保持其優勢的衕時有哪些提升點，簡單總結爲如下幾點：

1. 對UTXO所存儲狀態的意義進行抽象；

2. 對狀態的所有權進行抽象。

3. 解決共享UTXO的狀態爭用問題。

在BTC中，狀態唯一的意義就是代幣數量，而所有權通常用公鑰來定義，至於狀態爭用，BTC併不是爲dapp而設計，所以也沒有過多涉及。

Sui

Sui爲開髮人員提供了兩種對象類型：OwnedObject和SharedObject，前者相當於UTXO（更具體來説是UTXO的增強版），後者相當於賬戶/餘額模型，兩者可以衕時使用，此處引用Sui技術文檔的解釋：

一個Object可以被共享，這意味著任何人都可以讀取或寫入該Object。與可變的OwnedObject（隻能有一個寫入者）相比，SharedObject需要共識來對讀取和寫入進行排序。

在其他區塊鏈中，每個Object都是共享的。然而，Sui編程人員通常可以選擇使用OwnedObject、SharedObject或兩者的組合來實現特定的用例。這個選擇可能對性能、安全性和實現覆雜性産生影響。

在Sui中，Owned Objects就類似於UTXO，隻有它的所有者Owner能對其進行操作，且Object都有版本號，“一個object的某個版本隻能被它的 owner 花銷一次”，所以，“一個object的某個版本” 實質就相當於 UTXO。

至於狀態爭用的問題，則可以通過特殊處理（局部排序，和Fuel類似）SharedObject來實現。

Cardano

Cardano使用extended UTXO模型，縮寫爲eUTXO。eUTXO支持更高的可編程性，衕時兼有比特幣UTXO模型的優點。

在Cardano中，狀態的意義通過腳本進一步得到擴展，而其狀態的所有權則通過更一般化的方式進行定義，衕時使用UTXO集來盡量避免出現狀態爭用問題。具體概括，eUTXO在兩個方麵有所加強：

1. eUTXO模型中存在更一般化的地址，這些地址不僅僅可以基於公鑰的哈希，還能基於任意邏輯定義在何種條件下可以花費eUTXO，即可以對狀態的所屬權進行編程。

2. 除了地址和值之外，輸出還可以攜帶（幾乎）任意數據，即可以通過腳本對狀態的意義進行編程。

具體而言，eUTXO允許用戶將類似JSON格式的任意數據添加到UTXO中，該數據稱爲Datum。Datum 允許開髮人員爲腳本提供類似狀態的功能，它與特定的 UTXO 相關聯。

衕時，Cardano上的交易可以攜帶與特定用戶相關的參數，稱爲Redeemer。Redeemer允許交易髮起者定義UTXO的使用方式，可以被dapp開髮人員用於各種目的。

當一筆交易被驗證時，驗證腳本會使用Datum、Redeemer和包含交易數據的上下文進行操作，該腳本中會包含在滿足條件時使用UTXO的邏輯。

需要註意的是，eUTXO仍然是通過腳本來完成拓展任務的，和傳統意義上的“智能合約”有著很大的差別（創始人Charles Hoskinson認爲實際的名字應該叫“可編程驗證器”，但“智能合約”這個説法更容易被市場所接受）。

Nervos

在Nervos（即CKB）中，狀態的意義由typescript抽象，而其狀態的所有權由lockscript抽象，一個簡單的UTXO優化模型——cell代碼如下：

pub struct CellOutput {

    pub capacity: Capacity,

    pub data: Vec<u8>,

    pub lock: Script,

    pub type_: Option<Script>,

}

而對於狀態爭用問題，目前CKB推進研究的是Open Transaction，用戶可以提出一個部分UTXO指明交易目的，然後由撮合者撮合成完整的交易。

Nervos的cell模型是UTXO的“一般化”版本，對其詳細的科普Jan在Nervos論罈上如此解釋：

Layer1的關註點在狀態，以Layer1爲設計目標的CKB設計的關註點很自然就是狀態。Ethereum將交易歷史和狀態歷史分爲兩個維度，區塊和交易錶達的是觸髮狀態遷移的事件而不是狀態本身，而Bitcoin協議中的交易和狀態融合成了一個維度，交易即狀態，狀態即交易，正是一個以狀態爲核心的架構。

衕時，CKB想要驗證和長久保存的狀態，不僅僅是簡單的數字（nValue)，而是任何人們認爲有價值的、經過共識的數據。顯然Bitcoin的交易輸出結構滿足不了這個需求，但是它已經給了我們足夠的啟髮：隻需要將nValue一般化，把它從一個存放整數的空間變成一個可以存放任意數據的空間，我們就得到了一個更加一般化的”CTxOut”，或者叫Cell。

在Cell裡麵，nValue變成了capacity和data兩個字段，這兩個字段共衕錶示一塊存儲空間，capacity是一個整數，錶示這塊空間有多大（以字節數爲單位），data則是保存狀態的地方，可以寫入任意的一段字節；scriptPubKey變成了lock，隻是換了一個名字而已，錶達的是這塊共識空間的所有者是誰 - 隻有能提供參數（例如簽名）使得lock腳本成功執行的人，才能“更新”這個Cell中的狀態。整個CellOutput占用的字節數必鬚小於等於capacity。CKB中存在著許許多多的Cells，所有這些Cell的集合形成了CKB完整的當前狀態，在CKB的當前狀態中存儲的是任意的共衕知識，不再僅僅是某一種數字貨幣。

交易依然錶示狀態的變化/遷移。狀態的變化，或者説Cell內容的“更新”實際上也是通過銷毀和創建來完成的（併不是真的去修改原有Cell中的內容）。每一筆交易實際上都會銷毀一批Cells，衕時創建一批新的Cells；新創造的Cells會有新的所有者，也會存放新的數據，但是被銷毀的capacity總和，總是大於等於新創建的capacity總和，由此保證沒有人可以隨便增髮capacity。因爲capacity可以轉讓，無法增髮，擁有capacity等於擁有相應數量的共識狀態空間，capacity是CKB網絡中的原生資産。Cell的銷毀隻是把它標記爲“已銷毀”，類似Bitcoin的UTXO從未花費變爲已花費，併不是從區塊鏈上刪掉。每一個Cell隻能被銷毀一次，就像每一個UTXO隻能被花費一次。

這樣一個模型的特點是：

1. 狀態是第一性的；

2. 所有者是狀態的屬性，每一份狀態隻有一個所有者；

3. 狀態不斷的被銷毀和創建；

所以説，Cell是UTXO的一般化(generalized)版本。

Fuel

Fuel採用了基於UTXO優化的Strict access list模型，這種模型定義了一種新的UTXO——合約UTXO。

正如上文所介紹過的，BTC中的UTXO隻有兩個屬性：幣的數量和所有者，而合約UTXO則提供了更多的基礎屬性，包括：幣的數量、合約ID、合約代碼哈希和存儲根。

如果使用無狀態執行模型，隻有在合約UTXO中才需要合約代碼哈希和存儲根。在有狀態執行模型中，合約UTXO可以省略這些字段，但需要單獨的存儲元素UTXO類型。UTXO ID（每個UTXO的唯一標識符，可以用作鍵值存儲數據庫中的鍵）是産生UTXO的輸出點，或者其變體（例如，輸出點及其字段的哈希）。

在這種模型中，合約UTXO和智能合約一樣是任何人都可以調用的。

需要註意的是Fuel提供的是更爲貼近智能合約的功能，而非腳本，而UTXO本身模型的限製使得基於VM去做應用時會有數不清的麻煩，最典型的就是UTXO的爭用問題，一般來説有三種解決辦法：一是在鏈下處理如Rollup；二是先提前做好額外的排序工作，Fuel採用的就是後者；三是剛剛在CKB部分提到的Open Transaction，即每個用戶可以提部分交易，然後由撮合者（類似定序器），撮合成完整的交易，BTC與之相對應的解決方案爲PBST。

結尾

通過梳理，了解了UTXO的基本原理，知道了其模型與ETH的賬戶/餘額模型的優劣之處，併對UTXO概念及其相關擴展有了更加清晰的了解。

作爲比特幣的核心設計原則之一，UTXO模型在保障交易的安全性和可追溯性方麵髮揮了重要作用，隨著區塊鏈技術的不斷髮展，UTXO模型也在不斷演化和擴展（如EUTXO、cell、Strict access list等），爲數字資産的交易和管理提供了更多可能性，通過深入研究和理解UTXO概念及其相關擴展，可以更好地把握區塊鏈技術的本質，併爲未來的創新和應用打下更加堅實的基石。

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