摘要：模型模型中，交易只是代表了集合的變更。模型是無狀態(tài)的，更容易并發(fā)處理。模型對于模型，模型保存了世界狀態(tài)，鏈的狀態(tài)一般在區(qū)塊中以和等形式進行共識。交易只是事件本身，不包含結果，交易的共識和狀態(tài)的共識本質上可以隔離的。

在當前區(qū)塊鏈世界中，主要有兩種記錄保存方式，UTXO 模式（Unspent Transaction Output) 和 Account 模式。Bitcoin 采用的是 UTXO 模型，Ethereum 采用的 Account 模型，同樣 CITA 也采用了 Account 模型。

Bitcoin 的設計初衷是點對點的電子現(xiàn)金系統(tǒng)，在比特幣中，每個交易消耗之前交易生成的 UTXO 然后生成新的 UTXO，賬戶的余額即所有屬于該地址的未花費 UTXO 集合，Bitcoin 的全局狀態(tài)即當前所有未花費的 UTXO 集合。Ethereum 意圖創(chuàng)建一個更為通用的協(xié)議，該協(xié)議支持圖靈完備的編程語言，在此協(xié)議上用戶可以編寫智能合約，創(chuàng)建各種去中心化的應用。由于 UTXO 模型在狀態(tài)保存以及可編程性方面的缺陷，Ethereum 引入了 Account 模型。下面我們對兩種模型的優(yōu)缺點做進一步展開。

UTXO 模型中，交易只是代表了 UTXO 集合的變更。而賬戶和余額的概念是在 UTXO 集合上更高的抽象，賬號和余額的概念只存在于錢包中。

優(yōu)點：
計算是在鏈外的，交易本身既是結果也是證明。節(jié)點只做驗證即可，不需要對交易進行額外的計算，也沒有額外的狀態(tài)存儲。交易本身的輸出 UTXO 的計算是在錢包完成的，這樣交易的計算負擔完全由錢包來承擔，一定程度上減少了鏈的負擔。
除 Coinbase 交易外，交易的 Input 始終是鏈接在某個 UTXO 后面。交易無法被重放，并且交易的先后順序和依賴關系容易被驗證，交易是否被消費也容易被舉證。
UTXO 模型是無狀態(tài)的，更容易并發(fā)處理。
對于 P2SH 類型的交易，具有更好的隱私性。交易中的 Input 是互不相關聯(lián)的，可以使用 CoinJoin 這樣的技術，來增加一定的隱私性。

缺點：
無法實現(xiàn)一些比較復雜的邏輯，可編程性差。對于復雜邏輯，或者需要狀態(tài)保存的合約，實現(xiàn)難度大，且狀態(tài)空間利用率比較低。
當 Input 較多時，見證腳本也會增多。而簽名本身是比較消耗 CPU 和存儲空間的。

對于 Account 模型，Account 模型保存了世界狀態(tài)，鏈的狀態(tài)一般在區(qū)塊中以 StateRoot 和 ReceiptRoot 等形式進行共識。交易只是事件本身，不包含結果，交易的共識和狀態(tài)的共識本質上可以隔離的。

優(yōu)點：
合約以代碼形式保存在 Account 中，并且 Account 擁有自身狀態(tài)。這種模型具有更好的可編程性，容易開發(fā)人員理解，場景更廣泛。
批量交易的成本較低。設想礦池向礦工支付手續(xù)費，UTXO 中因為每個 Input 和 Out 都需要多帶帶 Witness script 或者 Locking script，交易本身會非常大，簽名驗證和交易存儲都需要消耗鏈上寶貴的資源。而 Account 模型可以通過合約的方式極大的降低成本。

缺點：
Account 模型交易之間沒有依賴性，需要解決重放問題。
對于實現(xiàn)閃電網(wǎng)絡/雷電網(wǎng)絡，Plasma 等，用戶舉證需要更復雜的 Proof 證明機制，子鏈向主鏈進行狀態(tài)遷移需要更復雜的協(xié)議。

對于以上幾個優(yōu)點和缺點，我們再做一些分析和對比。

第一，關于計算的問題的。
UTXO 交易本身對于區(qū)塊鏈并沒有復雜的計算，這樣簡單的講其實并不完全準確，原因分有兩個，一是 Bitcoin 本身的交易多為 P2SH，且 Witness script 是非圖靈完備的，不存在循環(huán)語句。而對于 Account 模型，例如 Ethereum，由于計算多在鏈上，且為圖靈完備，一般計算較為復雜，同時合約安全性就容易成為一個比較大的問題。當然是否圖靈完備對于是否是賬戶模型并沒有直接關聯(lián)。但是賬戶模型引入之后，合約可以作為一個不受任何人控制的獨立實體存在，這一點意義重大。

第二，關于 UTXO 更易并發(fā)的問題。
在 UTXO 模型中，世界狀態(tài)即為 UTXO 的集合，節(jié)點為了更快的驗證交易，需要在內存中存儲所有的 UTXO 的索引，因此 UTXO 是非常昂貴的。對于長期不消費的 UTXO，會一直占用節(jié)點的內存。所以對于此種模型，理論上應該鼓勵用戶減少生產(chǎn) UTXO，多消耗 UTXO。但是如果要使用 UTXO 進行并行交易則需要更多的 UTXO 作為輸入，同時要產(chǎn)生更多的 UTXO 來保證并發(fā)性，這本質上是對網(wǎng)絡進行了粉塵攻擊。并且由于交易是在錢包內構造，所以需要錢包更復雜的設計。反觀 Account 模型，每個賬戶可以看成是多帶帶的互不影響的狀態(tài)機，賬戶之間通過消息進行通信。所以理論上用戶發(fā)起多筆交易時，當這些交易之間不會互相調用同一 Account 時，交易是完全可以并發(fā)執(zhí)行的。

第三，關于 Account 模型的交易重放問題。
Ethereum 使用了在 Account 中增加 nonce 的方式，每筆交易對應一個 nonce，nonce 每次遞增。這種方式雖然意在解決重放的問題，但是同時引入了順序性問題，同時使得交易無法并行。例如在 Ethereum中，用戶發(fā)送多筆交易，如果第一筆交易打包失敗，將引起后續(xù)多筆交易都打包不成功。在 CITA 中我們使用了隨機 nonce 的方案，這樣用戶的交易之間沒有順序性依賴，不會引起串聯(lián)性失敗，同時使得交易有并行處理的可能。

第四，存儲問題。因為 UTXO 模型中，只能在交易中保存狀態(tài)。
而 Account 模型的狀態(tài)是在節(jié)點保存，在 Ethereum 中使用MPT 的方式存儲，Block 中只需要共識 StateRoot 等即可。這樣對于鏈上數(shù)據(jù)，Account 模型實際更小，網(wǎng)絡傳輸?shù)牧扛。瑫r狀態(tài)在節(jié)點本地使用 MPT 方式保存，在空間使用上也更有效率。例如 A 向 B 轉賬，如果在 UTXO 中假設存在 2 個 Input 和2個 Output，則需要 2 個 Witness script 和 2 個Locking script；在 Account 模型中則只需要一個簽名，交易內容只包含金額即可。在最新的隔離見證實現(xiàn)后，Bitcoin的交易數(shù)據(jù)量也大大減少，但是實際上對于驗證節(jié)點和全節(jié)點仍然需要針對 Witness script 進行傳輸和驗證。

第五，對于輕節(jié)點獲取某一地址狀態(tài)，UTXO 更復雜。
例如錢包中，需要向全節(jié)點請求所有關于某個地址的所有 UTXO，全節(jié)點可以發(fā)送部分 UTXO，錢包要驗證該筆 UTXO 是否已經(jīng)被消費，有一定的難度，而且錢包很難去證明 UTXO 是全集而不是部分集合。而對于 Account 模型則簡單很多，根據(jù)地址找到 State 中對應狀態(tài)，當前狀態(tài)的 State Proof 則可以證明合約數(shù)據(jù)的真?zhèn)?。當然對?UTXO 也可以在每個區(qū)塊中對 UTXO 的 root 進行驗證，這一點與當前 Bitcoin 的實現(xiàn)有關，并非 UTXO 的特點。

綜上來看，Account 模型在可編程性，靈活性等方面更有優(yōu)勢；在簡單業(yè)務和跨鏈上，UTXO 有其非常獨到和開創(chuàng)性的優(yōu)點。對于選擇何種模型，要從具體的業(yè)務場景進行出發(fā)。

《Thoughts on UTXOs》 by Vitalik Buterin
《What are the pros and cons of Ethereum balances vs. UTXOs?》
《Mastering Bitcoin 2nd Edition - Programming the Open Blockchain》
《Accounts and not UTXOs》
《交易中的nonce的作用是什么?》
《Why is EVM-on-Plasma hard?》

NingNing,Architect at Cryptape, former core developer at EthFans.org.
Github:u2 (zhangyaning)
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