區(qū)塊鏈的UTXO和Account模型有哪些優(yōu)缺點(diǎn)

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UTXO 模型

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(hào)和余額的概念只存在于錢包中。

優(yōu)點(diǎn)：

• 計(jì)算是在鏈外的，交易本身既是結(jié)果也是證明。節(jié)點(diǎn)只做驗(yàn)證即可，不需要對(duì)交易進(jìn)行額外的計(jì)算，也沒有額外的狀態(tài)存儲(chǔ)。交易本身的輸出 UTXO 的計(jì)算是在錢包完成的，這樣交易的計(jì)算負(fù)擔(dān)完全由錢包來(lái)承擔(dān)，一定程度上減少了鏈的負(fù)擔(dān)。

• 除 Coinbase 交易外，交易的 Input 始終是鏈接在某個(gè) UTXO 后面。交易無(wú)法被重放，并且交易的先后順序和依賴關(guān)系容易被驗(yàn)證，交易是否被消費(fèi)也容易被舉證。

• UTXO 模型是無(wú)狀態(tài)的，更容易并發(fā)處理。

• 對(duì)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(guān)聯(lián)的，可以使用 CoinJoin 這樣的技術(shù)，來(lái)增加一定的隱私性。

缺點(diǎn)：

• 無(wú)法實(shí)現(xiàn)一些比較復(fù)雜的邏輯，可編程性差。對(duì)于復(fù)雜邏輯，或者需要狀態(tài)保存的合約，實(shí)現(xiàn)難度大，且狀態(tài)空間利用率比較低。

• 當(dāng) Input 較多時(shí)，見證腳本也會(huì)增多。而簽名本身是比較消耗 CPU 和存儲(chǔ)空間的。

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ACCOUNT 模型

對(duì)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(jìn)行共識(shí)。交易只是事件本身，不包含結(jié)果，交易的共識(shí)和狀態(tài)的共識(shí)本質(zhì)上可以隔離的。

優(yōu)點(diǎn)：

• 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(chǎng)景更廣泛。

• 批量交易的成本較低。設(shè)想礦池向礦工支付手續(xù)費(fèi)，UTXO 中因?yàn)槊總€(gè) Input 和 Out 都需要單獨(dú) Witness script 或者 Locking script，交易本身會(huì)非常大，簽名驗(yàn)證和交易存儲(chǔ)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(diǎn)：

• Account 模型交易之間沒有依賴性，需要解決重放問題。

• 對(duì)于實(shí)現(xiàn)閃電網(wǎng)絡(luò)/雷電網(wǎng)絡(luò)，Plasma 等，用戶舉證需要更復(fù)雜的 Proof 證明機(jī)制，子鏈向主鏈進(jìn)行狀態(tài)遷移需要更復(fù)雜的協(xié)議。

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UTXO VS ACCOUNT

對(duì)于以上幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，我們?cè)僮鲆恍┓治龊蛯?duì)比。

第一，關(guān)于計(jì)算的問題的。

UTXO 交易本身對(duì)于區(qū)塊鏈并沒有復(fù)雜的計(jì)算，這樣簡(jiǎn)單的講其實(shí)并不完全準(zhǔn)確，原因分有兩個(gè)，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(yǔ)句。而對(duì)于 Account 模型，例如  Ethereum，由于計(jì)算多在鏈上，且為圖靈完備，一般計(jì)算較為復(fù)雜，同時(shí)合約安全性就容易成為一個(gè)比較大的問題。當(dāng)然是否圖靈完備對(duì)于是否是賬戶模型并沒有直接關(guān)聯(lián)。但是賬戶模型引入之后，合約可以作為一個(gè)不受任何人控制的獨(dú)立實(shí)體存在，這一點(diǎn)意義重大。

第二，關(guān)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(diǎn)為了更快的驗(yàn)證交易，需要在內(nèi)存中存儲(chǔ)所有的 UTXO 的索引，因此 UTXO 是非常昂貴的。對(duì)于長(zhǎng)期不消費(fèi)的 UTXO，會(huì)一直占用節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存。所以對(duì)于此種模型，理論上應(yīng)該鼓勵(lì)用戶減少生產(chǎn) UTXO，多消耗 UTXO。但是如果要使用 UTXO 進(jìn)行并行交易則需要更多的 UTXO 作為輸入，同時(shí)要產(chǎn)生更多的 UTXO 來(lái)保證并發(fā)性，這本質(zhì)上是對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了粉塵攻擊。并且由于交易是在錢包內(nèi)構(gòu)造，所以需要錢包更復(fù)雜的設(shè)計(jì)。反觀 Account 模型，每個(gè)賬戶可以看成是單獨(dú)的互不影響的狀態(tài)機(jī)，賬戶之間通過消息進(jìn)行通信。所以理論上用戶發(fā)起多筆交易時(shí)，當(dāng)這些交易之間不會(huì)互相調(diào)用同一 Account 時(shí)，交易是完全可以并發(fā)執(zhí)行的。

第三，關(guān)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(duì)應(yīng)一個(gè) 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(shí)引入了順序性問題，同時(shí)使得交易無(wú)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(jī) nonce 的方案，這樣用戶的交易之間沒有順序性依賴，不會(huì)引起串聯(lián)性失敗，同時(shí)使得交易有并行處理的可能。

第四，存儲(chǔ)問題。

因?yàn)?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(diǎn)保存，在 Ethereum 中使用MPT 的方式存儲(chǔ)，Block 中只需要共識(shí) StateRoot 等即可。這樣對(duì)于鏈上數(shù)據(jù)，Account 模型實(shí)際更小，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牧扛?，同時(shí)狀態(tài)在節(jié)點(diǎn)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(zhuǎn)賬，如果在 UTXO 中假設(shè)存在 2 個(gè) Input 和2個(gè) Output，則需要 2 個(gè) Witness script 和 2 個(gè)Locking script；在 Account 模型中則只需要一個(gè)簽名，交易內(nèi)容只包含金額即可。在最新的隔離見證實(shí)現(xiàn)后，Bitcoin的交易數(shù)據(jù)量也大大減少，但是實(shí)際上對(duì)于驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)和全節(jié)點(diǎn)仍然需要針對(duì) Witness script 進(jìn)行傳輸和驗(yàn)證。

第五，對(duì)于輕節(jié)點(diǎn)獲取某一地址狀態(tài)，UTXO 更復(fù)雜。

例如錢包中，需要向全節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求所有關(guān)于某個(gè)地址的所有 UTXO，全節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送部分 UTXO，錢包要驗(yàn)證該筆 UTXO 是否已經(jīng)被消費(fèi)，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(duì)于 Account 模型則簡(jiǎn)單很多，根據(jù)地址找到 State 中對(duì)應(yīng)狀態(tài)，當(dāng)前狀態(tài)的 State Proof 則可以證明合約數(shù)據(jù)的真?zhèn)?。?dāng)然對(duì)于 UTXO 也可以在每個(gè)區(qū)塊中對(duì) UTXO 的 root 進(jìn)行驗(yàn)證，這一點(diǎn)與當(dāng)前 Bitcoin 的實(shí)現(xiàn)有關(guān)，并非 UTXO 的特點(diǎn)。

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