步入式高低溫試驗(yàn)室簡單介紹下UTXO模型

　　原Factom（公證通）聯(lián)合創(chuàng)始人兼CTO，畢業(yè)于北京大學(xué)、俄亥俄州立大學(xué)，經(jīng)濟(jì)學(xué)、計(jì)算機(jī)碩士，MBA。雷鋒網(wǎng)已獲得授權(quán)，未經(jīng)同意不得轉(zhuǎn)載。

　　比特幣的成功，區(qū)塊鏈概念的火熱讓基于區(qū)塊鏈的分布式賬本技術(shù)被眾多國家的中央銀行視為國家數(shù)字貨幣的重要技術(shù)選擇之一。我國央行也積極進(jìn)行區(qū)塊鏈技術(shù)的探索，國家數(shù)字貨幣項(xiàng)目組也正式成立并高舉招聘大旗。從全球范圍來看，英國央行步伐稍快，已經(jīng)完成了一版被稱為RSCoin的分布式賬本數(shù)字貨幣系統(tǒng)概念證明。

　　本文將基于英國發(fā)表的中央銀行數(shù)字貨幣白皮書對其原理和機(jī)制進(jìn)行解讀，能夠?qū)�國�?nèi)的區(qū)塊鏈從業(yè)者有所啟發(fā)。

　　中央銀行發(fā)行數(shù)字貨幣的目標(biāo)各有不同，但是需要遵循什么原則幾乎出奇的一致：

　　數(shù)字貨幣的發(fā)行量和發(fā)行過程不能類似比特幣一樣不受中央銀行的控制，數(shù)字貨幣不影響目前中央銀行——商業(yè)銀行的貨幣發(fā)行二元機(jī)制。

　　從技術(shù)層面上看，目前比特幣的局限，交易吞吐量是重點(diǎn)需要解決的問題，比特幣網(wǎng)絡(luò)支持的交易量為7筆/秒，與其相比現(xiàn)實(shí)中的運(yùn)行的支付系統(tǒng)，PayPay每秒可以處理100筆，Visa每秒可以處理2000-7000筆，國內(nèi)的支付寶雙11的峰值早已大于5萬筆。從技術(shù)上來說由于業(yè)務(wù)邏輯的復(fù)雜程度不同，應(yīng)用環(huán)境不同等因素，單純對比吞吐量并沒有實(shí)際的意義，但從實(shí)際應(yīng)用來看，7筆/秒的交易是遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法支撐中央銀行的數(shù)字貨幣系統(tǒng)。

　　基于以上的原則，RSCoin的終目標(biāo)是提供一個(gè)由中央銀行控制發(fā)行的性能優(yōu)越的數(shù)字貨幣。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，RSCoin在設(shè)計(jì)過程中充分借鑒了各類數(shù)字貨幣、信用卡等的機(jī)制，打造了一個(gè)獨(dú)特的數(shù)字貨幣原型。主要體現(xiàn)在幾個(gè)方面：

　　低層級區(qū)塊由商業(yè)銀行或央行授權(quán)的機(jī)構(gòu)維護(hù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)被稱為“ mintette”，節(jié)點(diǎn)的主要職責(zé)是：

　　這一雙層設(shè)計(jì)并非RSCoin的首創(chuàng)，作者提到是受到了Factom（公正通）設(shè)計(jì)的啟發(fā)。除此之外與比特幣、以太坊等數(shù)字貨幣架構(gòu)的不同是：各節(jié)點(diǎn)之間并不同步交易數(shù)據(jù)，步入式高低溫試驗(yàn)室相當(dāng)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)有一個(gè)自己的鏈條，只是鏈條中包含了其他節(jié)點(diǎn)鏈條的信息以進(jìn)行交叉驗(yàn)證，一段時(shí)間的交易統(tǒng)一合并到高層級區(qū)塊中。這樣做很重要的原因是大大降低了節(jié)點(diǎn)之間通信的負(fù)荷，對提升性能有較大的幫助。

　　影響比特幣吞吐量很重要的原因是比特幣采用的工作量證明機(jī)制（POW），由于比特幣是一個(gè)開放網(wǎng)絡(luò)，基本假設(shè)是誠實(shí)節(jié)點(diǎn)和作惡節(jié)點(diǎn)都可以隨意進(jìn)出這個(gè)網(wǎng)絡(luò)，為了避免遭受女巫攻擊，通過算力的競爭來獲得記賬的權(quán)利是保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)安全的有效方法。而在RSCoin中這個(gè)假設(shè)變?yōu)椋貉胄凶鲪旱目赡苄院苄�，其他�?jié)點(diǎn)都是央行授權(quán)并已知的節(jié)點(diǎn)。在這一假設(shè)下，對于系統(tǒng)的整體安全的保障要求可以相對降低，設(shè)計(jì)上更偏向于性能的考慮。

　　RSCoin把自己的共識機(jī)制稱為改進(jìn)版的Two-Phase Commit，首先節(jié)點(diǎn)并不需要“挖礦”，也就是不需要進(jìn)行Hash隨機(jī)數(shù)計(jì)算。任何交易系統(tǒng)重要的要求之一是避免“雙花”（同一筆錢被花了兩次），步入式高低溫試驗(yàn)室“雙花”的一種情況是用戶有意或者無意將同一筆資金提交了兩次交易，系統(tǒng)沒有識別并認(rèn)可了這兩次交易；另一種情況是惡意節(jié)點(diǎn)或者用戶攻擊系統(tǒng)，對賬本進(jìn)行控制，讓系統(tǒng)接受了兩次交易，或者直接修改賬本。嚴(yán)格來看工作量證明機(jī)制本身并沒有直接解決種情況，而是為了第二種情況設(shè)計(jì)的。上面提到了RSCoin的假設(shè)情況沒有 比特幣那樣惡劣，因此并不一定需要使用工作量證明來避免第二種情況的雙花。解決種情況的雙花簡單的方法就是交易請求時(shí)檢查任何一次交易的輸出至多只能基于一次其他交易的輸入。對于這一點(diǎn)RSCoin仍然采用了比特幣UTXO（unspent transaction output）的模式來進(jìn)行記賬，這里的output是相對于上一筆支付的付款方而言的，對于收款方則是input，為了避免混淆，下文中將統(tǒng)一用針對付款方而言的輸出（output）來表示該內(nèi)容。

　　這里，簡單介紹一下UTXO模型。下圖1為傳統(tǒng)的記賬模式，圖2為UTXO記賬模式。二者的區(qū)別是傳統(tǒng)模式通過交易記錄與余額的對賬保障余額的準(zhǔn)確，在執(zhí)行支付時(shí)只需判斷余額是否足夠，不需要重新計(jì)算余額從何而來。UTXO模式下，余額是多個(gè)上一筆支付方作為標(biāo)記的來款（output）之和，支付時(shí)需要被花費(fèi)的來款被打上自己的標(biāo)記成為收款方的來款（這種模式非常類似于銀行匯票的背書轉(zhuǎn)讓：每次轉(zhuǎn)讓簽上轉(zhuǎn)讓方的名字，以此傳遞）。在這種模式下，避免雙花的方法就是檢查本筆交易相關(guān)的UTXO是否被其他交易花費(fèi)。

　　首先為了提升性能，交易并不向全網(wǎng)廣播，而是將交易隨機(jī)分配到不同的節(jié)點(diǎn)處理，每個(gè)節(jié)點(diǎn)處理一部分交易，但每一個(gè)交易不會(huì)只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)處理。需要提及的是以太坊提升性能的改進(jìn)方案中已經(jīng)提出過分片（sharding）處理的理念并將在新版本中實(shí)現(xiàn)。

　　addrid代表與該地址有關(guān)的某一筆輸出，addrid由交易的hash（用tx表示），輸出地址的索引（用i表示），交易的值（v）組成。

　　addrid被記錄在三個(gè)表中分別是UTXO list，代表所有未被花費(fèi)的輸出，pset list代表某段時(shí)間內(nèi)已關(guān)聯(lián)交易但未記賬的UTXO，txset list代表記入賬本的交易。簡單來說三個(gè)列表分別記錄同一筆資金在一段時(shí)間內(nèi)的三個(gè)不同狀態(tài)：未花費(fèi)、已花費(fèi)未記賬、已記賬。每個(gè)列表中包含了一段時(shí)間內(nèi)的每一筆資金。

　　步發(fā)生在用戶與節(jié)點(diǎn)之間，用戶提起交易并通過地址索引（中心化的服務(wù)）自動(dòng)找到該交易中所有UTXO對應(yīng)的輸出地址的管理節(jié)點(diǎn)（owner）,不同的地址對應(yīng)不同的管理節(jié)點(diǎn)，地址索引是一個(gè)中心化的服務(wù)，便于用戶快速找到不同地址對應(yīng)的管理節(jié)點(diǎn)。管理節(jié)點(diǎn)將對用戶提交的交易進(jìn)行檢查：交易的合法性、地址是否由其管理、該地址對應(yīng)的UTXO是否雙花。檢查雙花的具體過程是：首先驗(yàn)證該地址下的輸出未被花費(fèi)（addrid在utxo列表中）以及該地址下的輸出沒有與其他交易關(guān)聯(lián)（addrid不在pset列表中）；如果驗(yàn)證通過，該節(jié)點(diǎn)將addrid從utxo列表中放入pset列表中，意味著這筆addrid已經(jīng)與該筆交易關(guān)聯(lián)，如果其他交易進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)這筆addrid已經(jīng)雙花。從全局看，如果所有負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)中的多數(shù)返回確認(rèn)信息，意味著UTXO雙花檢查通過，用戶將交易以和帶有所有確認(rèn)節(jié)點(diǎn)簽名的結(jié)果發(fā)送給收款地址對應(yīng)的管理節(jié)點(diǎn)。

　　第二步，收款地址的管理節(jié)點(diǎn)首先確認(rèn)該地址歸其管理，然后檢查是否所有的輸出都已經(jīng)被多數(shù)節(jié)點(diǎn)確認(rèn)以及他們的簽名是否正確。如果檢查通過，節(jié)點(diǎn)將這些輸出加入他們的utxo列表（成為新的UTXO）并將交易加入txset列表。節(jié)點(diǎn)隨后將通知用戶“交易將被加入高級區(qū)塊中”（如果沒有加入，用戶將以此為證據(jù)問責(zé)節(jié)點(diǎn)）。一段時(shí)間后，所有的節(jié)點(diǎn)將txset列表發(fā)送給中央銀行進(jìn)行合并。

　　在交易過程中，節(jié)點(diǎn)之間并沒有直接通信，而是在用戶和節(jié)點(diǎn)之間完成，這降低了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)呢?fù)荷，提升了RSCoin的整體性能。

　　由于每一個(gè)節(jié)點(diǎn)有自己的鏈條，RSCoin設(shè)計(jì)了交叉驗(yàn)證的方式確保整個(gè)系統(tǒng)的整體性。節(jié)點(diǎn)進(jìn)行每一筆交易的相關(guān)操作都嚴(yán)格按順序產(chǎn)生日志，當(dāng)節(jié)點(diǎn)完成一個(gè)區(qū)塊時(shí)，日志和前一個(gè)區(qū)塊頭的Hash被作為自己的區(qū)塊頭。在節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交易的對外通信時(shí)，會(huì)將區(qū)塊頭作為簽名信息的一部分進(jìn)行發(fā)送，這些信息會(huì)被交易相關(guān)的節(jié)點(diǎn)獲得。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)完成一個(gè)區(qū)塊時(shí)，節(jié)點(diǎn)的區(qū)塊中還需要同時(shí)包含自己的和已獲得的其他節(jié)點(diǎn)鏈條的區(qū)塊頭。這樣低層級鏈的一個(gè)區(qū)塊由這幾部分構(gòu)成：b = (h,txset,σ,mset)，h代表區(qū)塊的hash，txset交易列表，σ代表節(jié)點(diǎn)簽名，mset代表其他節(jié)點(diǎn)的區(qū)塊信息。這樣不同節(jié)點(diǎn)鏈“你中有我，我中有你”完成交叉驗(yàn)證。

　　白皮書中也分析了交叉驗(yàn)證保障的安全性，結(jié)論是當(dāng)分片（shards）越多時(shí)，系統(tǒng)不安全的概率越高，步入式高低溫試驗(yàn)室系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)效率和分片數(shù)量需要進(jìn)行平衡。

　　他們分別代表區(qū)塊的hash，交易列表，央行簽名，下一個(gè)區(qū)塊授權(quán)的節(jié)點(diǎn)。高層級鏈負(fù)責(zé)貨幣的發(fā)行，發(fā)行數(shù)量和接收方由央行控制，產(chǎn)生的過程是產(chǎn)生新幣的同時(shí)轉(zhuǎn)移到需要接收的銀行地址�？刂聘邔蛹夋湹闹醒脬y行通過記錄每個(gè)節(jié)點(diǎn)在交易的兩個(gè)步驟中發(fā)揮作用的次數(shù)以及每個(gè)節(jié)點(diǎn)的日志對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行費(fèi)用獎(jiǎng)勵(lì)。

　　白皮書中對兩種交易在局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)條件下進(jìn)行了吞吐量測試，并且選取了一個(gè)輸入兩個(gè)輸出，兩個(gè)輸入兩個(gè)輸出兩種交易模式，測試結(jié)果如下圖（摘自原文）。測試結(jié)果還反映吞吐量隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加直線上升。

　　由于目前描述的RSCoin只是一個(gè)小的概念版本，在RSCoin白皮書的后，作者在幾個(gè)方面提到了RSCoin可能的拓展性。A、剪枝：為了防止央行的賬本過大，可以由央行對一些小額交易進(jìn)行統(tǒng)一匯總軋差，將終軋差的結(jié)果記錄到鏈上，當(dāng)然這樣做的前提是中央銀行是完全誠信的。需要說明的是主要國家現(xiàn)行的央行清算體系也是基于對央行的信任和彼此的對賬，而對賬過程正是清算中效率較低的部分。如果進(jìn)行剪枝，對賬就是必要的。B、節(jié)點(diǎn)激勵(lì)：對于節(jié)點(diǎn)的激勵(lì)可以引入類似POS（權(quán)益證明）的機(jī)制，各節(jié)點(diǎn)存入貨幣在央行并根據(jù)存入數(shù)量的多少安排交易的處理數(shù)量，如果存在錯(cuò)誤行為將從這些預(yù)存的貨幣中扣除一定金額作為懲罰。C、多種貨幣平臺：作者提到了一種大膽的設(shè)想，不同的中央銀行都是用同一個(gè)平臺發(fā)行不同的數(shù)字貨幣。這樣更利于跨境的資金清算，減少目前比特幣等數(shù)字貨幣面臨的夸幣種交易無法直接進(jìn)行的問題。但筆者認(rèn)為這完全是一種理想，貨幣關(guān)系國家安全和利益，方便和效率在國家利益面前不值一提，統(tǒng)一貨幣發(fā)行系統(tǒng)就像統(tǒng)一貨幣一樣困難。

　　無論如何RSCoin結(jié)合主權(quán)政府對于貨幣體系的要求，對于性能的要求。結(jié)合了區(qū)塊鏈和數(shù)字貨幣領(lǐng)域的多種創(chuàng)意和經(jīng)驗(yàn)，提出了一套適合中央銀行發(fā)行數(shù)字貨幣的框架，并且在原理分析、實(shí)驗(yàn)測試等方面展現(xiàn)了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度和科學(xué)的方法。
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