通往百万TPS之路——BCH的UTXO证明和分片技术（一）

第章 引言

今天我们来探讨一个非常前沿的技术，BCH的UTXO证明。接下来要在UTXO证明的基础上讨论真正的革命性技术——UTXO分片。

第1章 UTXO的“物理实体”

UTXO叫非花费输出，我们所有的比特币本质上就是一堆UTXO。我们今天是技术讨论会，我们假定在坐的各位都知道什么是UTXO，我就直接跳过这一个环节。

UTXO的“物理实体”是什么？

UTXO都是存储在节点上的，UTXO集的物理实体是一个数据库文件，现在使用的数据库技术叫levedb，这个数据库保存了BCH所有的UTXO，它是随区块高度进行更新的。也就是平均10分钟更新一次，删除掉已经花费的UTXO，更新新构造出来的UTXO。

一笔具体的UTXO主要包含四个字段

1生成这笔UTXO的交易的txid；

2生成这笔UTXO的交易的输出序列号index。因为大部分交易是一个或多个输入，多个输出，第一个输入序列号是0，第二个是1。

3锁定脚本lockscript。

4是金额value

全网所有的UTXO存储在levedb上，目前的组织结构是这样的

txidindex => amount lockscript height coinbase

我们可以形象地认为现在的UTXO是一个excel表存储，第一列是txid，第二列是序列号，第三列是金额；第四列是锁定脚本，第五列是区块高度，第五列代表这笔UTXO是否是coinbase交易输出，如果是则是1，如果不是则是0。因为coinbase交易输出需要100个确认才能花费，这是挖矿的成熟区的概念，所以会有这么一个字段来区别非coinbase交易。

第2章 现在的UTXO是怎么生成的？

如果你运行一个完整节点，肯定是要下载区块的，但从来没有听说过要下载UTXO对吧。

其实现在的UTXO是从区块文件中回溯出来的。一个节点下载区块的同时，节点会历遍区块文件找出所有未花费输出，并在本地构造出一个UTXO数据库，每下载一个新区块，UTXO数据库也要更新一次。

一个完整节点存储的主要数据就分成两部分，所有的交易数据全部存在区块链中，而UTXO集被提炼出来存在在UTXO集数据库中。

现在的比特币网络，是一个P2P网络，但网络中传输的数据全是区块文件和交易本身，并不会传输UTXO数据库。

因为UTXO集是比特币最重要的数据之一了，有人就在想，我能不能让比特币的网络也能传输UTXO集。

这就是设计UTXO证明的出发点。

第3章 我们来重新构造一个UTXO数据库

现在的UTXO数据使用的是Levedb，这是一个非常简单的数据库，但不包含区块链思维，我们来设计一个包含区块链思维的UTXO数据库。

我们使用一个二叉树来存储所有的UTXO，二叉树的叶子就是一笔UTXO，包含了txid、序列号、锁定脚本、金额和coinbase识别号，然后哈希一次，构成叶子节点。两两叶子再哈希一次，构成第二层节点，然后一直下去，构成根节点。

我们把这个根节点的哈希值称为UTXO证明。

根节点的哈希值会由挖矿节点存进coinbase交易里的一个输出里的OP_Return里。但这样不是一个简洁的设计，一个好的设计是通过一次硬分叉，在区块头文件里增加一个字段，用来存储UTXO证明。

比如现在是50万高度，完整节点会依据现有所有的区块文件，回溯出一个UTXO集，再使用二叉树的形式保存起来，以一个数据库的方式存放。全网将会有唯一的UTXO集数据存在。

当有节点加入网络时，就可以向全网别的节点真正下载UTXO集，并且通过UTXO证明来证明下载到的UTXO集不是伪造的。

这里描述的是静态的UTXO集生成和下载，但区块链是动态的，平均10分钟会更新一个区块，UTXO集也就更新了。

第4章 实现UTXO动态更新

因为挖矿节点，平均每十分钟挖出一个块，并且会依据新的区块对上一个UTXO集进行删除已经花费掉的UTXO和增加新的未花费的UTXO。使用这种二叉树的算法，是很方便删除和增加UTXO集的。

更新过后，新生成一个UTXO集数据库，和一个UTXO证明。

但问题来了，一个UTXO集数据库现在已经是2G大小，平均10分钟要更新一个UTXO集，新加入的节点平均10分钟根本还来不及下载完，10分钟下载2G的数据实在是要求太高了。

同时让一个节点向全网广播2G的UTXO数据，所有需要下载UTXO集的节点都向这样的节点索要数据，那这样的节点也是会崩溃的。

那该怎么设计？答案是使用区块链模型，将UTXO这个数据库也使用区块链来构造和更新。但这个区块链始终是0到100个块之间循环。即平均100个区块更新一个UTXO集数据，而中间使用一个小区块来补充UTXO集。

比如50万高度挖矿节点生成一个UTXO集，并且在区块头里纳入一个UTXO证明，我们记这一个UTXO区块为0高度UTXO区块。

然后在50万零1高度出了一个新块，这时矿工节点会对50万零1高度的区块进行回溯，回溯出一个UTXO区块，记为1高度UTXO区块。并且将这两个UTXO高度的哈希值再哈希存入区块头，以当成UTXO证明。

高度UTXO区块和1高度UTXO区块，加起来就可以回溯出最新的全网UTXO集。

……

一直到第50万零99高度，这样UTXO区块链就形成了从0到99个区块这样一条短链。

所有其他完整节点，就可以在这到99高度的时间内下载完所有的UTXO区块，然后在本地构造出一个完整的UTXO集。

当新的矿池节点挖出了第50万零100个区块时，它就会重新生成一个高度的UTXO区块和一个第100高度的UTXO小区块，并将上一个0高度的UTXO区块在本地删除掉。

在接下来，每当全网生成一个新的比特币区块，那UTXO区块就会删掉最旧的一个UTXO区块，并且增加一个新的UTXO区块。

就这样一直循环。

这样其他需要下载UTXO集的节点就有足够多的时间下载完所有的UTXO区块，并在本地重构出UTXO集，并且也不会对单个提供UTXO区块下载服务的节点太大的压力，因为是可以构成一个P2P网络来传输UTXO区块。

第5章 结束语

UTXO证明整个原理大致就是这样。这样就可以实现全网共同维护一个统一的UTXO集数据库，并且可以实现P2P网络传播UTXO数据，也可以更新UTXO。