浅谈 UTXO 模型与 Account 模型 | DCEP 黑盒分析（一）

注： 本系列文章是闭源情况下根据现有公开资料的黑盒分析，仅供参考。

DCEP（Digital Currency Electronic Payment）央行数字货币已进入内测期，很多同学与开发者都非常关心这件事。因此笔者决定着手一系列的文章，用谨慎的研究态度从技术的角度对 DCEP 进行黑盒分析，希望能给我们的开发实践提供一些借鉴意义。

0 UTXO 模型与 Account 模型

UTXO（Unspent Transaction Output）模型与 Account 模型是用以记账的最流行的两种模型。

专业的定义：

• UTXO 模型是资产在用户之间移动的有向图
• Account 模型是具有当前网络状态的数据库

大白话定义：

• UTXO 模型——假设所有的资产都是一个个的硬币，那我们记下所有硬币的「流动轨迹」，知道当前没花的硬币都在哪里，那么我们无需给每个人创建账户，也能知道每个人有多少钱。
• Account 模型——我们拿了个小本本给张三李四都开个户，记下来他们的交易信息、当前余额等信息。

关于 UTXO 账户模型与 Account 模型的更具体的技术内容可以看如下链接：

• 比特币极速入门指南 by 李大狗

  交易类型、Output 与 UTXO

• UTXO 与账户余额模型 by Draveness

  UTXO 与账户余额模型

1 两个模型哪个是对现实世界的映射？

也许你觉得我接下来要分析二者的优劣了。但别着急，让我们问一个更本质的问题：二者哪个映射了现实世界？

这个问题在我们进行计算机领域的学习与研究的时候至关重要。有的时候我们觉得某种设计「很怪」、「难以理解」的本质原因是因为它并非现实世界的 1：1 映射，而仅是一种仿真。

然后我们来编写程序。程序的结构要严格保持与问题的结构一致，即每一个 真实世界里的活动都严格映射到我们编程语言中的一个并发进程上。如果从问题 到程序的映射比例为 1:1，我们就说程序与问题是同构（isomorphic）的。

映射比例为 1:1 这一点非常重要。因为这样可以使得问题和解之间的概念隔 阂最小化。如果比例不为 1:1，程序就会很快退化而变得难以理解。在使用非面 向并发的编程语言来解决并发问题时，这种退化是非常常见的。在非面向并发的 编程语言中，为了解决一个问题，通常要由同一个语言级的线程或进程来强制控 制多个独立的活动，这就必然导致清晰性的损失，并且会使程序滋生复杂的、难 以复现的错误。

—— 《面对软件错误构建可靠的分布式系统 》by Joe Armstrong

一眼看去，Account 模型似乎更像现实世界的映射，因为按人头记账嘛，古已有之，但真的是这样吗？

2 信息与资源

让我们再往里走一层，思考一下计算机系统中的基本元素。我们会发现我们可以这样对计算机中的元素进行二分——「信息」与「资源」。

• 信息 可以复制的内容，例如我们在硬盘上存个 1.txt，我们把它复制一下，那么我们硬盘上就有两份相同的文本。
• 资源 不可复制。我占据了一块内存，那么我占据的这个内存就不能被其它程序所占据。

同样，我们生活中的元素也可以区分为信息和资源：

• 信息 我有一个八卦，我告诉了你，那么我和你都有了这个「八卦」。
• 资源 我有一个硬币，我给了你，那么我就没有了。

3 信息与资源的映射与仿真

理想的情况下，现实中的资源映射到计算机中，应该依然是资源的形式；信息映射到计算机中，应该依然是信息的形式。

<pre style="margin: 10px 5px; padding: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; color: rgb(51, 51, 51); font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: 0.544px; orphans: 2; text-align: justify; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; background-color: rgb(255, 255, 255); text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial; font-family: Roboto, "Courier New", Consolas, Inconsolata, Courier, monospace; font-size: 15px; line-height: 1.4em; display: block !important;"><section class="code-snippetfix code-snippetjs" style="margin: 10px 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; font-size: 14px; color: rgb(51, 51, 51); position: relative; background-color: rgba(0, 0, 0, 0.03); border: 1px solid rgb(240, 240, 240); border-radius: 2px; display: flex; line-height: 26px;"><ul class="code-snippetline-index code-snippetjs" style="margin: 0px; padding: 1em; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; counter-reset: line 0; flex-shrink: 0; height: 106px; list-style-type: none;"><li style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; list-style-type: none; text-align: right;"></li><li style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; list-style-type: none; text-align: right;"></li><li style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; list-style-type: none; text-align: right;"></li></ul><pre class="code-snippet__js" data-lang="" style="margin: 0px; padding: 1em 1em 1em 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; overflow-x: auto; white-space: normal; -webkit-box-flex: 1; flex: 1 1 0%;"><code style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; text-align: left; font-size: 14px; white-space: pre; display: flex; position: relative; font-family: Consolas, "Liberation Mono", Menlo, Courier, monospace;"><span class="code-snippet_outer" style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;"> 现实世界 计算机世界</span></code><code style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; text-align: left; font-size: 14px; white-space: pre; display: flex; position: relative; font-family: Consolas, "Liberation Mono", Menlo, Courier, monospace;"><span class="code-snippet_outer" style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;"> 信息 ————————> 信息</span></code><code style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box; overflow-wrap: break-word !important; text-align: left; font-size: 14px; white-space: pre; display: flex; position: relative; font-family: Consolas, "Liberation Mono", Menlo, Courier, monospace;"><span class="code-snippet_outer" style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box; overflow-wrap: break-word !important;"> 资源 ————————> 资源</span></code></pre></section></pre>

但是！事实并非如此。很多情况下，我们用计算机中的「信息」，仿真现实世界中的「资源」。

<pre style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; color: rgb(51, 51, 51); font-size: 17px; font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: 0.544px; orphans: 2; text-align: justify; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; background-color: rgb(255, 255, 255); text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;"><section class="code-snippetfix code-snippetjs" style="margin: 10px 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; font-size: 14px; color: rgb(51, 51, 51); position: relative; background-color: rgba(0, 0, 0, 0.03); border: 1px solid rgb(240, 240, 240); border-radius: 2px; display: flex; line-height: 26px;"><ul class="code-snippetline-index code-snippetjs" style="margin: 0px; padding: 1em; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; counter-reset: line 0; flex-shrink: 0; height: 132px; list-style-type: none;"><li style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; list-style-type: none; text-align: right;"></li><li style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; list-style-type: none; text-align: right;"></li><li style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; list-style-type: none; text-align: right;"></li><li style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; list-style-type: none; text-align: right;"></li></ul><pre class="code-snippet__js" data-lang="php" style="margin: 0px; padding: 1em 1em 1em 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; overflow-x: auto; white-space: normal; -webkit-box-flex: 1; flex: 1 1 0%;"><code style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; text-align: left; font-size: 14px; white-space: pre; display: flex; position: relative; font-family: Consolas, "Liberation Mono", Menlo, Courier, monospace;"><span class="code-snippet_outer" style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;"> 现实世界 计算机世界</span></code><code style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; text-align: left; font-size: 14px; white-space: pre; display: flex; position: relative; font-family: Consolas, "Liberation Mono", Menlo, Courier, monospace;"><span class="code-snippet_outer" style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;"> 信息 ————————> 信息</span></code><code style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; text-align: left; font-size: 14px; white-space: pre; display: flex; position: relative; font-family: Consolas, "Liberation Mono", Menlo, Courier, monospace;"><span class="code-snippet_outer" style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;"> ↑</span></code><code style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; text-align: left; font-size: 14px; white-space: pre; display: flex; position: relative; font-family: Consolas, "Liberation Mono", Menlo, Courier, monospace;"><span class="code-snippet_outer" style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;"> 资源 ———————————+</span></code></pre></section></pre>

例如，我们希望在游戏里的「屠龙宝刀」是一种数量有限的资源，实际上它是可以复制的数据，只不过游戏厂商用代码限制了它的复制。

相对于「映射」，「仿真」设计会带来很多不可控的因素。例如厂商说游戏里只能有十把屠龙宝刀，但是玩家通过特殊的方式可能造成第十一把的出现。

4 UTXO 模型与 Account 模型的映射与仿真

那么 UTXO 模型与 Account 模型，哪个是「映射」，哪个是「仿真」呢？

答案很有意思：

• Account 模型是对纸质账本的「映射」，对物理货币系统的仿真****
• UTXO 模型是直接对物理货币系统的仿真

记账模型在很久很久以前就出现了，因此在设计一个计算机记账系统时，自然而然会想到将传统的纸质记账映射到计算机记账中。

但是 —— 传统的纸质记账并非是物理货币系统的映射，而是仿真。

<pre style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; color: rgb(51, 51, 51); font-size: 17px; font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: 0.544px; orphans: 2; text-align: justify; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; background-color: rgb(255, 255, 255); text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;"><section class="code-snippetfix code-snippetjs" style="margin: 10px 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; font-size: 14px; color: rgb(51, 51, 51); position: relative; background-color: rgba(0, 0, 0, 0.03); border: 1px solid rgb(240, 240, 240); border-radius: 2px; display: flex; line-height: 26px;"><ul class="code-snippetline-index code-snippetjs" style="margin: 0px; padding: 1em; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; counter-reset: line 0; flex-shrink: 0; height: 80px; list-style-type: none;"><li style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; list-style-type: none; text-align: right;"></li><li style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; list-style-type: none; text-align: right;"></li></ul><pre class="code-snippet__js" data-lang="" style="margin: 0px; padding: 1em 1em 1em 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; overflow-x: auto; white-space: normal; -webkit-box-flex: 1; flex: 1 1 0%;"><code style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box; overflow-wrap: break-word !important; text-align: left; font-size: 14px; white-space: pre; display: flex; position: relative; font-family: Consolas, "Liberation Mono", Menlo, Courier, monospace;"><span class="code-snippet_outer" style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box; overflow-wrap: break-word !important;"> 仿真 映射</span></code><code style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; text-align: left; font-size: 14px; white-space: pre; display: flex; position: relative; font-family: Consolas, "Liberation Mono", Menlo, Courier, monospace;"><span class="code-snippet_outer" style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">物理货币系统 ——————> 传统纸质记账 ——————> Account 模型</span></code></pre></section></pre>

然后，钱币在物理货币中是「资源」，但在传统记账系统中就变成了「信息」，投射到 Account 模型中，自然还是信息。

<pre style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; color: rgb(51, 51, 51); font-size: 17px; font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: 0.544px; orphans: 2; text-align: justify; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; background-color: rgb(255, 255, 255); text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;"><section class="code-snippetfix code-snippetjs" style="margin: 10px 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; font-size: 14px; color: rgb(51, 51, 51); position: relative; background-color: rgba(0, 0, 0, 0.03); border: 1px solid rgb(240, 240, 240); border-radius: 2px; display: flex; line-height: 26px;"><ul class="code-snippetline-index code-snippetjs" style="margin: 0px; padding: 1em; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; counter-reset: line 0; flex-shrink: 0; height: 106px; list-style-type: none;"><li style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; list-style-type: none; text-align: right;"></li><li style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; list-style-type: none; text-align: right;"></li><li style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; list-style-type: none; text-align: right;"></li></ul><pre class="code-snippet__js" data-lang="" style="margin: 0px; padding: 1em 1em 1em 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; overflow-x: auto; white-space: normal; -webkit-box-flex: 1; flex: 1 1 0%;"><code style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box; overflow-wrap: break-word !important; text-align: left; font-size: 14px; white-space: pre; display: flex; position: relative; font-family: Consolas, "Liberation Mono", Menlo, Courier, monospace;"><span class="code-snippet_outer" style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box; overflow-wrap: break-word !important;"> 仿真 映射</span></code><code style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; text-align: left; font-size: 14px; white-space: pre; display: flex; position: relative; font-family: Consolas, "Liberation Mono", Menlo, Courier, monospace;"><span class="code-snippet_outer" style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">物理货币系统 ——————> 传统纸质记账 ——————> Account 模型</span></code><code style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; text-align: left; font-size: 14px; white-space: pre; display: flex; position: relative; font-family: Consolas, "Liberation Mono", Menlo, Courier, monospace;"><span class="code-snippet_outer" style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;"> 资源 —————> 信息 —————> 信息</span></code></pre></section></pre>

带来不可控因素的实际是「物理货币系统」到「记账系统」的仿真过程。因此我们可以看到，在手工记账年代会出现很多的纰漏与错误。后来有了计算机记账系统，这些纰漏与错误由于计算机的强大而被弥补，但新的系统构建的过程依然非常艰难与成本高昂——我们现在见到的银行的「计算机记账系统」是几十年不断摸索的产物。

所以，比特币诞生的时候，中本聪决定换种思路 —— 直接做物理货币系统的映射：

<pre style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; color: rgb(51, 51, 51); font-size: 17px; font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: 0.544px; orphans: 2; text-align: justify; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; background-color: rgb(255, 255, 255); text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;"><section class="code-snippetfix code-snippetjs" style="margin: 10px 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; font-size: 14px; color: rgb(51, 51, 51); position: relative; background-color: rgba(0, 0, 0, 0.03); border: 1px solid rgb(240, 240, 240); border-radius: 2px; display: flex; line-height: 26px;"><ul class="code-snippetline-index code-snippetjs" style="margin: 0px; padding: 1em; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; counter-reset: line 0; flex-shrink: 0; height: 106px; list-style-type: none;"><li style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; list-style-type: none; text-align: right;"></li><li style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; list-style-type: none; text-align: right;"></li><li style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; list-style-type: none; text-align: right;"></li></ul><pre class="code-snippet__js" data-lang="" style="margin: 0px; padding: 1em 1em 1em 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; overflow-x: auto; white-space: normal; -webkit-box-flex: 1; flex: 1 1 0%;"><code style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box; overflow-wrap: break-word !important; text-align: left; font-size: 14px; white-space: pre; display: flex; position: relative; font-family: Consolas, "Liberation Mono", Menlo, Courier, monospace;"><span class="code-snippet_outer" style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box; overflow-wrap: break-word !important;"> 映射</span></code><code style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; text-align: left; font-size: 14px; white-space: pre; display: flex; position: relative; font-family: Consolas, "Liberation Mono", Menlo, Courier, monospace;"><span class="code-snippet_outer" style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">物理货币系统 ——————> UTXO 模型</span></code><code style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; text-align: left; font-size: 14px; white-space: pre; display: flex; position: relative; font-family: Consolas, "Liberation Mono", Menlo, Courier, monospace;"><span class="code-snippet_outer" style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 1000%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;"> 资源 —————> 资源</span></code></pre></section></pre>

我把一块钱给小明，小明给小张，在 Account 模型里，是三人账户金额的加加减减；在 UTXO 模型中，则是这枚硬币在三个地址间发生转移的过程。

数据库没有账户，只有每一枚货币的转移旅程。

5 小结

笔者的意思并非 UTXO 模型比 Account 模型更优，而是这两种模型来源于不同的角度。把握了这个本质性的区别，接下来我们便会更好地理解两种模型的差异，以及这两种模型分别适合哪些业务场景。