比特币技术简史 第五章：交易机制 - UTXO模型、脚本系统与多重签名

第五章：交易机制 - UTXO模型、脚本系统与多重签名

比特币交易：数字价值的舞蹈

欢迎来到第五章！如果说区块链是比特币的骨架，那么交易就是比特币的血液，它们在这个数字经济体中流动，携带着价值从一个参与者流向另一个参与者。

在这一章中，我们将深入探索比特币交易的内部机制：从独特的UTXO模型，到灵活的脚本系统，再到创新的多重签名技术。我们将揭示这些看似复杂的概念背后的优雅设计，以及它们如何共同构建一个安全、灵活且去中心化的价值传输系统。

准备好了吗？让我们开始探索比特币交易的奇妙世界！

UTXO模型：比特币的独特账本系统

什么是UTXO？

UTXO是"未花费的交易输出"（Unspent Transaction Output）的缩写。在比特币系统中，你的"余额"不是像银行账户那样存储为一个单一的数字，而是由一系列UTXO组成的。

想象一下，如果传统货币是纸钞和硬币，那么UTXO就相当于你钱包里的各种面额的钞票和硬币。当你支付时，你不是从一个账户余额中扣除金额，而是使用这些"钞票和硬币"（UTXO）来支付，并可能收到"找零"（新的UTXO）。

UTXO模型的工作原理

在UTXO模型中，每个比特币交易都有输入和输出：

1. 交易输入：引用之前交易中的未花费输出（UTXO），并提供解锁这些UTXO所需的签名或其他证明。

2. 交易输出：创建新的UTXO，指定这些UTXO的价值和锁定条件（通常是接收者的公钥哈希）。

每个交易必须满足以下条件：

• 所有输入必须是有效的未花费输出（UTXO）
• 输入的总价值必须大于或等于输出的总价值
• 输入价值减去输出价值的差额是交易费用，支付给将交易包含在区块中的矿工

UTXO模型的例子

让我们通过一个简单的例子来理解UTXO模型：

假设Alice有两个UTXO：一个价值5 BTC，另一个价值3 BTC。她想给Bob发送7 BTC。交易将如下构建：

输入：

• Alice的5 BTC UTXO
• Alice的3 BTC UTXO
  （总输入：8 BTC）

输出：

• 给Bob的7 BTC UTXO
• 给Alice的0.99 BTC UTXO（找零）
  （总输出：7.99 BTC）

交易费用：8 BTC - 7.99 BTC = 0.01 BTC

在这个交易之后，Alice原来的两个UTXO被"花费"（消耗），不再是有效的UTXO。同时，创建了两个新的UTXO：一个属于Bob（7 BTC），一个是Alice的找零（0.99 BTC）。

UTXO模型的特点

UTXO模型有几个重要特点：

1. 无状态验证：验证交易只需检查引用的UTXO是否存在且未被花费，不需要了解账户历史。

2. 隐私优势：UTXO模型使得追踪资金流动变得更加困难，特别是当用户每次交易都使用新地址时。

3. 并行处理：不同UTXO的交易可以并行验证，提高了系统效率。

4. 防止双重支付：一旦UTXO被花费，它就不能再次使用，这自然地防止了双重支付。

5. 确定性交易费用：交易费用是输入和输出之间的差额，在创建交易时就已确定。

UTXO集合

比特币节点维护一个称为"UTXO集合"的数据结构，其中包含网络中所有未花费的交易输出。这个集合对于快速验证新交易至关重要，因为节点可以立即检查交易输入是否引用了有效的UTXO。

随着比特币网络的发展，UTXO集合的大小也在增长。截至2023年，UTXO集合的大小约为几GB，这是全节点需要维护的关键状态数据之一。

比特币脚本：交易的编程语言

什么是比特币脚本？

比特币脚本是一种简单的、基于堆栈的编程语言，用于定义比特币交易中的锁定和解锁条件。它不是图灵完备的（即不能执行任意复杂的计算），这是有意为之，以限制复杂性和潜在的安全风险。

每个比特币交易输出都包含一个"锁定脚本"（scriptPubKey），指定了花费这个输出所需满足的条件。相应地，花费这个输出的交易输入必须提供一个"解锁脚本"（scriptSig），满足锁定脚本中的条件。

脚本执行模型

比特币脚本使用一个简单的堆栈执行模型：

1. 首先执行解锁脚本（scriptSig），将结果推入堆栈。
2. 然后执行锁定脚本（scriptPubKey）。
3. 如果执行完成后堆栈顶部的值为TRUE，则交易有效；否则无效。

这个过程可以想象为一个谜题和解答的配对：解锁脚本提供解答，锁定脚本验证解答是否正确。

常见的脚本类型

比特币支持多种脚本类型，最常见的包括：

1. P2PKH（Pay to Public Key Hash）：
   最常见的交易类型，将比特币发送到与特定公钥对应的地址。

   锁定脚本：OP_DUP OP_HASH160 <PubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG
   解锁脚本：<Signature> <PublicKey>

2. P2SH（Pay to Script Hash）：
   允许发送比特币到复杂脚本的哈希，简化了复杂交易类型的使用。

   锁定脚本：OP_HASH160 <ScriptHash> OP_EQUAL
   解锁脚本：<Inputs> <RedeemScript>

3. P2WPKH（Pay to Witness Public Key Hash）：
   隔离见证版本的P2PKH，将签名数据移到交易的"见证"部分。

   锁定脚本：0 <PubKeyHash>
   见证：<Signature> <PublicKey>

4. P2WSH（Pay to Witness Script Hash）：
   隔离见证版本的P2SH。

   锁定脚本：0 <ScriptHash>
   见证：<Inputs> <RedeemScript>

5. Multisig（多重签名）：
   要求多个签名才能花费资金，我们将在后面详细讨论。

   锁定脚本：M <PubKey1> <PubKey2> ... <PubKeyN> N OP_CHECKMULTISIG
   解锁脚本：OP_0 <Signature1> <Signature2> ... <SignatureM>

多重签名：集体决策的力量

什么是多重签名？

多重签名（Multisignature，简称Multisig）是一种要求多个私钥签名才能授权交易的技术。它通常表示为"M-of-N"，意味着N个可能的签名者中需要至少M个签名才能花费资金。

想象一个需要多把钥匙才能打开的保险箱，多重签名就是这个概念的数字版本。例如，一个2-of-3多重签名设置意味着三个人各持有一把"钥匙"（私钥），但只需要其中任意两人同意就能"打开保险箱"（授权交易）。

多重签名的实现

在比特币中，多重签名可以通过以下两种主要方式实现：

1. 裸多重签名（Bare Multisig）：
   使用OP_CHECKMULTISIG操作码直接在脚本中实现。

   锁定脚本：M <PubKey1> <PubKey2> ... <PubKeyN> N OP_CHECKMULTISIG
   解锁脚本：OP_0 <Signature1> <Signature2> ... <SignatureM>

   （注：OP_0是为了解决OP_CHECKMULTISIG中的一个已知bug，它会多弹出一个堆栈项）

2. P2SH多重签名：
   更常用的方法，将多重签名脚本包装在P2SH中，使地址更短，交易费用更低。

   赎回脚本：M <PubKey1> <PubKey2> ... <PubKeyN> N OP_CHECKMULTISIG
   锁定脚本：OP_HASH160 <RedeemScriptHash> OP_EQUAL
   解锁脚本：<Signature1> <Signature2> ... <SignatureM> <RedeemScript>

多重签名的应用场景

多重签名技术在比特币生态系统中有广泛的应用：

1. 增强安全性：

   • 个人可以使用2-of-3设置，将私钥分散在不同设备或位置，防止单点故障。
   • 即使一个私钥被盗，攻击者也无法窃取资金。

2. 共享控制：

   • 商业伙伴可以设置2-of-2多重签名，确保双方同意才能花费共同资金。
   • 家庭成员可以共享资金，但要求多人同意才能使用。

3. 公司治理：

   • 公司可以使用3-of-5多重签名，要求董事会多数成员批准大额支出。
   • 不同部门（如财务、法务、执行）可以共同控制公司资金。

4. 托管服务：

   • 2-of-3多重签名可用于托管交易，其中买家、卖家和托管方各持有一个密钥。
   • 如果交易顺利，买家和卖家签名完成交易；如有争议，托管方可以与任一方合作解决。

5. 冷存储解决方案：

   • 交易所和机构可以使用多重签名将大部分资金存储在冷钱包中，要求多个高管批准大额提款。

多重签名的优势与挑战

优势：

1. 增强安全性：分散风险，防止单点故障。
2. 共享控制：确保资金使用需要多方同意。
3. 灵活配置：可以根据需求定制M-of-N方案。
4. 降低信任要求：不需要完全信任任何单一实体。

挑战：

1. 复杂性增加：设置和管理多重签名钱包比普通钱包更复杂。
2. 密钥管理：需要安全存储多个私钥，增加了管理负担。
3. 恢复困难：如果丢失了必要的私钥，资金可能永久无法访问。
4. 交易费用：多重签名交易通常比普通交易更大，因此费用更高。

多重签名钱包的实现

现代比特币钱包通常提供用户友好的多重签名功能，隐藏了底层脚本的复杂性。常见的实现方式包括：

1. 桌面钱包：如Electrum，提供直观的多重签名设置界面。
2. 硬件钱包：如Ledger和Trezor，支持与其他设备组合创建多重签名钱包。
3. 托管服务：一些公司提供托管的多重签名服务，简化了企业用户的采用。

本章总结

在本章中，我们深入探讨了比特币交易机制的核心组成部分：UTXO模型、脚本系统和多重签名技术。

UTXO模型为比特币提供了独特的账本系统，将"余额"表示为离散的未花费输出集合，而不是账户余额。这种设计带来了无状态验证、隐私优势和并行处理等好处。

比特币脚本系统虽然简单，但功能强大，支持各种交易类型和智能合约功能。从基本的P2PKH到复杂的多重签名，脚本系统为比特币提供了灵活性和可扩展性。

多重签名技术特别值得关注，它将集体决策引入比特币交易，为个人和企业提供了更高级别的安全性和控制能力。无论是用于个人钱包安全、企业资金管理还是托管服务，多重签名都展示了比特币协议的强大可编程性。

这些机制共同构成了比特币作为价值传输系统的基础，使其能够在没有中央权威的情况下安全、可靠地运行。在下一章中，我们将探讨比特币网络的其他关键方面，包括钱包技术、地址类型和隐私考虑。