从Java角度看区块链实践系列2：数字货币到通证经济与账户模型

在现实世界中，我们每个人对于自己的资产的管理方式，往往是将其存入银行中，银行对每一位账户分配一个账户。账户里面可以存储不同的货币，比如：人民币、美元、英镑、泰铢等等等等，那么在数字货币的世界，又是怎么管理自己的“钱”的呢？

在区块链世界中，目前主要分两种账户模型，UTXO账户模型和Account账户模型，UTXO账户模型于Bitcoin首次出现（没错就是大名鼎鼎的比特币），Account首次出现于被称为区块链2.0的Ethereum（以太坊），之后被广泛应用于多个公链，代表性的有柚子币（EOS）、瑞波币（Ripple）、波场（TRX）等等。

这里还需要提到超零币的Account-UTXO混合账户模型。

在讲解区块链账户模型之前，我们先来了解一下数字货币和虚拟货币。

数字货币和虚拟货币

我们先理解这么几个概念：

货币：本质上是一种所有者与市场关于交换权的契约，根本上是所有者相互之间的约定。

法定货币：是指不代表实质商品或货物，发行者亦没有将货币兑现为实物义务；只依靠政府的法令使其成为合法通货的货币。

 

然后，我们再来区分数字货币和虚拟货币：

数字货币，是以数字形式存在的代替货币，是能够给在真实世界存在的一种货币，不同于虚拟货币，它的价值是被肯定的，可用于真实的商品交易，比如比特币、莱特币、泰达币。数字货币应用了区块链等最新数字网络技术的数字货币，具有分布式记账、独特加密技术、去中心化结算等特点。

数字货币又可以细分为央行数字货币和加密货币。只不过，目前没有任何政府的央行表示过要发行数字货币。加密货币又可以被细分为数字货币和数字资产。

虚拟货币，维基这样定义道，虚拟货币是在虚拟空间中特定社群内可以购买商品和服务的货币。如百度公司的百度币、腾讯公司的Q币，Q点、盛大公司的点券等等都属于虚拟货币，正如其名，这类货只能用于在虚拟世界的交易，不具备法偿性和强制性等货币属性，同时也不具有与货币等同的法律地位，公民投资和交易虚拟货币不受法律保护。

 

我想大家一定会有一个疑问，数字货币和支付宝、微信有什么区别么？

加密货币，比如比特币更像是数字化的黄金，具有价值储存、支付、转移的功能，它是由比特币网络发行的，没有第三方机构，不收任何机构国家的监管限制和制约（这也是央行限制任何数字货币直接进行交易的原因之一）。

央行数字货币（DCEP），是一种由央行发布的具有国家信用背书，受央行试试监管的数字货币，它与真实存在的法定货币是1:1锚定的，具备法币的所有功能，同时DCEP也是基于区块链技术实现。DCEP是在初期对微信和支付宝的支付功能具有一定削弱作用，形成三足鼎立，长期发展后，理论上央行的DCEP是有取代微信和支付宝的可能性的。

微信和支付宝：微信和支付宝支付是一种第三方支付产品，是由第三方机构提供的一种支付服务，严格意义上，里面的资产（钱），不是数字化的法币，只是你银行账户里的资产的映射，实际的结算和转移还是发生在银行，仍然受银行的监管。而DCEP不论是转账还是结算，都是直接操作的你的个人账户。

最后，我们了解一下数字资产和数字货币的区别，以及Token的定义。

数字资产：数字资产是指企业拥有或控制的，以电子数据的形式存在的，在日常活动中持有以备出售或处在生产过程中的非货币性资产。数字资产与数字货币的区别在于，数字货币有可能取代有形货币，而数字资产只是经济体的一部分。

数字资产所产生的的数字金融我们称为数字金融，国内又称为通证和通证经济，含义上差不多。

数字资产目前已经展现出其强大的生命力，相信最终数字资产会像互联网一样席卷全球。

Token：是数字资产最直接的表现方式，Token的生态结构具有自发和原生性，大致可以分成这几种类型。一种是基础设施生态，一种是金融性生态，还有种是商业纯质应用升天，这三种生态都非常有潜力。

数字资产的宏观分类

基础设施型Token：基础设施一般是指公链的权益代币，这类Token典型的有以太坊的以太币ETH、EOS、NEO等，能过支持发行Token的公链都是具有较高潜在价值的公链。另外，基础设施型Token本省也具备数字货币的功能。

金融Token：有点接近整卷，只能在流动性高的地方产生，如数字货币交易所，承兑平台。这类Token典型的有Tether、bitCNY等锚定型数字货币，以及平台币，如火币HT、OK的OKB、币安BNB。这类Token的典型特点是在为原生数字资产创造流动性，是数字金融发展的必然结果。

商业垂直生态型Token：

这类Token探索的人不多，例如游戏链、明星类，往往是某个商业生态形成的一类Token，而不是单指某个Token。但由于单干一个链太过于垂直，会面临被以太坊收割的风险，所以在前面两个类型的Token成熟之前，这类Token并不会大规模流行。

三种Token的依赖关系是，金融型和商业垂直生态型都依赖于基础设施型Token；流动性方面，基础设施型 > 金融型 > 商业垂直生态型；种类数量分布方面，商业垂直生态型 > 金融型 > 基础设施型。

数字资产根据属性分类，可以分为普通Token、价值型Token，篇幅有限，有兴趣的小伙伴可以去了解一下哦~

Account账户模型

相较于UTXO模型，Account更加符合我们的认知。Account普通账户模型类似于银行，假设在两个不同银行支付系统中分别有张三、李四两个账户，张三账户有100 ETH，现在要装给李四10 ETH，由于是两个系统，操作过程是这样的：

1、检查张三账户余额是否大于100 ETH；

2、从张三账户扣除10 ETH，然后再发送一笔转账消息给李四账户；

3、李四账户收到转账消息，余额加10 ETH。

可以看出，无论是张三还是李四账户，对于转账这个操作而言，都只是余额状态的变更，并且其中余额与账户是一一绑定的，这种设计我们就把它叫做Account账户模型。

通常，Account账户模型都是基于分布式状态机的设计。

如果把以太坊看成是一个状态机，状态变更的过程是共识的过程，交易（转账）则是发生状态迁移的原因，也就是说，交易总是以修改状态为目的的。以太坊中包含了非常多的状态，账户余额就是其中的一个：

张三与李四账户余额状态机的变更

 

由于共识机制，节点（服务器）提交的交易不会立刻生效，所以张三给李四转账这笔交易也不会立即生效，着这里则体现为需要可信任的中心化第三方（银行）来确认这笔交易的正确性，关于共识机制我们再后续会进行详细介绍。

同时，交易只是事件的本身，不会包含结果，交易的公式和状态的共识本质上也是可以隔离的。

Account模型优点

1、存储空间，与UTXO模型相比空间消耗较低，因为它值记录最终状态；

2、易用性，与UTXO模型比较，账户模型更容易理解，可编程性好。例如：UTXO交易前需要配合高效的算法组装合适的交易UTXO，以降低手续费；

3、可编程性/智能合约适配性，我们可以发现，大多数支持合约的公链，都是Account账户。这是因为UTXO模型在状态保存以及可编程性缺陷造成的，而Account模型状态机的概念，可以比较容易的实现图灵完备的智能合约。

Account模型缺点

1、重放攻击问题，由于Account模型交易之间没有依赖性，需要解决重放攻击问题；

2、扩展性较差，对于实现闪电网络/雷电网络、等离子网络，则需要更加复杂的Proof证明机制，子链向主链进行状态迁移需要更加复杂的协议（闪电网络、等离子网络我们后续拓展章节详细介绍）。

nonce解决重放攻击问题以及交易所怎么维护nonce

以太坊要求每笔交易必须有一个nonce数值。每个账户从同一节点发送交易是，nonce值从0开始递增，每发送一笔交易nonce+1。只有当前面的nonce处理完成后后面的才会处理后面的nonce。若nonce过小，就交易则会被解决，若nonce过大则会一直处于等待状态。

为了避免eth_getTransactionCount的网络消耗，交易所在处理ETH交易时，常常需要在本地为每一账户维护一个nonce，并且需要保证对nonce的操作是原子的，若同一个nonce值出现两次，则会导致交易失败。

UTXO账户模型

UTXO全称“Unspent Transaction Outputs”，未花费的交易输出的意思。在UTXO模型中，账户的余额由一组“UTXO”组成，这样，每个UTXO都有一个所有者和一个值，每一个交易都将花费一个或多个UTXO（我们将这些花费称作“交易输入”），并创建一个或多个新的UTXO（我们将这些UTXO称作“交易输出”，输出包括接收账户和找零两部分），输入UTXO需遵循以下规则：

1、每个交易所引用的输入（input）UTXO必须有效且尚未花费掉；

2、交易必须机油与每个输入的所有者匹配的签名；

3、输入UTXO的总值必须等于或超过输出（output）的总值。

，张三在UTXO模型的比特币钱包，有一个50 BTC的UTXO、一个60 BTC的UTXO，共110BTC余额，他先后向李四转账15 BTC和10 BTC，之后李四又向王五转账20 BTC，我们以TX表示交易，input表示输入（也称之为“已花费的UTXO”），output表示输出（也称之为“未花费的UTXO”），转账过程如下：

从以上流程中可以开出，UTXO账户模型中是不存在余额概念的，只有UTXO概念，也就是说如果你想要知道张三的余额，你就需要追溯其所有有关交易，统计所有未花费的UTXO。

例如上诉例子例子中：

张三的余额 = 35BCT（output 3）+ 50BTC（output 5）= 85 BTC

李四的余额 = 5 BTC（output 6），由于output 2、output 4在之后交易被花费掉，故不算在内。

王五的余额 = 20 BTC（output 7）

实际应用中，钱包会在本地维护一个数据库——UTXO集。为了维护这个数据库，钱包必须监视区块链网络，添加新创建的UTXO，并在交易未确认之前，将交易中已花费的UTXO移除。这是一个复杂的过程，钱包不但要试试的跟踪交易在网络上的传播，同时还需要保持与区块网络的公式，确保是与正确的公链连接的。

所以，你在区块浏览器上看到的仅仅是账户余额，但它为此却做了非常复杂耗时的统计工作。

比特币区块浏览器上某个地址的余额信息

UTXO模型优点

1、优秀的并发能力，交易如果没有体积限制，一笔交易可以包含任意笔输入输出，同时没有次序要求。BTC按体积收取手续费，并且为了防止粉尘攻击，对单笔UTXO的数量也有做限制（最小0.00000546）；

2、私密性强，通过交易记录追溯交易的账户，是比较困难的；

3、天然防重放攻击，并且对匿名交易有良好的支持。大多数支持匿名交易的公链项目都采取UTXO账户模型，比如达世币（Dash）的混币机制、Dfinity币（DFN）的群签名技术、门罗币（XMR）的环签名技术等（此部分内容我们将在匿名性研究部分详细论述）。

UTXO模型缺点

1、在状态保存以及可编程性缺陷方面的缺陷导致，应用UTXO模型的公链将难以实现图灵完备的智能合约；

2、存储问题，UTXO模型只能在交易中保存状态，而Account模型状态保存在节点中（MPT存储技术）；

3、获取账户余额复杂，不过钱包节点隐藏了底层实现细节，通过API可以比较容易的获取到账户余额，但是当节点同步数据过慢是，仍有不准确可能。

Account-UTXO混合账户模型（超零币）

混合账户模型由超零币首次提出并应用。“超零币是全球首个支持图灵完备智能合约的匿名性区块链系统”，从它的自我介绍中我们就可以得知其野心，既要智能合约，同时不抛弃匿名交易。

我们知道，Account支持智能合约，UTXO支持匿名性交易，那如何将两者何在一起呢？

我想已经有部分读者想到了，没错就是你想的这样。

超零币提供了这两种账户模型资产的转换机制，在除智能合约以外的模块，应用UTXO账户模型，对于合约资产则使用Account模型。通过交易、共识、以及Pedersen Commitment算法，将这两种模式无缝的整合到一起，使智能合约能发挥令人惊讶的能力。

由于涉及相关知识比较多，我们再这里只对混合账户模型做简单的介绍。我们在介绍完匿名交易以及Token通证资产的原理后，再回过头叙说一下超零币混合账户模型的原理。

总结

总结一下今天的内容，首先我们论述了不同的几种货币之间的区别，以及区块链部分经济学知识。对于账户模型，大致分为三类，Account模型、UTXO模型以及混合账户模型，每一种模型的提出都意味着一个成功的公链项目的诞生。区块链是加密数学的近十几年研究的成果，涉及经济学、金融管理、加密数学等等，涉及的知识十分广泛。

在此，将我所了解的所有知识，先给所有和我一样对区块链抱有极大期望的人士！

参考文献：

UTXO和Account模型对比

UTXO和普通账户模型

以太坊设计原理

零知识证明的混合账户模型——超零币