UTXO Set

UTXO 集合是比特幣網路當前狀態的核心表示，包含所有未花費的交易輸出。 這個數據結構對節點性能至關重要，影響區塊驗證速度和記憶體使用。

UTXO 集合概述

什麼是 UTXO 集合？

定義:
- 所有未花費交易輸出的集合
- 代表「誰擁有多少比特幣」
- 驗證新交易的唯一必要數據

特點:
- 動態變化（每個區塊更新）
- 大小隨時間增長（但有粉塵限制）
- 必須完全正確（共識關鍵）

當前規模 (2024):
- 約 1.5 億個 UTXO
- 磁碟大小約 8-10 GB
- 記憶體中約 4-6 GB（帶索引）

數據結構

UTXO 記錄內容:

Key (鍵):
- 交易 ID (32 bytes)
- 輸出索引 (varint)

Value (值):
- 金額 (satoshis)
- scriptPubKey (鎖定腳本)
- 區塊高度 (coinbase 成熟度)
- 是否是 coinbase

結構示例:
{
  key: {
    txid: "abc123...",
    vout: 0
  },
  value: {
    amount: 100000000,  // 1 BTC
    scriptPubKey: "76a914...88ac",
    height: 800000,
    isCoinbase: false
  }
}

// 使用 LevelDB 存儲在磁碟
// 熱數據緩存在記憶體中

存儲位置

Bitcoin Core 數據目錄:

~/.bitcoin/
├── blocks/           # 區塊數據
├── chainstate/       # UTXO 集合 ← 這裡
│   ├── LOCK
│   ├── LOG
│   ├── CURRENT
│   ├── MANIFEST-*
│   └── *.ldb         # LevelDB 數據文件
└── ...

chainstate/ 目錄:
- LevelDB 格式
- 不能直接讀取
- 包含所有 UTXO
- 包含最佳區塊雜湊

查看大小:
du -sh ~/.bitcoin/chainstate/
# 約 8-10 GB

dbcache 配置

UTXO 緩存對性能至關重要:

默認配置:
dbcache=450  # 450 MB

推薦配置:
# 小型設備 (4GB RAM)
dbcache=300

# 普通桌面 (8GB RAM)
dbcache=1000

# 服務器 (16GB+ RAM)
dbcache=4000

# IBD 期間（初始同步）
dbcache=8000  # 或更多

性能影響:
- 更大緩存 = 更少磁碟 I/O
- IBD 速度可能提升 50%+
- 正常運行影響較小

設置方式:
# bitcoin.conf
dbcache=2000

UTXO 集合操作

區塊處理時的 UTXO 操作:

連接區塊 (Connect):
for tx in block.transactions:
    # 移除花費的 UTXO
    for input in tx.inputs:
        utxo_set.remove(input.prevout)

    # 添加新的 UTXO
    for i, output in enumerate(tx.outputs):
        utxo_set.add({
            txid: tx.txid,
            vout: i,
            amount: output.value,
            script: output.scriptPubKey
        })

斷開區塊 (Disconnect):
# 反向操作
for tx in reversed(block.transactions):
    # 移除新創建的 UTXO
    for i in range(len(tx.outputs)):
        utxo_set.remove({txid: tx.txid, vout: i})

    # 恢復被花費的 UTXO
    for input in tx.inputs:
        utxo_set.add(undo_data[input])

// undo 數據存儲在 rev*.dat 文件中

查詢 UTXO

# RPC 命令

# 查詢特定 UTXO
bitcoin-cli gettxout <txid> <vout>
{
  "bestblock": "000000000...",
  "confirmations": 1000,
  "value": 0.00100000,
  "scriptPubKey": {
    "asm": "OP_DUP OP_HASH160 ... OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG",
    "hex": "76a914...88ac",
    "address": "1A1zP1..."
  },
  "coinbase": false
}

# 查詢 UTXO 集合信息
bitcoin-cli gettxoutsetinfo
{
  "height": 850000,
  "bestblock": "000000000...",
  "txouts": 150000000,
  "bogosize": 11000000000,
  "hash_serialized_3": "...",
  "total_amount": 19500000.00000000
}

# 使用 scantxoutset 搜索
bitcoin-cli scantxoutset start '["addr(bc1q...)"]'

UTXO 增長管理

UTXO 膨脹問題:

原因:
- 每筆交易可能增加 UTXO
- 合併比創建少
- 粉塵輸出累積

緩解措施:
1. Dust 限制
   - 過小的輸出不被中繼
   - 減少無意義 UTXO

2. 費用結構
   - 創建 UTXO 消耗區塊空間
   - 經濟激勵合併 UTXO

3. 定期整合
   - 錢包可以合併小額 UTXO
   - 在低費率時操作

UTXO 集合大小歷史:
2013: ~1 百萬
2017: ~5 千萬
2021: ~8 千萬
2024: ~1.5 億

// 增長速度在減緩

AssumeUTXO

快速同步功能:

傳統 IBD:
1. 下載所有區塊
2. 重放每個交易
3. 構建 UTXO 集合
4. 需要數小時到數天

AssumeUTXO:
1. 下載預生成的 UTXO 快照
2. 驗證快照雜湊
3. 立即可用（分鐘級）
4. 後台驗證完整區塊鏈

使用方式:
# bitcoin.conf
assumeutxo=<hash>  # 或使用內建值

# 載入快照
bitcoin-cli loadtxoutset <path>

安全性:
- 快照雜湊硬編碼在代碼中
- 後台完成完整驗證
- 驗證完成前有輕微信任假設

UTXO 驗證

交易驗證流程:

def verify_transaction(tx, utxo_set):
    total_input = 0

    for input in tx.inputs:
        # 查找 UTXO
        utxo = utxo_set.get(input.prevout)
        if utxo is None:
            return False, "Missing input"

        # Coinbase 成熟度檢查
        if utxo.is_coinbase:
            if current_height - utxo.height < 100:
                return False, "Immature coinbase"

        # 驗證解鎖腳本
        if not verify_script(input.scriptSig, utxo.scriptPubKey):
            return False, "Script verification failed"

        total_input += utxo.amount

    total_output = sum(out.value for out in tx.outputs)

    # 檢查費用
    if total_input < total_output:
        return False, "Insufficient funds"

    return True, total_input - total_output  # 返回費用

性能優化

UTXO 相關性能優化:

1. 緩存層次
   - L1: 記憶體中的 CCoinsViewCache
   - L2: 記憶體中的 CCoinsViewDB cache
   - L3: 磁碟上的 LevelDB

2. 批量寫入
   - 不每次交易都寫磁碟
   - 區塊結束時批量刷新
   - 減少磁碟 I/O

3. 壓縮存儲
   - scriptPubKey 壓縮
   - varint 編碼
   - 減少存儲空間

4. 並行驗證
   - 腳本驗證可以並行
   - UTXO 查詢是瓶頸

// 調試性能
bitcoin-cli getmempoolinfo | jq '.usage'
bitcoin-cli getblockchaininfo | jq '.verificationprogress'

故障恢復

UTXO 集合損壞恢復:

症狀:
- 節點無法啟動
- 驗證錯誤
- 數據不一致

恢復選項:

1. Reindex (重新索引)
bitcoind -reindex
# 從區塊文件重建
# 需要數小時

2. Reindex-chainstate
bitcoind -reindex-chainstate
# 只重建 UTXO
# 較快但仍需要時間

3. 刪除並重新同步
rm -rf ~/.bitcoin/chainstate
bitcoind
# 完全重新同步

4. 使用 AssumeUTXO
# 快速恢復到最近狀態
# 然後後台驗證

預防:
- 正常關機 (bitcoin-cli stop)
- 避免硬體故障
- 定期檢查磁碟健康

監控 UTXO 狀態

# 監控命令

# UTXO 集合統計
bitcoin-cli gettxoutsetinfo
bitcoin-cli gettxoutsetinfo "muhash"  # 包含雜湊

# 記憶體使用
bitcoin-cli getmemoryinfo

# 數據庫信息
bitcoin-cli getblockchaininfo | jq '{
  blocks,
  headers,
  size_on_disk,
  pruned
}'

# 監控腳本
watch -n 60 'bitcoin-cli gettxoutsetinfo | jq "{txouts, total_amount}"'

相關概念

• UTXO：未花費交易輸出基礎
• Chain State：鏈狀態管理
• LevelDB：底層數據庫
• AssumeUTXO：快速同步功能
• DbCache：緩存配置
• CoinStatsIndex：UTXO 統計索引