Модель UTXO

Зачем это блокчейну?

В традиционном банке у вас есть баланс на счёте. Вы видите число: “10 000 руб.” Банк хранит это число в своей базе данных и обновляет его при каждой операции.

В Bitcoin баланса не существует. Вместо этого ваш кошелёк хранит набор неизрасходованных выходов (Unspent Transaction Outputs, UTXO). Каждая транзакция потребляет старые UTXO и создаёт новые. Это фундаментальное архитектурное решение, которое обеспечивает параллельную валидацию, приватность и простоту проверки.

# Баланс в Bitcoin -- это НЕ число в базе данных.
# Это сумма всех UTXO, которые вы можете потратить:

my_utxos = [
    {"txid": "a1b2c3...", "vout": 0, "amount": 0.5},
    {"txid": "d4e5f6...", "vout": 1, "amount": 0.3},
    {"txid": "789abc...", "vout": 0, "amount": 1.2},
]

balance = sum(u["amount"] for u in my_utxos)
print(f"Баланс = {balance} BTC")  # 2.0 BTC

# Нет никакого поля "balance" -- только UTXO

Интуитивное объяснение: купюры в кошельке

Представьте, что UTXO — это купюры в физическом кошельке. У вас есть купюра в 500 руб. и купюра в 300 руб. Чтобы заплатить 600 руб.:

1. Вы отдаёте обе купюры (500 + 300 = 800)
2. Вы получаете сдачу 200 руб. новой купюрой
3. Старые купюры больше не существуют

Точно так же работает Bitcoin:

• Входы (inputs): UTXO, которые вы тратите (старые “купюры”)
• Выходы (outputs): новые UTXO, которые создаются (новые “купюры”)
• Комиссия (fee): разница между входами и выходами — уходит майнеру

Поток UTXO

Пройдите пошагово через процесс создания транзакции:

Формула комиссии

Это самое важное правило Bitcoin-транзакций:

fee = sum(inputs) - sum(outputs)

В транзакции нет явного поля “fee”. Комиссия — это просто разница между суммой входов и суммой выходов. Если вы забудете создать выход для сдачи, вся разница уйдёт майнеру как комиссия.

# ОПАСНО: забыли сдачу
inputs_total = 1.0   # BTC
output_bob = 0.3     # BTC
# fee = 1.0 - 0.3 = 0.7 BTC -- ПОТЕРЯ!

# ПРАВИЛЬНО:
inputs_total = 1.0       # BTC
output_bob = 0.3         # BTC
output_change = 0.6999   # BTC (сдача)
fee = inputs_total - output_bob - output_change  # 0.0001 BTC

Множество UTXO

Каждый полный узел Bitcoin поддерживает UTXO Set — глобальное множество всех неизрасходованных выходов. На момент 2024 года это ~100 миллионов записей.

Зачем узлам UTXO Set?

Когда узел получает новую транзакцию, он должен быстро проверить:

1. Существуют ли указанные UTXO? (не потрачены ли уже?)
2. Может ли отправитель их потратить? (правильная подпись?)

UTXO Set — это по сути key-value хранилище, где ключ = (txid, vout), значение = (amount, scriptPubKey). Bitcoin Core хранит его в LevelDB для быстрого доступа.

# Структура UTXO Set (концептуально):
utxo_set = {
    ("a1b2c3...", 0): {"amount": 0.5, "scriptPubKey": "OP_0 <hash>"},
    ("a1b2c3...", 1): {"amount": 0.3, "scriptPubKey": "OP_0 <hash>"},
    # ... ~100 миллионов записей
}

# Проверка транзакции:
def validate_input(txid, vout, signature):
    if (txid, vout) not in utxo_set:
        raise ValueError("UTXO not found or already spent!")  # Double-spend!
    utxo = utxo_set[(txid, vout)]
    if not verify_script(signature, utxo["scriptPubKey"]):
        raise ValueError("Invalid signature!")  # Нет права тратить
    return utxo["amount"]

Сдача и приватность

Адреса сдачи — важный элемент приватности Bitcoin. Почему сдача идёт на новый адрес, а не на исходный?

HD-кошельки и адреса

Современные кошельки (BIP 32/44/84) автоматически генерируют новый адрес для каждой операции сдачи. Это затрудняет анализ цепочки транзакций:

# HD-кошелёк (Hierarchical Deterministic):
# m/84'/0'/0'/0/0 -- первый адрес для получения
# m/84'/0'/0'/0/1 -- второй адрес для получения
# m/84'/0'/0'/1/0 -- первый адрес сдачи
# m/84'/0'/0'/1/1 -- второй адрес сдачи

# Наблюдатель видит:
# Input: 1 BTC (адрес A)
# Output 1: 0.3 BTC (адрес B)  -- кому?
# Output 2: 0.6999 BTC (адрес C)  -- кому?
# Без дополнительной информации невозможно определить,
# какой из выходов -- оплата, а какой -- сдача.

Coinbase транзакция

Первая транзакция в каждом блоке — особенная. Она называется coinbase и создаёт новые биткоины:

• Нет входов — новые монеты “из ниоткуда” (эмиссия)
• Выход = block reward + сумма комиссий всех транзакций в блоке
• Block reward начался с 50 BTC и halving каждые 210 000 блоков:
  • 2009: 50 BTC
  • 2012: 25 BTC
  • 2016: 12.5 BTC
  • 2020: 6.25 BTC
  • 2024: 3.125 BTC

# Coinbase transaction -- единственная транзакция без входов:
coinbase_tx = {
    "inputs": [{
        "txid": "0000...0000",  # Нулевой txid (нет предыдущей транзакции)
        "vout": 0xffffffff,     # Специальный маркер
        "coinbase": "блок #840000",  # Произвольные данные (до 100 байт)
    }],
    "outputs": [{
        "amount": 3.125 + 0.5,  # Block reward + fees
        "scriptPubKey": "OP_1 <miner_pubkey>",  # P2TR адрес майнера
    }],
}

# Coinbase UTXO нельзя тратить 100 блоков (правило зрелости)

Алгоритмический уровень

Работаем с UTXO программно через python-bitcoinlib:

from bitcoin import SelectParams
from bitcoin.rpc import Proxy
from bitcoin.core import b2lx, lx, COIN

SelectParams('regtest')
rpc = Proxy(service_url='http://student:learn@localhost:18443')

# Получаем список UTXO
utxos = rpc.call('listunspent')
print(f"Найдено UTXO: {len(utxos)}")

for u in utxos[:5]:
    # Обратите внимание на endianness:
    # rpc возвращает txid в display format (big-endian)
    # lx() конвертирует display -> internal (little-endian)
    print(f"  txid: {u['txid'][:16]}... vout: {u['vout']} "
          f"amount: {u['amount']} BTC "
          f"addr: {u['address'][:20]}...")

# Вычисляем баланс из UTXO (не getbalance!)
balance_from_utxo = sum(u['amount'] for u in utxos)
balance_rpc = float(rpc.call('getbalance'))
print(f"\nБаланс из UTXO: {balance_from_utxo} BTC")
print(f"Баланс из RPC:  {balance_rpc} BTC")
print(f"Совпадают: {abs(balance_from_utxo - balance_rpc) < 1e-8}")

Математический уровень

Формально модель UTXO можно описать так:

Определение. UTXO — это кортеж (txid, vout, scriptPubKey, amount), где:

• txid — 256-битный хеш транзакции, создавшей этот выход
• vout — индекс выхода в транзакции (0, 1, 2, …)
• scriptPubKey — условие траты (Script)
• amount — количество сатоши (1 BTC = 10^8 сатоши)

Определение. Транзакция T — это функция:

T: {UTXO_1, ..., UTXO_m} -> {UTXO'_1, ..., UTXO'_n}

с ограничениями:

1. Все входные UTXO должны существовать в UTXO Set
2. Для каждого входа предоставлена валидная подпись (scriptSig/witness)
3. sum(inputs) >= sum(outputs) (разница = комиссия)
4. sum(inputs) - sum(outputs) >= 0 (комиссия неотрицательна)

Инвариант UTXO Set:

UTXO_Set(block_n+1) = UTXO_Set(block_n) - spent(block_n+1) + created(block_n+1)

Каждый блок удаляет потраченные UTXO и добавляет новые. UTXO Set — это “снимок” текущего состояния всех монет.

Практика

Закрепите модель UTXO на практике:

1. Bash-лаб (секции 1-4 в lab-01-transactions.sh):

   • Просмотр UTXO через listunspent
   • Отправка транзакции через sendtoaddress
   • Ручное создание raw transaction

2. Python notebook (10-bitcoin-transactions.ipynb):

   • Подключение к regtest через python-bitcoinlib
   • Парсинг raw transaction
   • Вычисление баланса из UTXO

# Быстрый старт:
docker exec bitcoin-regtest bash /scripts/lab-01-transactions.sh

Что дальше?

В следующем уроке мы изучим структуру блока: 80 байт заголовка, которые связывают блоки в цепочку, и как дерево Меркла из Phase 2 используется для фиксации набора транзакций.