摘要：在这篇文章中，BitMEX 的受资助人 Calvin Kim 解释了为什么在 UTXO 下，区块被验证的顺序并不重要。这是因为磁盘空间的节省使 UTXO 快照成为现实，这反过来又使比特币区块链的验证得以平行进行。Calvin 继续解释说，人们可以通过验证累积器证明来检查传入的交易是否有效，摆脱了访问 UTXO 集的需求。这使得 Utreexo 节点可以消除磁盘访问要求，以换取更多的哈希运算，这可能是一个很好的权衡。Calvin 随后讨论了 Utreexo 如何改变我们对区块验证的思考方式。
在另一篇文章中，我们展示了 Bitcoin Core v21.0.0 和我们带有 Utreexo 累加器 的节点之间的区块链验证速度差异的基准测试。我们能够做到这一点，因为 Utreexo 累加器允许对区块进行并行验证。
其总体思路与 assumeUTXO 式的异步验证相似。然而，通过 Utreexo 累加器，我们可以用几百个字节来表示 UTXO 集，允许我们直接在二进制中硬编码许多 UTXO 集的表示。只要所有这些硬编码集都得到验证，块的验证顺序并不重要，这允许我们同时验证多个块。Utreexo 累加器还取代了磁盘访问，用于更多的 SHA256 哈希处理，从而消除如果没有磁盘出现的写入／输出瓶颈问题。
用 Utreexo 累加器验证单笔交易
Utreexo 累加器是对 Merkle Trees 的一种修改。它的界面有四个动作：添加、删除、证明和验证。您可以从 Utreexo 累加器 中添加和删除元素。您可以生成一个累加器证明，向用户证明一个元素的存在。然后，另一个用户能够验证这样一个累加器证明。所有这些动作都可以只用所有默克尔树的根来完成，我们称之为 Utreexo 根。欲了解更多信息，请查看 Utreexo 的原始论文。
对于使用 Utreexo 累加器的比特币节点，我们不需要保留 UTXO 集。相反，我们可以只保留 Utreexo 的根，因为这是唯一的要求。任何想要花费 UTXO 的人必须向我们提供两样东西。首先，他们必须提供一个累加器证明，这是哈希到 Utreexo 根所需要的所有元素。第二，他们必须提供 UTXO 数据来证明他们能够花费 UTXO （主要是数字签名）。我们称这些信息为 Utreexo 证明。
上述树中哈希 0-0 的 Utreexo 证明将是：哈希 0-0，哈希 0-1，哈希 1。为了验证这个证明，我们做如下工作：
- 将 Hash 0-0 和 Hash 0-1 放入 SHA256 中，得到 Hash 0
- 将哈希 0（我们计算出来的）和哈希 1 放入 SHA256 中，得到根值。
- 检查计算出的根值是否与我们存储的根值相符。如果不匹配，则 Utreexo 证明是错误的，我们拒绝该交易。
- 检查所有的 UTXO 数据。如果有任何数据是无效的，则 Utreexo 证明是错误的，我们拒绝该交易。
如何用 Utreexo 累加器验证单一区块？
要用 Utreexo 累加器验证一个单块，以下是所需的数据:
- 区块本身的数据。
- 所有正在花费在区块中的 UTXO 的 Utreexo 证明。
- UTXO 集的根。
我们从我们的同行那里收到区块的数据。不同的是，我们也会收到我们收到的区块的 Utreexo 证明。一个区块的有效性取决于（在其他共识规则中）该区块中所有交易的有效性。
Utreexo 节点的单笔交易的有效性取决于 Utreexo 证明的有效性，该证明由两部分组成。
- 累加器证明的有效性。
- 数字签名的有效性，证明您拥有 UTXO（或 UTXOs）。
请注意：（1）是不同的。在当前的比特币节点中，您不得不检查 UTXO 是否存在于您的 UTXO 集中，这需要访问磁盘。有了 Utreexo 节点，您只需验证累加器证明，并确保它是有效的，这需要 SHA256 哈希处理。需要注意的关键是，用 Utreexo 累加器，我们可以用 SHA256 哈希处理法代替磁盘访问。
Utreexo 累加器 消除了磁盘访问，以便在交易验证期间进行更多的 SHA256 哈希处理。
这种权衡是非常好的，因为 SHA256 可以非常快。相比之下，磁盘访问时间很慢（即使是最快的 NVMe 固态硬盘，也不会快多少）。
转变我们对区块验证的思考方式
许多人认为区块链是储存所有可供花费的代币的地方。然而，这并不完全准确。验证一个新区块或交易所需的信息存储在 UTXO 集。事实上，我们已经有一个比特币全节点模式，称为修剪节点，删除旧的、不需要的区块数据。
相反，块只是一个改变 UTXO 集的函数。每个区块都包含许多 UTXO 的所有权变化信息。所有过去的区块都是为了达到 UTXO 集的最新状态而需要的全部所有权的改变。当我们在验证一个块时，我们真正要做的是确保 UTXO 集的状态转换是有效的。
如果一个比特币区块是 UTXO 集的单一状态转换，那么一个区块链就是 UTXO 集的多个状态转换。下面是比特币区块链的表现形式，如果我们把区块链看成是一系列 UTXO 集的修改。
为什么我们需要按顺序验证所有的区块？
我们需要从区块 0 开始，逐一验证所有区块的原因是，在区块 500 的交易可以参考在区块 499 创建的 UTXO。如果我们没有在区块 499 修改发生后 UTXO 集的状态，那么我们就有可能把有效的交易标记为无效，并从比特币网络中分叉出去。
例如：如果爱丽丝给了鲍勃 50 个比特币，并且该交易被包含在区块 499 中，鲍勃将不得不参考在区块 499 修改后的 UTXO 集。如果我们的 UTXO 集没有在区块 499 修改过，那么我们就会错误的说，这 50 个比特币仍然属于爱丽丝，而不是鲍勃。当鲍勃花掉他的 50 个比特币时，其他人会说鲍勃的交易是有效的，而我们会说它不是。这将导致我们被从比特币网络中分叉出去。
失序块验证的总体思路
我们知道，一个完整的节点必须从一开始就逐一验证所有的块。那么，我们是如何做到失序块验证的呢？对于失序块验证，我们可以简单地提供验证一个块所需的 UTXO 集。这就是假设 UTXO 异步验证背后的想法。
让我们看看一个简单的失序区块验证的例子，我们正在验证 1-300,000 区块。
我们对高度为 100,000 和 200,000 的 UTXO 集进行硬编码。由于我们知道高度为 100,000 和 200,000 的 UTXO 集是什么，我们可以分别验证 1-100,000；100,000-200,000；以及 200,000-300,000 的区块范围。当所有三个范围都验证完毕后，我们将有三个计算出的 UTXO 集：一个在 100,000 的区块；一个在 200,000 的区块；一个在 300,000 的区块。
然后我们将 100,000 区块的硬编码 UTXO 集与 100,000 区块的计算 UTXO 集进行比较。如果它们相等，那么硬编码的 UTXO 集就被证实是正确的。我们对 200,000 区块的 UTXO 集做同样的处理。如果它们也相等，那么我们就知道，在第 300,000 区块修改后的最新 UTXO 集一定是正确的。有了这个概念，我们就可以为一个失序块验证。
如果我们对每个区块的所有 UTXO 集进行硬编码，我们就能够以任何给定的顺序在任何高度验证任何区块。
区块验证功能可以简化成这样：
开始 UTXO 集和结束 UTXO 集是块高度为 n 和 n+1 的 UTXO 集。区块数据是我们要验证的高度为 n 的区块的数据。规则是该区块高度的必要连锁规则。新的规则是通过软分叉引入的，所以它们也必须包含在这个函数中。规则包括：Segwit 规则是否被激活，Taproot 规则是否被激活，等等。
对 Utreexo 累加器的需求
在这种类型的区块验证中，需要 Utreexo 累加器 的原因有两个：
- Utreexo 很小。
- Utreexo 消除了磁盘访问。
- Utreexo 很小
失序区块下载理论上是可以做到的，不需要 Utreexo 累加器。然而，由于 UTXO 集的大小超过 4GB，它实际上是不可行的，因为您需要提供大量的 UTXO 集来验证整个区块链。为了验证链上的每个区块，人们需要 8GB 的数据。这很快就会增加（100 个区块需要 800GB），并使其无法硬编码到二进制中。
有了 Utreexo 累加器，这就变得可行了，因为我们可以用几百个字节表示 UTXO 集。这里有一个 json 中实际硬编码的 Utreexo Roots 的例子。
然后，我们可以修改区块验证函数，用 Utreexo 累加器代替。区块验证函数将看起来像这样：
开始 Utreexo 根 和结束 Utreexo 根 等同于高度为 n 和 n+1 的 UTXO 集。添加 Utreexo 证明是为了能够验证块数据。
2. Utreexo 消除了磁盘访问，以获得更多的 SHA256 哈希值
有了 Utreexo 累加器，我们就能解决块径问题。然而，这并不是 Utreexo 累加器 解决的唯一问题。Utreexo 累加器为更多的 SHA256 散列消除了磁盘访问。这一点极为重要，因为如果没有 Utreexo 累加器，您就会成为磁盘写入／输出的瓶颈。
有了 UTXO 集，交易验证将取决于从磁盘上获取所需的 UTXO。这将是一个微小的随机磁盘访问，我们知道，微小的随机磁盘访问并不快。对于一个区块验证，有许多微小的随机磁盘访问。对于一个并行的区块验证，这些微小的随机磁盘访问的数量将急剧上升，没有任何固态硬盘能够跟上这种需求。
Utreexo 在交易验证期间消除了磁盘访问，以获得更多的 SHA256 哈希值。由于一个区块是一个交易的集合，Utreexo 在区块验证过程中也消除了磁盘访问以获得更多的 SHA256 哈希处理。因此，验证一个区块基本上变成了计算 SHA256 哈希值（包括检查其他共识规则）。区块链只是一系列的区块，所以验证整个区块链不需要磁盘访问，而是需要更多的 SHA256 哈希处理。因此，IBD 过程将导致大量的 SHA256 哈希值被计算。这没关系，因为我们知道如何极快地计算 SHA256 哈希值。
由于这些原因，Utreexo 累加器在平行区块链验证中是必不可少的。Utreexo 累加器同时解决了两个大问题，使平行区块链验证得以完成。
总结
随着时间的推移，区块链中需要验证的数据量会增加。关键是要用软件优化来抵消需要验证的数据的增加，以保持作为进入壁垒的 IBD 最小化。有了 Utreexo 累加器，我们就能做到这一点。随着 Utreexo 累加器的更多优化有待探索，我对未来的研究和 Utreexo 累加器对比特币生态系统的潜力感到非常兴奋。您可以在 github.com/mit-dci/utreexo 加入我们的行动。