什么是比特币灰尘 UTXO

工作量证明机制将比特币牢固地锚定在物理世界中，并使其遵守热力学定律。 矿工消耗的能源确保了区块链的安全，但这种有用的工作伴随着熵和废热的增加。 如果比特币区块链是一个引擎，那么除尘 UTXO 将是它排放的废热的一部分。 正如没有引擎是完美高效的，比特币永远不会停止制造尘土飞扬的 UTXO。

而我们要做的就是提高比特币引擎的效率。

原作者是金​​融服务公司 Unha.Capital 的物理学家和联合创始人 Dhruv Bansal。 以下为译文：

长话短说：我们调查了 dust 的历史和未来：比特币容器 (UTXO) 花费的费用超过了它们持有的费用。

区块链的粉尘量是由当前的 UTXO 集合和交易手续费市场决定的。 在手续费高峰期（2017年12月）比特币UTXO，比特币区块链中25%-50%的UTXO可能被灰尘占据！ 同时，这些灰尘 UTXO 中包含的 BTC 数量非常少：2017 年底价值约为数千万美元，但现在已降至数十万美元。 因此，取决于你如何衡量灰尘 UTXO，这要么是一个大问题，要么是一个微不足道的问题。 无论哪种方式，我们都讨论了最小化新的灰尘 UTXO 和清理现有灰尘 UTXO 的可能解决方案。

什么是灰尘 UTXO，它们来自哪里？

比特币使用一种称为未花费交易输出（UTXO）的会计结构。 任何比特币交易的输出都是新的 UTXO，输入是该交易消耗的现有 UTXO。 在比特币区块链中，BTC 总是“存储”在这样的 UTXO 中。

该图显示了构建钱包以发送 0.5BTC 交易的两种可能方式。 第一笔交易消耗了两个UTXO，所以手续费较高。 第二笔交易只消耗一个 UTXO，因此更便宜，但产生的找零输出非常低。 钱包软件必须平衡这些权衡，这是一个难题。

当钱包构建交易时，它必须决定使用哪个 UTXO 作为输入。

这听起来很简单，但它确实是一个很难优化的问题。

Jameson Lopp 定义了钱包软件作者必须追求的三个同时存在且相互冲突的目标：

通过在钱包中保留许多 UTXO 来支持高交易量；

通过不确定性和屏蔽输出变化来保护隐私。

· 尽量减少现在和以后的交易费用；

“显然，这个问题没有‘一刀切’的解决方案，事实上，上面概述的三个广泛的优化目标往往是直接对立的。” - 詹姆森洛普

此外，钱包软件通常是通用的，这意味着它由许多不同类型的用户共享。 钱包作者不知道特定用户未来计划进行什么交易，也不知道交易费用市场将如何发展。

这意味着钱包无能为力，有时它们会产生低价值的灰尘 UTXO。 钱包中的 UTXO 管理是一个困难的优化问题，没有全局最优解。 这是灰尘的最终来源。

Dust UTXO 是如何形成的？

直观上，余额低的UTXO很可能是dust。 下图显示了 UTXO 余额随时间的分布：

UTXO 余额随时间变化的分布图。 较冷的颜色（蓝色和绿色）代表低余额 UTXO，而较暖的颜色（橙色和红色）代表高余额 UTXO。 我们选择绘制的百分位数突出了分布的下端和上端。 UTXO 余额的范围很大：在分布的上端有包含数千 BTC 的 UTXO，而在下端有包含少于 100 聪的 UTXO（相差 11-12 个数量级！）

该图确实证实了存在大量低余额 UTXO，但我们能否更准确地定义这些低余额 UTXO 中哪些是灰尘 UTXO？

在交易中使用 UTXO 需要引用 UTXO（通过提供创建 UTXO 的交易 ID 以及它在该交易中作为输出出现的顺序），并使用所需的密钥对其进行签名。 所有这些都需要一定数量的字节来表示，矿工必须得到交易费用的补偿。

交易从其输入的 UTXO 中扣除交易费用。 这通常不是问题比特币UTXO，因为交易费用通常小于他们花费的所有 UTXO 余额的总和。 但是，如果 UTXO 的余额非常低，或者交易费用非常高，或者 UTXO 花费了很多字节，那么最终输出的 UTXO 可能花费比它包含的更多的钱。

我们将 UTXO 的价值密度定义为其余额除以花费它所需的字节数。

UTXO 的价值密度衡量的是每个字节所需的 BTC 数量。

根据这个定义，将 UTXO 分类为灰尘 UTXO 需要比较两件事：

· 目前矿工接受的最低手续费；

· UTXO价值密度；

两个数量的单位都是聪/字节，所以可以直接比较：如果UTXO的价值密度小于矿工当前接受的最低交易手续费，则当前UTXO为dust UTXO。 随着交易费用市场的变化（通常是波动的），UTXO 可能会跌破“尘线”，然后升至“尘线”之上。

花费一个 UTXO 需要多少字节？

将 UTXO 分类为灰尘需要知道花费了多少字节，但这个数字没有明确定义：平均而言，花费 UTXO 所需的字节数随着单个交易中 UTXO 花费的越多而减少，因为它们都可以共享标头或隔离见证 (segwit) 信息。

无论如何，如果 UTXO 是交易中的单个输入，我们至少可以任意选择并询问需要多少字节才能花费 UTXO。

答案取决于 UTXO 地址的类型。 下表总结了这种关系：

地址类型与在该地址花费 UTXO 所需的字节数之间的关系。 该表来自Pérez-Solà、Delgado-Segura、Navarro-Arribas、Herrera-Joancomart的表3

上表对于 P2PK 和 P2PKH 等“简单”地址类型具有一定的大小。 但是对于 P2SH 地址，无法先验地计算出从该地址花费 UTXO 需要多少字节。 只有在交易中显示该地址的赎回脚本后，才能知道从该地址花费了多少字节。

尽管如此，大多数 P2SH 地址都是具有可预测结构的多重签名地址。 此外，我们可以从区块链历史的开销中推断出许多 P2SH 地址：

根据历史数据估计每个给定地址类型花费 UTXO 所需的字节数。 该表来自Pérez-Solà、Delgado-Segura、Navarro-Arribas、Herrera-Joancomart的表6

鉴于 UTXO 在不同地址类型中的分布，我们可以使用上表中的估计值来计算在任何时候花费一个 UTXO 所需的平均字节数。 下表总结了数据：

比特币 UTXO 集相对于地址类型的分布图，黑线显示了当时使用平均 UTXO 所需字节数的最佳估计值。 今天的地址主导地位已经从 P2PK 转移到 P2PKH 和 P2SH。

根据上图，我们估计花费平均 UTXO 的开销为 172 字节。

注意：这个数字对于结构计算来说太高了。 在比特币历史的大部分时间里，不仅花费一个 UTXO 所需的平均字节数低于 172 字节，而且通过智能交易批处理，这个估计可以显着减少。

比特币区块链中有多少尘封的 UTXO？

给定比特币历史上任何区块的 UTXO 集，以及用于花费 UTXO 的 172 字节的估计值，我们可以通过将每个 UTXO 的余额除以花费 UTXO 所需的字节数来构建 UTXO 价值密度分布：

色带表示图例中每个百分位数的值密度。 黑色虚线代表一段时间内的平均费用，黑色实线代表最低费用。 价值密度低于最低手续费的UTXO不能使用，价值密度低于平均手续费的UTXO更难使用。 该图假设花费任何给定 UTXO 所需的平均字节数为 172。

这张图和之前的 UTXO 余额分布图非常相似，只是根据每个 UTXO 需要的字节数（172）调整了大小。 这个新分配的单位是聪/字节，所以我们可以直接将它与该块（黑线）的费用市场进行比较，这不能单独使用 UTXO 余额来完成。

这张图代表什么？

有很多灰尘UTXO！

在 2017 年底的高费用市场中，15%–20% 的 UTXO 的价值密度低于 50-60 聪/字节的最低费用，这使它们几乎无法使用。 40%-50%的 UTXO 价值密度低于 600-700 聪/字节的平均费用，这使得他们很难花费。 这里有很多灰尘UTXO！

到 2018 年，比特币手续费市场急剧降温。 今天，10%-15%的UTXO价值密度仍然低于20-30聪/字节的平均费用，3%-5%的UTXO价值密度低于1-2聪/字节的最低费用。 虽然灰尘UTXO少了很多，但还是很多。

这些灰尘 UTXO 毫无价值！

我们换个角度来看：很多UTXO可能被归类为dust UTXO，但是这些dust UTXO总共包含多少个比特币呢？ 虽然数量很多，但根据定义，它们的余额很低，因此总的来说它们加起来并不多。 下图显示了低价值密度 UTXO 中包含的比特币百分比：

彩色条显示给定价值密度的 UTXO 持有的比特币比例。 由于大部分比特币包含在高价值密度 UTXO 中，因此仅显示低价值密度 UTXO（这些可能是灰尘）的能带。 放大过去几个月，可以看到最近低价值密度 UTXO 的减少。 该图假设花费任何给定的 UTXO 平均需要 172 个字节。

虽然有很多价值密度较低的 UTXO，但从上图可以看出，尘封的 UTXO 中积累的比特币很少。 按价值计算，所有比特币中只有 0.01-0.02% 是尘埃，即使在收费高峰期也是如此。 以比特币当时2250亿美元的总市值计算，dust UTXO的价值约为2500万至5000万美元。

而且今天市场上的平均费用比 2017 年底低得多。按照今天的费用计算，比特币网络中只有 0.0005% 是灰尘 UTXO。 在比特币市值跌至650亿美元的今天，这意味着全网仅存价值30万美元的尘封UTXO！

这意味着被困在比特币网络中的尘埃 UTXO 的价值已经从 2017 年底的 5000 万美元缩水到今天的 30 万美元。

注意：这些数字太高了。 通过智能交易批处理，我们可以有效地减少花费一个 UTXO 所需的平均字节数，从而减少我们对灰尘 UTXO 的数量和价值的估计。

我们可以减少灰尘 UTXO 吗？

比特币是一个无领导者的系统，这使得很难设计出一种自上而下的方法来清除现有的 UTXO 并减少未来的灰尘。 相反，我们必须依靠对行业用户、矿工和企业的激励。 这样的激励措施存在吗？

兑换等业务

是的，它们存在。 虽然价格和费用市场的暴跌是减少粉尘量的主要原因，但在 2018 年，交易所等大型参与者，尤其是 Coinbase，采取了积极的粉尘减少措施。 下图直接显示了这些有效措施的影响：

整个市场正在缓慢（HODLs）或快速（反弹）增加粉尘量。 单个参与者可以显着增加（2015 年的“压力测试”）或减少（2018 年的 Coinbase）灰尘量。 但粉尘交易的产生从未停止过，请关注近期新增的粉尘交易以及正在进行的清理工作。

像 Coinbase 这样的公司已经制造了大量的尘埃 UTXO，而且他们使用区块空间的效率很低，因为他们没有充分地批量处理客户的交易。 由于像 Coinbase 这样的主要交易所在 2017 年牛市期间会非常受欢迎，这种行为影响了比特币网络的其余部分，许多人的抱怨是正确的。

当费用市场在 2018 年初回落时，Coinbase 既有动力也有能力减少他们现有的粉尘足迹和未来的粉尘产生。 批量交易节省了交易成本，也减少了尘埃UTXO的产生。 Antoine Le Calvez 的优秀著作《当比特币的灰尘问题得到解决》分析了这种“UTXO 合并”排序活动。

比特币生态系统的其他成员是否有同样的动机来铸造尘埃 UTXO？

对于用户

用户不会直接受到灰尘 UTXO 的影响。 由于使用低效的钱包软件，用户可能会产生灰尘 UTXO，但很少有个人比特币用户会产生大量的灰尘 UTXO。

用户不喜欢高手续费，但 Dust UTXO 不会直接影响手续费市场。 低效的 UTXO 管理不仅会产生灰尘 UTXO，还会导致更多的小额交易，这是费用增加的更大原因。 因此，用户只有适度的动机来铸造尘埃 UTXO。

即使他们没有力量，用户有能力限制灰尘吗？ 毕竟，正如 2017 年 UASF 运动所证明的那样，用户在加密货币方面非常有能力。 但是清除 UTXO 是一个普遍的问题，是公地悲剧，因此需要一些协调一致的解决方案。 用户将需要开发人员或交易所或矿工的帮助来清理他们身上的任何灰尘。

个人用户可能愿意“捐赠”他们的粉尘，而比特币确实为用户提供了捐赠粉尘的机制（例如，ALL|ANYONECANPAY 或 NONE|ANYONECANPAY 类型的签名）。 如果钱包支持，社区协调的公共春季大扫除可能是一种有趣的方式，可以为各种用户选择的慈善机构或受益于比特币生态系统的项目增加资金来源。

对于矿工

大多数矿工都忽略了灰尘。

矿池运营商需要管理 UTXO 集并处理其中包含的任何膨胀，但他们也可以自由地将低价值密度的尘埃 UTXO 从其内存池中删除。 反正没有用户愿意花钱！ 这将使清道夫矿池有机会捡起并尝试挖掘这些尘埃 UTXO，但这仍然需要用户采取行动来花费它们。 用户可能不会注意到或关心。

担心粉尘的独立矿工或矿池运营商可能会选择安排一个费用假期，在此期间，这些矿工将有意允许花费（仅）低价值密度 UTXO 的零费用交易，可能在春季大扫除期间完成。

这将允许用户清理他们的钱包，同时帮助矿工和节点运营商显着减少 UTXO 集的内存使用。

BetterHash 等提案分配了选择交易的能力，可能会鼓励更多个体矿工离开传统矿池（矿池运营商决定开采哪些区块）并构建自己的区块。 好吧，他们可能不得不处理/关心更多的灰尘。

理论上，矿工也可以拒绝处理产生灰尘 UTXO 的交易。

但他们真的愿意牺牲短期的手续费收入来长期防止扬尘吗？ 这似乎不太可能，因为矿池主导着挖矿，而且这些矿池并不特别担心灰尘。

对于全节点运营商

全节点运营者是那些备份区块链、中继和验证交易但不挖矿的人，他们对粉尘的产生也有一定的控制权。 bitcoind 软件中的 minRelayTxFee 参数允许节点运营商设置最小值密度，低于该值节点运营商将忽略/删除 UTXO（以及创建它们的交易）。 在一定程度上，这种设置阻止了价值密度极低的 UTXO 的产生，如果这种设置从未被实现，今天可能会有更多的灰尘。

但是，很少有节点操作员将配置设置调整到这种详细程度。 这是因为开发者对bitcoind软件的默认设置没有开启这个参数。

开发商

在许多方面，开发人员是最有能力限制粉尘产生的人。

开发人员编写钱包软件并编写相关文档。 他们在面临困难的优化问题时的权衡（和失败）是产生灰尘的根本原因。 新策略和最佳实践是减少未来粉尘产生的最佳方式。

开发人员定义默认节点设置，这些设置会渗透到全节点运营商、矿工和交易所。 这提供了对灰尘的群体免疫，过滤掉恶意或低效钱包中的灰尘。

通过草根活动（如 UASF），开发人员可以直接与用户和矿工合作，构建必要的社交软件来安排和运营春季大扫除活动和费用假期。

通过构建第二层网络，例如闪电网络，开发者甚至可以从根本上克服粉尘问题。

灰尘难免

但是，我们不能完全消除灰尘的产生。 尽管在 2017 年提高了粉尘意识并在 2018 年 3 月尝试清理它，但粉尘仍在继续产生：

1. 价值密度小于50聪/字节的UTXO呈锯齿曲线，持续生产后快速回调：这表明有人在积极制造灰尘，但至少有人也在清理它。

2、此外，价值密度小于100聪/字节（美元）的UTXO增加了10%。 这些 UTXO 今天已经不是尘埃，但如果手续费市场像 2017 年那样再次上涨，它们很快就会化为尘土。

灰尘的产生是比特币固有的低效率的结果。

灰尘只影响比特币吗？

并非所有区块链都使用 UTXO 模型。 例如，以太坊使用账户模型。

1.通过不同的交易将以太币存入一个地址会混在一起；

2. 交易费用由广播交易的地址支付，而不是以太币被转出的地址；

这两种差异都大大减少了灰尘的产生，但并没有完全消除它。

以太坊开发人员还担心灰尘及其可能在以太坊区块链上造成的膨胀。

灰尘的产生似乎是各种区块链普遍存在的低效率问题。

区块链热力学？

Dust UTXO 与普通 UTXO 的区别在于实用性。 尘埃 UTXO 中的 1 聪不如普通 UTXO 中等量的 1 聪有用。 但它们在其他方面是相同的。

矿工押注保护比特币区块链的计算能力既保护了尘土飞扬的 UTXO，也保护了更有用的 UTXO。 这使得满是灰尘的 UTXO 中的 satoshis（比特币单位）显得更加无用，这看起来像是在浪费能源吗？

“能源浪费”可能是比特币的一个敏感问题。 一些人对工作量证明为确保比特币交易安全所花费的能量感到遗憾。 如果知道大量的安保工作不用，他们的反对不是会更强烈吗？

比特币安全性有多节能？

比特币有能源效率的概念吗？ 是指使用算力保护有用经济资产的效率？ 可以简单地将比特币矿工视为空间加热器来定义比特币矿工的能效，但是对于整个比特币网络，是否有更有趣的、区块链级别的能效定义？ 而这个定义会不会因为灰尘的存在，导致比特币的效率变得比人们想象的还要低？

物理学与经济学

关于能源效率的问题可以用热力学来表述，因此可以用物理工具来回答。

近几十年来，物理学家多次尝试使用他们的工具来模拟经济系统。 有时，这些尝试因其简单性和应用范围而美丽：例如，数十亿是由 Black-Scholes 方程派生的模型控制的，该方程通过类比热通过物理物质的扩散来计算期权价格。

这些（“生态物理学”）领域的其他尝试感觉像是被两个母学科拒绝的奇怪、孤立的嵌合体。

区块链是否适合物理学家进行定量分析和理论模型的学科？ 考虑：

1. 比特币，虽然它的市场仍然很小（而且正在缩小！），但现在已经 10 岁了，它已经足够大，可以显示关于用户数量、投资、价格、数量和价值模型的各种有趣的事实；

2. 区块链也是分布式账本，以伪匿名的方式记录自己的数据，但有足够的结构来准确分析大规模行为；

3. 最有趣的是，通过使用大量的能量，比特币被锚定在物理世界中。 这为物理学家思考区块链的热力学提供了基础。

区块链代表了一个前所未有的机会，可以将经济学和物理学的见解结合起来。

区块链作为热机

这些属性的组合表明，我们可能更认真地对待“清除 UTXO 是一种能源浪费”这样的随意说法：事实上，UTXO 更确切地说是在“浪费”能源，因为它们对任何人都没有用。 做有用的“工作”。 这降低了我们寻求衡量的效率。

物理学家定义了一个简单的框架来理解有用的热量、功和熵与机械发动机的效率之间的关系：经典热力学理论。

一个热力学方程式，就像这个方程式，将输入能量和发动机所做的功与发动机内部能量的变化及其产生的熵量联系起来。 这个特定的等式只是暗示性的，尚不清楚这些术语如何用于区块链。

没有任何经典引擎是完美的，提取有用功总是伴随着熵的增加，通常表现为系统中的余热：

分布在反应室中的空气和燃料分子之间的焦耳能量比发动机热排气中分子间随机振动中存在的相同焦耳能量更有用。 发动机的效率是指发动机避免产生废热的程度，效率越高，机械功越有用。

Dust UTXO 是无用的，但它们是安全的，就像发动机产生的废热是无用的，但无论如何都会产生。

正如工程师设计出巧妙的系统来避免余热并迅速释放一样，区块链工程师正在开发更智能的钱包软件，区块链公司正在“冷却”自己的灰尘以努力提高区块链性能。 连锁效率。 公司先清理高值密度粉尘，再清理低值密度粉尘，Antoine Le Calvez 在他的文章中也提到了这一点。