區塊鏈金融應用場景的可延展性剖析

謝智勇（副教授）

一、引言

2008年10月，匿名為中本聰的作者在一個密碼論壇發表論文《Bitcoin：A Peer-to-Peer Electronic Cash System》，提出了區塊鏈的主要原理和機制設計[1]。2009年1月，第一個區塊鏈開源代碼正式發布，第一批50 枚比特幣被挖掘出來。在去中心化基礎架構與分布式處理范式基礎上建立的區塊鏈技術，具有可追溯、不可篡改、非對稱加密等特征，有效地解決了市場交易中的拜占庭將軍問題，能夠作為經濟和管理的可靠的工具和技術[2]。經過短短十年的發展，區塊鏈技術已經得到了政府、企業和資本市場的廣泛關注，以Bitcoin、Ethereum、Ripple 為代表的公有鏈，以Hyperledger fabric、CITA 為代表的聯盟鏈等區塊鏈應用快速發展起來。一枚比特幣曾經達到近兩萬美元的價值，以太坊市值最高超過了1000 億美元。相關數字貨幣市值的波動，說明各種區塊鏈應用還在不斷嘗試和完善的過程中。

在區塊鏈的發展進程中，個別過度投機行為造成的誤解在一定程度上掩蓋了其作為技術架構的潛在價值。曾經發展很快的ICO（Initial Coin Offering）成為區塊鏈發展過程中不恰當的誘因。國家互聯網金融安全技術專家委員會發布的《2017上半年國內ICO發展情況報告》的數據顯示，2017年1～7月，65個ICO 項目累計融資規模將近26 億元人民幣，與ICO 相關的各類風險逐漸暴露。基于區塊鏈工作量證明機制的算力競賽一度成為追求收益的熱點。工作量證明機制一般是要求計算一個無價值的散列值，需要消耗大量有價值的計算資源和能源，且較長的交易確認時間使其不太適合小額交易的商業應用[3]，影響共識機制作用的發揮。但是，區塊鏈的通證經濟功能（Token Economy）具有廣泛的借鑒意義。

2016年3月，高盛發布的研究報告《Blockchain：Putting Theory into Practice》，展示了區塊鏈在共享經濟、股票交易、再回購協議、杠桿貸款交易等方面應用的案例。曹淑艷等[4]對區塊鏈相關文獻的統計結果顯示，我國85.3%的區塊鏈研究集中在供應鏈金融、數字貨幣和互聯網金融三個領域，國外83%的區塊鏈研究面向金融系統的應用。區塊鏈金融應用中，網絡結構、共識機制和激勵機制是需要考慮的重要因素，經過多年的探索，已經發展出了多種技術路線和相應的機制設計，可以根據各類金融業務的具體要求，把區塊鏈的主要機制進行適當裁剪和組合，以適應不同層次的金融業務，有效實現區塊鏈金融應用場景的可延展性。

二、區塊鏈金融應用中網絡結構的可延展性

區塊鏈網絡層采用P2P 聯網方式，節點間通信過程不依賴中心化的第三方，每個節點具有相同地位，具備部分或全部的錢包、路由、區塊記錄和挖礦等功能[5]。各節點共同參與區塊鏈運行中的信息廣播、數據存儲、交易驗證等任務，具有去中心化、分布式、自治性和開放性等特點，即使部分節點遭受攻擊，也不會影響整個系統的穩定運行。但是，一般區塊鏈處理交易的速度比較慢，隨著節點數量的不斷增加和網絡規模的不斷擴大，區塊鏈系統中信息傳播的及時性可能會下降。一項對比特幣網絡的研究顯示，信息傳播時間隨著區塊大小呈線性增長趨勢[6]。相對金融業務的數據高并發要求，傳統的區塊鏈網絡結構制約性較大。例如，比特幣系統每秒僅能處理7 筆交易[7]，較快的區塊鏈處理交易速度能夠達到每秒數十筆。但是，相對于VISA每秒能處理2.4萬筆交易的能力，顯然不是同一個數量級。因此，區塊鏈金融應用需要突破的第一個瓶頸就是擴容，解決的思路可以從網絡結構的可延展性切入。

1.單鏈。不借助區塊鏈之外的信息單元，獨立實現數據傳輸、驗證和存儲功能的區塊鏈系統都可以稱為“單鏈”，例如比特幣、以太坊和萊特幣的主鏈。單鏈可以是基于一致性哈希表構建每個節點的路由表而形成的結構性單鏈[8]，也可以是節點之間的路由靠廣播的方式實現的無結構網絡。單鏈式的網絡結構，適用于對數據安全性要求高、交易活動頻率低的金融業務。

2.鏈下網絡。金融業務場景通常由一系列數據變化的記錄組成，數據處理過程具有持續性和高并發等特點，高速度和多數據處理能力是金融業務信息管理的重要條件。一些區塊鏈發展出鏈下網絡結構，提供互聯網級別的并發支持，以滿足包括各種交易分析、數據驗證、海量存儲等業務的需求。同時，通過鏈下網絡設計，能夠有效保護金融企業的數據資產，防止因區塊鏈數據公開性引起的數據資產價值外溢而影響金融企業參與的積極性。

3.側鏈。側鏈可以實現不同區塊鏈系統之間的鏈接，提供跨區塊鏈交易的解決方案，其運行建立在簡單支付驗證（Simplified Payment Verification，SPV）的基礎上。SPV 設計為動態成員多方簽名，發生在基于工作量證明的主鏈上，包括展示工作量證明的區塊頭和特定項輸出的密碼學證明。有了SPV機制，不需全節點運行就可以驗證支付信息，實現區塊鏈之間的數據資產轉移[9]。側鏈技術的出現，為不同金融機構之間的交易提供了更大的空間。

綜上，三種區塊鏈網絡結構的主要特征歸納如表1所示：

表1 區塊鏈網絡結構的主要特征

三、區塊鏈金融應用中共識機制的可延展性

區塊鏈的去中心化特征帶來了分布式一致性問題，計算機學科稱之為共識算法或者共識協議，而經濟學科稱之為共識機制或證明機制，重點解決分布式集群系統中各節點數據的匹配性和交易的一致性。區塊鏈中常用的共識機制包括工作量證明機制（Proof of Work，PoW）、權益證明機制（Proof of Stake，PoS）和授權股權證明機制（Delegated Proof of Stake，DPoS）。這些共識機制為金融業務的去中心化和弱中心化提供了多種可選項，從另一個層面體現了區塊鏈金融應用的可延展性。

1.工作量證明機制。對共識問題的研究最早可以追溯到Eisenberg、Gale[10]的論文。比特幣系統最早采用的工作量證明機制被認為是安全可靠的公有鏈共識算法，其基本原理是各個節點利用自身的計算資源，試算一個難度大但易驗證的數學難題，最快找到符合條件的隨機數的節點，以獲得下一區塊的記賬權并得到一定數量比特幣的激勵。這個過程被形象地稱為“挖礦”[11]。工作量證明機制可以吸引眾多節點參與，但也存在耗時長、能耗高的缺點，不能很好地適用于大部分金融業務場景。

2.權益證明機制。2011年7月，匿名為Quantum Me-chanic的作者在比特幣論壇提出了權益證明機制。2012年8月，Peercoin 區塊鏈系統正式采用權益證明機制。該機制的基本原理是要求節點依據所擁有的相應數字貨幣數量競爭區塊鏈的記賬權。為了防止由此帶來的記賬權的集中化，損害共識機制的公正性，不同區塊鏈系統在權益證明的基礎上，通過增加記賬權的隨機性來避免中心化。這種方式的優點是耗時短、能耗低，雖然存在信用基礎較弱的缺點，但是可以與傳統金融機構的信用擔保功能相互倚重，適用的金融業務更加廣泛。

3.授權股權證明機制。2013年8月，比特股（Bitshares）項目首先采用了授權股權證明機制。授權股權證明機制的原理類似于投票選舉董事會，區塊鏈中各節點將持有的股份權益作為選票投給某個愿意承接記賬任務的節點，獲得選票最多的特定數量節點進入“董事會”，在約定期限內輪流行使記賬權。授權股權證明機制有效地解決了工作量證明機制資源浪費和權益證明機制可能的節點參與積極性不高等問題，確認速度更快。在實踐中，為解決節點投票積極性不高的問題，還可以采用加密抽簽的形式選擇出“董事會”節點。

綜上，三種區塊鏈共識機制的主要特征歸納如表2所示：

表2 區塊鏈共識機制的主要特征

四、區塊鏈金融應用中激勵機制的可延展性

在區塊鏈應用中，激勵機制同樣居于核心地位。通證激勵對區塊鏈激勵機制的影響比較大，很多人把激勵機制等同于通證激勵，這種看法從邏輯上簡單否定了激勵機制的多樣性和可擴展性。從公鏈的角度來看，雙方在沒有任何信任的基礎上，激勵機制就是通證激勵，典型案例就是比特幣系統。但是，區塊鏈發展出了一個更廣義的激勵機制基礎——智能合約，將金融業務鏈條中的關系、流程放到智能合約里，由此會產生更多的激勵方式，如手續費激勵、保證金激勵。在智能合約里，可以根據數據和交易的貢獻，決定回報的形式和數量。更廣泛地，可以讓不同參與方的交易和創新能力通過智能合約實現，而不是用簡單的通證激勵來解決。

1.通證激勵。目前，大多數公鏈所采用的激勵方式是通證激勵，雖然有些區塊鏈在此基礎上做了一些改進，但本質并沒有改變。尤其是在我國，代幣的性質和流通都受到了很大的約束，通證激勵發揮作用的空間十分有限。區塊鏈金融應用中，采用通證激勵的可能性較小。

2.手續費激勵。比特幣系統沒有規定交易手續費的具體數額，該數額由交易數據和交易次數等因素決定。由于每個區塊的數據容量的限制，挖礦者會優先記錄手續費較高的交易。根據2017年比特幣交易數據統計，手續費的平均比例為0.5%～1.5%，從絕對數額來看，每筆交易的手續費從2017年初的約10美元上升到約100美元。以手續費作為激勵手段，與金融業務的交易標的性質相符，應用空間很大。

3.保證金激勵。區塊鏈金融應用中，采用許可區塊鏈形式的可能性更大。許可區塊鏈中存在高權限節點，目的是維護規則和控制權限[12]。很多許可區塊鏈的共識機制不以復雜算法為基礎，易受攻擊。在這種情況下，保證金機制可以發揮很大的作用，既能以負激勵的方式防止節點作惡，也能以正激勵的方式獎勵舉報作惡，并設計以保證金為基礎的記賬權獎勵規則。

綜上，三種區塊鏈激勵機制的主要特征歸納如表3所示：

表3 區塊鏈激勵機制的主要特征

五、區塊鏈金融應用的適用選擇

因為區塊鏈肇始于比特幣系統，很多人形成了區塊鏈單鏈式公鏈、工作量證明機制和代幣激勵的單一認識。但是，近年來區塊鏈發展迅速，隨著網絡結構、共識機制和激勵機制的多樣性發展，區塊鏈去中心化特征和金融信用中介特征具有了更多的契合點，大大提高了區塊鏈金融應用場景的可擴展性。

金融業作為實體經濟的工具和媒介中樞，市場主體多元、業務種類繁多、交易流程各異，因此，金融業務的信息化管理模式也需要不斷創新。美國區塊鏈科學研究所創始人Melanie Swan 認為，應該把區塊鏈視為與互聯網類似的事物，將其作為一種綜合的信息技術，其中包含多層面的應用[13]。區塊鏈的主要機制包括網絡結構、共識機制和激勵機制，每項都有多種選擇，可以實現區塊鏈的延展性應用，以適應多樣化金融業務的管理要求。具體內容如下圖所示。

基于區塊鏈的金融交易基礎架構圖

由于區塊鏈主要機制的可延展性，在裁剪和組合區塊鏈主要應用特性的基礎上，可以設計出適合不同金融業務的應用場景。下面列舉幾種可能的應用場景：

1.法定數字貨幣發行。金融機構，尤其是中央銀行，可以采用“公鏈式單鏈結構、權益證明機制、通證激勵”的模式，在一國甚至全世界范圍內發行法定數字貨幣。肇始于區塊鏈激勵機制的數字加密貨幣，已經表現出對國家貨幣主權的侵蝕和對法定貨幣秩序的沖擊，隨著區塊鏈的發展，未來每個人都有可能成為信用中心和價值中心，理論上每個人都可以基于信用成為發幣中心。鑒于目前的信用經濟條件，中央銀行需要將數字貨幣發行納入統一監管體系[14]。目前，基于區塊鏈發行法定數字貨幣，是很多中央銀行開始考慮的問題。另外，中央銀行還可以將區塊鏈技術作為一種貨幣政策工具，更好地發揮宏觀調控的作用。

2.支付清算。商業銀行可以采用“聯盟鏈式單鏈結構、授權股權證明機制、手續費激勵”的模式，建立全球范圍的支付清算系統。依據商業銀行的傳統支付清算流程，完成一筆交易需要經過央行、開戶行、代理行和對手行等多個環節，涉及多層信用擔保，耗時長、成本高。基于區塊鏈建立支付清算體系，充分發揮區塊鏈去中心化和自信任的特點，可以實現價值的數字化傳輸，提高跨區域支付清算效率。區塊鏈上支付清算信息的可追溯性，也為統計資金流向提供了便利，有利于解決交易糾紛并防范洗錢等違法行為的發生。

3.證券交易系統。投資銀行可以采用“聯盟鏈+鏈下網絡、授權股權證明機制、手續費+保證金激勵”的模式，基于區塊鏈技術建立證券交易系統。通過聯盟鏈整合不同交易所和證券公司交易數據，通過鏈下網絡處理高并發的證券交易。主鏈記錄交易信息摘要，交易主體選舉產生記賬節點，通過授權股權證明機制降低區塊的確認時間和成本，實現信息公開透明、交易可追溯，降低信息不對稱，使投資決策更加高效。早在2015年，美國Overstock 就基于區塊鏈技術開發了去中心化股票交易系統——美第奇項目（Medici Project），并且獲得了美國證券交易委員會（SEC）的批準。對于該項目，美國喬治城大學金融學教授James Angel 認為，使用一個類似于區塊鏈的公共總賬來管理證券或其他資產的前景是非常令人興奮的。

六、區塊鏈金融應用需要注意的問題

區塊鏈金融應用前景廣闊，需要協調好區塊鏈去中心化特征和傳統金融的信用中介功能，這同時也會帶來新的監管問題，需要在鼓勵創新和防范風險之間做好權衡，解決好區塊鏈金融發展中的問題。區塊鏈的主要特征是交易規則和交易信息的公開性，與此同時，又具有交易主體匿名性的特點，即交易主體實際身份和區塊鏈虛擬身份的非綁定性，隱私保護比較完備[15]，但也造成了金融監管的難題。

1.區塊鏈金融應用的監管問題。

（1）需要構建新的監管框架。隨著區塊鏈的發展，未來每個自然人理論上都可以成為信用中心，甚至是發幣主體。這就要求我們必須在傳統金融理論的基礎上，構建新的監管框架，以開放的心態，平等地對待各類主體，適應新的金融生態，建立新的監管理論，構建多主體共同參與的監管體系。

（2）需要正視變化的監管基礎。區塊鏈技術和區塊鏈信用經濟的發展，深刻地改變著金融監管基礎，引起了金融市場生產關系的微妙變化。例如，金融市場經濟資源的分散化、參與主體的多樣化、金融機構邊界的模糊化、資源價值的虛擬化等。金融監管需要正視金融市場微觀主體的新特點。

（3）需要構建科學的監管模式。隨著區塊鏈的發展，監管模式需要向智慧方向發展。培育自學習、自適應、自協調、自進化的監管模式，以適應基于區塊鏈不斷產生、發展、迭代的新型應用，在加強監管和鼓勵創新之間做好權衡。

2.區塊鏈金融應用對傳統金融機構的沖擊。

（1）區塊鏈的去中心化特點對傳統金融體系中介功能的沖擊。目前，傳統金融體系大多建立在一對多的中心模式上，交易系統主要基于第三方信用。區塊鏈發展帶來的一個主要變化就是去中心化，通過內在的共識機制和激勵機制，實現了交易信用和數據存儲的去中心化，從而對傳統金融體系中介功能造成了沖擊。

（2）區塊鏈的自治特點對傳統金融體系信用功能的沖擊。區塊鏈點對點式網絡架構、廣播式的信息傳輸模式、交易信息和交易標的物的歷史記錄不可篡改性，都大大增強了金融交易行為和交易主體的自治性。理論上，獨立的自然人都可以成為區塊鏈上的信用主體和價值主體，因此隨著區塊鏈的發展，自然人也可以基于自身信用成為貨幣發行主體，這種發展趨勢極大地削弱了傳統金融體系的信用擔保功能。

3.區塊鏈金融應用和客戶隱私保護的矛盾。首先，區塊鏈系統中的交易規則和交易信息是公開、透明的，并且無法篡改。但是，許多區塊鏈具有交易附言功能，此功能下同樣無法更改和刪除信息，本文認為這是隱私保護的隱患。如果有人通過區塊鏈交易附言功能暴露他人隱私或者散布謠言，該信息同樣無法刪除。其次，區塊鏈的通證機制是以加密算法為基礎，區塊鏈交易終端的虛擬身份獨立于交易主體的實際身份，交易主體只要建立虛擬身份就可以參與交易，各類區塊鏈節點之間不存在公開身份的必要性，這就形成了區塊鏈虛擬空間和物理空間的相對隔離，追蹤用戶真實身份的難度很大。最后，區塊鏈交易信息公開和交易主體匿名的特點帶來的挑戰是多方面的：一是交易主體的匿名性，使相關機構對洗錢等違法活動難以取證和監管；二是跨境資本的非正常流動難以監管；三是為行賄、受賄等違法犯罪活動提供了可選的途徑。

七、總結

區塊鏈的發展是信息技術應用的自然延伸，帶來了信息傳輸性質的突破性變化。在這個過程中，區塊鏈所體現出來的技術特征使其在金融行業具有很大的應用空間。因為比特幣和以太坊等區塊鏈系統的影響廣泛，目前較多的研究集中在公鏈式區塊鏈的應用上。又由于ICO和算力競賽中的過度投機行為，使很多人對區塊鏈的發展產生了一定程度的誤解。但是，區塊鏈作為計算科學和機制設計的結合，在信息管理領域不斷創新，應用空間也在不斷擴展。

相對于區塊鏈的技術架構，其機制設計逐漸表現出強大的吸引力。肇始于比特幣系統的諸多機制設計，在短短的十年內又有了很大的發展。側鏈和鏈下網絡的提出，突破了原有區塊鏈數據處理容量的瓶頸，使得區塊鏈在金融領域的應用具備了可延展性。共識機制的不同嘗試，大大改變了我們對區塊鏈交易確認時間長和成本高的固有印象。激勵機制的不斷發展，也產生了類似手續費激勵、保證金激勵等更適合金融業務的區塊鏈激勵模式。在裁剪、組合、發展區塊鏈技術優勢的基礎上，區塊鏈的金融應用前景將會越來越廣闊。