谢开斌

0 引言

21世纪以来，随着普适计算技术、网络技术和人工智能技术的不断进步，金融业得到了快速的发展，应用领域也越来越广泛。然而基于金融业所进行的交易主要依赖第三方机构来进行处理，如银行、保险、交易所等平台，即需要一个中心化的可信机构作担保。这种以第三方作为中介的交易模式尽管在绝大多数情形下表现良好，但存在着以下的主要问题：a）中心化机构内部的操作不透明，存在着内部人员进行暗箱操作的金融风险；b）中心化机构的建设及维护成本高，需要巨额资金；c）中心化机构容易成为网络黑客的攻击目标，需要时刻防范黑客可能发起的网络攻击。

为了解决中心化机构存在的上述种种问题，一个化名中本聪的研究人员创新性地提出了颠覆中心化架构的区块链技术，并开发了首个基于区块链的应用——比特币。区块链和比特币的核心思想体现在文献中。该论文首次对区块链进行了如下的定义：通过为包含交易事件的区块进行哈希运算，从而为区块添加时间戳特征，并广播区块的哈希值，以达成对区块内交易确认的共识，根据与时间戳对应的哈希值将不同的区块按时间顺序链接起来，形成一个不断变长的交易记录链条。

随着越来越多的科研人员加入到区块链的研究中来，区块链中的哈希加密、共识机制以及智能合约等核心技术都得到了深入的研究。哈希加密技术确保了区块内的交易的安全性以及相邻区块之间链接的有效性。共识机制主要解决了如何激励分布式个体加入区块链生态系统以及增强交易可靠性的问题。智能合约技术是虚拟空间与物理空间之间的桥梁，使得人们在物理空间达成的合约能够通过虚拟空间的智能技术来实现。

比特币作为首个采用区块链技术并成功运行的数字货币，其市值已达到了上千亿美金，但在九年多的运行过程中，其在交易速度、交易确认时间、能源消耗、应用可扩展性和存储安全等方面的不完善之处也逐渐显现。为了对比特币的上述不完善之处进行改进，比特币之后开发的以区块链技术为基础的数字货币，如以太坊（Ethereum）、达世币（Dash）、卡尔达诺（Cardano）以及比特股（BitShares）等都对比特币进行了一定程度的改进和演化，推动了数字货币在使用便捷性、应用的多样化性和数字货币的安全存储性等方面的进一步发展。

1 区块链的基本原理及关键技术

区块链作为一种去中心化的分布式系统的关键技术，成功地实现了在无中心化机构背书的前提下节点与节点之间可以进行可信的交易。这是由于区块链采取了适应P2P交易的数据结构，才使其成功地实现了去中心化。此外，哈希加密技术、共识机制和智能合约技术等都是区块链技术飞速发展的关键，促进了基于区块链的数字货币的基础理论研究及应用的发展。

1.1 区块链的基本原理

区块链中区块的基本结构由 4部分组成，分别是区块分隔符、区块大小、区块头部和区块体。其中区块大小决定了区块中所能记录的交易数量；区块头部用来链接其紧邻的区块；区块体记录了所有需要被验证的交易。

区块头部由以下6 部分组成，分别是区块版本号、父区块哈希值、Merkle 树根值、时间戳、目标值和随机数。区块头部通过父区块哈希值实现了相邻区块之间的链接。

区块体由两部分组成，分别是区块的交易记录以及每条交易记录的详情。

1.2 区块链的关键技术

区块链是未来交易信息存储和查询的重要技术，其关键技术正从理论研究走向具体应用。目前，区块链的3 个主要关键技术分别是哈希加密技术、共识机制以及智能合约技术。下面对这3 个关键技术进行剖析和说明。

1.2.1 哈希加密技术哈希加密技术以哈希加密算法为基础，是区块链系统安全的重要保障技术之一。哈希加密技术具有下述4 个方面的特性，使其非常适用于区块链领域。具体描述如下：

a）破解困难。对哈希加密后的信息进行逆向推算需要的时间是天文数量级，因此几乎不可能破解哈希加密信息。

b）加密或验证简单。给定要加密的信息与对应的哈希算法，能够在非常短的时间内对信息进行加密；或者给定加密后的信息，很容易验证其是否是某段信息的哈希加密结果。

c）信息敏感性。加密信息即使只进行了轻微的改变，则其经过哈希加密运算后得到的值也会发生根本的变化。

d）加密结果无冲突。不同的加密信息经过哈希算法运算后不可能产生相同的哈希值。

此外，在区块链中利用Merkle哈希树可以验证交易数据是否被窜改或删除。Merkle 哈希树是一类以哈希运算为基础的树，通常为二叉树，也可以是多叉树，树上的叶子节点为交易数据的哈希值，非叶子节点是其孩子节点的哈希块连接在一起进行哈希后的值。Merkle 哈希树的树根可以用来验证交易数据的完整性以及交易数据是否被窜改过，而且验证过程所需要的数据传输量及数据计算量是很低的，通常是对数数量级的。

1.2.2 共识机制共识机制主要是为了解决在去中心化的场景下如何让区块链中的分布式节点之间互相信任的问题，而且也是保证区块链系统能够持续运行的关键。目前的共识机制主要有工作量证明机制（PoW）、股权证明机制（PoS）、股份授权共识机制（DPoS）和拜占庭容错机制（PBFT）等。

PoW 的核心思想是让工作量越大的节点收益越高，即收益与工作量大小近似成正比。该机制正是依靠强大的工作量来确保区块链的安全性。但是该机制也有明显的缺陷，即大量的资源耗费以及工作量计算所造成的交易等待时间较长。比特币就采用了PoW，让所有节点求解复杂但易于验证数学难题。通常只有算力最高的节点才能解开难题，获得若干比特币的奖励。

PoS 是用“拥有的币龄”的多少来证明节点是否有资格进行记账。其目的是尽可能地减少资源的消耗，而又能达成共识。该算法让具有最多币龄的“记账人”节点负责创建区块，且享有投票权。相比PoW，PoS 最大的优点是缩短了共识达成的时间和减少了能源消耗；但也造成了拥有资源或币龄少的节点几乎永远不可能获得记账权和投票权。卡尔达诺（Cardano）采用了PoS 机制，以太坊（Ethereum）计划未来也采用该机制。

DPoS 是一种股份授权证明机制，类似于公司董事会投票，其机制是让每一个节点选出候选人，让候选人作为代表进行记账和投票。由此可以看出，DPoS 从一定程度上减少了参与记账和验证的节点个数，并且让每一个节点都可以参与到记账和投票中来。因此，DPoS 在某种程度上是一种结合了PoW 和PoS 优势的机制。目前比特股（BitShares）等都采用了该机制。

PBFT 实现了一种拜占庭容错的分布式文件系统，该机制能够保证系统的活性和安全性，并且提供了很高的容错性。一般在该机制中的失效节点数只要小于系统节点总数的1/3 就能保证系统的安全性和活性。这里的活性指的是系统中的节点发送消息后都会收到响应；安全性指的是复制副本以满足线性一致性。该机制通常用使用在私有链上。除了上述4 种主要的共识机制外，目前国内也提出了两种主要的共识机制，即授权拜占庭容错算法（dBFT）和POOL 验证池算法。dBFT 对PBFT 机制进行了改进，其核心思想是根据节点权益来选择区块的记账人，然后记账人之间的记账权通过拜占庭容错算法来达成共识。POOL 验证池算法是在一致性算法Pasox 等的基础上，结合数据验证机制实现的快速共识算法。

1.2.3 智能合约技术智能合约技术是跨领域学者Szabo 首先提出来的，并给了智能合约如下的定义：一套以数字形式定义的承诺（pro- mises），包括合约参与方可以在上面执行这些承诺的协议。在区块链领域，智能合约用来封装区块链系统中的各类脚本代码。这些脚本代码规定了合约中交易的执行方式及交易的具体内容。智能合约使得区块链可以成为一种可编程的货币，而且比传统的货币交易更加灵活和高效。通常在合约中可以设置合约的执行时间、合约的触发规则等。数字货币中的以太坊等都实现了智能合约的功能。

基于区块链的智能合约的构建及执行通常包括如下3 个步骤。

a）产生合约。根据合约参与方的需要，设计脚本代码来实现合约的内容。

b）合约的存储。实现合约的脚本代码需要存储到区块链的块中。

c）合约的执行。合约的脚本代码要能够自动地执行，而无须人为地干预或操作。

2 基于区块链的数字货币的演化

区块链技术发展至今，已经出现了上千种的以区块链为设计基础的数字货币。这些数字货币都以区块链中的首个应用即Bitcoin 为原型，对Bitcoin 在功能或性能等不完善的方面进行了一定程度的演化，以此来满足各种应用场景的需求。

Bitcoin 的设计原理如下：一个建立在P2P 协议和椭圆曲线签名算法（ECDSA）基础上的加密数字货币，该数字货币需要由“矿工”通过挖矿，即获取满足区块头部难度系数的哈希值；每个区块附带的数字货币数量初始为50 个，且每4年减半，从而保证Bitcoin 有确定的上限。

Bitcoin 作为一种以密码学为理论基础的数字货币，取得了巨大的成功；但在约九年的运行过程中，其不完善之处也逐渐显现，主要体现在下述几个方面。

a）基于Bitcoin 的交易速度慢。比特币由于10 min 左右才出一个块，块大小仅有1 MB 且得经过连续6 个区块的确认才能生效，所以交易时间通常长达数个小时，远达不到目前商业交易的要求。

b）生成Bitcoin 需要耗费大量 的能源。Bitcoin 的生成采用基于PoW 的共识算法，需要进行大量的运算，耗费的电能是巨量的。

c）应用单一化。Bitcoin 由于其功能相对单一，其除了与法定货币或其他数字货币进行交易或交换外，要进行其他方面的应用开发难度通常很大。

d） 存储安全性有待加强。Bitcoin交易所以及个人保存的 Bitcoin 近年来多次遭到黑客的攻击，造成Bitcoin 被窃和用户的恐慌，影响了Bitcoin 的推广。

e）监管缺失，成为洗钱工具。由于Bitcoin 的私钥只有拥有者自己知道，且拥有者的身份等都是匿名的，所以很容易被不法分子作为洗钱的工具。

f）去中心化程度的削弱。随着Bitcoin 中挖矿的矿场的规模越来越大，大的矿场的算力远远高于小矿场和个人的算力，且几个大矿场的联合算力已超出总算力的50%，这使得经济实力薄弱的个体和小团体不得不退出挖矿，背离了Bitcoin 的去中心化的初衷。

由于Bitcoin 存在上述6 个方面的不完善之处，后来陆续开发的数字货币系统如Ethereum、Cardano、Dash、BitShares 等以Bitcoin 为基础，对Bitcoin 在功能上进行了演化，分别在一定程度上解决了Bitcoin 存在的上述若干问题。下面分别对这几类数字货币系统的设计原理进行介绍，并说明它们与Bitcoin 相比在哪些方面进行了完善和演化。

2.1 以太坊（Ethereum）

Ethereum 是以Bitcoin 为基础的一个区块链应用开发平台，能够适应不同的操作系统和开发语言，具有多样化的客户端。Ethereum 使用Python、C、Java 等语言来开发区块链应用，这些应用所使用的高级语言通过各自的编译器转换为图灵完备的脚本语言（Ethereum virtual machine，EVM 语言）去执行。Ethereum 与Bitcoin 最大的一个区别是其提供了功能强大的智能合约编程环境。如果说Bitcoin 的功能只是局限在数字货币本身的使用价值上，即通常认为的区块链1.0，那么Ethereum 根据各类应用在商业与非商业环境下的复杂逻辑，可以开发出满足各种需求的智能合约应用程序，极大地丰富了数字货币的应用领域，直接将区块链技术的发展带入到区块链2.0 时代。

Ethereum 与Bitcoin 相比，其 进行演化的地方主要体现在以下 几点。

a）多样化的应用开发。智能合约使得Ethereum 上的应用众多，极大地开拓了数字货币的应用领域和使用范围。

b）交易速度的加快。Ethereum的出块只需十几秒，比Bitcoin 的出块速度要快一个数量级，因此其交易速度比Bitcoin 快。

c）增强了去中心化的程度。Ethereum 采取SHA-3 哈希算法，可以阻止使用ASIC 挖矿，使得超级矿机出现的难度增大，从而能使得更多的“矿工”加入以太币挖矿，增强了Ethereum 的去中心化程度。

2.2 卡尔达诺（Cardano）

Cardano 是数字货币行业内首个先做数字货币的学术研究，再根据发表后的研究成果去实现加密数字货币，即Cardano 数字货币系统。由此可以看出，Cardano 的性质及其功能都是经过严格的数学证明和学术界同行的评审，保证了其在理论上是安全和正确的。

Cardano 采用的共识机制是PoS，该机制的具体实现协议名为乌洛波罗斯（Ouroboros），且该协议使用经过严格的数学证明，确保其安全性是有理论保证的。

Cardano 采用分层架构进行实现，主要功能层如下。

a）清算层。Cardano 的代币在该层流通，是Cardano 整个生态系统的基础，是为了实现对Cardano 币的交易量、交易时间等信息的记录。

b）计算层。在该层提供智能合约、消息认证、消息通信等功能，以方便应用开发者在这一层开发满足各种需求的应用。Cardono 的一项重大创新就是计划采用形式化方法来完成受控计算，从而实现用户隐私与监管需之间的平衡，进而试图减少使用Cardano 所存在的金融风险。此外，Cardano 计划使用不同于TCP/IP 的递归网络架构（recursive internetwork architecture，RINA），使得节点之间的信息交互类似于进程间交互，以加快节点之间的信息传递效率。

Cardano 与Bitcoin 相比，其进行演化的功能主要体现在以下 几点。

a）交易速度的提升。Cardano功能的分层实现以及采取RINA 架构，使得Cardano 的交易速度得到了极大的提升。

b）Cardano 采用PoS 共识机制，极大地降低了能源消耗。

c）使得对数字货币的监管成为可能。Cardono 在形式化的推理设计中，考虑了对数字货币的金融监管。

d）多样化的应用开发。智能合约功能丰富了基于Cardano 的应用开发。

e）增强了数字货币的存储安全性。Cardano 的形式化实现方法有利于设计与其匹配的存储方案。

2.3 达世币（Dash）

Dash 是Bitcoin 的超集，具有Bitcoin 的主要特性。例如其也要进行挖矿来产生达世币，只是达世币中出块的速度为约每2.5 min 产生一个块，奖励给挖出该块的矿工五个达世币。Dash 对Bitcoin 的最大扩展之处在于增加了主节点网络。Dash中的节点如果拥有了1000 个用来进行资质认证的达世币，其就可以作为主节点。主节点网络以Bitcoin 的底层区块链网络为基础，由专用服务器组成。目前主节点网络中的主节点总数超过了4000。

Dash 将挖矿产生的达世币按照45%、45%、10%的比例分配给“矿工”、对交易进行确认的主节点以及达世币社区。由于主节点网络的存在，Dash 内的交易可以在几秒内完成，即实现即时支付；而且由于有主节点网络的信用背书，能大大增强交易的安全性。Dash 中的社区为区块扩容、生态链发展等方面问题提供了一个解决的通道。

在挖矿算法方面，Dash 使用X11 算法，即使用11 轮SHA3 算法进行哈希运算，且每轮的计算结果都作为下一轮的输入，直到完成11轮的运算。这样做的目的是为了延迟针对特定算法的矿机的产生时间，使得更多的人们使用普通的计算机参与到Dash 的挖矿中来。

Dash 与Bitcoin 相比，其进行演化的功能主要体现在以下几点。

a）商业级的交易速度。主节点网络使得交易能够达到绝大多数的商业需求。

b）很高的去中心化程度。X11算法保障更多的“矿工”可以参与到Dash 的挖矿中；且Dash 中的社区也增强了Dash 的去中心化程度。

c）Dash 中的社区机制从一定 程度上对Dash 币的交易起到了监管作用。

2.4 比特股（BitShares）

BitShares 是一个基于区块链技术的金融交易综合服务平台，其目标是构建一个去中心化的自由市 场金融生态系统。任何个人或机 构都可以在BitShares 平台上进行转账交易，发起众筹等，还可以基于BitShares 构建虚拟货币交易所，甚至还能在BitShares 平台上实现符合监管的黑白名单等功能。

BitShares 设计了一种可自由交易的新型数字资产——比特股市场锚定资产。该类资产可以与美元、欧元或黄金等进行兑换。例如比特股数字锚定资产BITUSD 可以兑换同等数额的美元。比特股市场锚定资产通常以两倍价值的比特股数字锚定资产作为抵押物，并以智能合约自动执行清算来保证兑换的执行，从而可以避免兑换交易的违约风险，保证了比特股市场锚定资产价值的稳定性，让比特股生态系统形成良性循环。

此外，BitShares 使用了DPoS机制，让拥有比特股的节点都有权进行投票，票数最高的101 个节点有权对交易进行记录。

BitShares 与Bitcoin 相比，其进行演化的功能主要体现在以下 几点。

a）商业级的交易和转账速度。BitShares 由于采用了DPoS 机制，使得交易确认时间在3s 内可完成，交易速度可达每秒10 万笔，完全达到了通常条件下的商业交易的要求。

b）低能源消耗的DPoS 机制确保BitShares 中的节点达成共识。

c）适用于多个应用领域。比特股市场锚定资产可以保证比特股的价格在一定时期内保持价格稳定，从而使其能够在多个领域内应用。

3 数字货币的未来研究趋势

区块链对传统中心化技术进行的颠覆性创新，为金融、食品安全、物种保护、物联网等众多行业提供了可供选择的去中心化的应用模式。根据区块链本身的特性以及区块链目前的应用现状，以下所列的研究内容预测是未来区块链研究的主要方向。

a）基于区块链的数字货币发行方面的研究。数字货币目前在发行、流通、监管、调控等方面技术尚不成熟，缺少有效的发行方案。未来在数字货币方面的研究将会涉及如下方面：降低传统纸币发行、流通的高昂成本，提升经济交易活动的便利性和透明度，减少洗钱、逃漏税等违法犯罪行为，以及提升央行对货币供应和货币流通的控制力等。

b）基于区块链的交易追踪方面的研究。目前的研究主要考虑了基于区块链的数字资产交易如何进行，在基于区块链的交易的可追溯方面的研究还较少。未来的研究方向应该是设计交易规则和监管框架等来保证交易的高效性和追踪的及时性。

c）区块链中海量数据的分析研究。目前的研究很少有涉及到对区块链中的海量数据分析。但是区块链中记录的数据都是物理世界中产生的真实数据，这些数据对于用户画像和用户行为等方面的分析具有巨大的商业价值，因此，未来的研究将会是使用机器学习或深度学习等各类智能算法分析区块链中的用户数据，提炼出其中有价值的商业信息。

4 结束语

介绍了区块链技术的基本原理，分析了基于区块链的比特币 的性质以及在比特币基础上开发的>Ethereum、Cardano、Dash、BitShares等对比特币的功能演化。以区块链技术目前的主要应用现状为基础，分析了数字货币研究面临的挑战和未来可能的研究趋势。

区块链技术从提出到现在尚不足10年，还处于非常初期的发展阶段，与其相关的标准还未成熟。尽管如此，许多国家都将区块链作为重大的战略研究技术，这是因为区块链对一个国家在金融主权、社会征信、跨境交易等领域都将产生重要且深远的影响。因此，积极参与区块链相关技术在各领域标准的制定，深入研究区块链对各领域技术创新的价值，将会增强国家未来在科技、经济等诸多领域的话语权和领导权。◙