2016-11-18 金融电子化 区块链技术在金融领域的应用解析
文章来源：《金融电子化》杂志，作者：蔡维德，郁莲
当今诸多金融机构及社会组织均表示支持区块链技术，但对于银行是否可以应用全部区块链技术，目前尚未有明确定义。本文将加以研讨，并从软件和硬件出发，系统阐述区块链技术在金融领域的应用，并为数字货币的发行提供参考。
言及区块链技术，人们往往会联想到加密货币、加密算法、点对点协议、投票机制、分布式总账等。但银行是否可以应用全部区块链技术?本文将加以研讨，并从软件和硬件出发，系统阐述区块链技术在金融领域的应用，并为数字货币的发行提供参考。
各金融机构对区块链技术的态度
当今诸多金融机构及社会组织均表示支持区块链技术，英国首席科学顾问代表英国官方于2016年发布白皮书，提出：
★分布式账簿算法具有颠覆性的创新，可以改转公共和私有服务，并通过广泛的应用提高生产力。
★区块链技术应该首先在政府进行初步尝试。英国政府建议由部长主导建立政府内部的区块链技术平台，将“政府数字服务”作为政府管理机构，建立区块链技术愿景和路线图。
★英国研究机构强调应进一步强化投资基础研究，以保证分布式账簿的安全性、可扩展性，并提供其内容的正确性证明。
★英国政府需要进一步考虑如何建立“分布式账簿技术的监管框架”，监管框架需要和区块链技术的实现和应用并行发展。
★英国政府呼唤与学术界和工业界合作，并确保针对“分布式账簿及其内容的完整性、安全性和隐私性”建立可参考的标准。标准包括监管要求以及软件代码。
★英国政府需要在政府内部发展能力和技能。并培养一个跨政府的利益共同体，聚集各种分析和政策团体，产生和发展使用案例、专业知识体系。
值得注意的是当前诸多金融机构仍对区块链技术持保留态度，例如欧洲债券结算系统(Euroclear)、美国存管信托和结算公司(DTCC)以及瑞波思想(RiPPIe Insight)。
Euroclear最近发布了白皮书《资本市场的区块链技术》，认为区块链技术只有在确保可以解决实际问题后才能被广泛接受，目前现有的技术如中央证券托管具有与区块链技术相同的功能。
DTCC认为区块链技术：没有改进现有对数据的检索、查询或分析等技术；没有与现代数据库一样的数据搜索技术；没有提供高速访问数据和数据分析的技术；没有整合现今的数据管理工具；没有解决大多数处理系统的非功能性需求。同时他们认为尽管区块链技术可能大幅提高结算效率，但需考虑的问题仍很多，例如配套的法律机制、市场的认可、资产管理以及投资者的保护等；而且使用分布式账本的方式进行结算，需要大量资金。
瑞波思想认为，人们会发觉单纯的区块链技术并无意义，必须发挥其在某个行业的应用作用，而将其应用于金融业似乎十分可行。他们认为当前技术的产业支持、风险管理机制、监管方式和对遗留系统的兼容非常完备，多数区块链专家所倡导的区块链的应用价值仅仅是技术探讨，尚未达到实际应用程度。这讨论决不可囿于技术本身，而应当强调其应用属性。
金融区块链应用需求
本文综合考虑了Euroclear、DTCC和国际结算银行(BIS)发布的白皮书，提出了金融区块链技术系统的需求，即未来数字货币发行必须监管的若干问题。
值得关注的是，当前的区块链技术远远达不到处理金融交易的要求。原因在于很多加密货币仍没有解决监管问题。
BIS详细列举了监管数字货币的关键方法：信息／道德劝告，如公共预警；利益相关者监管，如数字货币局或交易所监管；完备的法律机制，通过法律解释如何监管数字货币；适当的监管机构；配套的监管方式，如禁止使用数字货币进行零售交易。
欧洲银行联盟(European Banking Federation，EBF)针对如何使用加密货币建议：政府部门配合行业参与者对加密技术的影响进行评估；建立良好的监管方法，确保用户对加密技术的信赖；强化对交易行为的监管，参见反洗钱和反融资。并强调以一个系统的方法来解决这些问题。
我们知道，金融系统有高吞吐量和低延迟、安全和隐私、合规性、可靠性和持续性等要求，而交易系统的恢复能力更是共同需求。针对数字货币，BIS提出了其需求在于包括商业模式的可持续性、安全性、可扩展性。同样，效率、成本、可用性、跨国界、隐私、营销信誉等关键要求都应当涵摄进来。
金融区块链技术的设计
当前区块链技术的设计主要包括这几个关键要素：级联加密、时间戳、P2P网络、挖矿、多份独立副本、数字货币。
在数据货币方面，如果区块链技术中的账本表示资产，那么账本可以用来发布数字货币并进行金融交易。费利克斯·马丁解释说，“分布式的账本”可以创建数字货币，不是“挖矿机制”创建货币。最早的“数字货币”出现在16世纪的欧洲，当时的“分布式的账本”是保存在银行系统中，而不是在某种电子数字媒介中，银行家手动维持账本一致性。当前数字货币(加密货币)是存在于电子数字媒介中。如比特币用挖矿机制来维持分布式账本的一致性，这种协议的劣势在于速度很慢。区块链技术可以使用其他方法维持账本的一致性，为数字货币发行可验证提供了一定的准则，例如使用拜占庭容错切、议(Practical Byzantine Fault Tolerance，PBFT)。
表1：区块链设计总结
这些特征出现在第一代加密货币，即比特币，以及第二代加密货币，如瑞波币、比特股和以太坊。如今，新的区块链技术有不同的设计：超级账本项目由Linux基金会发起；Hydrachain是以太坊的私有区块链技术，它有不一样的设计；北航链是一种新的私有区块链技术。
表2：Hydrachain和北航链的特点对比
笔者认为，对于区块链在金融领域尤其是数字货币的应用监管，可信赖的安全性、隐私的强化保障和性能的提升(速度等)是关键。
- 首先应该有完备的加密机制和可信赖的时间戳：金融区块链技术需保护交易的隐私性，因此要额外增加安全和隐私机制。
- P2P网络／P2P计算：其可以简单定义为通过直接交换来共享计算机资源和服务，而对等计算模型应用层形成的网络通常称为“对等网络”。P2P网络操作具有匿名、非中心化的特点，在P2P网络环境中，成千上万台彼此连接的计算机都处于对等的地位，整个网络一般不依赖专用的集中服务器。网络中的每一台计算机既能充当网络服务的请求者，又对其他计算机的请求做出响应，提供资源和服务。通常这些资源和服务包括：信息的共享和交换、计算资源(如CPU的共享)、存储共享(如缓存和磁盘空间的使用)等。P2P网络环境下的每个节点既是客户端也可以是服务器，多路径的连接使得P2P网络很好地保障用户隐私。但多节点的特性使得P2P网络比一般网络慢。虽然P2P网络有极强的容错性，但这一特性却极易导致网络低性能。
P2P网络匿名、多中心的属性使其可以有效避免政府监管，当前频发的版权侵犯(以快播案为例)、安全漏洞等问题已经严重影响了P2P技术的形象。同样，基于P2P网络产生的比特币存在安全性、洗钱等问题。P2P网络Napster的创始人肖恩·范宁提到他创建Napster的初衷是“用户建立一个虚拟的网络，在物理位置上完全独立，不必服从任何权力单位的监管及限制。”可见，P2P网络的设计目标是避免所有权力单位的监管。这里就会出现一个悖论，P2P网络不接受国家、省、市、地方政府和公安等的监管，与金融系统的设计目标“强制监管”显然互相矛盾。
笔者认为，在构架金融系统的时候，其基础网络不应当采用P2P技术。因为对于涉及国家命脉的金融行业，有效监管仍必不可少，但在解决数据库、云平台、金融系统容错性时，则可以对P2P技术加以扬弃。以亚马逊的分布式存储引擎Amazon Dynamo为例，它正是用于P2P网络技术而充分保证容错性和稳定性。P2P网络的容错性，保证了任何部分系统出现故障都不会影响整个网络或丢失数据，一定程度保障了数据安全。 - 挖矿：如果不使用P2P网络，则不再需要奖励机制。由参与的银行来维持账本，只需要一致性协议来实现账本的一致性。
- 数字货币：中央银行注重用户支付和操作时存在的风险问题。欧洲银行协会已配套团队开始专门研发分布式账本(对是否产生数字货币尚在考虑中)，区块链技术的应用使其可以用分布式账本来追踪现金流、股票、债券等数字资产，并非常便捷地清算双方的资产。这也为数字货币的发行提供了可能性，区块链技术以及数字资产可用于金融领域，不仅仅是数字货币，同样包括外汇、汇款、实时支付、跟单贸易和资产服务等结算。
- 多份独立副本：当前银行业的账本一般只有副本，这显然是传统的中心化系统。世界许多中央银行就是用中心化系统，商业银行需要在央行进行结算。由于所有的数据流只有一个中心，对监管而言显然更行之有效。但从另一个角度来看，这极大地限制了数据的流动性，会带来两个显而易见的问题：抵押品的交换几无可能；一旦有区域发生经济危机，当地银行及公司都将受到打击，且容易感染其他地区和领域的经济。
这种中心系统必须提供绝对的信赖感，任何故障或非法操作都将导致严重后果。而放弃中心化的劣势在于使用多个副本，在通信、计算和存储方面将消耗大量资源，每次操作都需要执行一致性算法且数据要存储多次，这些行为以及大量的交易都表现在金融系统中。此外，许多一致性协议是以串行的方式执行，即使增加额外的处理器和宽带也很难加快一致性协议的速度。
不能忽视的是，多副本会增加系统的可靠性和安全性。例如，拜占庭协议可以容忍区块链技术中少于1／3的节点失败。图1显示了在给定的节点失败概率和节点数的情况下，区块链技术的平均使用寿命。水平轴表示节点数，垂直轴Years表示超过1／3节点失败时区块链技术的使用时间。
图1 可靠性分析
公式：其中n是节点个数，p是节点失败的概率。
在节点每条出错概率为0.01的前提下，16个和31个节点区块链系统崩溃的时间分别约为372853年和3890亿年。所以，区块链技术系统不需要很多节点就能保证可靠性。节点个数越多，系统越可靠，但也更慢。因为每次创建块，任何一种一致性协议都要求一个节点广播它的状态或者交易，将产生O(N2)个消息。
现有的私有区块链技术（Hydrachain和北航链）
Hydrachain是基于以太坊所架构的私有区块链技术(见图2)，它使用PBFT一致性算法而非挖矿机制，速度远超挖矿机制。
图2 Hydrachain的架构
笔者曾与以太坊创始人Vitalik Buterin交谈发现只有5％的以太坊程序可被金融领域使用，其余95％的包括挖矿等在内的机制不仅不能帮助应用，反而使区块链速度变慢。此次研讨后，其团队开发了Hydrachain，笔者团队则开发出北航链。虽然Hydrachain和北航链目标一致，但Hydrachain不愿抛弃以太坊已开发的大量软件，其软件仍在以太坊的架构上运行。这也导致了Hydracf]ain在金融领域使用的局限性。
北航链，如图3所示，北航链是北京航空航天大学与北京大学联合开发的私有区块链技术，其设计初衷是为公信和金融服务，所以北航链抛弃了P2P网络和挖矿机制，以“可扩展性”为第一目标，并重视速度优化。为了确保系统安全，加入了节点信用制度。这是国内外首次采用信用机制来识别作弊节点，一旦发现节点的作弊行为立即将其排除在投票节点之外。
图3 北航链的架构
在北航链的设计中，拜占庭式投票和数据采集可同时进行，大幅加快了其信息处理过程，其自身具有独特的块的创建过程。此外，不只是对块投票，对每个交易也要投票。为了确保安全，也对块的创建结果投票，可以判断是否有叛徒节点。由于三轮投票，将产生更多的信息(每轮产生O(N2)个消息)，由于其本质为并发操作，所以速度快。在某种特定配置中，北航链可达到24K TPS。且这些是在没有硬件优化、负载均衡、数据重组及异步操作的情况下的结果。
另外，北航链还设计了一整套可扩展的机制，使得区块链能够有高吞吐性、低延迟性以及高隐私性。有了这样的机制，当工作量需求增加的时候，只要增加机器就能够处理。
区块链技术的应用使得数字货币的发行成为了可能，但是数字货币发行仍道阻且坚，应该首先解决区块链技术在金融领域应用存在的问题，再去细致考虑数字货币发行的问题。但要注意，互联网的自由主义思想不应该外化为社会生活的意识形态，二者应当分而治之。从社会发展尤其是金融行业发展角度出发，安全监管十分必要，数字货币的发行尤其如此。
（文章来源：《金融电子化》杂志）
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