[中国人民银行]区块链能做什么、不能做什么_.pdf

1 中国人民银行工作论文 No.2018/4 PBC Working Paper No.2018/4 2018年11月6日 November 6, 2018 区块链能做什么、不能做什么？ 徐忠 邹传伟1 摘要：本文从经济学角度研究了区块链的功能。首先，在给出区块链技术的经济学解释的基础上，归纳出目前主流区块链系统采取的“Token范式”，厘清与区块链有关的共识和信任这两个基础概念，并梳理智能合约的功能。其次，根据对区块链内Token的使用情况，梳理了目前区块链的主要应用方向，再讨论Token的特征、Token对区块链平台型项目的影响、区块链的治理功能以及区块链系统的性能和安全性等问题，最后总结并讨论区块链能做什么、不能做什么。 Abstract: This article studies blockchains economic functions. First, by explaining blockchain technologies from an economic perspective, it introduces the Token Paradigm to summarize mainstream blockchain systems, discusses the true meaning of consensus and trust in the blockchain field, and analyzes the functions of smart contract. Next, it categorizes major blockchain applications according to how they use tokens and discusses relevant economic problems such as tokens monetary features, tokens impacts on platform projects, blockchains governance functions, and the performance and security of blockchain systems. 关键词：区块链 Token 智能合约 分布式自治组织 加密经济学 声明：中国人民银行工作论文发表人民银行系统工作人员的研究成果，以利于开展学术交流与研讨。论文内容仅代表作者个人学术观点，不代表人民银行。如需引用，请注明来源为中国人民银行工作论文。 Disclaimer: The Working Paper Series of the Peoples Bank of China (PBC) publishes research reports written by staff members of the PBC, in order to facilitate scholarly exchanges. The views of these reports are those of the authors and do not represent the PBC. For any quotations from these reports, please state that the source is PBC working paper series. 1徐忠，中国人民银行研究局研究员。邹传伟，副研究员，2017年12月-2018年5月中国人民银行金融研究所访问学者期间合作成果。感谢穆长春、王永利、袁勇、谢晗剑、陈婧和杨光对此文的修改意见以及杨鑫杰为此文写作提供的帮助。本文内容为作者个人观点，不代表人民银行。 2 一、引言 区块链最早作为比特币的底层技术由Nakamoto（2008）提出。但比特币的脚本语言缺乏图灵完备性2（Turing completeness），使用的UTXO（unspent transaction output，未使用交易输出）模型难以支持复杂的状态操作。为此，Buterin（2013）提出了以太坊（Ethereum）。以太坊是一个基于账户模型的区块链系统，脚本语言具有图灵完备性，目标是实现Szabo（1994）提出的智能合约（smart contract）并支持分布式应用（decentralized application，简称是DApp）。随着2014年美国R3公司创立和2015年Linux基金会发起Hyperledger项目，区块链受到了越来越多主流机构的重视。比如，Goldman Sachs（2016）讨论了区块链在共享经济、智能电网、房地产保险、股票市场、回购市场、杠杆贷款交易以及反洗钱（anti-money laundering，简称是AML）和“了解你的客户”（know your customer，简称是KYC）中的应用。中国区块链技术和产业发展论坛2016年10月发布的中国区块链技术和应用发展白皮书（2016）讨论了区块链在金融服务、供应链管理、文化娱乐、智能制造、社会公益和教育就业等领域的应用场景。 2009年1月，比特币网络上线标志着区块链应用落地。但从那时至今近10年时间里，除了加密货币（cryptocurrency）发行和交易之外，区块链没有得到大规模应用。截至2018年10月31日，CoinMarketCap网站统计了全球范围内的2086个加密货币和15545个加密货币交易所，全体加密货币的市值约2035亿美元（其中比特币市值占比为54%），过去24小时交易量约106亿美元；但DappRadar网站统计了以太坊及其上1137个分布式应用，发现过去24小时活跃用户数只有12521人，其中只有2个分布式应用的24小时活跃用户数超过或接近1000人，而且比较活跃的分布式应用集中在游戏、博彩和加密资产交易等与实体经济关系不大的领域。普华永道会计师事务所2018年8月对15个国家的600名公司高管的调查发现，有84%的公司对区块链感兴趣，但52%的公司的区块链项目处于研发状态，10%的公司有区块链试点项目，只有15%的公司有正在运行的区块链项目3。 区块链没能大规模应用的一个重要原因是物理性能不高（特别对公有链）。比如，比特币每秒钟最多支持6笔交易，而Paypal平均每秒钟能支持193笔交易，Visa平均每秒钟能支持1667笔交易4。很多从业者和研究者讨论如何提高区块链物理性能，包括中继网络（relay network）、分片（sharding）、增加区块大小、隔离见证（SegWit）、有向无环图结构（DAG）、跨链、侧链、状态通道（以比特币闪电网络为代表）以及压缩交易信息的技术（比如Mimblewimble）等。袁煜明和刘洋（2018）对这些方向做了全面介绍。提高区块链物理性能的另一个重要方向是改进共识算法（consensus algorithm），特别是从工作量证明（proof of work，简称是POW）转向权益证明（proof of stake，简称是POS）。袁勇等（2018）综述了常见的区块链共识算法。在一些应用场景中使用联盟链或私有链而非公有链，也是绕开区块链物理性能瓶颈的重要方面。 2图灵完备性指一系列操作数据的规则（如指令集、编程语言、细胞自动机）可以用来模拟图灵机（Turing machine），详见en.wikipedia/wiki/Turing_completeness。 3pwc/gx/en/issues/blockchain/blockchain-in-business.html 4altcointoday/bitcoin-ethereum-vs-visa-paypal-transactions-per-second/ 3 本文从经济学角度研究了区块链能做什么、不能做什么。即使将来区块链物理性能瓶颈得以缓解，本文研究一些经济学问题仍将存在。本文共分四部分。第一部分是引言。第二部分是对区块链技术的经济学解释，相当于用经济学语言“翻译”区块链技术。这一部分归纳出目前主流区块链系统采取的“Token范式”（Token在不同语境下有多种中文翻译，比如加密货币、加密资产、代币和通证等，为避免混淆或歧义，本文主要用Token而非其中文翻译），厘清与区块链有关的共识和信任这两个基础概念，并梳理智能合约的功能。第三部分研究区块链的经济功能。这一部分先梳理区块链的主要应用方向，再讨论Token类似货币的特征、Token对区块链平台型项目的影响、区块链的治理功能以及区块链系统的性能和安全性等问题。第四部分总结全文并讨论区块链能做什么、不能做什么。 二、对区块链技术的经济学解释 区块链涉及计算机技术和经济学。本部分对区块链技术给出经济学解释，辨析在与区块链有关的共识、信任和智能合约等方面的常见误解，为第三部分研究区块链的经济功能打下基础。 （一）区块链的Token范式 目前主流区块链系统，不管采取以比特币为代表的UTXO模型，还是以以太坊为代表的账户模型，也不管脚本语言是否具有图灵完备性或是否支持智能合约，都具有3个关键特征，可以归纳为“Token范式”： 第一，共识算法针对区块链内的Token。Token本质上是区块链内定义的状态变量，Token可以在区块链内不同地址之间转让，转让过程中Token总量不变（也就是在转出地址减少1个Token的同时，转入地址增加1个Token）。有些区块链系统限定了Token的总量上限，比特币就属于这种情况。 Token在区块链内不同地址之间转让时，Token的状态（指区块链内各地址内有多少Token）更新和交易确认同步发生。比如，Alice向Bob转了一笔比特币，这笔比特币交易被记入区块链的同时（也就是交易被打包进某一区块并接入区块链），Alice和Bob对应公钥的UTXO（可以理解为比特币区块链内的账户余额）同时更新。因此，Token被交易时，不会形成传统意义上的结算在途资金或结算风险5。 第二，Token与智能合约之间有密不可分的联系。Token本身是智能合约的体现。比如，以以太坊ERC20为代表的Token合约规定Token的总量、发行规则、转让规则和销毁规则等一系列逻辑。Token合约管理着一系列状态，记录哪些地址有多少Token等账本信息。在Token合约的基础上，可以构建对Token执行复杂操作的智能合约。这些智能合约执行的结果主要是，Token的状态发生变更。本部分第三小节将分析智能合约的功能。 第三，按照是否与Token的状态和交易有关，区块链内的信息分成两类有关系的和没有关系的，这两类信息在共识算法下有完全不一样的地位。节点在运行共识算法时，重点检验第一类信息是否符合预先定义的算法规则，第二类信息作为Token交易的附加信息写入区块链，节点不会检验这类信息的真实准确性。比如，比特币节点会检验随机数（nonce）是“挖矿”问题的解6，以及区块中的5但区块链无法做到实时结算：1.一笔交易从被发布在对等式网络上，到被打包进一个区块并接入区块链，需要时间；2.公有链的分叉问题会延迟区块链内交易的确认时间，比如一笔比特币交易需要连续得到6个区块的确认；3.因为分叉问题，很多公有链（比如比特币）只能在概率意义上确保结算的最终性（finality）。 6即：哈希函数（上一区块后所有交易 + 前一区块哈希值 + nonce）X）。在后一时点，智能合约没法保障B地址的Token数量超过Y，这样债务就无法履约。因此，只靠智能合约没法消除信用风险。这是根据智能合约构建区块链内贷款、债券和衍生品等面临的共同问题。一个解决方法是对还款地址设置超额抵押（over-collateralization），但超额抵押会造成Token资源的闲置和浪费。对衍生品，因为其风险敞口可能大幅变动，更难事先确定超额抵押的规模。 第三，智能合约难以处理不完全契约（incomplete contract）。人是有限理性的，不可能预见到未来所有可能的情况，即便预见到也没法写进契约里，因此契约注定是不完全的。这就是现实中法律合同存在例外情形，以及发生争端时需要司法仲裁的原因。智能合约作为计算机协议，很难处理不完全契约。 图1：Token范式概括 7 图1概括了以上对Token范式的讨论。其中，Token、智能合约和共识算法都处于共识边界内，Token与智能合约之间有密不可分的联系，共识算法确保了共识边界内的去信任环境。区块链内与Token的状态或交易等无关的信息处于共识边界以外、区块链边界以内。区块链内外存在两类交互：一是区块链外信息写入区块链内；二是Token与区块链外的资产或权利之间的相互交易（即市场共识，见第三部分第二小节对Token的价格特征的讨论）或相互对应（见第三部分第一小节对区块链第二类应用的讨论）。 三、区块链的经济功能 区块链应用一般按照应用场景所属行业进行分类，比如Goldman Sachs（2016）。本文根据区块链应用对Token的使用情况提出一个新的分类方法，并讨论这些应用涉及的经济学问题。 （一）区块链的主要应用方向 表1：区块链的主要应用方向 应用方向 代表性应用 应用逻辑 不涉及Token（即无币区块链） 以联盟链为代表，比如区块链用于供应链管理、防伪溯源、数据共享、社会诚信、贸易管理和金融信息披露等;以及在贸易融资、应收账款等场景的应用 发挥区块链的公共共享账本功能，但区块链不直接涉及产权和风险的转移。 涉及非公开发行交易的Token 资产上链以及区块链在供应链金融和数字票据等场景的应用。 Token代表区块链外的资产或权利。 涉及公开发行交易的Token 以Token作为计价单位或标的资产的经济活动 比特币期货、比特币ETF。 依赖区块链外的法律框架。 以Token作为支付工具和激励手段构建去中心化经济活动 公有链以及基于公有链的分布式应用。 用区块链重构现实经济活动，用智能合约和区块链内的去信任环境来降低或消除对受信任第三方机构的依赖，用去中心化安排和基于Token的机制设计替代中心化机构。 表1将区块链应用分成了4类。第一类应用不涉及Token，主要将区块链作为分布式数据库或去中心化数据库来使用。区块链的公共共享账本功能有助于缓解经济活动参与者之间的信息不对称，提高他们分工协作的效率。这类应用面临的主要问题是如何保证区块链外信息在源头和写入区块链环节的真实准确。相对公有链，联盟链更适合这类应用。联盟链仅对授权节点开放，由授权节点共同维护以实现组织间共识。而授权节点清楚彼此身份，作恶会对声誉产生影响，将虚8 假信息写入区块链的成本比较高。信息写入区块链的环节也可以引入第三方鉴定机构来验证信息的真实准确。但这些保障机制主要基于现实世界约束，而非区块链本身特性。第一类应用的代表性案例是中国人民银行数字货币研究所的湾区贸易金融区块链平台和基于区块链技术的资产证券化信息披露平台8。 第二类应用以Token代表区块链外的资产或权利，以改进这些资产或权利的登记和交易流程。但Token是否对应着区块链外的资产或权利，以及Token的状态和交易是否对区块链外的现实世界有约束力或影响力，取决于区块链外的法律和制度是否赋予Token以超越区块链的内涵。在这类应用中，区块链在供应链金融和数字票据等场景的应用值得关注。此时，Token代表了某一核心机构的债权并在供应链中充当内部结算工具。Token将供应链上下游企业之间的“三角债”轧差后替换成核心机构对这些企业的负债，能降低资金占用、提高资金周转效率。而核心机构发挥类似中央交易对手的功能，负责Token与法定货币之间的兑换。这些场景中的Token相当于王永利（2018）提出的网络社区代币或商圈币概念，Token的应用价值则取决于场景的广度和深度。 第二类应用的代表案例是数字票据交易平台设计方案。该平台按是否引入数字货币在链上进行直接清算，设计了链外清算和链上直接清算两种方案（徐忠、姚前，2016）。其中，链上直接清算方案能实现基于区块链技术的数字票据全生命周期的登记流转交易和票款对付（DVP，Delivery Versus Payment）结算功能。 第三类应用以Token作为计价单位或标的资产，但依托区块链外的法律框架和主流经济合同。但Token价格的高波动性限制了这类应用，一个重要方向是所谓的稳定加密货币（stable token或stable coin）。因此，这类应用的核心问题是如何理解Token类似货币的特征。 第四类应用试图用区块链构建分布式自治组织（distributed autonomous organization，简称是DAO，见邹传伟（2018），有从业者提出分布式自治组织能替代现实中公司的功能。这方面至今没有广受认可的成功案例，主要受制于以下障碍：1.公有链的物理性能不高，支撑不了大规模交易；2.智能合约的功能短板；3.Token价格的高波动性限制了Token作为支付工具和激励手段的有效性；4.加密经济学（token economics或crypto economics）模型设计不合理。对前两点障碍，第一部分和第二部分第三小节分别已有讨论。后两点障碍则涉及Token类似货币的特征和区块链的治理功能。 （二）Token类似货币的特征 Token具有若干类似货币的特征：1.Token没有负债属性；2.按同一规则定义的Token是同质的，并可拆分成较小单位；3.Token在不同地址之间的转让无需受信任的第三方机构；4.非对称加密可以保证Token持有者的匿名性；5.区块链共识算法和不可篡改的特点可以保证Token不会被“双花”（double spending）；6.可以由规则定义Token的总量上限和发行速度。Token的这些类似货币的特征由Nakamoto（2008）引入，并被其他满足Token范式的区块链系统所遵循。 Token的直接用途就是作为支付工具来换取区块链内外的商品或服务，此时Token一般被称为加密货币。在区块链内，可以由规则定义加密货币的用途。比如，在比特币系统内，比特币被用于向“矿工”支付交易手续费；在以太坊中，以太币是运行智能合约的“燃料费”（gas）。区块链内的支付场景也涉及市场活动（见本部分第五小节对比特币手续费率的讨论），但因为区块链内的商品或8分别是yicai/news/100030448.html和yicai/news/100035696.html。 9 服务不能用法定货币来购买，加密货币价格对这个场景一般没有明显影响。而用加密货币购买区块链外的商品或服务时，加密货币价格是一个重要影响因素。一般来说，加密货币供给没有灵活性，缺乏内在价值支撑和主权信用担保，价格波动高，无法有效履行货币职能。这一点有很多文献支持。 首先，关于加密货币作为支付工具的表现。Athey et al. (2016) 发现，截至2015年中，大部分比特币由投资者和非频繁使用者持有，比特币作为支付工具的使用不频繁，而且将比特币用于非法活动的用户更倾向于保护他们的财务隐私。Foley et al. (2018)研究了比特币在非法经济活动中的应用，发现25%的比特币用户和44%的比特币交易与非法经济活动有关。截至2017年4月，有2.4千万的比特币市场参与者主要将比特币用于非法目的，他们合计持有80亿美元的比特币，年度交易笔数约3.6千万笔，年度交易金额约720亿美元（接近欧美非法药物的市场规模）。随着主流社会对比特币兴趣的增加以及ZCash、Dash和Monero等匿名特征更好的加密货币出现，比特币交易中与非法经济活动的比例下降了。 其次，关于加密货币的价格特征以及可能存在的价格操纵。Gandal et al. (2017) 发现，Mt. Gox交易所（当时最大的比特币交易所）在2013年2月-11月中的两个时间段存在可疑交易活动，涉及60万个比特币。这些可疑交易对当时比特币价格在两个月内从150美元上涨到1000美元起到了重要推动作用。Griffin和Shams (2018)研究了USDT（由Tether公司发行的一种声称基于100%美元储备金的稳定加密货币）对比特币和其他加密货币的影响，发现USDT被用来操纵加密货币的价格。在2017年3月-2018年3月这段时间里，作者识别出87个小时。这87个小时均有大量USDT发行并被用来购买加密货币，而且这些大额交易均发生在加密货币市场大跌之后，在这些大额交易后加密货币市场均大幅反转。作者发现，这87个小时对应着比特币在研究区间（即2017年3月-2018年3月）50%的涨幅，以及另外6种大的加密货币在研究区间64%的涨幅。Bianchi (2018)分析了14种主要加密货币在2016年4月和2017年9月之间的交易数据，发现加密货币的收益率与股票、债券等传统金融资产的收益率之间不存在显著关系，加密货币与传统金融资产之间不存在波动性溢出效应，并且加密货币的交易量主要由历史收益率和市场不确定性（用芝加哥期权交易所市场波动率指数VIX衡量）驱动。 加密货币价格波动性太高，引入加密货币期货也难以平抑价格波动，很多从业者试验稳定加密货币。目前，由Tether、Gemini和Circle等公司推出的稳定加密货币方案都采取了以法定货币为准备金1:1发行稳定加密货币的方式，相当于货币局（currency board）制度。另一些稳定加密货币方案采取所谓的“算法中央银行”模式（algorithmic central bank），模仿中央银行公开市场操作，通过发行和回收以加密货币计价的债券来调控加密货币供给量，以实现加密货币价格的稳定。Eichengreen（2018）指出，“算法中央银行”难以抵御投机性攻击。因为攻击发生时以加密货币计价的债券会有显著折价，通过发行该类债券回收加密货币以支撑加密货币价格的效果会显著下降，所以“算法中央银行”有内在的不稳定性。需要指出的是，中央银行数字货币（central bank digital currency，简称是CBDC）与稳定加密货币有本质不同。中央银行数字货币有负债属性，是中央银行直接对金融机构和社会公众发行的电子货币，属于法定货币的一种形态，而且不一定采用区块链内Token的形式。本文不深入介绍中央银行数字货币，感兴趣的读者可以参考CPMI（2018）。 10 加密货币监管的重点在加密货币与法定货币的兑换环节，其中一个重要问题是反洗钱。加密货币洗钱是指应用加密货币的匿名性和全球性，使得违法所得的来源和性质难以追溯。加密货币洗钱分为三个环节：1.置入（placement），将不法获取的法定货币转换成加密货币。一些加密货币交易所没有采取实名制，会给置入环节带来很大便利。2.分流（layering），使用混币(mixers)、合币（coinjoin）和翻洗（tumblers）等技术以及区块链内地址的匿名性，将加密货币在多个地址之间转移，使其来源难以追溯。3.整合（integration），将“洗干净”的加密货币整合并转到“干净”地址上，再转换成法定货币或商品。以ZCash、Dash和Monero为代表的加密货币使用了零知识证明、环签名等匿名技术，会增加反洗钱难度。此外，加密货币在全球范围内流通，不同国家或地区的对加密货币的监管标准不一、信息难共享，也会增加反洗钱的难度。 （三）Token对区块链平台型项目的影响 一些区块链项目具有平台经济特征。Token在这类平台型项目中可以兼具两种角色：首先是项目启动时的融资工具，体现为初始代币发行（initial coin offering，简称是ICO）；其次是平台内经济活动的支付工具。Token为持有者带来双重好处：一是用Token购买平台内的商品或服务，二是Token价格的上涨，并且Token价格受平台型项目活跃用户数和经济活动量等基本面因素驱动。另外，一些区块链平台型项目的Token具有股权属性（见本部分第四小节）。 Token的双重角色对区块链平台型项目启动和发展有重要影响。Catalini和Gans (2016)分析了区块链、Token对市场形成中的两个重要因素验证成本和网络成本的影响。他们认为，区块链允许市场参与者以较低成本验证与交易有关信息，会促进新的市场形态出现；Token可以在无需传统受信任中介的情况下降低网络成本并启动市场。Cong et al. (2018)用动态资产定价模型分析了Token价格及其对用户采用（user adoption）的影响。Token交易为平台用户提供了跨期互补性（intertemporal complementarity），从而在Token价格和用户采用之间形成了一个反馈环。Token价格反映了平台未来增长。均衡时Token价格将随平台生产力、用户异质性和网络规模而呈现非线性增长。 Token的双重角色为Token价格带来了内在不稳定性。Sockin和Xiong (2018)在平台经济框架下研究了Token定价。用户通过参与平台内交易来提高自己的福利，“矿工”提供交易记账服务。平台内的Token有双重属性：一是相当于“会员资格”，用户需要先购买Token才能参与平台内交易；二是为平台建设发展融资，包括前期开发费用（体现为ICO）和给“矿工”的奖励。作者考虑了平台基本面（主要体现为用户禀赋和“挖矿”成本）可公开观察以及不可公开观察两种情形。在两种情形中，要么不存在均衡，要么都存在两个均衡，其中一个均衡对应着Token价格高和用户参与积极性高的情景，另一个均衡对应着Token价格低和用户参与积极性低的情景。在平台基本面不可观察时，Token价格除了汇聚平台基本面有关信息以外，还起到了在不同均衡路径之间的协调作用。但总的来说，因为多个均衡的存在，Token的价格有内在不稳定性。 ICO是区块链平台型项目启动的一个常用策略。Li和Mann（2018）认为ICO解决了很多有网络效应的平台内在的协调失败问题，并通过汇集关于平台质量的分散信息，能发挥了群体智慧作用。Chod和Lyandres (2018)从理论上研究了创业者在ICO和VC两种融资方式之间的选择。他们认为，创业者通过ICO出售自己项目的未来产出，可以在不稀释自己控制权的情况下将部分创业风险转移给投资者，但由此产生的代理问题使得创业者可能在融资后对项目投入不足。