为什么虚拟货币难当货币大任？从比特币的底层技术说起

比特币真的能取代现有的法定货币体系，承担货币责任吗？我们来看两个简单的感性数据，我们可以知道这种期望是不现实的:比特币交易验证的平均等待时间为10分钟；到目前为止，比特币最严重的交易拥堵发生在201712月，该月一笔交易的平均等待时间为两天两夜！

从系统技术效率的角度来看，比特币与现有电子支付（如支付宝）的区别就像马车与火箭的区别一样。读者可能会好奇，在这个比喻中，比特币是马车还是支付宝是马车？笔者可以负责任地说:“比特币是一辆马车！”事实上，作为一种支付工具，与支付宝相比，比特币的速度差距是马拉车和火箭的100倍。请注意，本文仅从支付工具的角度进行讨论，并不否认比特币带来的区块链技术的创新和应用价值。（详见作者文章《虚拟货币:失败的货币实验与成功的技术创新》，商学院2020-08-30）。

2009年，比特币的诞生标志着虚拟货币作为现象级事件正式登上历史舞台。我们一般将比特币这种私人发行的数字货币称为“虚拟货币”。截至2020年3月5日，仅在以太坊中使用ERC20开发的虚拟货币就有24.55万种。比特币深受私人货币思想的影响，这种思想不仅有取代现有法定货币的宏伟理想，而且还改变了现有的金融结构。比特币的设计者和创始人中本聪在《比特币白皮书》中指出，比特币是“一种纯粹的点对点电子现金，可以实现交易对手之间的直接在线支付，而无需通过金融机构”。比特币诞生后，引起了社会各界的广泛关注。人们曾经对虚拟货币抱有很大的期望。许多人将其视为取代现有支付系统的“高科技武器”，甚至大胆预测比特币开创的点对点支付方式将使金融系统完全摆脱对金融机构的依赖。

我记得我们中学课本上说新事物的发展是曲折的。这句话用在比特币和许多虚拟货币上也很合适。比特币确实提供了一种新的货币和支付系统的思路，但至少到目前为止，比特币和各种虚拟货币作为支付手段并没有表现出任何优势，甚至可以说在关键技术指标上“落后”，它们无法成为公众可以大规模使用的支付手段。

为什么现实和预期会有如此巨大的反差？这也要从比特币的底层技术说起。

一、比特币的交易数据结构:交易、区块和链。

与传统电子支付一样，比特币放弃了纸币和黄金等实体，但为了在点对点环境下实现可信支付，比特币创造性地使用交易记录作为货币的载体。虽然比特币的名称中有“币”字，但比特币的体系中并没有闪闪发光的“币”。比特币构建的模型不同于传统银行系统的平衡系统，当然也不同于古代的金银币和纸币（但在流通方式和隐私保护上与金银纸币相似）。中本聪设计的比特币以交易记录的形式出现。你没有自己的比特币，但你有别人向你转移比特币的记录。这种记录被称为“未支出交易输出”（UTXO），可以理解为可转让的权利电子证书。

许多论文或报告告诉我们块形成链，所以我们形象地称这种技术为“区块链”。事实上，比特币区块中的交易也通过UTXO记录链接成链，形成连续的交易链，即交易成链。我们来具体了解一下“块”的特征和“链”的形成过程。

“块”是通过将多个交易数据打包在一起而形成的数据体。区块可以理解为一本账簿，其中记录了许多交易。在最简单的情况下，单个事务的大小为250字节。当然，实际交易会比这个值大。每个块的最大大小被中本聪限制为1兆字节（1024千字节），因此我们可以计算出一个块最多可以容纳4096个事务（1024000/250）。以账簿为比喻，中本聪将账簿限制在最多1024页。每笔基本交易占一页的四分之一，所以一本分类账最多有4096笔交易。

区块成为“链”，交易也成为链。记账员按照规则记录账簿（区块）中的所有交易后，在封面上加盖时间印章，并在账簿封面上记录上一个账簿的编号，从而在账簿之间形成端到端的账簿链。这样形成的账本链有一个特点:账本越老，交易越难篡改。如果您想在20 15中更改高度为363，270的区块中的交易，则必须更改自20 15以来的所有帐簿并重新记录它们。

如何防止篡改书籍？比特币创造性地使用了工作证明（POW）机制，矿机通过哈希运算竞争获得记账权，从而防止区块篡改。比特币没有中心服务器，但所有节点的矿机自发运行，为系统提供计算能力。矿机竞争获得保留账户的权利，系统将奖励获得比特币保留账户权利的矿机。也就是我们常说的“挖矿”。矿机的幂运算是对“块头”数据进行两次哈希运算（比特币中使用SHA256哈希运算），得到一个256位的哈希值。

计算哈希值只需要几秒钟，矿机瞬间就能完成。因此，比特币需要哈希运算，即您必须计算指定的哈希值，例如第一个19数字全部为零。就这样，难度一下子增加了。为了计算指定的哈希值，矿机必须使用试错法不断代入随机数（专业称为“使用一次的不重复随机值”，即Nonce）来计算小于某个值的哈希值。因为SHA256的运算结果非常随机，所以计算指定哈希值的唯一方法是不断尝试Nonce。因此，矿机能否成功开采取决于矿机的运行速度；第二，要看运气。也许您第一次更改Nonce的值时，会得到一个符合大小的哈希值。也许你运行了数百亿次，但你没有得到它。比特币设置了自动调整哈希操作的时间，将其设置为平均十分钟并进行动态调整。这个时间设置是两个方面的平衡。时间太少，计算能力不足，无法使篡改企图撤退，造成网络同步不稳定。如果时间太长，交易确认时间太长，矿机体验太差。（哈希运算的问题比较复杂。由于篇幅有限，我们不会详细解释这些术语。感兴趣的读者可以阅读《区块链简史》第四章。)

以上是对比特币区块链原理的基本解释。对于非技术人员来说，要理解比特币的运行效率，有三个方面至关重要:

首先，每个比特币交易验证过程都可以理解为一个“分块”（block-out），即许多交易数据文件被排序在一起并打包，并加盖数据哈希和时间戳，并且它们永远不会被更改（前提是它们在哈希竞赛中获胜并在共识机制中获得足够的确认）。

第二，比特币区块的大小设置为1兆字节，每个区块理论上只能记录4096笔交易。

第三，阻塞的时间是矿工验证交易、区块打包和哈希竞争的时间。根据比特币代码的设置，将动态调整比特币哈希竞赛的目标难度值，使平均阻塞时间保持在10分钟。

其次，从单笔交易的速度来看，比特币的“出块”时间被设置为平均十分钟，是支付宝的200倍，无法用于公众的日常使用。

比特币在底层技术中将“封锁”时间设置为平均10分钟，这意味着完成“批量”交易的验证时间为10分钟。每笔交易的平均确认时间也在10分钟左右。对于日常缴费的市民来说，这样的速度是无法接受的。想象一下，你在超市结账，你前面的人用比特币向商家发起支付，以确认收到比特币。需要10分钟，这个队列应该有几公里远。用简单的数字仔细计算一下:超市的收银台10分钟完成一次收款，一小时只需6分钟，八小时营业时间只需48分钟。可以说，比特币的这种速度无法满足公众的日常需求。

你可以回忆一下我们每天使用电子支付的时间。生活经验告诉我们，支付宝每笔交易的系统处理时间不超过3秒（仅指系统处理时间，不包括打开App和输入密码等用户操作所花费的时间），网上银行转账也可以在几秒钟内收到。根据中国银联的技术规范，非接触卡的交易时间应小于500毫秒。

第三，从并发交易速度来看，比特币每秒可以处理的交易数量是支付宝的3.7万笔的三分之一。

决定系统事务处理速度的是并发处理能力。例如，高速公路上可以行驶多少辆汽车不仅取决于道路的长度，还取决于道路的宽度，宽度决定了一次可以通过多少辆汽车。比特币每10分钟最多处理4，096笔交易，换算成每秒最多处理6.83笔交易。

根据支付宝在20 17年“双十一”发布的数据，支付宝每秒的峰值交易量为25.6万笔。两者的处理速度差距有多大？相差37000倍！火箭的第一宇宙速度和马车的速度只有474倍。

例如，比特币高速公路在10分钟内通过4096笔交易，换算成每秒只有6.83笔交易，而支付宝高速公路每秒通过256000笔交易。如果世界上有4097笔交易，那么第4097笔交易注定将在4096笔交易完成后的下一个10分钟内完成。试想一下，在旺季，高速公路上只有一个收费站，必然是绵延几公里、几十公里的汽车长龙。201712月，由于比特币价格上涨，比特币交易量激增，比特币系统开始拥堵。当月交易的平均等待时间为两天两夜。

第四，从可以承载的交易总量来看，比特币也很难成为大规模的支付方式。

通过进一步简单的数学计算，我们可以发现，从理论上讲，比特币每天只能处理59万笔交易，并且只能处理20笔交易。/kloc-一年2亿笔交易。从实际交易处理来看，以20 19第三季度的数据为例，每天约有30万笔比特币交易。从2009年9月9日到20 1 9年4月2日，比特币历史上大约有4亿笔交易。

专注于在线第三方支付和清算的中国网联平台每天处理11。800亿笔交易，是比特币历史交易总量的近三倍。需要注意的是，这一数字只是中国第三方支付网络支付交易量的一部分。在中国，第三方支付网络支付的一些交易由网络转移和清算，一些交易由银联转移和清算，其中相当一部分在支付巨头中自循环。

比特币系统正在满负荷运行，理论上它只能携带2。/kloc-每年0/2亿笔交易，这相当于网络每日清算量的五分之一左右。过去十年比特币累计历史交易量仅为网联日清算量的三分之一。

奥普霍姆

第五，从各国央行在数字货币方面的架构选择来看，当前区块链技术的缺点被证明是错误的。

比特币带来的区块链技术起源于民间密码社区，但很快引起了政府部门特别是央行的兴趣。以中国、英国、加拿大、日本和新加坡为首的许多央行开展了区块链技术实验。大多数央行确实在数字货币实验中使用了区块链技术，但它仅用于批发业务（即金融机构之间的交易和结算业务），而不是零售业务（即普通公民的日常支付和转账业务）。

毫无疑问，批发业务面临的压力远小于零售业务。这种选择和定位虽然主要是出于金融业务的考虑，但也在一定程度上反映了对区块链科技的态度。英国、加拿大和其他进行央行数字货币实验的国家都声称，它们对区块链的兴趣主要在于“结算效率”。也就是说，金融机构之间的结算可以在区块链实现“交易即结算”，而无需央行干预。注意，这里的效率仅指“结算效率”，而非技术效率（交易速度、承载能力等。）我们之前讨论过。

公开资料显示，中国央行数字货币DCEP是全球首个在零售领域进入实验阶段的央行数字货币。然而，DCEP并没有完全照搬区块链技术，只是引入了分布式账本技术来实现交易的可追溯性，这类似于上文提到的“交易链”。在发行、结算、支付、回收和销毁等环节，DCEP在技术上坚持以中央银行为中心，以中心化系统为核心。

从各国央行数字货币实验中的技术选择来看，目前的区块链技术并不是主流货币和支付系统领域主流官员的首选。

第六，总结:虚拟货币很尴尬。

作为一项技术创新，比特币是革命性的。但是比特币的单笔交易确认速度太慢，并发处理能力太低。这些技术特征决定了它不能被公众大规模使用，也很难取代现有的法定货币体系并承担货币的角色。比特币类似技术在支付结算领域的成果只能应用于时效性要求不高、交易量有限的批发业务。

当然，后续的虚拟货币一直在尝试对比特币进行升级和改进，但它仍然无法作为大规模公众的支付手段。例如，以太坊（ETH）的峰值交易效率仅为每秒约15次交易。据悉，柚子币（EOS）的交易量已达到每秒3996笔，但它最多也只是用作小国、地区或行业的支付工具。

自20 19以来被频繁提及的闪电网络希望通过离线技术实现无延迟、低成本的比特币交易，但闪电网络目前的支付能力极其有限，存在一系列技术不足。20 16年，Poon和Dryja在一篇论文中系统地提出了闪电网络的概念。其原理是将大量小额交易放在闪电网络的节点上，但不放在比特币系统中，后者仅用作闪电网络的后台“抵押”和“结算”系统。20 18 1月闪电网络系统在主比特币网络上推出。截至2020年3月6日，共有1 1624个闪电网络节点和36289个支付通道，总体支付能力为895个比特币。对闪电网络上线后的研究表明，闪电网络结构趋于中心化，网络运行效率取决于大型中心节点的支付能力，而不是对等网络的规模扩张。

比特币和许多其他虚拟货币不能被公众大规模使用。未来的技术发展可能会使区块链成为一个大容量的支付系统，但虚拟货币的内在价值、交易成本和合规性仍然存在，它可能仍然很难成为一种货币。这是比特币等虚拟货币作为私人货币的局限性，也是一个极具争议的话题。让我们把它留给下次。

（作者吴云、朱伟合著《区块链简史》。本文源于吴云、朱伟在《金融监管研究》2020年第6期发表的论文《虚拟货币:一次失败的私人货币社会实验》。》，这一版发表的论文，已经被作者改写。感兴趣的读者不妨参考一下原文。)

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