为什么虚拟货币很难成为主流货币？从比特币的底层技术

比特币真的能取代现有的法定货币体系，承担起货币责任吗？我们先看两个简单的感知数据，我们可以看到这个预期是不现实的：比特币的平均事务验证等待时间是10分钟，到目前为止，比特币历史上最严重的事务拥塞发生在2017年12月，而当月一笔交易的平均等待时间是两天两夜！

从系统效率的角度来看，比特币（比特币）不同于现有的电子支付（如支付宝），不同于长途汽车和火箭。读者可能会想，比特币在这个比喻中是教练还是支付宝。作者可以负责任地说：“比特币是一辆马车！”事实上，作为一种支付工具，比特币比支付宝大一百倍，相比于马车和火箭的速度差。请注意，本次讨论只是从支付工具的角度，并不否认比特币带来的区块链技术的创新和应用价值。（参考作者的文章《虚拟货币：失败的货币实验和成功的技术创新》，2020年8月30日，澎湃商学院）。

2009年，比特币的诞生，标志着虚拟货币作为一个非凡的事件正式登上了历史舞台。截至2020年3月5日，ERC200在以太坊上开发的虚拟货币数量已达到245500个。比特币深受私人资金思想的影响，不仅有取代现有法定货币的宏伟理想，而且有改变现有金融结构的宏伟理想。”比特币的设计者和创始人Nakamoto cong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，可以在没有金融机构的情况下实现交易对手之间的在线直接支付”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寄予厚望。许多人将其视为取代现有支付系统的“高科技武器”他们甚至大胆预测，比特币创建的点对点支付方式将使金融体系完全摆脱对金融机构的依赖。

记得我们中学课本上说过，新事物的发展是曲折的。这句话也适用于比特币和许多虚拟货币。比特币确实为货币和支付系统提供了新的思路。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显示出任何优势，甚至在关键技术指标上“落后”它们不能成为公众可以大规模使用的支付手段。

为什么现实和期望之间会有如此巨大的反差？这将从比特币的底层技术开始。

1、 比特币交易数据结构：交易、区块和链

与传统的电子支付一样，比特币也放弃了纸币和黄金等实体。然而，为了在对等环境下实现可靠的支付，比特币创造性地将交易记录作为货币载体。虽然比特币的名称中有“硬币”一词，但比特币的系统中却没有闪闪发光的“硬币”比特币构建的模与传统银行体系的平衡体系有很大的不同，当然更不同于古代的金银货币和纸币（相反，它在流通模式和隐私保护方面与金、银、纸币相似）。中本设计的比特币以交易记录的形式出现。你没有比特币，但你有一个记录，有人把它转给了你。此记录称为“未使用的交易输出”（utxo），可以理解为可转让权利的电子证书。

许多著作或报告告诉我们，区块形成链，所以我们称这种技术为“区块链”事实上，比特币区块中的交易也以utxo记录的形式链接成链，形成一个连续的交易链，即交易成链。让我们具体了解一下“块”的特点和“链”的形成过程。

“块”是将多个事务数据打包在一起形成的数据体。区块可以理解为记录多个交易的分类账。在最简单的情况下，单个事务的大小为250字节。当然，实际事务将大于此值。每个块的大小被Nakamoto限制为1兆字节（1024 KB）。然后我们可以计算出一个块最多可以容纳4096（1024000/250）个事务。在账簿的类比中，中本将一本账簿限制在最多1024页。而且每一个最基本的交易都占用了四分之一页，所以一个分类账中的**交易数量是4096。

当区块变成“链”时，交易也会形成链。簿记员按规定将交易记录在账簿（区块）上后，在封面上粘贴时间印章，在账簿封面上记录上一个账簿的编号，形成一个端到端的账簿链。图书链有一个特点：书越旧，篡改交易就越困难。如果您想在2015年更改363270区块中的交易，您需要更改2015年以来的所有账簿，然后创建一个新账户。

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。矿工通过哈希运算竞争获得会计权，从而防止块篡改。比特币没有中央服务器，但所有节点的挖矿机器自发运行，为系统提供算力。通过竞争，挖矿机获得会计权，系统将以比特币奖励获得会计权的挖矿机。这就是我们常说的“挖矿”挖矿机器的pow操作是对块头数据进行两次哈希（比特币使用sha256哈希运算），得到一个256位的哈希值。

计算散列值只需几秒钟，矿工可以在瞬间完成。因此，比特币需要哈希运算，即必须计算指定的哈希值，例如前19位都是零。这样，难度急剧增加。为了计算指定的散列值，矿工必须使用试错法来代替随机数（使用一次的非重复随机值）来计算小于某个值的散列值。由于sha256的运算结果非常随机，所以计算指定哈希值的唯一方法就是继续尝试nonce。因此，采煤机能否成功挖矿，一方面取决于矿工的作业速度；另一方面，则取决于运气。也许第一次更改nonce的值时，会得到一个与大小一致的哈希值。也许你可以跑上百亿次，但你得不到。比特币设置自动调整哈希操作的时间，将其设置为平均10分钟，然后动态调整。这个时间设置是两个方面之间的平衡。时间太少，算力不足，不能使篡改企图摆脱困境，造成网络同步的不稳定。如果时间太长，交易确认时间就会太长，矿机体验也会太差。（散列运算问题比较复杂。由于篇幅限制，我们不作详细解释。感兴趣的读者可以阅读区块链简史第4章。）

以上是比特币区块链原理的基本说明。对于非技术人员了解比特币的运行效率，有三个重要方面：

首先，比特币的每个事务验证过程都可以理解为一个“阻塞”，即大量的事务数据文件被打包在一起，用数据哈希和时间戳密封起来，这样它们就不再被更改（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，比特币块大小设置为1MB，每个块理论上只能记录4096个事务。

第三，封锁时间是矿工验证交易、区块打包和散列竞争的时间。根据比特币码的设置，动态调整比特币哈希竞争的目标难度值，使平均分块时间在10分钟左右。

二是从单笔交易速度来看，比特币“封杀”时间平均设置为10分钟，是支付宝时间的200倍，不能用于公众日常使用。

比特币将底层技术中的“阻塞”时间设置为平均10分钟，这意味着完成“批处理”事务的验证时间为10分钟。每个交易的平均确认时间约为10分钟。对于公众的日常支付，这种速度是不能接受的。想象一下，如果你在超市结账，你前面的人开始用比特币向商家付款，以确认收到比特币。这条线路需要10分钟才能到达几公里外。然后用简单的数字仔细计算：一家超市的收银员花10分钟完成一次收款，每小时只有6笔交易，8小时营业时间内只能完成48笔交易。可以说比特币的速度不能满足市民的日常需求。

你可以回想一下我们每天使用电子支付的时候。生活经验告诉我们，支付宝每笔交易的处理时间不超过3秒。仅指系统的处理时间，不包括用户在打开应用程序、输入密码等操作上所花费的时间。根据中国银联的技术规范，非接触式卡的交易时间应小于500毫秒三种，从并发交易速度来看，比特币每秒可处理的交易量是支付宝的3.7万分之一。

一个系统事务处理速度的决定，还取决于并发处理能力。比如，一条高速公路上能开多少辆车，不仅取决于道路的长度，还取决于道路的宽度，而宽度决定了一次能通过多少辆车。比特币每10分钟最多处理4096个事务，或每秒6.83个事务。，根据支付宝“双11”2017年发布的数据，支付宝每秒交易量峰值为25.6万笔。两者的处理速度有什么不同？相差3.7万倍！火箭的第一次宇宙速度只有运载火箭的474倍。 类比，“比特币高速公路”十分钟内通过4096笔交易，折算成每秒只有6.83笔交易，而“支付宝高速路”一秒钟通过25.6万笔交易。如果全世界有4097笔交易，那么4097笔交易注定要在4096笔交易完成后的10分钟内完成。试想，在旅游旺季，高速公路上只有一个收费站，势必是绵延数公里或数十公里的汽车长队。2017年12月，由于比特币价格上涨，比特币的交易量大幅增加，比特币系统开始出现拥堵。当月交易的平均等待时间是两天两夜。

4、 从交易总量来看，比特币也很难成为大规模支付手段

通过进一步简单的数学计算，我们可以发现，理论上比特币每天只能处理59万笔交易，一年只能处理2.12亿笔交易。从实际交易处理情况来看，以2019年三季度数据为例，比特币的日交易量约为30万笔。从2009年1月9日到2019年4月12日，比特币的历史交易量约为4亿笔。

专门从事在线第三方支付清算业务的中国网通平台每天处理11.8亿笔交易，是比特币交易总量的近3倍。需要注意的是，这一数字只是中国在线第三方支付交易量的一部分。我国网上第三方支付的部分交易通过网上支付转入清算，部分交易通过银联转入清算，其中相当一部分交易在支付巨头中自行流通。理论上，比特币系统每年只能承载2.12亿笔交易，相当于中国网通日清算量的五分之一左右。比特币近十年累计历史交易量仅为中国网通每日结算量的三分之一。 5。本文从中央银行数字货币架构的选择出发，论证了当前区块链技术的不足

比特币带来的区块链技术起源于民间密码学界，但很快就吸引了政府部门，尤其是央行的兴趣。以中国、英国、加拿大、日本和新加坡为首的许多中央银行都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区块链技术，但仅限于批发业务（即金融机构之间的交易和清算结算业务），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，批发业务的压力远小于零售业务的压力。虽然这种选择和定位主要是出于金融业务的考虑，但也在一定程度上反映了人们对区块链技术的态度。英国、加拿大等进行过央行数字货币实验的国家都声称，他们对区块链的兴趣主要是“结算效率”在区块链上实现“其他金融机构之间的结算不再需要”的话。注意这里的效率只指“结算效率”，而不是我们前面讨论过的技术效率（交易速度、承载能力等）。

公开资料显示，中国央行数字货币DCEP是全球**在零售领域进入试点阶段的央行数字货币。但是，DCEP并没有完全照搬区块链技术，只是引入分布式账本技术来实现交易的可追溯性，与上述“交易链”类似。在发行、清算结算、支付、回收、销毁等环节，DCEP坚持以中央行为中心，以中心化系统为技术核心。

从央行在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**。

6、 小结：虚拟货币让货币难堪

比特币作为一种技术创新，具有革命性的意义。但是比特币的单笔交易确认速度太慢，并发处理能力太低。这些技术特点决定了它不能成为一种可以被公众大规模使用的支付方式，也很难取代现有的法定货币体系来承担货币责任。比特币支付结算领域的同类技术成果只能应用于对时效性要求不高、交易量有限的批发业务。

当然，后续的虚拟货币一直在努力改进和完善比特币，但仍不能作为大规模公款使用的支付手段。例如，ETH的峰值事务效率仅为每秒15个事务。有报道称，火币网元（EOS）的交易量已达到每秒3996笔，但最多也可以作为小国、地区或行业的支付工具。

2019年以来，“闪电网”经常提到希望通过线下技术实现比特币无延迟、低成本的交易。然而，目前雷电网的支付能力极为有限，存在一系列技术缺陷。2016年，Poon和dryja在一篇论文中系统地提出了闪电网络的概念。其原理是将大量的小事务放在lightning网络的节点上，而不提交给比特币系统。比特币系统仅作为雷电网后台“抵押”和“结算”系统。2018年1月，比特币主网开通闪电组网系统。截至2020年3月6日，闪电网络节点11624个，支付渠道36289个，比特币支付能力895个。对雷电网络的研究表明，雷电网络结构趋于中心化，网络运行效率取决于大中心节点的支付能力，而不是点对点网络的规模扩张。

比特币和其他许多虚拟货币不能被公众大规模使用。未来技术的发展也使区块链成为一种大容量的支付系统。但是，虚拟货币的内在价值、交易成本、合规性等问题仍然存在，可能仍然难以成为货币责任。比特币的话题，作为一个极具争议的话题，是作为一种私人货币继续被讨论。

（作者吴云、朱伟合著《区块链简史》。本文以吴云、朱伟于2020年第6期《金融监管》上发表的论文《虚拟货币：私人资金的失败社会实验》为基础？》作者改写了本版澎湃新闻。感兴趣的读者可以参考原文。）