虚拟货币为何难以成为货币？从比特币底层技术谈起

比特币真的能取代现有的法币体系，发挥货币的作用吗？ 我们先来看两个简单的感性数据，可以知道这个预期是不现实的：比特币交易验证的平均等待时间为10分钟； 交易拥堵严重，当月平均等待两天两夜！

从系统技术效率的角度来看，比特币（Bitcoin）不同于现有的电子支付（如支付宝），就像马车之于火箭。 读者可能会疑惑，在这个比喻中，比特币是马车，还是支付宝是马车？ 作者可以很负责任的说：“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，比特币比马车和火箭快一百倍。 请注意，本次讨论仅从支付工具的角度出发，并不否定比特币所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》，2020-08-30，论文商学院）。

2009年，比特币的诞生标志着虚拟货币正式作为现象级事件登上历史舞台。 我们一般把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，仅在以太坊上使用 ERC20 开发的虚拟货币就有 245,500 种。 比特币深受私人货币思想的影响，不仅有取代现有法币的宏伟理想，而且还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“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，无需通过金融机构即可实现交易对手之间的直接网络支付”。 . 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”，甚至大胆预测比特币的发展。 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。 这句话同样适用于比特币和很多虚拟货币。 比特币确实提供了一种新的货币和支付系统的思路，但是，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，甚至在关键技术指标上也可以说是“过时”，它们不太可能成为公众可以大规模使用的支付手​​段。

为何现实与期望反差如此之大？ 这还要从比特币的底层技术说起。

1、比特币交易数据结构：交易、区块、链

与传统电子支付一样，比特币也抛弃了纸币、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载体。 比特币名称中虽有“币”字，但比特币体系中并无金“币”。 比特币构建的模型与传统银行体系的余额体系有很大的不同，当然更不同于古代的金银币和纸币（在流通方式上类似于金银和纸币）和隐私保护）。 由中本聪设计的比特币以交易记录的形式出现。 你拥有的不是比特币，而是某人向你转移比特币的记录。 这条记录被称为“未花费的交易输出”（Unspent Transaction Output，UTXO），可以理解为一种可转让的电子权利凭证。

许多论文或报告告诉我们，区块形成一条链，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是通过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。 让我们仔细看看“块”的特性和“链”的形成过程。

“区块”是将多个交易数据打包在一起形成的数据体。 区块可以理解为账本，其中记录了多笔交易。 在最简单的情况下，单个事务的大小为 250 字节。 当然，实际交易会大于这个值。 每个区块的大小被中本聪限制为最大 1 兆字节（1024 千字节），那么我们可以计算出一个区块最多可以容纳 4096（1024000/250）笔交易。 以账本为比喻，中本聪将账本限制在最多 1024 页。 而每笔最基本的交易占据了四分之一页，所以一个账本最多有 4096 笔交易。

当区块形成一条“链”时，交易也形成一条链。 账本（块）按规定记满交易后，记账员会在封面上盖上时间印章，并在账本封面上记录上一账本的编号，从而形成端到端的交易记录。结束账本之间的联系。 链。 这样形成的账本链有一个特点：越老的账本，里面的交易就越难被篡改。 如果要更改2015年高度为363270的区块中的一笔交易，则必须更改2015年的账本以来的所有账本并重新记账。

如何防止账本被篡改？ 比特币创造性地使用工作量证明（POW）机制，矿机通过哈希运算竞争获得记账权，从而防止区块被篡改。 比特币没有中央服务器，而是所有节点的矿机自发运行，为系统提供算力。 矿机竞争获得记账权，系统对获得记账权的矿机奖励比特币。 也就是我们常说的“挖矿”。 矿机的POW运算是对“区块头”数据进行两次哈希运算（比特币采用SHA256哈希运算），得到一个256位的哈希值。

计算哈希值只需几秒，矿机瞬间完成。 因此，比特币对哈希运算提出了要求，即必须计算指定的哈希值。 例如，前 19 位全为零。 . 这样一来，难度一下子就变大了。 矿机要计算指定的哈希值，必须用试错法不断代入随机数（技术上称为“使用一次的非重复随机值”，即Nonce）来计算小于一个一定的值哈希值。 因为SHA256的计算结果非常随机，所以计算指定哈希值的唯一方法就是不断尝试Nonce。 因此，矿机能否成功挖矿取决于矿机的运算速度； 其次，要看运气。 可能第一次改Nonce的值，就可以得到一个符合大小的hash值，可能跑了几百亿次，也没有得到。 比特币设置了自动调整哈希运算的时间，设置为平均十分钟，动态调整。 这个时间设置是两个方面的平衡。 如果时间太短，消耗的算力不够，篡改企图无法撤消，网络同步就会不稳定。 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，限于篇幅，我们不再详细解释这些术语，有兴趣的读者可以阅读《区块链简史》第四章。）

以上就是比特币区块链原理的基本解释。 对于非技术人员了解比特币的运行效率，关键有以下三个方面：

首先，每笔比特币交易验证过程可以理解为一个“区块”，就是将很多交易数据文件组织在一起，打包，并在数据哈希和时间戳上打上戳记，永远不再更改（前提是 Win the hash competition并在共识机制中得到足够的确认）。

其次，比特币区块大小设置为1兆字节比特币效率低的原因，每个区块理论上只能记录4096笔交易。

第三，出块时间是矿工验证交易、打包区块、哈希竞争的时间。 根据比特币代码的设置，比特币哈希竞赛的目标难度值会动态调整，使平均出块时间保持在10分钟左右。

2、从单笔交易速度来看，比特币的“出块”时间平均设置为十分钟，是支付宝的200倍，无法满足大众日常使用

比特币在底层技术中将“出块”时间平均设置为10分钟，也就是说完成“一批”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。 对于大众的日常支付来说，这样的速度是难以接受的。 试想一下，当你在超市结账时，你面前的人会用比特币发起支付，直到商家确认收到比特币。 需要10分钟，排队应该有几公里远。 用简单的数字仔细计算一下：超市收银台完成一次收款需要10分钟，一个小时只能完成6笔交易，8小时的营业时间内只能完成48笔交易。 可以说，比特币的速度无法满足大众的日常需求。

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、输入密码等用户操作所花费的时间），网银转账也可以到账几秒钟之内。 根据中国银联的技术规范，非接触卡交易时间应小于500毫秒。

3、从交易并发速度来看，比特币每秒可以处理的交易数量是支付宝的1/37,000

决定系统事务处理速度的是并发处理能力。 例如，在高速公路上可以行驶多少辆车，不仅取决于路的长度，还取决于路的宽度，这决定了一次可以通过多少辆车。 比特币每 10 分钟最多可以处理 4096 笔交易比特币效率低的原因，换算成每秒最多 6.83 笔交易。

根据支付宝在2017年“双十一”公布的数据，支付宝每秒交易处理量峰值为25.6万笔。 两者的处理速度差别有多大？ 相差三万七千倍！ 火箭的第一宇宙速度仅为马车速度的474倍。

例如，“比特币高速”在十分钟内通过了 4096 笔交易，相当于每秒只有 6.83 笔交易，而“支付宝高速”在一秒钟内通过了 256,000 笔交易。 如果世界上有4097笔交易，那么第4097笔交易注定会在这4096笔交易完成后的接下来的10分钟内完成。 试想一下，在旅游旺季，高速公路上只有一个收费站，必然会有绵延数公里或数十公里的长龙。 2017年12月，由于比特币价格上涨导致比特币交易量激增，比特币系统开始出现拥堵。 当月一笔交易的平均等待时间为两天两夜。

4、从可以承载的交易总量来看，比特币很难成为一种大规模的支付方式

通过进一步简单的数学计算，我们可以发现，比特币理论上每天只能处理59万笔交易，一年只能处理2.12亿笔交易。 从实际交易处理来看，以2019年第三季度的数据为例，比特币日交易量约为30万笔。 亿笔交易。

专注于在线第三方支付和清算的网盟平台，每天处理11.8亿笔交易，几乎是比特币历史交易总量的三倍。 需要说明的是，这个数字只是中国线上第三方支付网络支付交易额的一部分。 我国线上第三方支付网络支付的部分交易是通过网联转账清算的，部分交易是通过银联转账的，还有相当一部分是在支付巨人体内自流通。

比特币系统满负荷运转，理论上每年只能承载2.12亿笔交易，相当于网联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相当于网联清算每日清算量的三分之一。

5、从各国央行数字货币架构的选择，反驳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，但很快引起了政府部门，尤其是各国央行的兴趣。 以中国、英国、加拿大、日本、新加坡为首的多国央行纷纷开展区块链技术实验。 大多数央行确实在数字货币实验中使用了区块链技术，但仅限于批发业务（批发业务是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、转账业务）。

毫无疑问，批发业务的压力远小于零售业务。 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对区块链技术的态度。 英国、加拿大等尝试过央行数字货币的国家，都声称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上实现“交易即结算”，无需中央银行中介处理。 注意，这里的效率只是指“结算效率”，而不是我们上面讨论的技术效率（交易速度、承载能力等）。

公开资料显示，我国央行数字货币DCEP是全球首个进入零售领域试验阶段的央行数字货币。 但DCEP并没有完全照搬区块链技术，只是引入分布式账本技术实现交易溯源，类似于上述的“交易链”。 在发行、清算结算、支付、回收和销毁等方面，DCEP坚持以央行为中心，技术上也以中心化系统为中心。

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

6.总结：虚拟货币难堪货币责任

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。 这些技术特点决定了它无法成为一种可以被大众大规模使用的支付方式，也很难替代现有的法币体系，承担起货币的作用。 类比特币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努力完善和完善比特币，但它仍然不能作为一种支付手段被大规模大众使用。 例如，以太坊（ETH）的交易效率峰值仅为每秒 15 笔左右。 据悉，EOS已经达到每秒3996笔交易，但最多作为小国家、地区或行业的支付工具。

从2019年开始被提及的“闪电网络”，希望通过线下技术实现无延迟、低成本的比特币交易。 然而，闪电网络目前的支付能力极其有限，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思想。 其原理是将海量的小额交易放在闪电网络的节点上执行，而不是提交给比特币系统。 比特币系统只是作为闪电网络的后台“抵押”和“结算”系统。 2018年1月，比特币主网上线闪电网络系统。 截至2020年3月6日，闪电网络节点总数为11624个，支付通道总数为36289个，整体支付能力为895个比特币。 闪电网络上线后的研究表明，闪电网络的结构趋于中心化，网络运行效率取决于大型中心节点的支付能力，而不是点对点网络的规模扩张.

比特币等很多虚拟货币目前还不能成为大众可以大规模使用的支付手​​段。 未来的技术发展可能会让区块链成为一个大容量的支付系统，但其内在价值、交易成本、法律法规等问题仍然存在，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有货币的局限性，也是一个很有争议的话题，留到下一次继续。

（作者吴云、朱伟合着《区块链简史》。本文来源于吴云、朱伟在《金融监管研究》第6期发表的论文《虚拟货币：一个失败的私人货币社会》 ，2020实验？”，澎湃新闻发布的这一版本，作者进行了一定程度的改写，有兴趣的读者不妨参考原文。）