为什么虚拟货币很难成为货币？从比特币底层技术入手

比特币真的能取代现有的法币体系，发挥货币的作用吗？让我们看两个简单的感性图来证明这种期望是不现实的：比特币交易验证的平均等待时间是 10 分钟；交易拥堵严重，一个月内平均一笔交易的等待时间是两天两夜！

从系统技术效率的角度来看，比特币与现有的电子支付（如支付宝）的区别就像火箭的马车。读者可能会疑惑，在这个比喻中，比特币是一辆马车，还是支付宝是一辆马车？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，比特币与支付宝相比，比马车和火箭的速度差距还要大一百倍。请注意，本次讨论仅是从支付工具的角度出发，并不否认比特币带来的区块链技术所蕴含的创新和应用价值。 （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，澎湃商学院）。

2009年，比特币的诞生标志着虚拟货币作为一件现象级事件正式进入历史舞台。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，仅在以太坊上使用 ERC20 开发的虚拟货币数量就达到了 24.550,000。比特币深受私人货币思想的影响，其宏伟理想不仅是取代现有的法定货币，而且还要改变现有的金融格局。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。许多人将其视为替代现有支付系统的“高科技武器”，甚至大胆预测比特币创造的创新。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。

请记住，在我们的中学课本中，新事物的发展是曲折的。这句话也确实适用于比特币和众多虚拟货币。比特币确实提供了一种新型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还没有表现出任何优势，甚至在关键技术指标上也可以说如此“落后”，它们不太可能成为公众可以大规模使用的支付手​​段。

为什么现实与预期之间存在如此巨大的反差？这还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、链

与传统的电子支付一样，比特币也摒弃了纸币、黄金实体，但为了在点对点的环境中实现可信支付，比特币创造性地使用交易记录作为货币的载体。虽然比特币的名字中有“币”二字，但在比特币系统中却没有“金币”。比特币所构建的模型与传统银行系统的余额系统有很大的不同，当然也不同于古代的金银币和纸币（在流通方式和隐私方面与金银纸币相似）保护）。中本聪设计的比特币以交易记录的形式出现。你不拥有比特币，而是有人将比特币转移给你的记录。这条记录被称为“未使用的交易输出”（UTXO），可以理解为一种可转让的电子权利证书。

很多论文或报告告诉我们，区块变成了链，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以UTXO记录的形式链接成一条链，形成一条连续的交易链，即交易链。下面我们来详细了解一下“区块”的特征和“链”的形成过程。

“块”是多个交易数据打包在一起形成的数据体。一个区块可以理解为记录多笔交易的账本。在最简单的情况下比特币用的是什么技术，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 KB），那么我们可以计算出一个区块最多可以容纳 4096 个（1024000/250) 个交易。以账本为打个比方，中本聪将账本限制为最多 1024 页。而每个最基本的交易占用四分之一页，因此账本最多有 4096 个交易。

区块组成 交易与“链”同时也成为链。记账员按规则填写账本（区块）中的交易后，在封面上盖上时间印章，并在账本封面上记录上一次账本的序号。账本形成一个端到端的账本链。这样形成的账本链有一个特点：账本越老，里面的交易就越难被篡改。 2015年要更改高度为363270的区块中的一笔交易，则需要更改2015年以来的账本之后的所有账本，然后重新预约即可。

如何防止账本被篡改？比特币创造性地使用了工作量证明（POW）机制，矿机通过哈希运算竞争获得记账权，从而防止区块篡改。比特币没有中央服务器，但所有节点的矿机自发运行，为系统提供算力。矿机竞相获取记账权。记账权，系统将以比特币奖励获得记账权的矿工。这就是我们常说的“挖矿”。矿机的POW操作就是对“区块头”数据进行两次哈希运算（比特币使用SHA256哈希运算），得到一个256位的哈希值。

计算哈希值仅需几秒，矿工瞬间完成。因此，比特币对 Ha 的哈希运算提出了要求，即必须计算出指定要求的哈希值。例如，前 19 位数字全为零。如此一来，难度骤然增加。要计算指定要求的哈希值，矿工必须使用试错法。方法，将随机数（专业称为“不重复使用一次的随机值”，即Nonce）不断代入，计算出小于某个值的哈希值。因为SHA256的运算结果非常随机，所以，要计算指定的hash值，唯一的办法就是不断尝试Nonce。因此，矿机能否成功挖矿，一是看矿机的运行速度；另一个是运气，也许第一次改变Nonce的值，你得到一个合适大小的hash值，也许跑了几百亿次，你没有得到。比特币设置时间自动调整哈希运算，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，算力消耗不够，无法避免篡改企图，网络同步不稳定。如果时间太长，交易确认时间就会太长，矿机体验太差。 （哈希运算问题比较复杂，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“区”。）

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，了解比特币的运行效率，有三个重要方面：

首先，每个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，封装起来，并用数据哈希和时间戳覆盖，从现在起不再更改（提供赢得哈希竞赛并在共识机制中获得足够的确认）。

第二，比特币区块大小设置为1兆，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、区块打包、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变化。调整后平均出块时间维持在 10 分钟左右。

二、从单笔交易的速度来看，比特币“出块”时间设置为平均十分钟，是支付宝的200倍，不能用于日常使用公众

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比特币的底层技术将“块生成”时间设置为平均 10 分钟，这意味着完成“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。这种速度对于公共日常支付来说是无法接受的。想象一下你在超市结账，你面前的人用比特币向商家发起支付，确认收到比特币。需要10分钟，线路应该有几公里。让我们用简单的数字仔细计算一下：超市的收银台需要 10 分钟才能完成一次收款，一个小时只需 6 次，营业时间 8 小时只需 48 次。可以说，比特币的速度已经不能满足大众的日常需求了。

您可以回忆起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，非接触式卡的交易时间应小于500毫秒。

三、从并发交易速度来看，比特币每秒可以处理的交易数是3.支付宝一号的70000点

决定了一个系统的事务处理速度，同时也取决于并发处理能力。例如，高速公路上可以行驶多少辆车，不仅取决于道路的长度，还取决于道路的宽度，这决定了一次可以通过多少辆车。比特币每 10 分钟最多处理 4096 笔交易，也就是说每秒最多可以处理 6.83 笔交易。

根据支付宝2017年“双十一”公布的数据，支付宝每秒交易峰值为25.6万笔。两者的处理速度差异有多大？差别是 3.70,000 倍！而火箭的第一宇宙速度只有马车的474倍。

比如“比特币高速公路”十分钟通过4096笔交易，换算成每秒只通过6.83笔交易，而“支付宝高速公路”通过25.6万笔交易每秒。如果全球有 4097 笔交易，那么第 4097 笔交易注定要在第 4096 笔交易之后的 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，车上肯定排起了长长的队伍，绵延数公里、数十公里。 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塞。当月某笔交易的平均等待时间为两天两夜。

四、从可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，理论上比特币每天只能处理 59 万笔交易，2.一年只能处理 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。从 2009 年 1 月 9 日到 2019 年 4 月 12 日，比特币历史累计交易量约为 40 亿次。

专注于在线第三方支付清算的中国网联平台，日均处理11.8亿笔交易，几乎是比特币历史总交易量的三倍。需要说明的是，这个数字只是中国在线第三方支付网络支付交易量的一部分。我国网上第三方支付网络支付部分交易通过互联网转账清算，部分交易通过银联转账清算。支付巨头在体内自我循环。

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

五、从央行数字货币的架构中选择，反驳当前区块链技术的不足

比特币由此产生的区块链技术起源于民间密码学社区，但很快引起了政府部门尤其是中央银行的兴趣。以中国、英国、加拿大、日本、新加坡为首的多国央行，分别启动了区块链技术试验。大多数央行在其数字货币实验中确实使用了区块链技术，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基于金融业务的考虑，但也在一定程度上反映了对区块链技术的态度。英国、加拿大等对央行数字货币进行试验的国家都声称，他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上实现“交易即结算”，央行不再需要中介。注意这里的效率只指“结算效率”，而不是我们之前讨论的技术效率（交易速度、承载能力等）。

据公开信息，我国央行数字货币DCEP是全球首个进入零售领域实验阶段的央行数字货币。但是，DCEP 并没有完全照搬区块链技术，只是引入了分布式账本技术来实现交易的可追溯性，类似于上面提到的“交易链”。在发行、清算结算、支付、回收、销毁等环节，DCEP坚持以央行为中心，技术上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，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。

六、总结：虚拟货币尴尬币责任

比特币作为一项技术创新具有革命性意义。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大众大规模使用的支付方式，也难以取代现有的法定货币体系，承担起货币的责任。类比特币技术在支付结算领域的成果，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，但至今仍不能作为大规模公众使用的支付方式。例如，以太（ETH）的峰值交易效率仅为每秒 15 笔左右。据悉，EOS（EOS）已达到每秒3996笔交易，但也最多用作小国家、地区或行业的支付工具。

2019年以来经常被提及的“闪电网络”，希望通过线下技术实现比特币的无延迟、低成本交易，但目前闪电网络的支付能力极其有限比特币用的是什么技术，而且有是一系列技术不足。 2016 年，Poon 和 Dryja 在一篇论文中系统地提出了闪电网络的概念。其原理是将大量小额交易放在闪电网络的节点上并执行，而不是提交给比特币系统。它仅作为闪电网络的后端“抵押”和“结算”系统。 2018年1月，闪电网络系统在比特币主网上线。截至 2020 年 3 月 6 日，闪电网络节点总数为 11,624 个，支付通道总数为 36,289 个，总支付能力为 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。

比特币和许多其他虚拟货币尚未成为公众可以大规模使用的支付手​​段。内在价值、交易成本、合规等问题依然存在，可能还是很难成为货币。这是比特币等虚拟货币作为私有货币的局限性，也是一个极具争议的话题，让我们下一次继续展开。

（作者吴云和朱伟合着《区块链简史》。本文来源于论文《虚拟货币：虚拟货币：一个失败的私人货币社会实验？》，本版由The论文已被作者改写，有兴趣的读者不妨参考原文。）