2019 年 6 月 19 日，由清华大学金融科技研究院区块链研究中心举办的区块链与监管主题沙龙第六期“All You Need to Know About the
Blockchain-从共识机制到智能合约”在五道口金融学院成功举办。

（图为本期分享嘉宾杨扬）

本期沙龙邀请到区块大陆科技有限公司首席科学家及创始人杨扬作为分享嘉宾。杨扬获得清华大学电子工程系学士学位、帝国理工金融工程专业硕士学位，在纽约和香港从事投资银行与金融科技创新业务超过十年，曾主导西班牙银行区块链项目落地。本次沙龙中，杨扬就区块链技术的理论实践和为金融与监管科技带来的发展机会发表主题演讲，并与在场参会行业人士、学者展开讨论。杨扬从区块链的两条主线发展为线索，展开本次主题分享，分别为：1.
共识发展的历程；2. 从智能合约与区块链治理的角度认识区块链项目的演变。以下是部分嘉宾观点：

1. 共识发展的历程

杨扬首先从技术的角度出发，以区块链共识机制的演化路径为线索入手，阐明了共识机制的起源、设计思路与激励模型，并探讨了比特币挖矿为人们带来的思考。

根据热力学第二定律，一个孤立系统内的熵减需要做功。基于这个理论，一个分布式记账系统可看作是一个孤立系统，其中的熵减就是共识的达成，那么在区块链中也存在从无序到有序，消耗成本达成共识的过程。这里的“成本”指代计算机资源、能量的消耗以及通信次数等。

拜占庭将军容错技术（BFT）来源于拜占庭将军问题，最早在 1982 年由计算机学家 Leslie
Lamport 提出。在拜占庭罗马帝国中，将军之间只能通过尉官来传递信息，如何找到一种算法，让大多数节点能够保持一致的军事行动，而不受到坏节点（例如，叛徒）的影响？这也就是区块链共识要解决的双花问题：如何解决一个比特币可能存在因不当操作被重复支付的问题。Lamport 给出的解决方案之一是口头协议，在口头协议中无法得知尉官的话是否被篡改，为了保证将军发送的消息是真实的，需要反复和其他节点进行验证。口头协议是递归的，其最大容错率是 33%，算法复杂度近似于 O(N^N)。由于其复杂度高，随着节点数量的增加，口头算法难以在应用于现实场景。1999 年，两名美国计算机学家 Barbara
Liskov 和 Miguel
Castro 提出了改进算法 PBFT，引入数字签名的方式确保尉官传递的信息不会被篡改。数字签名的使用改进了口头协议中的反复逐次验证尉官传递的信息真伪的步骤，将通信复杂度降低为约 O(N^2)，相比于 BFT 得到了提升。

比特币挖矿：资源的耗费还是价值的创造？

比特币具有块链结构，每 10 分钟生成一个不超过 1MB 大小的区块，记录这期间验证过的交易内容，每个区块衔接到链尾部从而构建成链状结构。比特币的挖矿过程是记账的过程，每挖出一个块，矿工便会获得一定数量的奖励。激励机制由两部分组成：第一部分是固定奖励，目前挖出一个块会获得 12.5 个比特币；第二部分是收取的手续费，由创建交易的用户自愿提供给矿工。由于矿工需要拥有足够的算力才能够进行挖矿并获取回报，所以在比特币挖矿过程中，任何一个黑客没有经济学上的动力破坏比特币的挖矿。如果有人想要在挖矿过程中作恶，首先需要付出沉没成本，如购买大量挖矿设备等，这一点导致黑客在经济学上没有作恶动机，整个挖矿过程是自洽的。

比特币的挖矿需要消耗大量电力，将作为稀缺资源的电力耗费于比特币挖矿遭到了人们的质疑。研究显示，2018 年 4 月，全球范围内比特币挖矿的总电力消耗约等于整个爱尔兰国家的电力消耗水平，而当时比特币的产生总价值可以和爱尔兰整个国家的 M1 总值相当。从价值角度而言，比特币这种新兴技术创造价值的效率非常高。

比特币挖矿也为过剩产能带来了革新。在我国西南部存在大量尚未并网的小型水电资源，其中有一部分小型水电站在进行比特币挖矿业务。2019 年 4 月，国家发改委发布了《产业结构调整指导目录》，指出需要淘汰落后产能，这些小型水电站企业有可能被淘汰掉。虽然这些小型水电站没有并入电力主网，但是通过用于比特币挖矿，这些小水电站同样将挖矿获得的价值传递到外界，它们以将电力数字化的方式创造着价值。换言之，由于比特币的出现，电力创造价值的过程不一定完全需要通过电缆，也可以通过通信通路实现。

共识机制的发展：不断引入新秩序

如何减少工作量证明 PoW 使用的能量消耗？最开始人们使用增加通信次数的方式达成共识，之后通过增加能量损耗的方式减少通信次数，现在为了减少能量损耗，还需要引入一个新的秩序或者共识。现在一般采取两种做法，一种是减少共识的容错率，另一种是不做全局共识，只做局部共识，减少共识的质量。

降低共识容错率的典型案例是瑞波共识。瑞波是一个为银行体系提供服务的开放网络项目，实现快速支付交易和自动清算功能，其主要竞争对手是全球电汇 SWIFT 以及最近出现的 Libra。瑞波共识假设每一个节点有不低于 80% 的概率是好节点，并且两个互不信任的节点之间可以通过三方来实现信任。例如，假设节点 A 与节点 B 之间相互不信任，但是节点 A 与 C 相互信任，节点 C 与 B 相互信任，那么节点 A 不需要直接信任节点 B，节点之间的信任可以一级一级传递。瑞波共识的容错率为 20%，共识达成的成本与节点数量线性相关。

牺牲全局共识的一个典型案例是 2017 年的明星项目 Tango，它使用低附加值的 IoT 的共识算法，在验证时只随机验证两条链，并不遍历每个状态，从而保证算法复杂度为常数。Tango 项目通过牺牲全局共识、只做局部共识换取了速度。

另一种方法是比特币的闪电网络。在主网上，每十分钟可以打包一笔交易。由于主网打包速度比较慢，交易先通过节点内网进行清算，再将结果与主网确认。闪电网络在局部是中心化交易过程，以牺牲了全局安全性的方式实现快速支付目的。

上面提及的案例所具有的技术特点适用于不同的应用场景。为了同时实现降低消耗能量、实现全局共识、速度快三点，也可以选择使用权益证明 PoS 共识机制。PoS 共识机制来源于朴素思想：持有大量比特币的节点大概率不会作恶。基于这一思想，PoS 共识机制设计为，挖矿难度取决于拥有通证的数量，拥有越多的通证，挖矿难度越低，所以 PoS 的能量损耗远小于 PoW。PoS 主网缺少算力竞争，其总算力远小于 PoW 主网，容易遭受其他 PoW 主网的攻击。

使用类似 PoS 共识机制的一个明星项目叫做 Cosmos
IRIS，引入了惩罚机制 Slash 抵御贫穷攻击。如果节点主动作恶、蓄意恶性攻击，投票代币会被没收 4%，节点会被列入黑名单三个月；如果节点产生丢块、服务器下线等失误，投票代币会被没收 0.1%，节点会被列入黑名单一个月。这里存在的一个问题是对“主动作恶”的界定，如何将“主动作恶”这一行为抽象成计算机代码并写入主网？对于这一问题，Cosmos
IRIS 暂时没有给出明确的答案。

在 PoS 的基础上，可以进一步引入外来秩序。委托权益证明（Delegated Proof of
Stake，以下简称 DPoS）便是其中一种，它由 BM （Daniel
Larimer）提出，共识机制类似美国选举总统的方式，不需要进行挖矿，持币人所持有的通证相当于选票，通过投票方式选出票数最高的 21 个节点成为出块节点。这种方式保证了可扩展性极高并且速度很快，但是使得票更容易集中在拥有大量通证的大户手中，使得去中心化程度不高。

区块大陆发明的共识算法 DPoW （Delegate Proof of
Work）采用了另一种方式，将共识和出块去耦化，采用挖矿和投票双重机制，有效地将工作量证明 PoW 和焚烧证明 PoB 的优势相结合，保证了共识的高性能和去中心化，同时保证了高频短时间出块，具有非常高的 TPS。

2. 从智能合约与治理认识区块链项目的演变

源于朴素思想：持有大量比特币的节点大概率不会作恶。基于这一朴素区块链的第二条主线从智能合约与区块链治理角度展开，介绍了区块链项目的演变过程，包括区块链公链项目的起源与现状、典型公链项目介绍、智能合约及其法律地位、以及对于区块链的认知与思考。

染色币与 BTS：暗含的区块链公链思想

2010 年，Gavin
Andresen 首先提出了区块链公链的概念，他把比特币网络当作底层基础设施，赋予比特币“染色”的抽象概念，其通过标记区块链中的比特币，记录外部资产的所有权和转让等信息。Gavin
Andresen 的这个想法暗含着将区块链网络当作基础设施的概念，但是染色币本身存在两个问题，一个问题是比特币脚本语言图灵不完备，另一个问题是比特币作为底层公链速度太慢，并且随着比特币价格高涨，它已经不适合继续承担这个角色。

另一个暗含公链思想的项目是 Bitshares （BTS）比特股，它瞄准资产发行的细分市场，以 BTS 发行的通证 bts 作为抵押发行新资产。BTS 通过 DPoS 的机制选出 27 位见证人，由见证人给 BTS 发行的资产喂价。BTS 上发行的资产通过喂价逐日盯市，并产生抵押品的变动。BTS 的规则提供了一个发行新资产的平台，在该平台上可以发行任何资产。BTS 存在的缺陷在于，其喂价系统还不够完善，并且所有发行的资产都存在错向风险。

智能合约的法律地位：与书面合同相同的约束力

智能合约其本质是将文字性约定使用计算机代码实现与执行。在 2017 年 7 月，SEC 对智能合约给出了定义，通过“智能合约”实现某些功能的自动化并未从美国联邦证券法的范围中消除该行为（”The
automation of certain functions through this technology, “smart contracts,” or
computer code, does not remove conduct from the purview of the U.S. federal
securities laws”）。换言之，智能合约是使用计算机代码签订的合同，合同双方使用数字签名签订了这个代码合同，具有与书面合同相同的约束力。

区块链网络与云网络不同。云网络是算力的总和，而区块链网络的总算力受限于能力最低的节点。这使得区块链的资源有限，如果有些智能合约运行了多次循环，网络的稳定性就不能得到保证。目前对于这个问题的解决方案大致可分为两种，第一种是 gas 机制，智能合约的发起方需要为合约的每一步提前付费；第二种是 stake 机制，开发者通过质押所持有的通证获得一定比例的整个网络的资源来运行合约。

以太坊：第一条区块链公链的诞生

以太坊在 2014 年由 Vitalik
Buterin 推出，是世界上第一条真正意义上的公链，在上面可以运行智能合约，以解决比特币不适合做公链的问题。ETH 是以太坊的通证，用于支付运行智能合约所需要的成本 gas。每次运行智能合约收取的 gas 价格会发生变动，所以智能合约并非每次都能成功被运行。由于矿工需要出块才能运行智能合约，所以矿工倾向投入资源去计算数学难题而不是运行智能合约。以太坊经常会出现堵塞的情况，难以支持大型应用。

以太坊上发行数字资产和通证使用 Solidity 语言。早期发行的数字货币或者通证有很多漏洞，后期通过推行 ERC20 和 ERC721 模板，帮助发行人开发标准化安全的智能合约。Solidity 为了增强它的稳定性，不能与外部进行沟通，需要使用预言机 Oracle 充当外部数据接口，作为数据交换的桥梁。

稳定币：避险作用大于支付功能

稳定币是指价格与法定货币挂钩的数字资产和通证，具有避险功能。稳定币的类型可以分为两种，一种是以法定为抵押发行的稳定币，如 Tether 的 USDT、Gemini 的 GUSD 等。以这种方式发行的稳定币因审计不公开、涉嫌超额发行等因素受到质疑。另一种是以其他通证作为抵押物，按照一定规则管理的稳定币，如 BTS 的 bitCNY 等。这种方法发行的稳定币可能会出现错向风险，但是比使用法币质押的方式透明度更高。目前稳定币主要起到避险功能，而非应用于支付场景。

EOS：独特的通证经济模型与资源分配模式

EOS 主网在 2018 年上线，创始人为 BM，是目前最快的区块链公链主网，具有速度快、容量大、可支持大规模应用的特性。EOS 在社区治理方面率先提出了仲裁庭的机制来管理和服务社区。仲裁机构 ECAF （EOS
Core Arbitration
Forum）专门用于裁决智能合约产生的争端与纠纷。一旦产生纠纷，受害者可以向 ECAF 提出诉求、提交证据，等待仲裁。仲裁过程中，ECAF 会首先发出冻结相关账户指令，随后向相关人员发送仲裁令。在作出仲裁后，会向节点要求修改某个地址的私钥。这种设计机制引起不小争议，也为区块链技术未来的治理方式带来新的挑战。

EOS 的通证经济模型与资源分配模式与以太坊的设计不同，具有自己的特点。EOS 的通证发行 10 亿枚，其中 1 亿枚归 Block.One 基金会所有，剩下 9 亿通过一年众筹分发给公众。目前，EOS 每年增发 1 亿通证，其中 25% 归出块节点所有，75% 按照投票比例发放给所有节点。在 EOS 的 DPoS 中，节点获取奖励的最低标准是每天 100 个 EOS，因此在 EOS 中，即便不作为出块节点，依然会得到收益。

EOS 的资源定义为 CPU 时间、内存和带宽，其中前两者尤为重要。开发者通过质押手上的通证获得相应比例的主网资源。例如，开发者通过手上持有的 EOS 质押换取 CPU 的时间，这样开发者不再通过使用 gas 的方式而是通过自己对于资源的估算来运行智能合约程序。等智能合约运行完毕，EOS 的资源可以被再次释放，并换回质押的资源。EOS 没有采取类似以太坊中使用的购买资源的方式，而是通过质押允许开发者免费使用网络资源。质押与资源比例按照 Bancor 协议定价，根据 Bancor 协议，智能合约可以在没有其他平等对手盘的情况下进行区块链数字资产买卖。该协议可以向任何资产根据给定的价格供需曲线，即便没有对手盘，也可以为资产提供流动性。所有的交易对手都不相互进行交易，而是都与分布式主网交易。EOS 的内存资源使用 Bancor 协议分配。

区块链资源在 EOS 中非常昂贵，因为大部分 EOS 通证由少数人持有，而开发者所拥有的 EOS 资源很少。在这种情况下，创始人 BM 提出的解决方案是在 EOS 主网内通过租赁方式来获得资源。例如，用户 A 可以拿出一定的 EOS 通证来租赁用户 B 的 CPU 时间。这种设计方式使得一种去中心化的 CPU 时间交易所被开发出来，租期 7 天、14 天、28 天的 CPU 回购利率可以在市场上交易，这种方式类似于国债的回购协议市场。由如果从收益是 EOS 通证本位的角度而言，在 EOS 系统上这是一种无风险利率，EOS 所有的资产都具有时间价值。这个利率推导出来的贴现因子可以用于 EOS 资产上的现金流贴现，所有现代金融理论和体系可以在 EOS 系统上实践。

区块链：类似生命存在的人工智能

区块链可以看作是一种没有目的的人工智能，他很像一种生命体，传播 DNA 但是进化路径自选，按照社会对于他的需求不断演变。例如，如果监管机构对他提出了合规要求，则在诸多利益相关方的参与下，他会逐渐发展成符合合规要求的形态。从这个意义上而言，区块链也可以看作是一种生命。

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来源：区块科技研究与监管