中國法定數字貨幣原型構想
姚前
中國人民銀行行長周小川在一系列講話中對中國法定數字貨幣的理論基礎、設計思路做了充分的闡述。在此基礎上，我們需充分吸收借鑒國際上先進成熟的知識和經驗，深入剖析數字貨幣的核心技術。一方面，從理論入手，梳理國內外學術界對密碼貨幣的研究成果，構建中國法定數字貨幣的理論基礎；另一方面，從現實入手，對運營中的各類典型電子與數字貨幣系統進行深入分析，博采眾長，構建中國法定數字貨幣的基礎原型。
密碼貨幣發展歷程
數字貨幣與密碼技術的關系
目前，我國基于電子賬戶實現的支付已經十分普遍，然而這種方式本質上還只是一種現有法定貨幣的信息化過程，還不能稱作嚴格意義上的數字貨幣。數字貨幣作為法定貨幣必須由央行來發行，其本身就是貨幣而不僅僅是支付工具。
通過密碼技術來保證數字貨幣的安全性是研究的熱點。從這一角度看，密碼技術是當今數字貨幣的支撐，數字貨幣從發行到流通均需要基于密碼學原理來構建，并采用密碼協議來實現應用過程中的各類安全需求。
以中心化為特征的數字貨幣及其密碼方案特點
1982年，“數字貨幣之父”David Chaum在美密會議上發表了一篇題為《用于不可追蹤的支付系統的盲簽名》的論文。論文提出了一種新的密碼協議——盲簽名，并利用盲簽名構建一個具備匿名性、不可追蹤性的電子貨幣系統。該論文的觀點被視為最早的數字貨幣理論。David Chaum模型的數字貨幣基于“銀行—個人—商家”三方模式來設計，其中銀行是一個權威的中心化機構，其余兩方的交易必須依賴這個中心化機構才能完成。該方案在具體設計時，采用了基于RSA算法構造的“盲簽名”方案，其典型的支付過程包括六個步驟。
第一步：顧客對交易信息m進行盲化處理，即隱藏消息內容，然后把盲化后的消息b發給銀行。第二步：銀行對盲化后的消息b進行簽名，以證明該筆數字貨幣的有效性，將簽名結果發給顧客，同時將簽發對應的金額從顧客賬戶中扣除。第三步：顧客驗證盲化消息b簽名的有效性；如果有效則顧客就脫盲處理，獲得消息和簽名(m，s)，并支付給商家。第四步：商家用銀行的公鑰即可驗證(m，s)是否為銀行簽發，驗證通過后再將(m，s)發送到銀行要求清算。第五步：銀行驗證(m，s)是否為合法簽發，如果為否則阻止交易，如果為是則繼續檢查該筆信息是否已經在消費列表中存在過，如果沒有則核準交易，并將相應的金額加入到商家賬戶中，否則阻止交易。第六步：銀行通知商家交易成功。
該方案成為以中心化為特征的數字貨幣密碼方案的經典案例。1990年，David Chaum成立了DigiCash公司，并研發了E-Cash。其后的群盲簽名、公平交易、離線交易、貨幣的可分割性等研究都是在這個基礎上展開的。
以中心化為特征的數字貨幣，其安全性和效率對中心的依賴十分嚴重，幾十年來，此類數字貨幣研究中最注重的課題，就是如何提高三方模式下的安全性和效率。
以去中心化為特征的數字貨幣及其密碼方案特點
2008年，中本聰發表論文《比特幣：一種點對點的電子現金系統》，提出在交易過程中去掉銀行這一中心機構。據此，數字貨幣由原來的三方模式，變成了點對點的兩方交易模式。比特幣是目前去中心化數字貨幣中最成熟的應用案例，而且當前在實踐中的其他去中心化數字貨幣從基本特性上來看均和比特幣雷同。
比特幣交易的基本單位是未經使用的一個交易輸出，簡稱UTXO。本質上，比特幣的存在是通過交易單來實現。交易單類似于銀行的對賬單，其通過記錄貨幣的去留來證明顧客有多少貨幣，而不是提供給顧客具體的貨幣單位。交易單記錄一筆交易的具體信息，比如付款人，收款人，付款金額等。
比特幣通過P2P網絡，將一定時間段內的交易信息加上時間戳組合在一起形成一個信息塊，這個信息塊就稱為區塊（block）。而后，再把信息塊互相鏈接起來形成一個鏈條、彼此互相驗證，就形成了區塊鏈（block chain）。其中每個區塊都會保存上一個區塊的摘要，區塊摘要值使用密碼學中的雜湊(Hash)函數來生成，這樣塊之間的順序一旦確定就無法更改。同時，交易單中的數字簽名使用了256位橢圓曲線數字簽名算法（ECDSA），以確保交易數據的完整性和不可否認性。
區塊鏈賬本在比特幣P2P網絡中是唯一確定的，每個節點都有相同的備份，任何節點可以隨時加入或離開這個區塊鏈網絡。一旦區塊鏈有交易更新，則通過全網廣播到所有節點，所有節點通過共識算法達成共識后，認可并存儲新增的內容到各自的數據庫中，從而保證區塊鏈全網數據的協同一致。
區塊鏈通過算法的精巧設計，去掉了中心化的中介擔保過程，以點對點的方式讓在線支付能夠直接由一方發起并支付給另外一方，中間不需要通過任何的金融機構或中介機構。從而實現了互聯網上的價值轉移。所以，比特幣作為典型的去中心化數字貨幣，其特性是由“區塊鏈+密碼技術”相結合共同確定的。
典型系統的啟示
借鑒典型的電子和數字貨幣系統，如E-Cash、M-PESA、GDM、游戲幣、第三方支付、比特幣、BitMint等（有的僅是試驗系統，但具學術參考價值），中國法定數字貨幣的設計和構建須慎重考慮以下核心問題。
在線與離線。目前實際運轉的電子貨幣系統基本都是在線模式。中國法定數字貨幣的發行與流通應能夠同時支持在線與離線并行的方式。為了設計的簡明，在線/離線需要有不同的規范和流程。
便捷與安全。便捷性是獲得市場認可的一個重要因素，安全性則是整個體系能夠健康運行的基礎。便捷性與安全性之間如何權衡是一個重大問題。為了提高效率，增加便捷性，在安全機制上，大額與小額的處理有可能需要區別對待。
實名與匿名。數字貨幣可以實行實名制，也可以實行匿名制，也可以是兩者結合。中國法定數字貨幣的設計考慮是“前臺自愿，后臺實名”。
交易與數據分析。在大數據、云計算環境下，交易安全已不完全依賴傳統的身份認證體系，通過客戶行為分析來保障交易安全、規避風險，這一方向值得高度關注。加強客戶行為分析，是央行發行法定數字貨幣的重要考量。宏觀上，數字貨幣可以做大數據分析，但微觀上不可侵犯合法用戶的隱私。
與銀行賬戶的關聯。目前運營的電子貨幣系統大都基于銀行賬戶，而純數字貨幣系統則不一定與銀行賬戶關聯。
生態體系建設。中國法定數字貨幣的設計要與金融界、科技界合作，深入研究和合理利用各種新型創新技術，以優化完善數字貨幣發行流通的技術框架，并充分預見技術進步，引入長期演進、不斷優化的發展理念。
對區塊鏈技術的期待。區塊鏈技術是下一代云計算的雛形，備受各方矚目，但作為成熟的企業級應用案例尚不多見。“私有云+高性能數據庫+移動終端”與“私有云+區塊鏈+移動終端”，有可能是兩個既關聯又有區別的思路。讓中央更強大，讓數據更安全，使終端更智能，讓個人的支付行為更能動，一定是未來央行數字貨幣追求的目標。如果將區塊鏈技術應用于央行數字貨幣的研發，是否可以對其進行必要的改造？面對大規模交易的速度和效率問題，區塊鏈技術自身如何實現實質性突破？
總之，提高交易安全性和便捷性、減少清算環節、降低交易成本是數字貨幣發行者的出發點。
我國數字貨幣原型構想
作為法定數字貨幣必須由國家主權保障，為此，我國數字貨幣在設計時的初步考慮是：由央行主導，在保持實物現金發行的同時發行以加密算法為基礎的數字貨幣，M0的一部分由數字貨幣構成。為充分保障數字貨幣的安全性，發行者可采用安全芯片為載體來保護密鑰和算法運算過程的安全。
我國法定數字貨幣發行總體框架可以描述如下：根據現行人民幣管理原則，央行數字貨幣的發行和回籠基于“中央銀行—商業銀行”的二元體系來完成，中央銀行負責數字貨幣的發行與驗證監測，商業銀行從中央銀行申請到數字貨幣后，直接面向社會，負責提供數字貨幣流通服務與應用生態體系構建服務。
央行數字貨幣體系的核心要素
央行數字貨幣體系的核心要素為一種幣、兩個庫、三個中心。具體而言，該體系包括以下幾項主要構成要素。
央行數字貨幣私有云：用于支撐央行數字貨幣運行的底層基礎設施。數字貨幣：由央行擔保并簽名發行的代表具體金額的加密數字串。數字貨幣發行庫：人民銀行在央行數字貨幣私有云上存放央行數字貨幣發行基金的數據庫。數字貨幣商業銀行庫：商業銀行存放央行數字貨幣的數據庫，可以在本地也可以在央行數字貨幣私有云上。數字貨幣數字錢包：指在流通市場上個人或單位用戶使用央行數字貨幣的客戶端，此錢包可以基于硬件也可以基于軟件。認證中心：央行對央行數字貨幣機構及用戶身份信息進行集中管理，它是系統安全的基礎組件，也是可控匿名設計的重要環節。登記中心：記錄央行數字貨幣及對應用戶身份，完成權屬登記；記錄流水，完成央行數字貨幣產生、流通、清點核對及消亡全過程登記。大數據分析中心：反洗錢、支付行為分析、監管調控指標分析等。
數字貨幣的加密產生
探索中國法定數字貨幣的表達方法，對進一步研究數字貨幣基礎數學模型，包括屬性、發行者、所有者、使用權限、使用范圍、數字簽名、加密、防偽等，并建立其識別和描述模型，無疑是必要的。
在央行數字貨幣系統中，D幣可以按單元面額產生，也能按流通中實物貨幣數額產生，具體按哪種方式可通過系統參數在初始過程中設置。
一個加密文本代表一定數額的央行數字貨幣：
Did From To Value Time E TVM ……
其中的結構可以按需設計，由此產生不同形式的幣將具備不同特性，如賬戶余額方式、類UTXO方式等。
數字貨幣的發行與流通
在央行數字貨幣體系中，有央行的數字貨幣發行庫、商業銀行的數字貨幣銀行庫和用戶端(如手機)的數字錢包，三者關系如下：根據數字貨幣發行總量，央行統一生成數字貨幣（即生產數字貨幣基金），存放在央行發行庫中；根據商業銀行數字貨幣的需求申請，將數字貨幣發送到相應商業銀行存放數字貨幣的數據庫，即數字貨幣從發行庫到銀行庫；用戶申請提取數字貨幣時，數字貨幣從銀行庫到流通環節，進入用戶客戶端的存儲介質中（如手機內），即從銀行庫到用戶的數字錢包；在流通環節，數字貨幣實質是在兩個用戶各自數字錢包間進行轉移來完成支付，此時支付分為在線交易和離線交易。
設計要點
第一，遵循傳統貨幣的管理思路，發行和回籠基于現行“中央銀行—商業銀行”的二元體系來完成；第二，幣本身的設計，運用密碼學理論知識，安全性強；第三，貨幣的產生、流通、清點核對及消亡全過程登記，可參考區塊鏈技術，建立集中/分布相對均衡的簿記登記中心；第四，充分運用可信計算技術和安全芯片技術來保證數字貨幣交易過程中的端到端的安全；第五，充分運用大數據分析技術，不僅可以進一步保障交易安全，還可以滿足反洗錢等業務需求；第六，數字貨幣的用戶身份認證采用“前臺自愿、后臺實名”的原則，既保證用戶隱私，又規避非法交易的風險；第七，數字貨幣本身的設計應力求簡明高效，數字貨幣之上的商業應用盡可能交給市場來做，同時把技術標準與應用規范做好；第八，構建由央行、商業銀行、第三方機構、消費者參與的完整的數字貨幣生態體系，保證數字貨幣的發行、流通、回收全生命周期閉環可控。■
作者系中國人民銀行科技司副司長兼中國人民銀行數字貨幣研究所籌備組組長
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責任編輯：蔡越坤
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