數字貨幣技術實現框架
王永紅
近年來，以比特幣為代表的虛擬貨幣風靡全球，國內外金融機構、科技公司、投資公司等參與方投入大量的人力、物力、技術等資源，進行虛擬貨幣的研究、開發、設計、測試與推廣。同時，虛擬貨幣的快速發展引起了監管部門的高度關注，為適應新的技術發展與滿足新的市場需求，部分國家中央銀行開始研究、設計并嘗試發行數字貨幣。本文擬對貨幣當局發行的數字貨幣的主要特性及核心技術進行分析，并嘗試構建數字貨幣的一種技術實現框架。
數字貨幣主要特性
數字貨幣作為具有法定地位的貨幣并有效替代現金，須實現代表國家信用、可以安全存儲、能夠安全交易、進行匿名流通等目標。其中，貨幣當局可以通過國家立法的形式實現數字貨幣代表國家信用。若要實現能夠安全存儲、安全交易、進行匿名流通等目標，數字貨幣應具備可流通性、可存儲性、可離線交易性、可控匿名性、不可偽造性、不可重復交易性、不可抵賴性七個特性（見表1）。
數字貨幣核心技術
要實現數字貨幣“四可三不可”的主要特性，可依托安全技術、交易技術、可信保障技術這三個方面的11項技術構建數字貨幣的核心技術體系（見圖1）。
首先，以安全技術保障數字貨幣的可流通性、可存儲性、可控匿名性、不可偽造性、不可重復交易性與不可抵賴性。數字貨幣安全技術主要包括基礎安全技術、數據安全技術、交易安全技術三個層面。
基礎安全技術包括加解密技術與安全芯片技術。加解密技術主要應用于數字貨幣的幣值生成、保密傳輸、身份驗證等方面，建立完善的加解算法體系是數字貨幣體系的核心與基礎，需要由國家密碼管理機構定制與設計。安全芯片技術主要分為終端安全模塊技術和智能卡芯片技術，數字貨幣可基于終端安全模塊采用移動終端的形式實現交易，終端安全模塊作為安全存儲和加解密運算的載體，能夠為數字貨幣提供有效的基礎性安全保護。
數據安全技術包括數據安全傳輸技術與安全存儲技術。數據安全傳輸技術通過密文+MAC/密文+HASH方式傳輸數字貨幣信息，以確保數據信息的保密性、安全性、不可篡改性；數據安全存儲技術通過加密存儲、訪問控制、安全監測等方式儲存數字貨幣信息，確保數據信息的完整性、保密性、可控性。
交易安全技術包括匿名技術、身份認證技術、防重復交易技術與防偽技術。匿名技術通過盲簽名（包括盲參數簽名、弱盲簽名、強盲簽名等）、零知識證明等方式實現數字貨幣的可控匿名性；身份認證技術通過認證中心對用戶身份進行驗證，確保數字貨幣交易者身份的有效性；防重復交易技術通過數字簽名、流水號、時間戳等方式確保數字貨幣不被重復使用；防偽技術通過加解密、數字簽名、身份認證等方式確保數字貨幣真實性與交易真實性。
其次，以交易技術實現數字貨幣的在線交易與離線交易功能。數字貨幣交易技術主要包括在線交易技術與離線交易技術兩個方面。數字貨幣作為具有法定地位的貨幣，任何單位或個人不得拒收，要求數字貨幣在線或離線的情況下均可進行交易。在線交易技術通過在線設備交互技術、在線數據傳輸技術與在線交易處理等實現數字貨幣的在線交易業務；離線交易技術通過脫機設備交互技術、脫機數據傳輸技術與脫機交易處理等實現數字貨幣的離線交易業務。
最后，以可信保障技術為數字貨幣發行、流通、交易提供安全、可信的應用環境。數字貨幣可信保障技術主要指可信服務管理技術，基于可信服務管理平臺（TSM）保障數字貨幣安全模塊與應用數據的安全可信，為數字貨幣參與方提供安全芯片（SE）與應用生命周期管理功能。可信服務管理技術能夠為數字貨幣提供應用注冊、應用下載、安全認證、鑒別管理、安全評估、可信加載等各項服務，能夠有效確保數字貨幣系統的安全可信。
數字貨幣系統實現框架
針對上述特征，數字貨幣系統的實現架構應包括安全可信基礎設施、發行系統與儲存系統、登記中心、支付交易通信模塊、終端應用模塊五個部分（見圖2）。
安全可信基礎設施。數字貨幣基礎設施包括認證中心、可信服務管理模塊、大數據分析中心等。認證中心主要對數字貨幣機構及用戶身份信息進行集中管理，負責簽發數字貨幣相關的數字證書，并提供簽發相關平臺和客戶端數字證書接口，為數字貨幣交易各方提供安全的支付通道。可信服務管理模塊主要為各參與方提供基于安全模塊的各類應用的發行及管理，支持多種業務的接入，具有提供應用發行與管理、認證并授權數字貨幣應用使用其相關業務的功能。大數據分析中心主要運用大數據、云計算等技術分析客戶交易行為，保障數字貨幣交易安全、規避風險，防范黑市洗錢、恐怖融資、欺詐交易等違法行為。
發行系統與儲存系統。數字貨幣發行系統與儲存系統主要包括發行庫與銀行庫，發行庫主要指存放央行數字貨幣發行基金的數據庫；銀行庫主要指商業銀行存放數字貨幣的數據庫，可以接受數字貨幣申請并進行兌換。
登記中心。登記中心主要記錄數字貨幣與用戶身份的對應關系，記錄數字貨幣交易流水，完成央行數字貨幣產生、流通、清點核對及消亡過程的登記。
交易通信模塊。交易通信模塊主要包括在線交易通信、離線交易通信等。數字貨幣用戶基于在線交易通信通過交易網絡利用智能終端實現在線支付，基于離線交易通信通過智能終端實現離線交易。
終端應用模塊。終端應用模塊主要包括移動終端、客戶端、安全模塊等。移動終端由消費者與商戶持有，集成了通信模塊和安全模塊，數字貨幣客戶端應用存儲在安全模塊中，通過移動通信網絡與支付平臺或其他移動終端連接，亦可以與其他移動終端進行近場交易。
對幾個相關問題的思考
數字貨幣支付方式。數字貨幣較為可行的支付載體包括移動終端（如智能手機、可穿戴設備）與物理卡，通過基于移動終端與基于物理卡數字貨幣比較分析可以看出，基于移動終端的數字貨幣應用場景較為豐富、使用便捷性較高、受眾群體更廣、推廣應用成本較低，是數字貨幣較為理想的支付方式（見表2）。
數字貨幣系統架構。通常來講，系統架構從是否多節點協同處理的角度可分為集中式與分布式系統架構。集中式系統架構處理海量并發交易的能力相對有限、系統擴展性不足、系統宕機風險大等，交易處理效率不高；分布式系統架構能夠有效處理海量并發交易，采用數據讀取分離、數據多副本、分庫分表等技術實現高擴展性，多節點保障系統安全，能夠提高交易處理的效率。
數字貨幣作為法定貨幣，交易規模十分龐大，需要系統具有很強的并發處理能力，交易實時性需要系統具有很高的處理效率，建議數字貨幣系統采用分布式的系統架構，結合云計算的技術優勢部署業務系統，為海量數字貨幣交易提供有效支撐，保障其交易的便捷性與安全性。■
作者系中國人民銀行清算總中心黨委書記
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責任編輯：蔡越坤
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