Zhuang's Diary

言之有物,持之以恒

论文原文 ==> 953.pdf (iacr.org)PlonK: Permutations over Lagrange-bases for Oecumenical Noninteractive arguments of Knowledge

摘要

​ 利用可更新的通用结构化参考字符串的zk-SNARK构造消除了部署zk-SNARKs [GKM +]的主要障碍之一。 Maller等人的重要工作,[MBKM19]提出了Sonic-第一个具有实用性的zk-SNARK,具有完全简洁的验证,可用于带有这种SRS(structured reference string)的通用算术电路。但是,支持完全简洁验证的Sonic版本仍然需要相对较高的证明建造费用。 我们提出了一种具有完全简洁验证的通用SNARK结构,并且大大减少了证明方的运行时间(根据电路结构的不同,证明者的运行时间比完全简洁验证程序模式下的[MBKM19]少7.5-20倍)。与[MBKM19]类似,我们依赖于基于Bayer和Groth [BG12]的置换参数。但是,我们专注于“评估亚组而不是单项式系数”; 这样可以简化置换参数和算术化步骤。

1.介绍

​ 由于zk-SNARK的实际部署,以“通用和可更新”的方式构造结构化参考字符串(SRS)引起了人们的极大兴趣。这意味着相同的SRS可以用于有关一定范围内所有电路的陈述;并且在任何时间点,SRS都可以由新的参与方进行更新,因此,从健全到现在为止,所有更新者中只有一个方是诚实的。为简便起见,让我们将这种安装过程称为通用的zk-SNARK。

​ 出于介绍的目的,让我们说用于电路可满足性的zk-SNARK完全简洁:
1.预处理1阶段/ SRS生成运行时间与电路规模是准线性的。
2.证明者的运行时间与电路规模是准线性的。
3.证明长度与电路规模是对数乘方关系。
4.验证程序的运行时间与电路规模是对数多项式关系

​ Maller等人[MBKM19]首次为电路可满足性构建了一个通用的,完全简洁的zkSNARK,称为Sonic。[MBKM19]还提供了Sonic的版本,该版本具有显着改善的证明程序运行时间,但仅以某种摊销意义上的有效验证为代价。

1.1本文的结果

​ 在这项工作中,我们提供了一种通用的完全简洁的zk-SNARK,与完全简洁的Sonic相比,其证明者的运行时间大大缩短。

​ 在较高的水平上,我们的改进源自与[BCC + 16]启发的[MBKM19]算术更直接的电路算术化。这与针对乘法子组的单变量评估而不是如[MBKM19]中的双变量多项式的系数的置换参数结合在一起。

​ 简而言之,可乘子组有用的一个原因是,包括Sonic在内的几种协议都使用了基于Bayer和Groth [BG12]的置换参数。最终,在“大积论证”中,这简化为检查“相邻单项式”处的多项式系数之间的关系。我们观察到,如果我们将点x,g·x视为邻居,其中g是域F的乘法子群的生成器,检查这些点对处不同多项式之间的关系非常方便。

​ 一个相关的改进是乘法子群与拉格朗日乘子法很好地相互作用。例如,假设HF是n + 1阶的乘子群,且x∈H。在H \ {x}上消失并具有 f(x)=1 的n阶多项式 Lx 表格的稀疏表示:
$$
L_x(X)=\frac{C_x(X^{n+1}-1)}{X-x}
$$
对于恒定的 Cx,当根据多项式恒等构造有效可验证的[BG12]样式置换参数时,这是有帮助的。

1.2效能分析

​ 对于非通用SNARK和通用SNARK,我们将这项工作的性能与最新技术进行了比较。 在发布之时,唯一完全简洁的通用SNARK结构是Sonic协议[MBKM19](完全简洁的版本)。 该协议要求证明者计算273n个G1组指数,其中n是乘法门的数量。在完全简洁的Sonic中,每条线只能以三种线性关系使用,要求添加“虚拟”乘法门以容纳多于三个加法门的线。乘法门计数的这种增加被计入证明者的计算估计中(有关详细信息,请参见[MBKM19])。

​ 我们的通用SNARK要求证明者计算6个多项式承诺,并结合两个开放证明以在随机挑战点评估多项式承诺。PlonK有两种“口味”,以适合用户的口味。通过将证明大小增加两个分组元素,证明者的总计算量可以减少约10%。多项式的组合度为 9(n + a)(更大的证明)或 11(n + a)(较小的证明,减少的检验器工作),其中n是乘法门的数量,a是加法门的数量。当前,最有效的,最简洁的SNARK构造是Groth的2016构造[Gro16],它需要每个电路唯一的,不可更新的CRS。证明构造时间主要受 3n+m G1和 n G2组指数的支配,其中 m形式上是R1CS变量的数量,通常以n为界(为简单起见,本节的其余部分,读者可能会假设m = n) 。如果我们假设一个G2指数等于三个G1指数,则将产生6n + m个等价的G1组指数。

​ 在这些SNARK算术之间进行直接比较需要一些公认的主观假设。在评估通用电路时,我们发现加法门的数量是乘法门的数量的2倍,但是在假设加法门为“自由”的情况下进行优化的电路(在基于[Gro16]的基于R1CS的系统中很常见)将给出更差的估计。

​ 在一个极端情况下,对于不包含加法门而仅扇入2倍乘法门的电路,我们通用的SNARK证明要求的证明者工作量比[Gro16]高1.1倍,而证明者的工作量比Sonic少30倍。 如果a = 2n,则比率变为比[Gro16]高约2.25倍的证明者工作量,和比Sonic低约≈10倍。 如果a = 5n,则其工作量比[Gro16]大约3倍,而工作量则比Sonic少5倍。 我们应该注意,这些比较只是在比较所需的组幂运算数。

​ 我们还注意到,PlonK的结构化参考字符串的程度等于电路中门的数量(如果使用PlonK的“快速”风味)。与现有技术相比,这极大地减少了SRS的大小。

​ 在比较证明构造时,由于构造证明所需的快速傅立叶变换的数目是不平凡的,因此我们还包括PlonK的字段乘法次数。 所有其他简洁的通用SNARK结构也具有较高的FFT

如下Table 1: Prover comparison. m = number of wires, n = number of multiplication gates, a = number of addition gates

​ 转换成本,但是由于很难找到硬数字,因此我们无法将其包括在上表中。定性分析表明,FFT消耗的计算时间比G1组指数的消耗少。 关于字段乘法次数的更多详细信息,请参见第1.3节。

​ 每个证明的验证者计算如表2所示。由于提交的证明者多项式的结构简单,因此仅需要两个双线性配对操作。 此外,每个配对中的G2元素都是固定的,从而可以进行优化,从而将配对计算时间减少≈30%[CS10]。

Table 2: Verifier comparison per proof, P=pairing, `=num of pub inputs. For nonsuccinct protocols, additional helper work is specified

1.3 Performance and Benchmarks

Figure 1: Benchmarks for test PlonK circuits using the BN254 curve. Does not include witness generation. Tests performed on a Surface pro 6 with 16GB RAM and a core i7-8650U CPU, utilizing all 8 logical/4 physical cores.

​ 上图 图1提供了一些构建和验证PlonK证明所需时间的估计。有问题的基准利用Barretenberg ecc库利用BN254椭圆曲线。即使对于门数超过一百万的电路,PlonK证明也能够在不超过23秒的时间内在消费级硬件上构建。这标志着通用SNARK效率的显着提高,这些SNARK现在可用于各种实际使用案例。

​ 电路预处理是一次性的计算,对于每个编入PlonK电路的程序都需要进行。此步骤生成验证证明所需的“选择器”多项式的多项式承诺。

​ 构造证明时,执行所需的FFT快速傅立叶变换所需的时间与椭圆曲线标量乘法所需的时间相当。表1中的场乘法数是从大小为4n的8个FFT,大小为2n的5个FFT和大小为n的12个FFT获得的。

​ 如果提供电路的预处理多项式作为对单位的第4n个根(而不是基于拉格朗日的形式)的评估,则FFT变换的次数可以大大减少。但是,由于这大大增加了构造证明所需的信息量,因此我们在基准测试中忽略了这种优化。

​ 我们以与相关并发工作的比较作为对导言的总结。

1.4 与随机求和检查方法和Fractal / Marlin的比较

​ 粗略地说,所有简洁的证明系统都是通过使用随机性将许多约束检查压缩为一个来工作的。获得这种压缩的一般方法是采用约束的随机线性组合。在R1CS和类似系统的情况下,要压缩的更困难的约束是系统变量之间的线性关系,即形式为 <ai,x> = 0的约束,其中x∈F 是系统变量,而ai∈F 表示约束之一。这些类似于电路可满足性陈述中较为笼统的“接线约束”,其形式为xi = xj(例如,当xi表示门G的输出线,而xj表示输入线时,从G到另一个门G‘)。

线性约束的随机线性组合可能具有以下形式:
$$
\sum_{i\in [n]}{r^i<a_i} , x>=0
$$
对于均匀的r∈F。

​ 跳过一些细节,[MBKM19]和随后的[Gab19]工作(依赖[BCR + 19])减少了这种检查,从而可以在随机点上评估n次双变量S的程度;使得S中的非零单项式的数目对应于约束向量{ai}中非零项的数目。[MBKM19]在这一点上设计了一个聪明的策略,以在许多证明中分摊S的许多评估的成本。[MBKM19]的这种变体在证明者效率上要高得多,但由于需要验证者自己计算至少一个S评估,因此不能完全简洁。

因此,对于证明者更为有效的Sonic版本(以及[Gab19]的完全简洁版本)而言,完全简洁的障碍是一种仅在S仅包含S的情况下有效验证评估S(z,y)的方法。 O(n)非零单项式。

​ 最近的并行分形和马林系统[CHM + 19,COS19]的重大技术贡献是“在拉格朗日基础上”解决此问题的方法。

​ 具体来说,假设H,K是F的大小O(n)的乘法子组,使得S在 H×K 上仅具有M个非零值;然后[CHM + 19,COS19]设计了一个协议,以使简洁的验证者确信S(z,y)= t,证明者的工作在M中是线性的。这是一个很好的观点,指出自然而然地可以解决这个问题将[KZG10]推广到双变量多项式承诺方案将导致O(n2)证明时间。

​ 回到PlonK上,我们不需要“双变量评估突破”的原因是,我们专注于恒定扇入电路,而不是R1CS /无限加法扇入; 因此,我们的线性约束只是布线约束,可以简化为置换检查(如第5.2、6节所述)。 一种解释[BG12]技术的方法是“与一般线性约束相比,可以更简单地组合与置换对应的线性约束”。 例如,在上述等式中,每个约束都乘以一个不同的随机系数,而在[BG12]随机化中,在一定意义上将相同的随机移位添加到每个变量值就足够了。(有关详细信息,请参见第5节中的置换协议。)

与Marlin的具体比较。

​ 尽管Fractal在透明递归SNARK的情况下利用了稀疏的双变量评估技术,但Marlin像本文中一样专注于构建完全简洁的(通用)SNARK。

​ 比较这项工作和[CHM + 19]并非完全简单,因为我们处于具体常量领域,并且两项工作使用的基本度量是不同的。 我们将主要参数n设为扇入式两个电路中的加法门和乘法门的数量; [CHM + 19]将描述R1CS的三个矩阵之一中的最大非零数用作其主要参数。对于相同的n值,PlonK胜过Marlin,例如,在证明者组操作和证明大小方面大约是原来的两倍。 在只有乘法门的电路的极端情况下,这确实代表了两个系统之间的性能差异。

​ 但是,在具有“频繁大量添加”的约束系统中,Marlin的性能可能优于PlonK当前指定的变体。例如,这发生在一个“完全密集”的R1CS约束的极端情况下:
$$
( \sum_{j \in [m]}{a_j x_j} ) \cdot ( \sum_{j \in [m]}{b_j x_j} ) = \sum_{j \in [m]}{c_j x_j}
$$
其中a,b,c∈F 具有所有非零条目。

​ 此外,似乎分形中隐含的思想,或者将提及的稀疏二元评估协议“插入”到[Gab19]中,将通过此途径提高性能; 特别是在某些证明人工作可以委派给外部帮手的情况下(在PlonK中,这种委派的机会较少,因为检查证人本身的连线,而在[Gab19,CHM + 19,COS19]中,在某种意义上检查了验证者的随机系数)。

python gitst

https://gist.github.com/alecthegeek/62b340ecb1480326eee1a13252ea83bb

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#!/usr/bin/env expect -f

# Start the CISCO VPN client on a Mac. Adapted from
# https://blog.felipe-alfaro.com/2014/05/23/automating-cisco-anyconnect-secure-mobility-client-on-mac-os-x/

set HOSTNAME vpn.server.com
set USER_NAME user.name
set PASSWORD password

spawn /opt/cisco/anyconnect/bin/vpn

expect {
"state: Connected" { send disconnect\n ; exp_continue; sleep 3 }
"state: Disconnected" {sleep 2;send "connect $HOSTNAME\n"}
}

expect -timeout 60 -re "Username: .+] "; send $USER_NAME\n
expect "Password: " ; send $PASSWORD\n
expect "state: Connected"; sleep 2; send exit\n

2020-04-06,电子交易解决方案提供商、独立代理经纪交易商Clearpool Group周一宣布,该公司现已被BMO金融集团收购。根据该公司的声明,收购交易的完成将加速其电子交易解决方案的开发,其并未透露收购金额方面的条款。收购后,Clearpool将作为BMO Financial Group旗下的一个独立品牌。

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使用到的技术栈

networking library asio and the scons-based build system Cuppa. You’ve probably heard of asio, or boost::asio before — it’s the networking library that underpins many ultra low latency financial systems, as well payment networks like Ripple, blockchains like Ethereum, and utility libraries like libtorrent.

摘自《比较》2020年第六辑,作者姚前

​ 回顾历史,技术变迁推动了货币形态从商品货币、金属货币、纸币到电子货币的演化,并使货币内涵不再固于“金银天然不是货币,但货币天然是金银”的货币金属论,延展到信用货币、高流动性金融资产等更广义的货币层次。当前,随着区块链、大数据、云计算和人工智能等数字技术的快速发展技术对货币演化的影响进一步深入,出现了不同于传统货币的新型货币:数字货币。顺应这一趋势,法币数字化已成为数字新时代最重要的货币金融变革,正引起各国中央银行、业界和学术界的广泛关注。

一、央行货币面临的挑战:新型货币战争

关于货币,人们似乎更关心它的价值内涵,而对它背后的技术,在电子货币和数字货币崭露头角以前,兴趣好像没有那么浓厚。这是一个信用货币代,在很多人眼里,货币就是银行账户里的数字,只要银行不倒闭,它就在那里。除了交易转账,货币往往因价值而动,哪里的价值更稳定,收益更高,货币就往哪里流动。流动间,就发生了货币的替代,或转换为资本,或转变成其他形式的货币(资产)。这些故事可大可小,小的可引发人世间的种种悲喜剧,大的可引发为了抢夺货币主导权的“战争”,比如以邻为窒的汇率战、种贸易/货币联盟、国际货币体系改革与博弃等。

如果说因价值内涵而发生的货币替代是“古典货币战争”,那么因技术先进而引起的货币替代则可称为“新型货币战争”。当然,这不是什么新鲜玩意儿,我们已然在货币演化史中看到了技术的痕迹,比如黄金之所以替代其他材料成为广为接受的货币,不仅在于它稀少,还因为它的技术特性,比如容易标准化、可分割、携带方便、材料稳定和不易变质。只是历史过于漫长,人们逐渐忽略了技术的作用。随着现代信息技术革命的兴起,技术对货币的影响正达到前所未有的状态,并将继续演绎、拓展和深化。它不仅发生在现金、存款货币等各货币层次之间,也发生于各国的货币竞争,甚至还可能引发整个货币金融体系变革,因此引起全球各界的广泛关注。

某种意义上来说,这场“新型货币战争”可追溯到2008年全球金融危机。金融危机的爆发使中央银行的声誉及整个金融体系的信用中介功能受到广泛质疑,奥地利学派思想回潮,货币“非国家化”的支持者不断增多。在此背景下,以比特币为代表的不以主权国家信用为价值支撑的去中心化可编程货币“横空出世”。有人甚至称之为数字黄金,寄托取代法定货币的梦想。这是信息技术发展带来的私人货币与法定货币的“战争”,是货币“非国家化”对法定货币的挑战。

第二场新型“货币战争”则是电子支付对法定现金的挑战。近年来,支付宝、微信支付等非现金支付方式的使用率持续激增,“无现金社会”“无现金城市”等词语在媒体上频频出现,甚至成为一些第三方支付机构推广业务的宣传口号。与之密切相关的是,许多发达国家和新兴市场国家的央行货币在货币总量中的比重有所下降。自2003年以来,我国基础货币与M2的比率下降了5%,印度下降了7%,欧元区则下降了3%。其中部分原因就是央行货币 (尤其是现金)在流通领域被技术更先进的电子支付方式替代。

或许,我们应该正面看待和解读这场“新型货币战争”。因为它整体上推动了支付效率的提高、金融的普惠以及社会福利的上升。Libra白皮书指出: “Libra的使命是建立一套简单的、无国界的货币和为数十亿人服务的金融基础设施”,现在看,其宏大使命未必一定成功,但对于这样的愿景,我们应该积极应对,至少在技术方面抑或在模式方面,它为我们提供了新的参考和选项,有益于社会的进步。对于法定货币而言,私人支付工具“去现金化”口号,以及“去中心化”数字货币的兴起,更像是闹钟,唤醒中央银行应重视法币价值稳定,唤醒中央银行不能忽视数字加密货币这一难以回避的技术浪潮,唤醒中央银行应重视央行货币与数字技术的融合创新。

这一唤醒作用已开始显现。以我国为例,早在2014年,中国人民银行正式启动法定数字货币研究,论证其可行性;2015年,持续充实力量展开九大专题的研究;2016年,组建中国人民银行数字货币研究所,笔者躬逢其时。央行数字货币研究所基于我国“中央银行-商业银行”二元体系,开发了准生产级的法定数字货币原型系统。2016年之后,各国中央银行也开始行动起来,开展基于区块链技术的央行加密货币实验,比如,加拿大的Jasper项目、新加坡的Ubin项目、欧洲央行和日本央行的Stella项目、泰国的Inthanon项目,还有我国香港的LionRock项目等。这是一条全新的赛道,参加者有私人部门,有公共部门,有主权国家,有国际组织,有金融机构,有科技公司,有产业联盟,有极客,有经济学人……总体看,这场“新型货币战争”才刚刚开始。

二、从私人数字货币到央行数字货币:关联与区别

比特币不是最早的数字货币,最早的数字货币理论由戴维·乔姆(David Chaum)于1983年提出,这种名为E-Cash的电子货币系统基于传统的“银行-个人-商家”三方模式,具备匿名性、不可追踪性。但比特币是最具有影响力的数字货币。它发端于2008年国际金融危机后的货币“非国家化”思潮,是一种不以主权国家信用为价值支撑的去中心化可编程货币。基于数字钱包、分布式共享账本和共识机制的比特币创新设计使数字货币技术实现了新的飞跃,由原来的三方模式变成像实物货币一样点对点的双方交易模式。

比特币引发全球大规模的数字货币实验。与基于主权国家信用的法定数字货币或央行数字货币相对照,有人称它们为私人数字货币。截至2020年5月,共有5425种私人数字货币。它们的亮点在技术创新。比如,以太币扩展了比特币的可编程脚本技术,发展出一个无法停止、抗屏蔽和自我维持的去中心化智能合约平台;瑞波币允许不同的网关发行各自的数字借据(I Owe You, IOU),并实现不同数字借据之间的自动转换;零币应用了零知识证明算法,以增强交易的隐私性;等等。它们的缺点则在于两方面:

一是缺乏稳定价值支撑,价格不稳定。比如,比特币价格暴张暴跌,一度绿涨到1.9万美元,但也曾跌破3500美元。价值不稳定带来的后果是私人数字货币难以成为真正的货币。它们越来越倾向于被视为资产,而非货币。于是近几年来,寻求代币价值稳定成为私人数字货币的热点,出现了稳定代币,或基于算法规则,或基于法币抵押,以维持与法币的汇率平价,获得代币价值的稳定。USDT、TUSD、Dai、摩根币(JPMCoin)、Libra等即是代表。

二是合规性问题。包括对货币主权的挑战、监管套利、用户审核(KYC)、反洗钱和反恐融资(AML/CTF)、逃税避税、数据隐私保护、资金跨国流动投资者权益保护等一系列合规问题。这涉及如何对私人数字货币进行定性,其中最具争议的是初始代币发行(ICO)。面对这种有点类似股票公开发行 (IPO)的新型融资方式,各国监管部门一开始有点“无所适从”。2017年,我国和韩国禁止所有形式的代币融资。目前,美国等国家倾向于按实质重于形式的监管原则,更多判定初始代币发行是一种证券行为,要求遵守《证券法》相关规定。应该说,各国对私人数字货币的立法越来越重视,意图从资产交易、支付、税收、初始代币发行、反洗钱、反恐怖融资、金融稳定、消费者保护等各个方面,对其交易、使用和流通进行规范。但总体看,许多私人数字货币主要基于公有链模式,合规性问题并未真正得到解决。不过,我们也看到一些私人数字货币正在积极解决合规性问题。比如,2018年,美国Gemini信托公司发行的GeminiDollar(GUSD)和Paxos信托公司发行的Paxos Standard Token(PAX)均得到纽约州金融服务局(NYDFS)的批准。Libra2.0白皮书充分考虑了各方监管关切,提出了一系列合规措施,包括放弃公有链、申请支付牌照、建立用户审核、反洗钱和反恐怖融资的合规框架等。

与私人数字货币不同,法定数字货币或央行数字货币“根正苗红”,不存在价格不稳定和合规性问题,但与私人数字货币开源、众智的创新方式相比,央行数字货币创新动力和能力略显不足。有些经济体选择了以区块链技术为代表的加密货币技术路线,比如,加拿大的Jasper项目、新加坡的Ubin项目、欧洲央行和日本央行的Stella项目、中国香港的LionRock项目、泰国的Inthanon项目,而有些经济体则摇摆不定,对是否采用区块链技术依然存有争议。于是,出现了所谓基于账户和基于价值的央行数字货币“两分法”,通俗来说,前者是国家发行和运营的“支付宝”,后者是国家发行和运营的“比特币”。实质上,前者将央行数字货币的定义进行了“泛化”,将电子货币也纳入了数字货币范畴,更准确地说,应该称之为“实行电子员用。效据亚水,相较于2018年58.4%的同比增长,2019年我国移动支付交易规模同比增速仅为18.7%, 增速持续放缓意味着移动支付市场渐趋饱和,将步入存量竞夺的发展阶段。因此在第三方支付高度发达的国度,推出类“央行电子货币”的央行数字货币,亦有人对其建设意义存有疑虑。

区块链技术具有难以甚改、可追溯、可溯源、安全可信、异构多活、智能执行等优点,是新一代信息基础设施的雏形,是新型的价值交换技术、分布式协同生产机制以及新型的算法经济模式的基础。当前,各国基于区块链技术的央行数字货币实验进展迅速,内容已涉及隐私保护、数据安全、交易性能、身份认证、券款对付、款款对付等广泛议题。作为一项崭新的技术,区块链当然还有这样那样的缺点与不足,但这正说明该技术有巨大的改进和发展空间。

三、央行数字货币的价值属性:央行负债,还是私人负债

既然称为央行数字货币,自应是央行的负债。但也有人提出了100%备付金模式:私人机构向中央银行存缴100%备付准备金,以此为储备发行的数字货币也可视为央行数字货币。IMF经济学家阿德里安(Tobias Adrian)和曼奇尼-格里弗利(Tommaso Mancini-Griffoli)将这样的央行数字货币称为合成型央行数字货币(Synthetic Central Bank Digital Currency,SCBDC)①,在此情形下,所谓的央行数字货币就不是央行的负债,只是以央行负债为储备资产。这算不算真正的央行数字货币,尚无定论。合成型央行数字货币当然不能“只此一家,别无分店”,从技术的角度看,其间的交互不仅没有显著改善中央银行的服务压力,反而提高了系统的复杂程度。100%准备金存缴意味着数字货币的发行、流通、收回、销毁等全生命周期均要依附于传统账户体系,尤其是跨运营机构央行数字货币的流通,除了央行数字货币账本更新外,还要处理相应准备金账户间的清结算,一定程度上会牺牲系统灵活性,准备金账户管理和额度管控的关系也会导致新的复杂性,有可能还需要成立专门的清算机构提供互联互通服务。

应该说,合成型央行数字货币只是诸多公私合营方案的一种,并不唯一公私合营的目的是为了共同发挥公共部门和私人部门的优势,一方面保持中央银行的监管职能和信任背书的功能,另一方面发挥私人部门的活力和创新优势。关键在于,边界在哪里?如何分工?合成型央行数字货币将数字货币的技术设计、系统建设和日常运营交给了市场,同时又向市场机构让渡了一定的货币发行权,这是否最佳?我们可以看看Libra2.0的设计①,它伊然成了央行数字货币服务提供商的角色,为各国央行数字货币的发行和流通提供Baas服务(Blockehain as a Service,区块链即服务)。各国央行无须独立建设各自的央行数字货币系统,可作为Libra网络的超级节点,直接利用Libra的区块链即服务平台,发行、流通和管理央行数字货币。在这一过程中,央行没有让渡货币发行权。相较于100%备付金模式或合成型央行数字货币,Libra2.0的央行数字货币服务提供商模式也许是更好的公私合营范例。

从各国央行数字货币实验和计划来看,央行直接负债模式或许是主流。 2020年3月美国推出2.2万亿经济刺激法案时,其初稿端出了数字美元方案。方案明确数字美元由美联储发行,是美联储的负债。2020年5月,数字美元基金会(Digital Dollar Foundation)与全球咨询公司埃森哲共同打造的数字美元项目(Digital Dollar Project)发布了一份白皮书。②白皮书也明确指出数字美元是美联储的直接负债,而且认为Money(货币)与Currency(通货)有着本质的区别:Money主要是存款机构的负债,但Currency是美联储的负债。它强调“中央银行货币发挥着特殊作用,特别是在批发支付和证券交易中。在美国,没有比美联储发行的货币更安全的货币了。它降低了结算风险并提供了结算的最终性,因此监管者和市场参与者对使用央行货币有着强烈的偏好”。这与国际《金融市场基础设施原则》(PFMI)原则九“货币结算”的观点一致。《金融市场基础设施原则》也强调,金融市场基础设施应该在切实可行的情况下使用央行货币进行货币结算。如果不适用央行货币,金融市场基础设施应最小化并严格控制因使用商业银行货币产生的信用风险和流动性风险。因此,从安全性角度看,应优先考虑基于央行直接负债的央行数字货币,而不是基于私人负债的央行数字货币。

2020年10月欧洲中央银行发布数字欧元报告,并计划于2021年中期开展数字欧元实验。报告指出“数字欧元将是欧元体系(Eurosystem)的负债,是无风险的中央银行资金”,而且它着重强调“基于任何私人实体债权发行的货币形式都不是CBDC,即使由欧元体系储备金全额支持”。显然,同数字美元一样,数字欧元也选择央行直接负债模式,而非100%备付金模式。

四、央行数字货币的生成:发行还是兑换

货币发行与兑换的区别在于:前者的主体是货币发行机构,属于主动供给;后者的主体是货币使用者,属于按需兑换。既然主动供给,就有量上的自由裁量,存在扩表发行的可能。按需兑换则是需求拉动,以一种形式的央行货币兑换另一种形式的央行货币,央行没有扩表发行。因此在央行资产负债表上,两者表现不同:按需兑换是在负债端完成1:1兑换,资产没有扩张;扩表发行则在资产负债两端均有扩张

对于央行数字货币的生成,应是发行还是兑换?取决于央行数字货币的定位以及货币政策的需要。如果只是MO替代,那么它和现金一样,是按需兑换;如果中央银行根据货币政策目标的需要,通过资产购买的方式,向市场发行数字货币,则是扩表发行。扩表发行须界定合格的资产类型,以适当的数量和价格进行操作。

数字美元基金会的白皮书指出,数字美元是美联储以美元计价的负债,是 M0的组成部分,作为其补充,像美元钞票一样分发,并强调数字美元对货币政策的影响中性,不会影响美联储货币政策。显然这一方案是遵循按需兑换的思路,白皮书还给出了实物现金和代币化数字美元的双层分发模型。而美国经济刺激法案中的“数字美元计划”则甩开了包袱,它设计了面向家庭财政补助以及在此基础上的小额支付场景,是“直升机撒钱”。

五、央行数字货币的技术路线:基于账户还是基于代币

研发央行数字货币首先要回答一个问题,什么叫央行数字货币。对此,目前还没有共识。2017年,美国学者科宁(Koning)根据是否基于央行账户提出央行数字账户(Central Bank Digital Account,CBDA)和央行数字货币(Central Bank Digital Currency,CBDC)概念。2018年,国际清算银行的一我能告@给出了一个比较有意思的定义,不过它不是正面回答这个问题,而是使用了一种排除法进行定义。它将目前存在的各类支付工具进行汇总,然后判

觉那些不是央行数字货币,一一排除后,剩下的就是央行数字货币。

国际清算银行使用了四个维度的标准:是不是可以广泛获得、是不是数字形式、是不是中央银行发行、是不是类似于比特币这种技术产生的代币。按照这四个维度,现金是可以广泛获得的、非数字化的、中央银行发行的、以代币形式存在的货币。银行存款是可以广泛获得的、数字化的、非中央银行发行的、不是代币形式的货币。它们都不是央行数字货币。除了现金,中央银行发行的货币还有银行准备金,包括存款准备金、超额存款准备金。银行准备金已经数字化,但是国际清算银行认为,这不是中央银行要真正研究的央行数字货币。

一种可能的央行数字货币是,中央银行的账户向社会公众开放,允许社会公众像商业银行一样在中央银行开户,这一点其实容易理解,相当于中央银行开发了一个超级支付宝,面向所有的C端客户服务。国际清算银行认为,这样形成的央行货币是央行数字货币,将其称为基于账户(Account)的央行数字货币,或称央行数字账户。另一种可能的央行数字货币是中央银行以比特币这种技术发行的代币,可称为基于代币(Token)的央行数字货币,或称央行加密货币(Central Bank Crypto Currency,CBCC),这类货币既可以面向批发,也可以面向零售。据笔者理解,代币模式是一种基于密码学的新型账户体系,本质上是一种全新的加密模式,在该模式下,用户对账户的自主掌控能力更强。基于账户还是基于代币,代表了两种不同的技术路线,哪种路线占据主流,有待观察。笔者认为,代币模式可以突破现有账户体系的禁铜,在开放环境下,对交易安全、数据安全和个人隐私保护等问题提供一整套新的解决方案,其支撑技术即为区块链技术。

目前各国央行数字货币实验大都选择了代币模式。同样,数字美元基金会的白皮书也明确提出,它的愿景是将美元代币化,使数字美元成为一种新的更具活力的央行货币。他们认为“代币化为支付和金融基础设施领域的创新提供了无与伦比的机会”。他们还指出了账户模式存在非最终结算的缺点:“移动支付系统速度更快、更方便,但它仍然是基于账户的,这意味着交易尚未完成或不是’最终’的,在记录、核对和结算各自的借贷交易之前,仍然可以撤销。”

从隐私保护角度看,采用代币模式的央行数字货币可吸收实物货币“点对点”支付和匿名性的特性,将支付权利真正赋予用户自身。在一定程度上,第三方支付的出现破除了用户对银行账户的依赖以及被施加的约束(如需要访问多个银行的网银办理业务、一层层烦琐的业务程序等),有效释放了用户的支付主动性和能动性,降低了支付交易成本。但这还远远不够,货币、账户的所属权归谁?其中的信息可向哪些人透明?透明到什么程度?可否被追踪?这些理应都由用户自主掌控,但在现有账户模式下,中介机构拥有更大控制权。

代币模式的另一好处在于金融普惠。美国联邦存款保险公司(FDIC)在 2017年开展的一项调查发现,大约1400万美国成年人没有银行账户,这一数字在新冠疫情期间变得更加重要,导致美国政府难以向其中许多人发放紧急救济资金。而基于代币的数字美元钱包的相关成本要低于传统银行账户的成本,相应的服务覆盖范围可扩大到虽没有银行账户但能够使用移动设备的人群。

六、央行数字货币与智能合约:审慎还是积极

智能合约最早由密码学家尼克·萨博于1993年提出,它是区块链上可以被调用的、功能完善、灵活可控的程序,具有透明可信、自动执行、强制履约的优点。智能合约极大地扩展了数字货币的功能,发展出各类基于智能合约的去中心化金融(DeFi),比如存贷领域的AAVE和Compound,资产交易所的UniSwap和 Balancer,保证金交易的dYdX,金融衍生品交易的Augur,保险的Nexus Mutual等,由此生成一个基于数字货币且充满活力的去中心化金融应用生态系统。

目前看,加拿大、新加坡、欧洲央行和日本央行开展的央行数字货币实验均应用了智能合约,它们的实验项目运行在以太坊、Corda、Hyperledger Fabric、 Quorum等带智能合约的平台上,加拿大的Jasper项目、欧洲央行和日本央行的Stella项目建立了基于智能合约的流动性节约机制(Liquidity Saving Mecha- nisms,LSM),新加坡的Ubin项目通过智能合约发行央行数字货币。笔者曾结合央行数字货币的可编程特点,提出央行数字货币发行的“前瞻条件触发”机制①,包括时点条件触发、流向主体条件触发、信贷利率条件触发和经济状态条件触发等货币生效设计,研究显示可编程性为央行数字货币提供了极大的创新空间,有效丰富了央行的货币政策工具。

数字美元基金的白皮书对数字美元的可编程性以及智能合约的应用也持积极的态度。它认为,数字美元提供了超出当今央行准备金和纸纱之外的新功能和实用性,其中即包括可编程性,数字美元的可编程性将为价值转移的创新和精确性开辟更多的途径。它指出“在全球范围内,各国政府和私营机构正在试验代币化的商品、合同、法定所有权,最关键的是,商业银行和央行的数字货币可以与算法驱动的智能合约相结合。虽然刚刚起步,但这一数字创新仍在全球范围内不断扩展”。它还提出央行数字货币可编程的两个好处:一是可编程的央行数字货币若与数字证券相结合,可实现真正的原子结算;二是数字美元的可编程性可更好地控制用户数据的收集与利用,比如可控置名。

七、央行数字货币的运行架构:单层运营与双层运营

笔者在2017年专文阐述央行数字货币发行的二元体系:“虽然纯数字货币系统可以不与银行账户关联,但由于我国的货币发行遵循中央银行到商业银行的二元体系,而且当前社会经济活动主要基于商业银行账户体系开展,如可以借助银行账户体系,充分利用银行现有成熟的IT基础设施以及应用和服务体系,将大大降低数字货币推广门槛,提高使用便捷性和灵活性,有助于最广大的客户群体使用数字货币。数字货币在融入现有的应用基础之上将拓展出更加丰富和多元化的场景,数字货币的自身服务能力和竞争力也将进一步增强。”在具体思路上,可采用“商业银行传统账户体系+数字货币钱包属性”的设计思路,由此央行数字货币不仅可以有机融入“中央银行-商业银行”二元体系,还可以复用现有的成熟的金融基础设施,更重要的是,此一处理,既可使数字货币与银行账户独立开来,又可分层并用,发钞行只需对数字货币本身负责,账户行承担实际的业务,应用开发商落实具体的应用实现,各司其职,边界清晰,若辅之以其他手段,或可降低银行存款大规模流失的可能性。而且增加数字货币属性也是对商业银行账户体系的创新,商业银行不仅可以利用现有账户系统继续为本行客户提供数字货币服务,还可以利用数字货币的新特性积极拓展新型业务,进一步加强自身的服务能力与竞争力。

此后的国际清算银行报告①提出与二元体系相似的双层架构(Two-tiered System)。库姆霍夫和努恩(Kumhof and Noone,2018)②提出的间接央行数字货币模型(Indirect CBDC Model)以及阿德里安和曼奇尼-格里弗利(2019)③提出的合成型央行数字货币其实也是采用了双层架构方案。双层架构正逐渐形成各国的共识。

但笔者以为,双层运营与单层运营并非二选一的关系,就像出租车与公共汽车,二者似可并行不悖,兼容并蓄以供用户选择。前文述及的数字美元方案不仅提出了双层运营,同时还考虑了单层运营,即美联储直接向社会公众提供数字美元服务。如果央行数字货币直接运行在以太坊、Libra2.0等区块链网络,那么中央银行可借助它们的BaaS服务,直接向用户提供央行数字货币服务,而无须借助中介机构,用户也无须托管数字钱包。单层运营可以使央行数字货币更好地惠及弱势群体,实现金融普惠。欧洲中央银行的数字欧元报告也同时考虑了单层运营和双层运营,用户可直接访问中央银行资产负债表,也可通过中介机构,由其作为结算代理人开展数字欧元交易。

央行数字货币的建设与推广,是依赖新型的金融科技公司,还是传统的金融机构?这里当然不是非此即彼的关系,理论上讲,只有充分发挥各方的优势,央行数字货币这个新生事物才能根深叶茂,行稳致远。

八、央行数字货币与货币政策工具:计息,还是不计息

不计息,央行数字货币仅是一种支付工具,就像实物现金一样;计息,央行数字货币则是生息资产,成为一种新的价格型货币政策工具。一是在批发端,当央行数字货币利率高于准备金利率时,它将取代准备金利率成为货币市场利率走廊的下限;二是在零售端,央行数字货币利率将成为银行存款利率的下限。若央行数字货币完全替代现金,那么可以实施有效的负利率政策。但许多人对央行数字货币计息存有疑虑,担心会引发存款从商业银行转移到中央银行,导致整个银行体系信贷能力萎缩,成为“狭义银行”。

笔者认为,实质上,中央银行对央行数字货币具有无可辩驳的控制权,央行数字货币对银行存款也并非就是完美的替代品,比如银行存款可以透支,而央行数字货币不行。而且商业银行也不是完全被动的,他们会对央行数字货币的优势做出反应。为了防止在计息的情况下央行数字货币对银行存款的替代,至少可以采取以下措施,增加银行存款向央行数字货币转化的摩擦和成本。一是央行可以参照实物现金管理条例对央行数字货币实施“均一化”管理,以此管控央行数字货币的大额持有,实质上就是管控大额取现。二是中央银行对银行存款向央行数字货币每日转账施加限额,不支付高于规定限额的余额的利息,降低大额央行数字货币的吸引力。三是商业银行引入大额央行数字货币提款通知期限,对可能接近现金存储成本的异常大额余额征收费用。四是商业银行提高银行存款吸引力,比如提高利息或改进服务。因此,无须对央行数字货币怀有“狭义银行”恐惧症。

数字美元方案似乎也不在乎“狭义银行”,提出直接对数字美元计息,突破了当下各国央行数字货币实验暂不计息的谨慎思路。欧洲中央银行的数字欧元报告虽然强调应避免资金从银行存款突然转移到数字欧元而带来的相关风险,但它不反对数字欧元计息,提出所谓的分级计息系统(a tiered remuneration system),以可变的利率对不同数字欧元持有量计息,以减轻数字欧元对银行业、金融稳定和货币政策传导的潜在影响。

九、央行数字货币的监管考量:实现隐私保护与监管合规的平衡

身份可信是现代经济社会稳定运行的基础。身份管理如此重要,以至于世界各国都将其作为最根本的社会治理制度之一。在我国,自殷商以来就有严密的户籍管理制度,是征兵、赋役、管制的基础。户籍管理不仅中国有,国外也同样有。外国的户籍管理多叫“民事登记”或“生命登记”、“人事登记”,叫法不一,但基本上与我国的户籍管理大同小异。如果说现实生活中的身份管理依托于人口登记,那么数字世界中的数字身份又该如何展开,如何维护,如何管控呢?目前的公私钥体系还有哪些需要改进的地方?这些都是央行数字货币必须研究的问题。

央行数字货币赖以运行的一大技术支柱是密码算法。现有加密数字资产的纯置名方式会引发用户的财产损失风险,在央行数字货币体系中必须彻底解决。同时,在央行数字货币的用户体验上,也需要考虑用户个人隐私保护的需求,通过隐私保护技术确保用户数据的安全,避免敏感信息的泄露,且不损害可用性,为央行数字货币流通营造一个更为健康的使用环境,体现央行数字货币竞争优势。在央行数字货币监管方面,利用数字货币“前台自愿,后台实名”的特性,通过安全与隐私保护技术来管理相关数据使用权限,实现一定条件下的可追溯,确保大数据分析等监管科技有用武之地。

在笔者构建的“一币、两库、三中心”央行数字货币原型系统中,由央行通过认证中心对央行数字货币机构及用户身份信息进行集中管理,它是系统安全的基础组件,也是可控匿名设计的重要环节。登记中心则记录央行数字货币及对应用户身份,完成权属登记,并记录流水,完成央行数字货币产生、流通、清点核对及消亡全生命周期登记。这里的机制是认证中心和登记中心的数据若非监管和司法需要,不得随意匹配,要有防火墙来达成两方相关数据的隔离。数字身份的独立和严格管理,既可以提供公共服务,又意在保护用户隐私。

十、结语

2017年,笔者曾撰文探讨数字法币的内涵与外延:“法定数字货币在价值上是信用货币,在技术上是加密货币,在实现上是算法货币,在应用场景上则是智能货币。与现有的私人数字货币和电子货币相比,法定数字货币将呈现全新、更好的品质。让货币价值更稳定,让数据更安全,让监管更强大,让个人的支付行为更灵动,让货币应用更智能,不仅能很好地服务大众,同时又能为经济调控提供有效手段,还能为监管科技的发展创造坚实的基础,这些优秀品质是中国法定数字货币所追求的目标。”

时至今日,虽然各国“引而不发”,至今还没有出现真正意义上的央行数字货币,但无论是数字美元方案,还是数字美元计划白皮书,均表明美国已正式加入“火热的央行数字货币战局”。事实上,无论是虚拟货币监管,稳定币的市场化探索,还是美联储的“体制内”研究创新,都涉及本文探讨的央行数字货币关键考量,美国人均有多元化的选择,客观上为后继发展留出了极大的弹性空间。美国的入局将像催化剂一样,大大加速全球央行数字货币的研发,央行数字货币时代或不再遥远。作为大国,我们应在这一数字创新浪潮中迎头而上,积极有为。

数字时代已然来临,数字货币时代也必将来临。

一、去中心化的KYC/AML

区块链可以被视为区块链中心化的证书颁发机构,可以将身份维护映射到公钥。智能合约还可以增加逻辑,实现ACL(权限赋予、撤销、恢复),减轻用户的密钥管理负担。这通常称之为Self-sovereign Identity,目前DID(decentralized Identify)的标准初稿已经发布。

二、去中心化的自动做市商、订单薄以及订单撮合

(一)自动做市商模式

典型代表有Uniswap、Bancor和Kyber。

Bancor和Kyber都采用了中央对手方模式提供交易流动性,其中央对手方是区块链上的一个智能合约。

Bancor交易流程:1)Taker找到一个以代币A和B为储备代币的Bancor合约,向合约中转入储备代币A,获得智能代币A_B_RESERVE,兑换价格有智能合约根据公式计算;2)Taker向智能代币合约转入智能代币A_B_RESERVE,获取储备代币B。

Kyber交易流程:1)Makers向智能合约写入他们的交易报价和数量信息;2)Takers查询链上的报价信息,并根据报价发送自己的订单;3)交易所合约执行交易并通知交易双方。

因此不存在违约的风险。两者的差异在Bancor提供的买卖报价是根绝其储备资产动态计算的,而Kyber的报价则由储备员持续更新。

(二)订单撮合模式
1)链上订单簿

Ripple、Stellar、Etherdelta、OasisDexdYdX、Bitshares等项目采用链上订单簿模式,所有未完成的挂盘订单都会记录在区块链上的订单集(Order Book)中,订单集中的订单能否成交都取决于买卖方的挂盘及交易时设定的成交策略。在买卖盘的资产匹配时,跨资产类型的交易可以通过挂盘直接成交方式完成;在Ripple/Stellar中,若无直接匹配的资产,则网络会在订单集中寻找可以利用中间资产达成买卖交易的交易路径。

Etherdelta的技术方案中,充值、提现、挂单、结算全部由智能合约完成。基本思路是:maker用私钥签名一笔订单,提交到链上,maker挂单时可以选择在多少个区块后若订单未成交则自动取消。随后,taker从订单簿中选择想要成交的订单,生成对应的交易,交易签名后提交至链上智能合约。智能合约验证完成订单中交易者的签名和订单有效时间后,进行资金结算。Etherdelta没有自动撮合订单的机制,每笔交易需链上确定,其交易效率收到以太坊的影响,同时还可能因链上确认存在问题而导致成交失败。

链上订单簿模式的可用性存在一些问题,例如交易费用高、订单修改成本高、市场割裂导致深度不够等等。

2)链外订单簿

0x协议没有充值和提现过程,而是直接授权符合ERC20的智能合约进行token转账。其机制是:链下订单中继、链上最终结算。只有在结算时才上链。0x由中继链进行订单的托管和维护。中继链收取手续费,其事先创建了交易费用计划和地址。其规则时:中继链从交易者接受并检查订单,检查通过后将订单发至订单集,订单集完成处理后将订单提交给0x的智能合约,完成链上操作。

出于流动性共享的需求,0x以及airswap协议希望打通不同去中心化交易所的流动性壁垒,实现订单在不同交易所和relayer之间自由流转。以传统场外交易业务做对比,0x协议中relayer的角色和经纪商相似,提供订单转发和撮合服务,但交易的最终清算由订单的taker发起,无需经过relayer,由区块链直接结算,不存在违约风险。

0x和airswap协议目前都仅服务于ERC20的直接交易,对于低流动性资产有一定的局限性。

0x交易流程:1)Maker发送一个签名订单给Relayer(或则直接发送给Taker);2)Taker向Relayer查询未成交订单;3)Taker选择一个订单进行匹配;4)Taker向交易所合约提交订单。

airswap交易流程:1)Maker广播一个交易对表明成交意愿,给到Indexer;2)Taker向Indexer查询交易对;3)Taker获取到可作为交易对手方的Maker信息;4)Maker和Taker直接协商一个合适的交易条件;5)Taker向交易所合约提交订单,执行交易。

三、去中心化的清结算服务

(一)备付金模式

Taker事先使用现金,兑换成为ERC20 Token—和现金1:1,存入区块链账户;同时,该Token可以在交易所随意兑换成为现金。交易时,使用该Token进行原子交易。此方式不存在资金违约的情况。

(二)信用模式

Taker根据自身的信用,在交易所内即可透资一定额度;同时,该Token额度不可以在交易所兑换成为现金。交易时,使用该Token进行原子交易。Maker侧可以使用该Token兑换现金,由银行(或者交易所)垫付,垫付资金即为短期贷款,此方式存在资金违约的可能。

(三)跨链清结算

如哈希锁定(hash-locking,如雷电网络)、侧链(sidechains,如开发进行中的cosmos)、公证人(notary schemes,如Interledger)

四、去中心化的行情发布

优点:区块链的开放性。价格信息的多种来源,不存在信息垄断,有助于促进市场竞争,使整个市场价格更为透明与高效。

风险:某些局部市场因流动性不足,易于被操纵,恶意的交易者可以发布虚假订单,伪造成交量,或则针对不同交易协议的弱点进行攻击,以达到影响全局市场的目的。

因此,去中心化交易的体系中建立合理的行情发布机制,既实现价格透明,同时又保障全局价格的真实性。

五、去中心化交易所的监管合规

充分借助科技监管(区块链、大数据、人工智能等):设置监管接入点,对节点运行、合约代码进行技术巡查;对KYC、AML、信息披露、风险监测进行实时报送。对项目尽调、风险评级展开详尽的调查和分析。

六、与传统中心化交易的对比分析

(一)安全性

区块链在系统弹性、可靠性、健壮性上具有较好应对节点故障的能力。

在去中心化交易所中,有可能存在设计上的缺陷而被黑客攻击,甚至导致Token被非法转移的情况。

(二)交易性能

较快的去中心化交易所可以达到2s的要以延时,1000的系统吞吐量,相对于1ms的成盘速度的传统证券交易所系统,在性能上还有较大的差距。

(三)结算风险

区块链中,资产转移指令和现金转移指令同时作为单个交易的最后一步执行,无结算风险。但对于跨链资产交易,可能面临结算风险。

(四)隐私保护

传统中心化交易中,用户入场需要经过身份认证,且交易过程完全由中心机构记录,若监管缺失,可能导致大量敏感信息泄露。去中心化的方案可以更好地解耦用户敏感信息存储与用户资金交易。