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马天龙/区块链技术及国库应用场景——基于国家金库工程建设的考量

日期:2018/1/2 17:40:16 来源:地方财政研究2017年12期 阅读次数:83

中国人民银行银川中心支行

 

内容提要:近年来,比特币的底层技术——区块链备受全球各国政府及金融和IT巨头关注,尤其在金融领域具有广泛的应用前景,被认为是一项比肩互联网的信息技术革命。国家金库工程[]建设已被列入“国家十三五规划”,是未来连接财政、税务、海关、商业银行、纳税主体的信息中枢。本文通过介绍区块链的应用情况和技术特点,分析区块链技术在国库业务应用的可行性,试图构建区块链在国库业务中的应用场景,以对国库金库工程建设的顶层设计有所裨益。

关键词:区块链  国库业务  国家金库工程 

 

2015年,区块链——比特币的底层技术引起了全球各界热烈追捧,尤其是金融界,各国央行、交易所、国际投行以及IT巨头纷纷投入大量资源进行研究开发,它被认为是未来互联网和信息技术的重大革命和创新。区块链本质上是基于密码学算法的分布式数据库,由于具有去中心化、匿名性、防篡改等技术特点,区块链在金融交易、数字货币、资金清算、物联网、智能协议、政府事务管理等领域具有巨大的应用潜力。20151230,美国纳斯达克首次使用区块链技术平台Linq向一位私人投资者完成股票交易,标志着区块链技术在金融行业成功开启了应用。2016120,人民银行在北京召开数字货币研讨会,将数字货币布局提到了战略高度,数字货币背后的区块链技术开始逐步受到国内金融机构的高度关注和重视。

一、区块链技术简介

(一)区块链技术兴起背景

    区块链的概念最早是2008年由比特币开发者和创始者中本聪(化名)在《Bitcoin :A Peer-to-Peer Electronic CashSystem》中提出的,并为比特币系统设定了基本框架。次年,中本聪建立了该系统开源代码项目,比特币宣告诞生。与现实中货币当局发行的货币不同,比特币作为一种加密的数字化虚拟货币,用“挖矿”(即:使用计算机解决复杂算法的数学问题)的形式生成新的货币,其发行量逐年递减,并确定发行总量上限,以规避严重的通货膨胀。比特币允许交易双方不通过中介机构而实现点对点的在线支付。2013年是比特币的黄金时期,其价格从一枚13美元飙升至1240多美元左右,随后价格一路下跌至200美元左右。2015年末开始,随着区块链技术备受全球关注,比特币价格随之升温[②]。随后,研究者发现比特币底层协议——区块链技术可以应用于更多领域,区块链逐渐成为IT界和相关行业的重点关注和研究对象。

(二)区块链技术特点

区块链是一种处理增量数据的分布式数据库技术。该技术将数据区块(Block)通过密码学方法相互关联,每个数据区块均保存了一套完整的账簿副本,包含了每一笔历史交易信息,并通过数字签名验证链接到下一个数据区块,形成主链(Chain)。通俗地讲,区块链技术就是一个具有公开、共享、透明、可信、不可篡改等特点的分布式网络记账系统,它主要有以下特点:

1.去中心化。区块链不存在中心化的硬件和管理机构,不会出现集中部署模式下服务器崩溃等问题。区块链的每一节点均具有记账和存储功能,即使部分节点受到攻击或者损坏,也不会影响整个系统的运转、数据库的完整和信息更新。每一节点均存储了系统发生的所有交易活动信息,包括开户、登记、交易、支付、清算等。

2.可追溯性和信息不可篡改。区块链通过非对称密码学算法和时间戳等技术,确保所有交易信息具有可追溯性和不可篡改性,可有效解决交易信息的验证和后续纠纷等问题。

3.匿名性。区块链节点之间的信息交换遵循固定的算法,程序规则会自行判断交易活动是否有效,并利用公钥地址代替用户的身份信息,在实现信息共享透明的同时,隐匿参与者身份,保护参与者的隐私。

    4.可灵活编程性。区块链的可编程特性能够优化交易的组织形式,通过编程设定交易的约束条件到区块链系统的脚本中,形成智能合约,以保证区块链技术可持续发展。例如:可通过编程限定交易款项的用途、对象等。

(三)区块链的应用现状

    区块链科学研究所创始人梅兰妮·斯万把区块链技术的应用分为三个层次,分别为区块链1.02.03.0,如表1。分行业来看,现阶段区块链技术的应用和创新主要是围绕金融领域展开的,全球IT和金融业公司巨头积极推进对区块链技术应用的研究和开发,包括数字货币、支付清算、金融交易、数字票据、智能合约等。其他行业应用主要包括政府事务管理、医疗、选举投票、审计等方面,如表2。分国家来看,当前,发达国家对区块链技术非常热衷,美国、德国、英国、日本、澳大利亚、韩国等均已投入大量资源对区块链技术应用进行开发,并给予了各项优惠政策。迪拜、俄罗斯、中国等新兴市场国家和发展中国家也持积极态度,多领域探索区块链技术,如表3

1  区块链应用层次划分

应用层次

应用领域

应用内容

区块链1.0

数字货币

货币转移、汇兑、支付

区块链2.0

智能合约

股票、债券、保险、基金、期货等

区块链3.0

货币市场和金融市场以外的其他领域

政府治理、物联网、科学、文化、艺术、健康管理等。

 

2  区块链分行业应用现状

行业

应用领域

应用案例

金融业

数字货币

1.比特币、IXCOIN、莱特比、狗狗币、蝴蝶币、瑞波币。
2.
各国央行在积极研究数字货币发行基础框架。

金融基础服务

20159,美国创投公司R3联合高盛集团、摩根集团、瑞银集团、花期银行、汇丰银行等40多家机构组成了区块链联盟,提供基于区块链技术的金融解决方案,并致力于建立区块链技术行业标准和应用框架。20165月初,中国平安金融集团也宣布加入该联盟。

支付清算

1.RippleAbraBTCjamBitsparkAlignCircle等多家公司应用区块链技术提供支付清算类服务。
2.
全球知名的比特币钱包公司Coinbase联合Shift支付平台推出了可存储比特币的Visa借记卡。
3.Visa
联合DocuSign公司推出基于区块链技术的租车费用安全支付项目。
4.,Ripple
支付体系在跨境支付领域已经开始了的实验性应用,主要为金融机构提供基于区块链协议的外汇转账方案。

金融交易

1.2015年12月30,纳斯达克交易所在基于区块链技术的股权交易系统Linq平台上成功完成了第一笔股票发行。
2.
新加坡资讯通讯发展管理局联合渣打银行和新加坡星展银行研发基于区块链技术金融票据应用系统。
3.
澳洲交易所利用区块链技术与银行账户联接,用于买卖股票资金转账交易。

数字票据

国际区块链联盟R3联合以太坊、微软共同研发了一套基于区块链技术的商业票据交易系统,目前正在试用阶段。

征信管理

国内甜橙信用与区块链技术服务商布比网络有限公司合作,打造国内首个区块链征信平台。

反洗钱监测

Chainalysis公司目前为银行设计区块链异常交易行为监测与分析系统。

其它行业

所有权管理

1.OGYDocs公司利用分布式账本对国际贸易文件和商品提供所有权管理及信用证管理。
2.
洪都拉斯、希腊等国已将区块链技术应用于房屋产权证明。

保险管理

1.英国的区块链初创公司Edgelogic正与Aviva保险公司进行合作,共同探索基于区块链技术的保险服务
2.
国内的阳光保险于201638采用区块链技术,推出了“阳光贝”积分应用。“

审计

1.德勤公司开发了Rubix平台,允许客户基于区块链的基础设施创建各种审计应用。
2.
普华永道与BlockstreamEris科技公司合作,为全球企业提供区块链技术的相关服务。

域名管理

域名币Namecoin基于区块链技术提供与传统DNS服务商类似的功能,以保证信息自由发布。

医疗

飞利浦医疗和TIERION进行合作,通过区块链技术来完成关于病历资料的认证和隐私保护。

投票

1.纳斯达克宣布使用区块链技术进行股东投票。
2.
美国、澳大利亚、俄罗斯等将区块链技术用于选举投票。

物联网

IBM和三星提出了基于区块链技术的物联网解决方案。

通信

区块链应用Bitmessage以去中心化的方式进行网络交流。

政府治理

1.爱沙尼亚政府在税收系统以及商业注册系统中使用了区块链技术。
2.
格鲁吉亚、瑞典等国家建立了区块链土地注册系统。
3.
英国政府利用区块链技术,跟踪福利分配以及使用情况。
4.
美国已将区块技术应用于国防、医疗档案管理、邮政管理、福利分配管理等多个方面。

 

3[③]  区块链技术在各国家的应用情况

国家

具体应用

美国

1.美国证券交易委员会(SEC)证实Oversotck计划用区块链技术发行股票。
2.
国防部正在致力于研发去中心化的分类账,以保证地面部队通讯以及后勤免受外国侵扰。
3.
国土安全部寻求利用区块链技术保证美国边境摄像头安全。
4.
各大金融机构积极加入区块链联盟。

英国

英国政府发布了《分布式账本技术:超越区块链》白皮书,并计划开发能够在政府和公共机构之间使用的应用系统。

澳大利亚

1.澳洲证券交易所(ASX)计划用区块链技术提高交易系统运行效率。
2.
澳大利亚最大的快递服务公司探索区块链技术在身份识别中的应用。
3.
澳大利亚Flux政党正在试图利用区块链技术改写正式通货制度。

韩国

韩国唯一的证券交易所(KRX)宣布开发基于区块链技术的交易平台。

日本

金融厅考虑立法把数字货币纳入货币范畴。

新加坡

1.新加坡总理积极表态:各银行和监管机构要积极探索区块链技术的应用。
2.
新加坡政府正在寻求利用区块链技术提高进出口货运公司交易的安全性。

俄罗斯

莫斯科市政府利用区块链技术实行“积极公民”计划,对法律及政府项目进行公投。

中国香港

财政司司长发布一份公开预算案,表示鼓励开展区块链技术在金融领域的应用,以降低交易成本,减少可疑交易。

中国

1.央行正部署重要力量研究区块链技术。
2.
相关机构成立了全国性的区块链联盟,推进区块链技术的应用研发。
3.
万向集团成立万向区块链实验室,专注于研究区块链技术研究和开发。

4.中钞信用卡产业发展有限公司以设定的票据业务场景,研发了基于区块链技术的智能数字票据系统(SDDS)

5.工信部发布了《中国区块链技术和应用发展白皮书》。

6.20161215,央行数字票据基于区块链的全生命周期的登记流转和基于数字货币的票款兑付结算功能已经全部实现。

7.201610月邮储银行上线基于区块链的资产托管系统,并顺利完成了上百笔交易。

8.2017125,央行基于区块链的数字票据交易平台测试成功。

    二、区块链技术在国库业务应用的分析

(一)业务适应性

    根据《国家金库条例》,国库的职责权限归结起来有:一是办理财政资金收、支、更、退、免业务;二是对财政收支业务开展监督管理;三是现金管理;四是国债管理;五是预算收支统计分析。其中,一可以划归为支付清算类,二可以划归为风险管理类,三和四可以划归为金融交易类,五可以划归为数据监测分析类。办理财政资金收、支、更、退、免业务,现金管理,国债管理,可以看作是区块链技术在支付清算和金融交易领域的具体应用,而支付清算和金融交易是区块链技术开发最早也是应用最广泛的场景。由于区块链技术本身去中心化、可追溯性、信息不可篡改、时间戳等特性,对于资金去向的监督有着天然的优势,如果能建立一套完善、通行的标准,可以充分利用区块链技术有效对国库资金往来进行监督,以控制风险。区块链技术本身是一种不可篡改的、全历史的、强背书的数据库存储技术,资金的交易记录是全网认可的、可追溯的;同时,区块链技术可以促进大数据分析技术向实时数据处理、流式数据分析及互联网数据分布式流式分析发展,而不是目前传统模式下把数据统一集中到数据仓库进行离线分析,因此可以将区块链技术和大数据技术结合运用于国库统计分析,从而提取更有价值的信息。

(二)系统结构

    区块链可以分为公有链、联盟链、私有链。公有链是指任何人都可读取的、任何人都能发送交易且交易能获得有效确认,任何人都能参与其共识过程的区块链。联盟链由共识过程受预选节点控制的区块链。私有链是写入权限由一个组织或个人控制的区块链,读取权限可对外开放,也可任意程度地被限制。国库作为财政预算的执行机构,其信息数据不可能做到完全公开化,通过对不同节点赋予不同的权限,并进行加密,从而控制数据传播的范围和粒度。因此,读写权限受一定限制的联盟链或私有链模式的系统结构更符合国库业务,类似于全球外汇交易分布式交易平台(Ripple)系统结构采取的解决方案。

(三)安全管理

    安全是国库业务的根本。将区块链技术用于国库业务中,辅以其本身的密码学和共识算法的优势,可以实现国库收支、支付清算等数据信息不可篡改。其次,由于采取联盟链或私有链的构架,可以建立严格的准入限制规则,确保国库业务各参与方具有一定风险抵御能力。再者,由于区块链异构多活的系统构架特点,每个节点(国库、代理银行、财政、税务部门、海关等国库业务参与方,下同)均可以维护一个完整的国库资金交易数据副本,并通过共识算法保持高度一致,以防止数据丢失。

(四)运维管理

采用区块链技术框架不需要总库部署高性能服务器,可以节省系统开发、接入及后期维护的成本,并可以减少系统中心化带来的风险集中化。其次,若某一节点遇到系统故障,可单独选择下线维护,待故障排除并完成数据同步后,继续参与生产,以保证整个系统7*24小时不间断工作。

(五)运行效率

由于区块链用智能合约和共识算法来表达规则,因此国库、财政、税务、海关、代理银行等参与方可以共同维护一个系统,实现低成本、高效率的弹性协作机制。其次,可以通过预先编辑好的智能合约部署到区块链上,使国库的每一笔交易按照既定的逻辑规则自动执行,实现高效的数据交互和系统运行。其次,区块链技术具备高可用性,在保证通信协议一致的情况下,不同节点可基于不同开发者、编程语言、系统构架、软件版本来处理交易,以此满足国库、财政、税务、海关以及代理银行内部业务系统异质性。

三、基于区块链技术的国库业务应用场景

    (一)财税库银关联网系统模型基本构架

    由人民银行牵头建立多活架构的财税关库银联盟链,财政、国库、税务、海关、商业银行各自建立私有链;各私有链数据读写权限加以严格控制,数据加密赋予人民银行在联盟链中超级管理员权限,即:拥有其他节点的权限、可制定或修改联盟链交易规则、准入及退出许可、节点管理、账本数据监管、灾备管理等。财政、税务、海关、商业银行在获得央行准入许可后,需要将至少一个节点接入联盟链,既有联盟链又有私有链的节点称之为桥梁节点。联盟链中每笔国库资金交易通过密码学算法达成共识,由各桥梁节点完整地记录。每个桥梁节点均维护一个完整的国库资金交易数据副本,并通过共识算法保持高度一致,以防止数据丢失,同时建立多活容灾和数据多点备份机制。

由于该区块链模型中有私有链和联盟链,与之相对应的是私有链交易和联盟链交易。私有链交易是指交易双方的账本以及操作日志均在同一链上,交易在链内节点达成共识,完成交易并记账,如国库内部往来,商业银行内部转账等。联盟链交易是指交易双方的账本以及操作日志联盟链上或通过桥梁节点上传至联盟链,交易在桥梁节点达成共识,交易各方协同记账,完成交易,如:财政预算收入划缴入库,支出拨付,预算收入更、免、退等业务。

(二)共识机制

    财税库银关横向联网系统的共识机制,可采取区块链+数据库多活的方式。中间件上下分别连接各单位业务应用程序和数据库,而各个中间件左右相互连接,将分散的节点形成一个共识网络。当应用程序向数据库发来一个指令,多活中间件首先将该指令发送给网络中的每一个节点,所有节点认为操作合法后,形成共识,中间件才会将数据操作提交到本地数据库。这种共识机制可保证每个节点的数据均保持高度一致,每个节点都拥有所有节点的操作日志。若其中一个节点被非法篡改,在共识时该节点就会被判定为坏节点,引发预警。

以预算收入划缴入库场景为例,某税务机关发起扣税指令并将该指令通过桥梁节点A传至联盟链,桥梁节点A会迅速将该信息指令告知其他所有联盟链中的BCDEF等其他节点。如果E节点信息被非法篡改,在共识过程中,其他所有节点就会指认E节点异常并预警。当该扣税指令被联盟链中所有节点达成共识,则该指令会写入本地数据库并通过桥梁节点转发至商业银行。商业银行在私有链内完成扣税交易。扣税交易完成后,商业银行发起划款指令,扣款指令通过桥梁节点发至联盟链中,由联盟链各节点进行共识,共识完成并无误后,资金划缴入库交易完成,由国库在私有链内作预算收入入库账务处理,并返回交易结果,相关交易信息同步写入本地数据库,扣税交易、资金划缴国库交易的共识过程同扣税交易一致。

    (三)容灾备份机制

财税库银关横向联网系统的灾备机制,可采取区块链+数据库灾备的方式。灾备中间件介于生产节点和灾备节点之间,各灾备节点和生产节点共同构成一个共识网络。备份启动时,中间件提取本地数据库操作日志,以交易的方式达成节点共识并存储于区块链上。恢复数据时,任意节点都能在区块链上检索到相应数据对应的交易,转换成数据库日志,恢复到本地数据库。这种基于区块链共识机制的备份方式,实行多灾备中心同时备份数据,并保证多副本间数据的强制一致性。当系统软硬件升级时,可采取轮询的方式,以确保生产和备份的任何数据不受任何影响。 

   (四)国库监管和统计分析                   

    对于预算收支的监督,通过建立一套完善、通行的标准规范,利用区块链非对称密码学算法和时间戳等技术以及交易信息的可追溯性和不可篡改性,可对预算收支往来情况实现实时、逐笔的监督,以确保国库资金安全。由于系统采用多活分布式构架,每一节点均存储了所有交易活动信息,可保证信息数据的完整性。央行拥有超级管理员权限,可对系统运行情况实时监测、运维,以此保证系统运行安全。同时,利用数据挖掘和大数据技术,制定相应规则和标准框架,可对预算收支数据进行实时分析。   

四、需要进一步研究解决的问题、未来展望及建议

(一)需要进一步研究解决的问题

1.缺乏统一标准。目前区块链底层技术还未成熟,缺乏统一的技术标准和行业应用标准,大部分平台仍存在性能和安全方面的问题。

2.“不可能三角”悖论。区块链技术作为分布式构架,也存在分布式系统中CAP问题,即:高效低能、安全性、去中心化三者只能满足其中二者。

3.缺乏丰富的实践数据。目前,对于区块链的开发和应用仍处于探索研究的初级阶段。目前区块链技术应用市值最大的比特币,也仅有100多亿美元,缺少可靠的实践数据检验,对于区块链技术的大规模应用仍需深入探索和实践。

4.安全性问题。区块链技术由于尚未成熟,面临着应用、平台、数据安全等问题,如比特币平台屡遭黑客攻击,基于区块链技术的全球最大众筹项目THE DAO也被黑客攻击。另外,比特币依托区块链技术的匿名性,被广泛用于洗钱、毒品交易等非法活动。

(二)展望及建议

区块链技术处于初级发展阶段,尚存很多问题有待解决,但是全球有20多个国家包括中国投入巨资研究区块链技术,80%商业银行已启动了区块链项目,90多家中央银行加入区块链讨论,上百家公司加入了区块链联盟,区块链技术甚至被列入《十三五国家信息化规划》,说明区块链具有广泛和重要的应用发展空间,需长期探索研究和实践。国家金库工程作为国库长远发展的重要工程,在“顶层设计”上应积极关注并借鉴区块链相关技术,尤其是分布式构架,加强跟踪研究,积极探索国库业务应用场景,为国库业务长远发展奠定坚实的基础。

 

参考文献:

1程华,杨志云.区块链发展趋势与商业银行应对策略研究.金融监管研究[J]20166):7378.

2朱建明,付永贵.基于区块链的供应链动态多中心协同认证模型.网络与信息安全学报

   [J]2016,1(2):2830.

3聂舒,张一锋.SDDS看区块链技术的应用.中国金融[J], 2016,(17):35-36.

4中国人民银行数字货币研究项目组.区块链的优劣势和发展趋势[J].中国金融,

2016,(17):39-40.

5谢幺.区块链如何变革数据库灾备系统?中国电子银行网,2017-01-25.

6卿苏德.区块链产业生态、存在问题及政策建议.搜狐财经,2017-03-01.

7龚鸣.区块链技术在国内外金融行业的应用.资管高层决策参考[J], 20172):35-36.

8刘贵生.现代国库论[M].北京:中国金融出版社,2014.

 

 



[]国家金库工程是连接人民银行各级机构以及财政、税务、海关、商业银行的信息化系统工程,已列入《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》,是国家信息化建设的重要战略组成部分。

[]截至发稿前的20171128日,比特币每枚已经超过1万美元,比年初1000美元价格累计涨幅达1000%

[] 1、表2、表3通过互联网信息整理。


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