区块链和央行数字货币的设计分析-基于区块链的CBDC方案

⃝可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectICTExpress 8（2022）264www.elsevier.com/locate/icte区块链和央行数字货币张涛a，b，张伟，黄志刚c广西可信软件重点实验室广西密码学与信息安全重点实验室，桂林电子科技大学，桂林，中国b北京航空航天大学网络科学与技术学院c福州大学福建省金融科技创新重点实验室，中国福州接收日期：2021年5月31日;接收日期：2021年8月19日;接受日期：2021年9月29日2021年10月29日网上发售摘要随着区块链和数字货币的发展，世界各国央行都在加快CBDC发展的进程。然而，在CBDC设计中采用区块链仍然存在争议。在本文中，我们分析了CBDC设计的功能和非功能需求，并对基于区块链的CBDC方案进行了文献综述。分析结果表明，许可区块链比非许可区块链更适合CBDC。此外，基于区块链的CBDC还存在一些挑战，例如性能，可扩展性和跨链互操作性。我们的分析是及时的，可以为基于区块链的CBDC设计提供指导。2021作者出版社：Elsevier B.V.代表韩国通信和信息科学研究所这是一个开放在CC BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）下访问文章关键词：中央银行数字货币; CBDC;法定货币;分布式账本;区块链1. 介绍2008年，比特币[1]被提出作为第一个去中心化的加密货币（数字货币），它使交易不依赖于可信的第三方，如银行。区块链是比特币的核心技术，区块链的突破对支付方式、电子商务和跨境转账产生了巨大影响。区块链技术也被广泛用于加密货币，在过去的10年里，已经出现了5000多种基于区块链的加密货币[2]。在快速变化的数字世界中，越来越多的交易在网上进行，纸币的使用越来越少。为了顺应这一趋势，世界各国政府都在转向数字法定货币。法定货币是政府发行的货币，美元、欧元和人民币都是法定货币。比特币与基于去中心化区块链的加密货币和法定货币之间存在显著差异，∗通讯作者：北京航空航天大学网络科学与技术学院.电子邮件地址： tao.zhang.cnoutlook.com（T. Zhang）。同行评审由韩国通信和信息科学研究所（KICS）负责https://doi.org/10.1016/j.icte.2021.09.014例如稳定性和监管手段。因此，这些去中心化的加密货币不能成为数字法定货币的选择。世界各地的中央银行都在研究他们的数字法定货币CBDC（中央银行数字货币）。国际货币基金组织（IMF）将CBDC定义为由中央银行数字发行并作为法定货币的一种新形式的法定货币[3]。根据BIS（国际清算银行）[4]的数据，各国央行对CBDC研发持积极态度，超过80%的央行正在积极研发CBDC原型。CBDC的主要动机是促进支付的安全性，稳健性和效率，降低发行成本并增加交易便利性。作为大多数加密货币的关键技术，区块链也在CBDC研究和原型实验中进行了探索。借助区块链的优势，基于区块链的CBDC可以帮助提高效率并创建更安全的支付系统[4]。然而，在CBDC设计中采用区块链仍然存在争议，因为区块链技术仍然存在许多挑战需要克服，例如安全性，吞吐量和可扩展性问题。2405-9595/2021作者。出版社：Elsevier B.V.代表韩国通信和信息科学研究所这是一CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。T. Zhang和Z.黄ICT Express 8（2022）264265为了帮助缩小差距并为CBDC设计提供指导，我们对基于区块链的现有典型CBDC方案进行了全面分析。然后分析CBDC的需求和场景以及区块链在CBDC中的潜在应用。最后，讨论了基于区块链的CBDC的挑战和开放问题。也有一些关于区块链和CBDC的研究。在[5]中，世界经济论坛对中央银行如何使用区块链来解决金融和货币挑战进行了调查，CBDC的实验和实施也参与其中。在[6]中，Codruta Boar和Andreas Wehrli在2020年底对全球65家中央银行进行了一项关于CBDC的调查，内容涉及他们对CBDC工作的参与，他们的动机和意图是关于CBDC发行。在[7]中，Natalia Dashkevich等人总结了中央银行的用例区 块 链 ， 包 括 CBDC 。 在 [2] 中 ， Ayisi Opare 和Kwangjo Kim 提出了一项关于中央银行基于区块链的CBDC的调查。然而，它只关注已经完成概念验证原型的CBDC，因此许多正在进行的CBDC计划没有考虑在内。比较对于这些工作，我们的工作考虑了基于中央银行和研究社区的CBDC计划的区块链。本文的结构如下。第2节介绍了区块链和CBDC的一些背景信息。第3节是基于区块链的CBDC方案的文献综述。第4节讨论了区块链和CBDC以及基于区块链的CBDC的挑战和开放问题，第5节总结了本文。2. 背景资料2.1. 区块链2.1.1. 区块链的特点区块链是一种分布式账本技术，利用加密技术和共识算法来实现分散化，可追溯性，不变性，匿名性，透明性，安全性等功能[8]。作为一种去中心化的分布式账本，去中心化是区块链的关键特征，有助于降低成本和提高效率。只有确认的交易才能记录在区块链上一旦被其他节点验证，交易就不能被更改。由于区块链上的每个交易都经过验证并记录了时间戳，因此区块链网络中的所有节点都可以验证这些交易。账本在区块链网络的所有参与者之间共享通过加密技术，区块链可以保证记录在分类账上的数据不会被篡改。智能合约是区块链最重要的特征之一。当满足预定条件时，智能合约可以自动执行，这有助于提高交易效率，降低交易成本，让交易变得简单。表1比较三种区块链。公共区块链联盟区块链私有区块链开放高介质低许可的没有是的是的速度低介质高扩展性低介质高权力下放高介质低成本低介质高在整个低介质高例如比特币，织物，–以太坊科达，法定人数2.1.2. 区块链的分类区块链有三种类型，公共区块链，联盟区块链和私有区块链。公共区块链是无需许可的，任何人都可以参与区块链。公共区块链高度去中心化，但存在性能、隐私和安全等缺点。比特币和以太坊是两个最著名的公共区块链。联盟区块链是允许的，由联盟与几个组织建立。每个组织都是区块链的一个节点，如果其他组织想要加入，财团区块链，需要财团的授权。联盟区块链比公共区块链更 不 分 散 ， 但 具 有 更 高 的 吞 吐 量 和 更 好 的 性 能 。Hyperledger Fabric、Corda和Quorum是联盟区块链的代表。Quorum是Ethereum的企业版本。私有区块链也是许可的，并且比联盟区块链和公共区块链更集中。私有区块链仅由一个组织控制，该组织控制谁可以参与，执行共识并维护共享账本。私有区块链在参与者中更受信任，性能比con-campaign区块链好得多。表1是这三种区块链的详细比较。2.2. CBDCCBDC可以按使用场景分类为批发和零售CBDC [9]。零售CBDC是现金的数字版本，主要用于个人和企业之间的支付。零售CBDC可以增加访问和可用性对用户而言，降低电子商务和跨境支付的成本，并有助于加强货币政策。批发CBDC是银行间结算的新基础设施，例如银行和与中央银行有直接关系的其他实体之间的支付。批发CBDC可以改善银行间支付结算，降低跨境支付交易的风险和成本。2.2.1. 参与者在CBDC系统中，有三种参与者作为中央银行、商业银行和最终用户。中央T. Zhang和Z.黄ICT Express 8（2022）264266银行负责货币政策的制定，货币的发行、回笼和流通。商业银行充当中央银行和最终用户之间的桥梁。最终用户可以创建交易并进行直接付款。最终用户可以是个人、小企业和大公司，支付可以是银行内部支付、银行间支付和跨境支付。2.2.2. 应用场景CBDC主要有两个应用场景，即国内支付场景和跨境支付场景。国内支付场景是为国内用户和国内支付系统设计的，如零售支付、企业与个人之间的支付等。跨境支付场景主要针对跨境交易。2.2.3. CBDC设计要求作为一种支付方式和数字法定货币，CBDC应该增加支付多样性。就像目前的法定货币（现金）一样，CBDC应该为国内和跨境场景提供低成本，快速和安全的支付。至于货币功能，CBDC应提供离线和即时支付、匿名和隐私、安全性、弹性、可控制的监管、可用性、可扩展性、便利性和用户友好性等功能[4，9]。离线和即时支付。CBDC应该能够提供双重离线和即时交易，如现金。双离线支付是指交易双方都处于离线状态。更重要的舒适和隐私。由于现金在货币流通过程中是匿名的，匿名性是在线交易的一个重要特征。CBDC应该为最终用户提供足够的隐私，包括用户身份的匿名性和交易的隐私性。安全考虑到CBDC的数字特性，安全性是CBDC的关键。CBDC应该防止潜在的欺诈和攻击，提供安全功能，如无双重支出，防伪，不可否认性和可验证性。没有双重支出是数字货币的基本安全要求，这意味着如果CBDC之前在另一笔交易中使用过，则不能在一笔交易中使用。就像现金一样，CBDC应该是防伪的，以维护安全。不可否认性是指与CBDC相关的所有操作都应被记录，并且可以被否认。可验证性意味着所有CBDC交易都可以验证。Resilience. CBDC系统应该能够从潜在的硬件或软件故障中恢复。可控的监管。CBDC应符合法规。空房的CBDC应该提供24/7支付，没有计划停机时间。可扩展性。CBDC应该是可扩展的，并且可以在必要时以可承受的成本处理增加的交易量方便和用户友好。CBDC应该对所有用户（包括那些没有智能手机的用户）方便和友好。中央银行可以提供支持离线的设备交易3. 基于CBDC区块链是当前数字加密货币的关键和基础技术。世界各地的中央银行正在积极研究和探索区块链在CBDC中的潜在应用。自2016年以来，许多中央银行已经启动了在CBDC中采用区块链的项目。一些项目已经完成并开发了概念验证原型。在本节中，我们基于中央银行和研究社区的CBDC项目和计划对区块链进行了文献综述，如表2所示。3.1. 来自中央银行的3.1.1. 基于比特币的CBDC比特币是最成功的加密货币，也被中央银行在早期基于区块链的CBDC研究中考虑，如DNBcoin/Dukaton和RSCoin。DNBcoin/Dukaton. 2015年，荷兰央行开发了一个基于区块链的CBDC原型DNBcoin/Dukaton [10]。DNBcoin的第一个版本改编自比特币区块链，专注于支付系统的可持续性。然后，荷兰央行在随后的四种区块链原型中测试了不同的共识和验证机制。最后，荷兰中央银行得出结论，区块链技术不能作为金融基础设施的一种选择，因为它在能力、效率和支付确定性方面存在局限性。不幸的是，Dukaton项目没有公开的技术细节。RSCoin。2016年，英格兰银行和伦敦大学学院提出RSCoin [11]作为基于区块链的CBDC原型系统。RSCoin基于比特币和UTXO（未使用的交易输出）模型。RSCoin中有两种分类账，即高级全局分类账和低级分类账。中央银行负责发行货币和维护高级别的全球分类账。低级分类账由支付接口提供商维护，并将提交给中央银行。支付接口充当支付接口提供商和最终用户之间的代理。中央银行还负责处理交易中的潜在冲突，维护全球账本的全球3.1.2. 基于许可区块链的CBDC随着许可联盟区块链的成熟，中央银行一直在尝试将联盟区块链应用于CBDC。CBDC中最广泛使用的联盟区块链是Ethereum，Corda，Hyperledger Fab- ric和Quorum。这些项目的主要应用场景包括银行内部支付、银行间支付、跨境支付和结算。Project Jasper/CAD-coin. 2016年，加拿大银行推出了Project Jasper [12]，作为基于区块链的整体销售CBDC。Project Jasper开发了一个关于大额银行间支付的支付系统概念验证。在第一阶段，以太坊用于在参与者之间进行支付。在第二阶段，测试Corda区块链T. Zhang和Z.黄ICT Express 8（2022）264267表2基于CBDC的区块链概述项目名称项目状态CBDC类型区块链区块链类型用例国家年DNBcoin原型–比特币公共–荷兰2015杜卡顿[10]RSCoin [11]原型–比特币公共国内支付英格兰2016项目原型批发以太坊，Corda财团银行间支付加拿大2016Jasper/CAD-硬币[12]项目原型批发以太坊，Corda，财团跨行支付和新加坡2016乌宾[13]Hyperledger Fabric定居点，跨界和Quorum结算付款，交付与跨境支付付款项目原型––财团跨境支付，欧洲央行和2017斯特拉[14]证券交割与日本央行支付，跨境付款项目原型–法定人数财团银行间支付和南非2018科卡[15]结算电子货币[16]原型零售Corda财团国内零售支付，瑞典2018银行间支付项目原型零售和Corda、Hyperledger私人银行间结算泰国2018因他侬[17]批发项目原型零售和Corda财团银行间结算中国香港2018[第18话]批发项目原型–––跨境支付泰国和2019LionRock-中国香港因他侬[18]澳大利亚研究批发以太坊财团批发金融市场澳大利亚2020项目[19]交易Sun et. [20]第二十话研究–HyperLedger，财团–研究2017以太坊社区熊猫[21]研究––––研究2018社区Han et. [第22话]研究–––跨境支付研究2019社区AFCoin [23]研究–以太坊财团–研究2019社区这两个阶段表明，中央银行可以从基于区块链的批发支付系统中受益，这可以提高效率并降低成本。为了探索区块链的更多应用，2017年，加拿大中央银行扩展了Jasper项目，并开发了基于区块链的CBDC原型CAD-coin。除加拿大银行外，许多商业银行也加入并合作建立了使用CAD币的银行间支付系统。Ubin计划2016年，新加坡金融管理局推出了基于区块链的CBDC项目Ubin [13]，以探索使用区块链进行清算和结算。支付和证券。五个阶段的实验证明区块链可以应用于CBDC。在第一阶段，以太坊用于进行银行间支付。在第二阶段，Corda，Hyperledger Fabric和Quorum用于探索分散的银行间支付。在第三阶段，智能合约用于探索交付与支付。第四阶段进行区块链跨境结算支付实验。作为第四阶段的延续，第五阶段使用区块链和CBDC进行跨境支付，并探索多货币支付模式的发展。斯特拉计划。2017年，欧洲中央银行（ECB）和日本银行启动了Stella项目[14]，该项目专注于使用区块链进行跨境支付。第一阶段测试使用区块链处理大额支付，第二阶段研究使用区块链进行证券交付与支付;第三阶段评估区块链在改善跨境支付方面的适用性。Khokha计划。2018年，南非储备银行推出了Khokha项目[15]，作为基于Quorum区块链的概念验证银行间支付和结算系统。Khokha项目不涉及货币发行，只关注银行间支付，这表明区块链可以帮助加快交易处理和降低交易成本。克朗2018年，瑞典央行提出了E-krona [16]，这是一种基于Corda区块链的CBDC。E-krona是一个基于区块链的双层私有模型。在第一层，中央银行掌握私有区块链网络层，可以批准和向网络添加新的参与者。此外，中央银行还负责发行和提取电子克朗. e-krona网络的参与者通过第二层将e-kronor分发给最终用户，然后最终用户可以使用T. Zhang和Z.黄ICT Express 8（2022）264268E-krona用于不同的目的。E-kronor专注于国内，应用场景主要是零售支付，例如个人之间的支付。Inthanon 计 划。 2018 年 ，泰 国 银 行（ BOT） 启动 了Inthanon项目 [17]，旨在为国内批发CBDC开发区块链Inthanon项目在私人许可的Hyperledger Besu网络上运行，专注于批发CBDC。Inthanon项目使商业银行能够通过批发CBDC进行国内资金转移，例如银行间结算。Inthanon项目证明，基于区块链的CBDC可以帮助提高支付效率，扩大运营范围，降低运营和合规风险。狮岩计划2017年，香港金融管理局（HKMA）提出了一个基于区块链的计划，Project LionRock [18]，以探索基于区块链的CBDC的好处和风险。LionRock项目评估了使用区块链发行CBDC的技术可行性，并使用Corda区块链开发了一个概念验证CBDC。LionRock同时考虑零售和批发场景。狮子山-因他侬计划为了进一步探索其他潜在的CBDC场景，如跨境支付，金管局和BOT提出了Inthanon-LionRock项目[18]，以测试基于区块链的批发跨境支付2019年在Inthanon-LionRock项目中，区块链隧道网络用于连接LionRock和Inthanon，这两个基于区块链的CBDC。与传统跨境支付相比，LionRock-Inthanon实现了实时跨境支付，大大提高了跨境支付的效率，降低了跨境支付的成本。此外，LionRock-Inthanon是第一个桥接两个基于区块链的CBDC的公司。澳大利亚2020年1月，澳大利亚储备银行[19]宣布了一个探索基于以太坊的批发CBDC的项目。CBDC项目旨在探索CBDC对批发金融市场交易效率、风险管理和创新的影响。DC/EP。DC/EP（数字货币电子支付）[24]是中国的CBDC系统。在DC/EP中，区块链用于权利确认注册和安全增强。中央银行和商业银行联合起来建立一个分散的分类账，可以为其他人提供CBDC所有权的查询服务。3.2. 来自研究社区的基于区块链的CBDC计划除了中央银行，研究界也对基于区块链的CBDC感兴趣。近年来，研究界提出了一些基于区块链的CBDC方案，这些方案也采用了多区块链模型。Sun等人。[20]提出MBDC作为基于多区块链的CBDC架构。在MBDC中，有一个超级链和多个本地区块链和分支区块链，所有这些区块链都是许可的。中央银行负责维护超级链，并可以分析超级链上的数据，避免双重支出和保护用户的隐私。通过许可的区块链，超级链可以确保所有数字货币都由中央银行创建和发行。在局域区块链和分支区块链中，可扩展性和性能都得到了极大的提高。MDBC也在HyperLedger和Ethereum中实现，实验表明MDBC具有良好的性能、可扩展性和事务执行速度。MDBC符合商业银行的要求。Tsai等人。[21]将Panda作为基于多区块链的CBDC模型。与当前的银行系统一样，Panda使用帐户模型而不是UTXO模型。实验表明，Panda具有高吞吐量、低延迟、低能耗、安全性、隐私性、监控性、可靠性和及时性等特点。此外，Panda模型具有可扩展性，可以添加许多金融机构和个人。Han等人[22]提出了一种基于区块链的CBDC框架，该框架具有三层，即监督层，网络层和用户层。然后，以跨境支付为例，解释CBDC的整个生命周期，即货币发行，货币流通，货币提款，银行间支付和跨境支付。AFCoin [23]是一个基于以太坊区块链的CBDC模型，带有账户模型。在AFCoin中，智能合约用于处理交易并维护商业银行的账户状态。商业银行可以向中央银行提交交易信息和状态信息，以满足监管和合规要求。与第三方支付服务相比，AFCoin可以提供更好的隐私和监管。4. 讨论区块链技术可以为CBDC和金融系统带来独特的优势。可扩展性和不变性等特性使区块链成为满足CBDC要求的理想选择。此外，基于区块链的CBDC模型具有监管优势，有助于降低成本，提高支付效率。图1是基于区块链的CBDC设计方案。尽管一些中央银行已经确认他们正在开发基于区块链的CBDC，但在采用区块链方面仍存在争议4.1. 许可区块链与非许可区块链去中心化是区块链的一个关键特征，这与中央银行传统的集中管理相反。所以有人认为区块链不适合CBDC。目前像比特币这样的加密货币缺乏监管手段，容易发生洗钱、勒索和其他犯罪活动。因此，公共（无许可）区块链无法满足金融系统在监管，可扩展性和效率方面的要求，不适合基于区块链的CBDC。与无许可区块链相比，许可区块链更适合CBDC。全球超过46家中央银行正在考虑使用许可区块链的CBDC计划[4]。T. Zhang和Z.黄ICT Express 8（2022）264269图1.一、基 于 区块链的CBDC设计。4.2. 挑战和未决问题大多数中央银行对使用区块链的CBDC计划持积极态度，许多人甚至提出了基于区块链的CBDC原型。然而，这些银行只探索区块链在CBDC中的应用，没有一家中央银行实施了基于区块链的CBDC。因为区块链和基于区块链的CBDC仍然存在一些挑战需要克服，例如性能，可扩展性，跨链互操作性和使用场景。4.2.1. 性能和可扩展性在 2019 年 ， FastFabric [25] 被 提 出 作 为 Hy- perledgerFabric的扩展，它将事务吞吐量从3000 TPS（每秒事务）提高到20，000 TPS。然而，Visa每秒可以处理76，000笔交易[26]。目前区块链系统的性能仍然低于传统的中心化系统。区块链应该具有良好的可扩展性，以处理不断增加的交易。然而，在区块链中没有完美的解决方案来解决这些问题。性能和可扩展性也是基于区块链的CBDC的两个主要挑战。4.2.2. 跨链互通由于不同的国家和中央银行正在探索基于区块链的CBDC计划，因此选择了不同的区块链，例如Corda，Ethereum和Fabric。例如，Corda被用于Jasper/CAD币和E-krona项目，Quorum被用于Khokha项目，以太坊将被用于澳大利亚的CBDC项目。至于跨境交易，这些不同的基于区块链的CBDC网络需要通信和交换。然而，不同的区块链可以使用不同的加密算法、共识算法、数字签名方案、散列算法、交易结构和块大小。不同区块链之间的跨链互操作性对于区块链和基于区块链的CBDC方案来说都是一个巨大的挑战。如果国内支付是CBDC的唯一重点，那么跨链互操作性可能不会被考虑。4.2.3. 使用场景对于使用场景，基于区块链的CBDC应考虑与使用场景相关的问题，包括离线支付，用户隐私，监管，安全性和便利性。就像现金一样，CBDC应该支持双离线支付并保护用户隐私。目前流行的双离线支付方案是基于硬件的钱包。 因此，硬件钱包的安全性是用户资金安全的关键。作为法定货币，基于区块链的CBDC应该对所有人都具有包容性和便利性，包括没有智能手机的人。所以这些与使用场景相关的问题应该尽快解决。5. 结论关于在CBDC设计中采用区块链的争论很激烈。区块链的特性适合CBDC设计的要求。在本文中，我们对来自中央银行和研究社区的基于区块链的CBDC方案进行了文献综述。相对于无权限区块链，许可区块链更适合CBDC的设计。然而，没有一家中央银行实施了基于区块链的CBDC。因为基于区块链的CBDC有一些挑战需要解决，包括性能、可扩展性、跨链互操作性和使用场景。我们的工作是及时的，可以为基于区块链的CBDC设计提供指导。竞合利益作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作致谢本 工 作 得 到 了 广 西 可 信 软 件 国 家 重 点 实 验 室（kx202016）、广西密码学与信息安全国家重点实验室（GCIS201806）、浙江省影视传媒技术国家重点实验室（2020E10015）、福建省金融科技创新重点实验室（福州大学）、福建省江夏大学（KF1901）、浙江省海洋大数据挖掘应用国家重点实验室（obdma202001）的支持。引用[1] S. 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