一，数字货币的初步研究
目前，数字货币还没有公认的标准定义。广义而言，数字货币是指所有电子形式的货币。狭义的数字货币一般指基于非对称密码技术的“加密货币”，这也是本文的主要研究对象。根据数字货币中发行主体的不同，可以分为私有数字货币(比特币、以太坊等。)和由中央银行发行和监管的法定数字货币(数字货币，中央银行)。
随着计算机和互联网技术的快速发展，除了数字货币，还有许多新的“货币”概念，如虚拟货币和电子货币。这三个概念既有区别又有相似之处。法定数字货币和电子货币因为都是央行发行的，所以容易混淆，私人数字货币和虚拟货币因为都是私人机构发行的，所以容易混淆。首先，我们区分这些概念来界定本文所研究的数字货币的范围。
电子货币和法定数字货币。1)电子货币(E-money)是指法定货币的电子化，即纸币在银行或其他相关金融机构中以电子方式存储和支付，并没有创造一种新的货币类型，它只是现有货币的电子形式。根据发卡行的不同，可以分为银行卡、储值卡(如公交卡、购物卡)和第三方支付(如支付宝、财付通)。2)法定数字货币本身就是货币(属于M0范畴)，它和纸币、硬币一起构成现金，而不仅仅是一种支付工具，比如数字货币，央行要发行的中国银行。
虚拟货币和私人数字货币。1)虚拟货币通常是指基于网络的虚拟性，由网络运营商提供，在网络的虚拟空间发行和应用。比如腾讯发行的q币，各大网游公司发行的游戏币，一般只在自己的生态内流通。为了稳定金融体系，政府规定不能用法币双向流通。2)私人数字货币(Private digital currency)是指没有发行者或私人组织发行的可用于现实商品和服务交易的“货币”，并不限于虚拟空间，如比特币、以太坊等。
二。区块链：各种技术的集大成者
数字货币的出现和应用涉及复杂的底层技术。在梳理其发展历史之前，有必要通俗地了解一下这些技术。
区块链技术和比特币等著名的数字货币一起声名鹊起。也因为区块链经常和比特币一起出现，很多人很容易把两者混淆，甚至认为区块链就是比特币。
事实上，比特币只是区块链技术的一个具体应用。区块链不仅可以应用于比特币等数字货币，还可以应用于所有数字领域，如数字账单、征信、政府服务、医疗记录等。数字货币也不一定使用区块链技术。中国央行相关人员多次指出，“法定数字货币中可能不会使用区块链技术，但区块链只是央行数字货币可以选择的底层技术之一”。那么，区块链技术到底是什么？
对于区块链的定义，目前业内还没有一个唯一明确的答案。
从形式上看，区块链是一种链式数据结构，它根据时间顺序以有序的方式组合数据块。每个块主要包含三个部分：1)数据信息，具体信息类型与区块链协议有关。比如在比特币系统中，就是转账信息，包括付款人、收款人、比特币数量等。2)哈希值，表示块中包含的所有信息。3)哈希指针，包含前一个块的哈希值，表示前一个块的信息。哈希指针可以一个接一个地连接块，形成一个“区块链”。
从技术本质上，区块链可以理解为一个由多个节点共同维护的、可以系统化运行的数据库存储系统。它是各种技术的缩影，包括去中心化技术(P2P网络技术和分布式存储)、信息加密技术(密码哈希函数和非对称加密技术)、共识机制(拜占庭容错算法、工作量证明机制、权限证明机制)等。
2.1.去中心化：P2P网络架构分布式存储
P2P网络是区块链去中心化的基础，解决了节点间的数据传输问题。对等网络(Peer-to-peer networking)也称为对等网络，是一种分布式应用程序架构，在对等方之间分配任务和工作负载。目前，在传统的服务器/客户机结构的网络中，数据传输需要经过一个中心服务器。
以微博为例，用户发送的图文首先通过网络传输发送到新浪服务器，然后新浪服务器再将图文发送给其他用户。在P2P网络中，没有中心服务器这样的集中式节点，每个节点都是对等的，节点之间可以直接传输数据。
根据网络中不同节点之间如何建立连接通道，P2P有四种不同的模式，不同的区块链应用可能采用不同的模式，分为集中式、纯分布式、混合式和结构化模式。
1)集中式P2P网络是指存在一个中心节点，保存所有其他节点的索引信息，但数据传输可以直接点对点，不经过中心服务器。比如MP3分享软件Napster就采用了这种P2P系统。Napster有一个中央索引服务器，用于存储所有用户上传的音乐文件的索引和存储位置信息。当某个用户A需要某个音乐文件时，首先在Napster的中央服务器中进行搜索。在搜索到拥有该文件的用户B之后，A可以请求B直接将该文件传送给A。
2)纯分布式P2P结构中没有中心服务器和中心节点，节点之间建立随机网络。在数据传输过程中，一个节点向相邻节点传输信息，以此类推，以扩散的形式在网络中传播，直到传输到另一个节点。比特币区块链就是使用的P2P系统。
3)混合P2P网络是集中式和分布式结构的混合。网络中有许多超级节点组成分布式网络，每个超级节点是由许多普通节点组成的局部集中式网络。从天秤座发布的白皮书可以推断，天秤座使用的就是这个P2P系统。
4)结构化P2P网络是指所有节点按照一定的结构有序组织起来，如环网、树网等。
P2P技术解决点对点的数据传输问题，分布式存储解决分散系统中的数据存储问题。在传统的存储模式下，所有的数据都存储在一个集中的节点上，但是在P2P网络中，没有集中的节点，所以需要分布式存储技术。简单地说，分布式存储意味着将数据存储在多个计算机节点中。应用于区块链时，即每个节点传输信息时，需要在系统中广播该信息，所有接收到该信息的节点都存储该信息。
2.2.信息加密和验证：非对称加密技术加密散列函数。
在P2P网络系统中，节点之间的数据传输采用广播的形式，例如，节点A向节点B传输信息，节点A首先向邻居节点传播信息，以此类推，直到信息传输到节点B.但在这个过程中存在两个问题：1)节点A向节点B发送信息时，由于数字信息很容易被复制，用户的身份很容易被冒名顶替或伪造，那么节点B如何验证发送者的身份是否为A；2)信息在传输过程中可能被恶意篡改。如何保证信息在传输过程中不被篡改？
非对称加密技术可用于认证。非对称加密也称为公钥加密。与只有一个密钥(可以加密也可以解密)的对称加密相比，非对称加密有两个密钥：公钥和私钥。公钥和私钥是一对。如果用私钥加密，只有对应的公钥才能解密。公钥是public，可以表示节点的身份。发送方在发送信息时用私钥加密，接收方收到后用公钥解密，这样就可以确认发送方的身份。
哈希函数的性质可用于验证信息是否被篡改。哈希函数y=H(x)可以将任意长度的信息(输入值x)转换成固定长度的二进制字符串(输出值y)，称为哈希值或散列值。Hash函数有三个性质：1)两个不同的输入值X不可能对应同一个输出值Y，即不同的信息不可能对应同一个hash值。2)输入的X可以很容易的通过hash函数转换成Y，但是逆向计算做不到，即输出值Y已知，输入值X无法计算(只能用穷举法，但是解空间是2256)。3)当输入值X稍有变化时，哈希函数的输出值Y差异较大且无规律。
哈希函数的三个属性可以验证信息是否被篡改。具体过程如下：首先，发送方将信息输入哈希函数得到一个哈希值，用私钥对哈希值进行加密。其次，发送方将原始信息、加密哈希值和公钥发送给接收方；最后，接收方收到哈希值后用公钥解密，将原始信息输入哈希函数。通过比较获得的哈希值和接收的哈希值，可以验证原始信息在传输过程中是否被篡改。
2.3.共识机制：拜占庭容错算法，工作量证明，权限证明。
节点间的数据传输问题解决后，数据存储问题接踵而至。在集中式存储系统中，中心组织负责数据存储的完整性和准确性，而在分布式存储系统中，各节点记录和存储数据时可能出现以下问题：1)记录和存储过程中信息被恶意篡改；2)信息失效、损坏或丢失。比如有的节点因为通信网络无法正常工作，没有收到信息；3)信息传输延迟，由于每个节点的地理位置和网络条件不同，不同的节点在不同的时间接收到某条信息。
由于这些情况，节点不能就信息的记录和存储达成一致。解决方案是每个节点将待存储的信息内容发送给所有其他节点，每个节点根据收到的消息采用少数服从多数的原则确定数据存储的一致性。但是在这个过程中，仍然可能有恶意节点将错误的节点传输到其他节点破坏一致性，这就是著名的“拜占庭一般问题”。
“拜占庭通用问题”是实现分布式系统一致性的重要问题。它是由莱斯利兰波特等科学家在1982年提出的。基本思路是这样的：拜占庭帝国的军队驻扎在相距很远的营地，只能通过信使传递消息。由于至少一半的军队同时进攻以夺取帝国，将军们需要就是否进攻敌人达成共识。军队中可能有叛徒，叛徒可能任意改变进攻意图或进攻时间，破坏将领间的共识。
例如，有11名将军，包括一名叛军。如果五个将军选择“进攻”，另外五个选择“撤退”，叛军将向选择进攻的将军发送“进攻”消息，向选择撤退的将军发送“撤退”消息。因为叛军的存在，将军们无法达成共识。五位将军选择“攻”，五位将军选择“退”，结果必然是失败。
在标杆分布式存储系统中，驻扎在每个营地的军队就是每个节点。节点要对某个信息达成共识，需要将自己记录的信息传输给其他节点，超过一半的被认可的信息可以作为统一存储的信息。但在这个过程中，可能会有节点恶意破坏一致性。例如，一个节点向网络中一半的节点发送“A”信息，向另一半的节点发送“B”信息，这样即使只有一个恶意节点，系统也无法形成统一的数据库。因此，需要一种机制来确保即使存在恶意节点，其他节点仍然可以达到一致的结果。
因此，共识机制是区块链技术的核心问题。目前，主流区块链的共识机制主要有三种，即拜占庭容错机制、工作量证明和权利证明。
(1)拜占庭容错算法
1999年，Miguel Castro和Barbara Liskov提出了实用拜占庭容错(PBFT)，可以保证系统中不超过1/3的恶意节点能够达成共识。其基本思想是每个节点收到其他节点发送的信息后，并不立即按照多数做出判断，而是将收到的信息传递给其他节点，通过信息交换做出一致决定。在这种情况下，只要系统中的恶意节点不超过1/3，就可以解决拜占庭一般问题，即当超过2/3的节点声明存储的信息一致时，就可以达成共识。
为什么恶意节点不能超过三分之一？原因如下：假设系统中有n个节点，其中有f个恶意节点，有n-f个忠诚节点，忠诚节点发出n-f条真实信息。如果通信网络中不存在信息传输延迟现象(每个节点都能立即接收到其他节点发送的信息)，则要求在出现错误消息时，真实信息的数量应大于N-F；F(即F；1/2n)，达成一致，即收到半数以上的一致信息时，即可达成共识。但是，在现实中，信息传递会有延迟。在收到的n-f条消息中，恶意节点发送的错误消息最多可能有F条。因此，只有当至少n-f-f条真实消息大于错误消息，即N-2F时，才能达成共识；f，可以得到f；1/3牛顿.
(2)工作量证明了——比特币区块链的共识机制
工作证明(PoW)是比特币引入的，可以保证不超过51%的恶意节点能够达成共识。这是目前区块链最经典、久经考验的共识机制。基本流程如下：
1)当一个节点传输数据时，传输的信息不会被每个节点立即存储，而是标记为“未确认”并存储在内存池中。
2)区块链系统中每隔一段时间就会产生一个新的块，不同的区块链协议产生的时间也不同(比如比特币区块链中每10分钟产生一个块)。内存池中的每个节点将收集所有未确认的信息，将其打包到一个新的块中，并构造一个候选块。由于上述问题，对于给定的信息集，每个节点块中打包的信息可能不一致。
block将信息打包后，会设置一个“密码难题”，即在信息后添加一个随机数，然后使用哈希函数将整个信息列表(包括随机数)转换成一个哈希值。
4)每个节点需要使用获得的哈希值计算随机数。根据上面提到的哈希函数的性质，逆向计算是不可行的，只能用穷举法。所以，计算这个特殊的数需要大量的计算。这个过程叫做工作量证明，可以简单理解为解决“数学难题”的过程。
5)当网络中的一个节点先找出随机数时，它会向全网广播，其他节点验证其有效性。当51%的节点通过验证时，该块将自动链接到区块链的背面，验证失败的节点将重新计算。最先完成工作量认证的可以获得一定的奖励，既可以激励全网所有节点积极存储信息，又可以避免节点存储错误信息——，因为验证失败后的收益远远小于其成本。
例如，在比特币区块链中，区块包含一定数量的货币基础，因此最先找出随机数的节点可以在验证后获得区块中的新货币奖励。因为这个过程类似于金矿开采，所以使用PoW机制的数字货币的生产过程被形象地称为“开采”。
PoW的意义在于它增加了各个节点传播信息的成本，而这个成本远大于发布虚假信息的收益，所以各个节点不会有当叛徒的动力。如果节点以任何方式修改信息，它将完全改变哈希值。哈希函数虽然不容易求逆，但是很容易验证。当51%的节点验证失败时，节点必须重做工作量证明，不仅要花费大量的金钱，而且会降低先完成的概率，从而降低获得奖励的概率。其次，由于解谜的第一个节点是随机的，我们无法知道下一个赢得记录权的节点，每个节点也无法控制自己将获得哪个区块的记录权。
上述过程通过PoW机制解决了单个块中信息存储的一致性问题，但不能保证系统(整个区块链)的最终一致性。因为两个不同的节点同时挖出块(解谜)，所以也有可能发生(由于网络通信问题，各个节点的块信息可能不一致)。此时，区块链将发散，并且网络中的所有节点需要就哪个区块链事务可以被确认达成共识。
整个区块链的共识遵循最长链条原则，只有最长链条上的交易才能得到确认，也就是工作量最大的区块链。“分叉链”不可持续。在接下来的块竞争中，每个节点将选择在某个分叉链上争夺下一个记账权。由于工作量巨大，两个节点同时挖出块的概率会成倍下降。所以“最长链”很快就会出现，最长链上的交易都会得到确认。同时，较短链上的交易信息也将被释放并重新标记为“不”
但是PoW机制并不完善，它有以下三个缺点：
1) 51%攻击：当攻击者掌握了全网51%的计算能力时，他的攻击总能成功，因为他总能让自己的链条最长。所以全网节点越多，抗攻击能力越强，安全性越好。
2)高延迟：块的出现时间间隔不能太短。分块投递时间过短意味着挖掘难度降低，会增加多个节点同时出答案的概率，导致频繁分叉。但发货慢意味着确认时间长，延迟高。
3)资源浪费：计算机计算密码拼图需要大量的计算能力、高性能的计算机设备、大量的功耗等资源。根据digiconomist的评估，比特币2018年的二氧化碳排放量达到3473万吨，相当于丹麦的碳排放量；用电量达到7312万千瓦时，与奥地利相当；产生了9.8克拉的电子垃圾，相当于卢森堡产生的电子垃圾。
(3)股权认证的共识机制——以太坊区块链
桩的证明(PoS)是PoW机制的改进，不同于节点需要做计算工作的证明。PoS根据各节点拥有的加密货币数量和时间争夺记账权。在这种模式下，持有的加密货币越多，时间越长，率先“挖出”区块的概率就越高。这种机制类似于利息制度。PoS算法中有一个术语叫“硬币天数”，是硬币数量和持有天数的乘积(比如100个加密货币持有10天，硬币天数就是1000)。每找到一个方块，就会清空每个节点拥有的硬币天数，每清空365个硬币天数，就会奖励一定数量的新硬币(相当于持有硬币的利息)。
作为PoS PoW的升级共识机制，它成功地改善了PoW机制的一些缺陷。1)低延迟：根据各节点持有令牌的数量和时间，等比例降低挖掘难度，一定程度上缩短了达成共识的时间。2)更少的资源消耗：不再需要消耗大量的
在明确了数字货币的范围和背后复杂的技术之后，我们就可以更好地理解数字货币的发展。目前比特币、以太坊等民间数字货币的热度正在上升，各国央行的法定数字货币也在问世。数字货币的出现引发了一系列值得思考的问题。以比特币为代表的私人数字货币能否成为真正的货币？数字货币的法律研究进展如何？未来数字货币将何去何从？我们接下来的系列报道将结合客观历史逻辑和主观认知逻辑，通过梳理数字货币的发展轨迹，探寻数字货币未来的发展方向！
三。风险警告
密码安全性和协议安全性不足。