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

财政大数据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马天龙沖国人民银行银川中心支行，宁夏750001)内容提要：近年来，比特币的底层技术一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中图分类号:F49 文献标识码:A文章编号:1672-9544(2017)12-0026-07地方财政研究2017年第12期33自2015年，区块链一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、国际投行以及丨T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。2015年12月30日，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。2016年1月20日，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(-)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 E lectron ic C ashSystem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_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 枚13美元飆升至1240多美元左右，随后价格一收稿日期017-03-15作者简介马天龙，经济师，宁夏大学经济管理学院在读博士研究生，研究方向为公共财政。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。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。随 后,研究者发现比特币底层协议一区块链技术可 以应用于更多领域，区块链逐渐成为丨T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(B lock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_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。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1.0、2.0、 3.0,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、曰 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。表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。二、区块链技术在国库业务应用的分析 (-)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：_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 截至发稿前的20_7年11月28_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%。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 不可篡改的、全历史的、强背书的数据库存储技术, 来进行监督,以控制风险。区块链技术本身是一种 资金的交易记录是全网认可的、可追溯的；同时，区表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、莱特币、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2015年9月,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。2016年5月初，中国平安金融集团也宣布加入该联盟。支付清算LRipple、Abra、BTCjam、Bitspark、Align和Circle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日，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2016年3月8日采用区块链技术，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Blockstream、Eris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。表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AX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。曰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。6.2016年12月15日，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。7.2016年10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。8.2017年1月25日，央行基于区块链的数字票据交易平台测试成功。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_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 表1、表2、表3通过互联网信息整理。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_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（R ipple)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 x 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(1财税库银关联网系统模型基本构架如图1,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图1基于区块链技术的财税库银关联网系统模型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。 (二共识机制如图2所示，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_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_个节点被非法篡改,在共识时节点图2基于区块链技术的财税库银关联网系统共识机制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_致。容灾备份机制如图3所示，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_致性。当系 统软硬件升级时，可采取轮询的方式，以确保生产应用程序灾备中间件备份节点本地数据库数据库 图3基于区块链技术的财税库银关联网系统容灾备份机制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(-)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