區塊鏈驅動的機器經濟架構與模式初探

黃玉龍

摘要：作為以人類為主體的傳統經濟的補充與發展，物聯網環境下廣域異構的智能物體間的交易互動形成的機器經濟，具有結構分布式去中心化、交易海量高頻碎片化和過程智能自主化等特征。區塊鏈的加密哈希鏈式數據結構，及點對點網絡通信及共識機制，有助于實現以上機器經濟特征。本文從區塊鏈和物聯網的原理和特點出發，提出整合二者的四個主要接口方向，并在此基礎上搭建區塊鏈驅動的機器經濟架構，最終形成運行其上的機器交易模式。借此促進機器智能互動交易，優化資源配置，改善物聯網智能機器經濟效率。

關鍵詞：物聯網;區塊鏈;智能機器;去中心化

以信息技術為主導的現代技術創新，已經成為發達國家重要的競爭力和優勢利潤率的重要來源。借助信息技術創新，傳統經濟逐步向要素結構優化、高生產率和低交易成本的現代新經濟模式演進。1970年代以來，大型機技術（Mainframe）、個人電腦（PC）、互聯網和移動網絡（Internet and Mobile）等帶來的經濟發展模式革新，為相關經濟體形成巨大的利益。進入2010年代后，人工智能與物聯網成為技術創新的熱點，網絡經濟呈現由人類的網絡（Internet of individuals）向智能物聯網（IOT，Internet of things）擴散的格局。即經濟資源的配置將不僅在傳統的以貨幣金融工具為媒介的人類主體間決定，也會在大量智能機器之間發生。這就意味著通過智能機器的信息處理，形成機器與機器（M2M， machine-to-machine）的資源配置甚至經濟交易，這就是機器經濟（Machine economy）模式的基本含義。歷史上貨幣的引入所形成的貨幣經濟模式，極大提高人類配置資源的效率，而智能物聯網環境下所形成的機器經濟模式，可能為進一步改善經濟效率提供巨大的潛力。

機器經濟下，為優化經濟資源配置，網絡互聯的智能機器（設備，或者抽象的定義為“物體”）一定程度上將自主展開經濟交易。與人類為主體的經濟交易類似，機器間的交易同樣涉及契約、議價和支付清算等環節。與前者不同的是，由于機器經濟模式下智能機器數量、層級和維度結構的龐大復雜性，傳統中心化的金字塔式交易、中介和信用架構，無法滿足機器經濟的巨量、實時動態交易需求。機器交易信息和互動的網絡通信安全，和交易支付交割等也提出了更高的要求。而以區塊鏈（Blockchain）為核心技術的去中心化、去信用化（Decentralized trustless transactions ）的分布式信息存儲、通信和互動系統，通過適當的接口與物聯網集成而形成的機器經濟框架，可以較好的適應上述需要，順利實現機器經濟模式的功能。

本文從分析區塊鏈與智能物聯網的技術特點和應用要求出發，發現二者之間的重疊和互補區間，作為整合這兩種應用的接口，從而構造區塊鏈驅動的物聯網機器經濟框架，形成基于此框架的機器經濟基本模式。

一、區塊鏈技術

區塊鏈的崛起并引起理論及應用研究的廣泛關注，始于中本聰發表《比特幣：點對點電子現金系統》白皮書，和隨后比特幣應用的迅速而有效的實現。中本聰認為在缺少可信賴的貨幣發行流通主體條件下，必須實現交易記錄的公開追溯查詢并保證其無法更改，才能建立比特幣系統。而區塊鏈技術比較好的滿足了這一要求，成為其最重要的技術基礎。然而直到最近，區塊鏈技術的定義，從不同角度和范圍仍有許多說法。工信部的定義認為區塊鏈是應用分布式存儲、P2P網絡、共識機制和加密算法等技術的創新。Swan認為區塊鏈是一種“透明”（transparent）分布式數據庫。（1）J.Leon Zhao et al.描述區塊鏈技術為利用相關算法和計算構架，生成和使用鏈式區塊以記錄比特幣交易的方法。但是區塊鏈技術的基本涵義大致可以敘述為，在復雜異構互不信任的分布式環境中，綜合使用密碼學、網絡和計算技術等構建去中心化的數據庫和應用系統的理論和方法。

區塊鏈的基本結構和工作原理如圖1所示，其中按時序排列的數據區塊包括數據頭和數據體。前者主要為元數據（metadata），如父區塊哈希值、Nonce隨機數和默克爾根等，以父區塊哈希值最關鍵，因為它串聯起了整個區塊鏈。數據體為存儲在區塊內的加密交易等具體信息。區塊鏈的生成步驟大致是，網絡節點（如智能機器）通過P2P分布式網絡傳播交易和其他互動信息，由區塊鏈共識機制認證后記入分布式賬本成為數據體，并加入相應元數據作為數據頭，最后形成數據區塊。

這一獨特的結構原理，決定了區塊鏈技術的主要特征：

1.不可更改性，即區塊鏈中按時序疊加的鏈式區塊之間，通過哈希函數相互關聯，而區塊的形成由共識算法決定，從而使得更改區塊鏈中任意數據，都會像鏈式反應一樣引發更大規模的修改要求，造成修改數據的難度極大成本極高。因此基本可以認為區塊鏈數據是不可更改的。

2.可追溯性，前述的不可更改的鏈式數據結構保證了區塊鏈數據的完整性和完全公開的可回溯查詢性。可以防止偽造數據和欺詐行為。

3.去信用性，前述兩點極大改善了區塊鏈數據的信息對稱性，使得基于區塊鏈的交易和其他行為形成的有關信息，完整可靠透明。從而使得互不信任甚至完全陌生的對方之間，可以比較容易建立行為和交易聯系。

4.去中心性，由于區塊鏈本質上是分布式記賬數據庫，其生成和維護取決于眾多節點共同遵循的共識算法。沒有絕對主導和控制整個系統的中心服務器之類的節點，所有成員節點的地位和角色作用相同。這使得點對點行為、交易和關聯直接高效，安全自主。

5.安全性，區塊鏈中數據使用不對稱加密并且不可更改，具有較高的安全性。

6.可擴展性，區塊鏈分布式架構決定了其對基于它的應用范圍、規模及種類，具有良好的適應度和調整彈性。借助適當的區塊鏈應用協議升級，有助于形成更優化的區塊鏈分叉，可滿足更高的擴展性要求。

7.互操作性（interoperability），傳統的類似比特幣的區塊鏈技術功能比較單一，基于其的操作可定制程度較低。而較新的區塊鏈技術如Ethereum，利用所謂以太坊虛擬機Ethereum Virtual Machine（EVM），構建可編程的區塊鏈系統，開發和部署高度定制的運行在區塊鏈上的去中心化應用，具有很好的互操作性。

二、物聯網與機器經濟

物聯網作為互聯網技術最新發展和演進之一，將各種物體（things）尤其是智能物體（smart objects）納入網絡節點，形成相互連接和動作的龐大網格體系，完成各種交互行為、交易和服務，與近來新興的人工智能等技術結合，可能成為未來最具潛力和價值的網絡范式。物聯網環境下，智能物體可以按照既定或者通過交互優化的規則，按智能合約的約束，自動完成信息、資源、貨幣支付等交易行為，形成較少人工介入或者完全脫離人工干預的機器經濟模式。Gartner估計到2020年，物聯網內智能物體數量約為260億，與之相關的機器經濟規模高達上萬億美元。

基于物聯網的機器經濟與傳統的人工主導的經濟在核心模式上，均遵循稀缺資源競爭性定價交易，完成配置優化的基本經濟原則。然而，物聯網智能物體作為機器經濟的主體與人這樣的傳統經濟主體存在顯著差異，其相互連接、動作和交易的特點主要為：

1.物聯網智能物體數量龐大，種類龐雜具有明顯的異構分布式網絡節點特質。如何正確辨識、注冊和追蹤認證眾多作為機器經濟主體的智能物體身份，是構建物聯網機器經濟首先要解決的關鍵問題。

2.與區塊鏈類似，機器經濟的基礎網絡架構——物聯網具有典型的去中心拓撲結構。這是高度互聯互動的海量智能物體網絡必備的特性。否則，傳統中心節點的功能異常和干預，都可能阻礙機器交易的正常進行，進而影響整個機器經濟體系的效率和功能。

3.作為上述特征的自然邏輯推理，智能機器之間的交易和相互操作，必須建立在點對點的直接關聯之上。即機器交易是無中介無第三方的直接行為，達成此類交易在復雜異構缺乏信任的物聯網條件下是極具挑戰性的，需要適當的技術方法加以實現。結合前述區塊鏈技術特征，可以利用它來保證機器交易的完成。

4.智能機器交易涉及通信、協商、支付和交割等過程，由各相關機器自主決定，從而減少甚至脫離交易對人工干預的依賴性。按預設的交易約束自動完成的智能合約，能夠極大提高機器經濟效率，改善交易復雜性并降低交易成本。

5.機器經濟中的貨幣支付往往由于機器交易的碎片化分布式特征，呈現小額、頻繁而路徑重疊復雜等支付要求。傳統銀行為中心的金融結算支付工具和體系顯然無法滿足這樣的要求。需要借助能夠與物流網無縫結合的內生支付工具和系統，便利機器交易支付，甚至脫離支付工具允許某種條件下智能機器間的易貨交易，最大化交易發生的可能性。

6.安全與隱私性是許多物聯網應用的重要要求，尤其對那些涉及醫療健康、金融、軍事、交通和制造領域的關鍵智能物體。確保其數據生成傳輸存儲的安全完備真實可靠性，交易指令動作的隱私性以及交易過程和結果的不可抵賴性（non-repudiability），是機器交易乃至機器經濟存續并發揮正常功能的基本前提條件。

實際上，自Kevin Ashton提出物聯網的概念，隨著相關理論技術進步創新不斷發展，上述有關物聯網和機器經濟的特點和要求，一定程度上逐步得到了較好的實現和滿足。但是面對物聯網結構、規模不斷提升，應用場景持續多元化的現實挑戰，急需更適合的技術能夠更全面的提高物聯網的性能和安全余度，優化物聯網機器經濟的特征，實現更高效可靠的智能機器交易。結合前述區塊鏈技術的主要特點，可以發現它與物聯網機器經濟存在很多交集和互補優勢。把區塊鏈技術融入智能機器網絡架構和實現中，將為其帶來新的驅動力和改善的潛力。

三、區塊鏈驅動的物聯網機器經濟基本框架與模式

基于區塊鏈的技術特征和性能優勢，綜合考慮物聯網智能機器交易的具體要求，可以從以下幾個接口方向入手，整合形成區塊鏈驅動的物聯網機器經濟框架和實現模式。

1.借助區塊鏈技術，建立交易機器主體身份辨識和認證加密安全機制。物聯網中龐大數量的智能物體身份的確認、追蹤和標記，要求在不依賴可信任的第三方基礎上，得以高效動態的完成。智能機器加入和退出物聯網的實時性，進一步加大了智能機器身份認證的難度。而區塊鏈中用戶賬號對應的公匙認證，完全是在點對點去中心化環境中自主完成的，無需第三方干預確認。這與物聯網機器身份認證的特征和要求十分相似，可以很好的嵌入其中。IBM的自主去中心化點對點傳導技術（ADEPT，Autonomous Decentralized Peer-to-Peer Telemetry ），即是基于區塊鏈的物聯網機器認證部署方案，具有良好的應用前景。

2.使用建立在物聯網智能機器之間，并部署于區塊鏈系統中的程序化智能合約，形成機器交易契約協商、談判和確立的相關過程，生成去中心化、不依賴信用關系且不可抵賴的交易契約形成機制。為機器經濟搭建重要的契約形成、審計和自動執行約束條件，保證其正常運行，實現預設功能。

3.建立與前述兩項機制配合的分布式交易資金支付清算和記賬系統。區塊鏈技術最普遍也是最成熟的應用即是以比特幣為代表的加密貨幣系統。加密貨幣作為區塊鏈內建的價值尺度和記賬單位，具有安全私密高效的點對點清算記賬功能，借助一定的兌換制度，也可實現其與既有法定貨幣體系的合理關聯。此外，基于區塊鏈的支付清算安排，可以實現對超小支付（micropayments）和極小支付（nanopayments）近乎實時的確認出清。在相關智能機器交易對手授權許可的情況下，它們之間甚至能夠不以貨幣結算交易，而直接進行易貨交易，如彼此交換機器私有的數據信息而完成交易的清算支付交割過程。這些功能特點，在絕大多數物聯網機器經濟應用場景中，具有很高的使用價值。SatoshiPay就是建立在區塊鏈上的極小支付系統，能夠滿足小于0.01歐元的高頻交易需求。

4.借助區塊鏈技術的安全優勢，強化保障前述三項機制和系統正常運行的安全措施與手段。物聯網廣域異構的結構中包含眾多不同功能性質智能機器，它們之間的通信、互操作和交易對安全和隱私性的要求很高。區塊鏈使用非對稱加密算法保證所有數據均在數字證書的簽名保護下進行傳輸和存儲。加密過程使用超長字節的隨機數生成各個智能物體的公匙，作為其唯一的身份標識，確保其交易行為既具有明確的排他性，又有合理的隱私性。Hardjono et al.提出在物聯網中安全部署匿名智能機器的方法，證明區塊鏈技術對加強物聯網機器經濟的安全性，具有巨大潛力。

根據以上基本觀點，搭建如下區塊鏈驅動的物聯網機器經濟基本框架（圖2）。

按前述區塊鏈技術對接物聯網智能機器的接口類別，基本框架大致有四層結構，分別實現四類不同的接口功能，即身份認證注冊層、交易契約生成與執行層、支付與清算層以及安全通信層。其中各層結構的形成機制和主要特點分述如下：

1.身份認證注冊層，采用SHA256算法從隨機數生成器中為智能機器生成私匙，作為注冊其身份所需的唯一標識。并進一步借助Secp256K1橢圓曲線算法得出與私匙對應的公匙，形成數字簽名證書。而廣域物聯的各種智能機器使用各自的證書，為自身的設備類型、認證號、交易性質等私有信息提交注冊信息，并在通過認證后將其存儲在該層的區塊鏈中，作為判斷物聯網智能機器合法性的唯一依據。由于這一過程基于去中心化的區塊鏈技術，可以較好的保證在脫離受信任的第三方條件下，動態高效的管理海量智能物體，快速注冊進入和退出機器交易的經濟系統。而高可靠性的加密算法應用于區塊鏈之上，使得偽造、變造智能機器身份的成本高昂，概率極小。

2.交易契約生成與執行層，依靠程序化的可定制智能合約代碼，部署與運行在不可抵賴的區塊鏈系統中，使物聯網中的智能機器成為脫離中介方的分布式自主公司主體（DAC，distributed autonomous Corporations）。從而實現智能機器間交易互動按程序設定的規則，自主完成從詢價、定價、要約訂立、契約執行并審計監督的智能機器經濟主要過程。這對于廣泛存在海量交易又缺乏相互信任的物聯網機器經濟環境而言，是改善交易效率，提高交易頻率和可靠性的重要措施。伴隨區塊鏈技術在性能和擴展性上的改善，Zhang et al.提出的整合區塊鏈方法的物聯網交易模式，無需第三方協助，即可完成智能傳感器間數據的有償傳輸。這可以看作是本結構層級的一個代表范例。

3.支付與清算層，利用區塊鏈技術內嵌的加密貨幣，完成所有物聯網智能機器間交易的支付和債權債務關系出清，并據此形成完全公開的分布式賬本。加密貨幣可以看作是區塊鏈數據庫中特別的信息串，它綁定于物聯網智能機器的身份賬戶上并由該賬戶的證書進行數字簽名，從而保證支付的可信賴度和完備性。即使離開可信中央節點的擔保，也能順利實現點對點的智能機器支付過程。而記錄支付結果的分布式賬本對相關智能機器是絕對透明的，所以支付清算不僅不依賴信用關系，也是可追蹤可審計的。這對于促成陌生而缺少信任的物聯網智能機器的交易，具有十分重要的意義。此外，由于加密貨幣的數字化特征，天然具備理論上的無限可分性，可以滿足智能機器間及其微小的動態實時支付需要。

4.安全通信層，是物聯網中智能機器經濟的隱私與安全屏障。它利用非對稱加密技術，保證所有身份、交易互動、支付清算等重要信息受可定制的安全隱私策略保護。并使用區塊鏈特有的鏈式塊數據結構來存儲所傳輸的數據，通過數據塊間的Hash關聯和塊內默克爾根算法（Merkel root）進一步提高數據的安全性和完備性。這些技術措施，非常適合拓撲結構復雜、異構的廣域物聯網中智能機器間的通信。Yin et al.采用區塊鏈技術建立的智能機器點對點通信網絡，證實該技術的可行性。

綜合上述觀點，運行于四層區塊鏈驅動的物聯網機器經濟框架內的經濟模式如圖3所示。

按機器經濟交易的一般流程，可將此模式分成以下步驟：

首先，加入該經濟的智能機器發起身份注冊認證的請求。按身份認證注冊層的規范，一旦確認該機器的合法身份，即將包含其公匙的數字證書存入公共區塊鏈的密匙池中，以便后續交易進行核對確認身份。如后續過程該智能機器需要暫時或永久退出，也可按類似規定將自身認證身份鎖定或移除。

第二，完成注冊認證的智能機器，開始按自身內建程序功能的要求，在網間區塊鏈中自主部署智能合約并構建分布式自主公司主體（DAC）。各智能機器以DAC形式開始運行，通過執行預設定制的智能合約，完成經濟交易必須的詢價、定價、簽約、執行交割等步驟。上述功能均全部或部分運行于區塊鏈系統中，并將各交易互動事件的結果記錄在區塊鏈數據庫內。

第三，包括交易費用在內的各項交易貨幣支付往來，按各智能機器DAC在智能合約中的約定，以區塊鏈內部加密貨幣、其他約定的代幣（token）甚至易貨方式，及時完成結算出清，并生成對應的分布式賬本，存儲于區塊鏈中。

以上機器經濟模式中各步驟均涉及大量網絡數據流，除使用常規工業標準的網絡安全技術外，基于區塊鏈的數據存儲、查詢和轉發接收通信技術，也被用以保護重要經濟交易信息，不受網絡攻擊、竊取和篡改等影響。這就是說安全通信層在機器經濟模式的各個階段流程中始終發揮其功能，是一種跨步驟的全模式安全技術。從這個意義上說，它是整個智能機器經濟模式中最基礎最重要的部分。

四、結論

本文通過分析區塊鏈和物聯網技術的基本內涵、構成和具體特征，以及實現這兩者技術需要滿足的實際要求，發現它們之間存在整合各自應用的潛力。進而提出區塊鏈驅動的物聯網機器經濟模型，包括基本經濟框架和模式兩部分。從物聯網整合集成區塊鏈技術的接口出發，建立四層架構的智能機器經濟框架，并論證了運行于該框架內的機器經濟模式所包括的基本步驟和環節。本文揭示了區塊鏈技術與物聯網智能機器結合，將形成以去中心化的自主公司（DAC）為主體的，安全、智能、自主高效的龐大機器經濟。作為傳統上以人主體的，以第三方信用中介為中心的經濟模式的重要補充和發展，本文提出的機器經濟模型，將為可能的經濟創新和進步，提供必要的理論和應用支撐。

我們也認識到區塊鏈技術，尤其是目前已知的它的具體實現方案上，在數據隱私性、交易響應速度、可伸縮性和互操作性等方面，還不能完全滿足物聯網智能機器的交易需求。區塊鏈與物聯網結合的接口也會隨著這兩種新興技術的發展演進而產生變化，甚至不兼容的情況。本文后續的工作將圍繞跟蹤上述的相關改進和更新，探索更合理的區塊鏈驅動的物聯網機器經濟架構與模式。

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項目名稱：四川省教育廳2108重點項目“區塊鏈驅動的機器經濟架構與模式”（項目編號：18SA0282）。