蔡维德：PFMI系列之二 清算链“设计之道”

本篇文章7360字，读完约18分钟

清算和结算一直被认为是区块链的一个重要应用场景。从2015年到2017年，世界上很多机构和金融专家，包括银行，都认为清算和结算是区块链的一个重要应用，但是没有一个机构做得很好，或者即使做了，结果也不尽如人意。本文将逐一讨论区块链在结算领域的应用中应考虑的设计要素，并通过pfmi分析区块链在结算领域的设计中应注意的问题。

一、清算和结算在金融体系中的地位和作用

付款结算是所有交易的基础。事实上，清算和结算分为两个过程:清算和结算。清算是指按照一定的规则和制度安排，对经济活动中形成的多个债权债务进行货币结算的过程和行为。简而言之，它是交易资金结算的过程，即对每个清算对象(商户或用户和银行)的资金进行整理和分类的过程；结算，是指清算过程中，收款人和付款人的金融机构之间对所要清算的债权债务进行会计处理和账簿记录，以完成货币所有权最终转移的过程和行为。简而言之，它是资金转移的过程，在这个过程中，清算后计算的账户的债务债权(信息流)被扣除，并通过银行支付(资金流动转移)。

支付和结算:所有交易的基础

清算系统最重要的功能是为各种付款记账。调用银行网关和资产管理系统；对账(与银行对账是为了对账每笔交易的细节)、渠道管理等功能；结算系统中最重要的是各种资金的计算、汇总和上报。这里的计算和汇总是针对商家或用户的，报表是针对运营商和财务人员的。对账后计算每笔交易在结算日(d0或t+1)的结算金额。在这个结算过程中，财务人员还会进行对账，最终得到结算结果，然后在资金管理系统中完成资金转账流程。

资金系统提供统一的支付和结算服务

二、区块链在结算领域应用的设计方法

清算和结算有两种区块链设计方法:

首先是使用区块链的分类账系统；

二是采用数字法定货币+钱包+账簿。

如果采用第一种设计，传统的清算和结算仍需保留，但清算和结算流程将相应改变。北京天德(2017年)、戴德梁行(2017年和2018年)和swift(2018年)在过去两年中已经验证了第一个清算和结算区块链设计的可行性，但是现有的金融系统基础设施需要改变。2018年10月，戴德梁行宣布成功完成区块链清算，每秒钟有6，300笔交易，涉及埃森哲、大华和布罗德里奇。然而，这是一条神秘的链条。实验只持续了5个小时，架构图没有发布。白皮书没有技术内容，共识算法没有细节，没有数据，也没有大数据平台。所谓的“全局同步日志”(gsl)用于维护跨链一致性，但没有详细信息。跨链技术真的很难。在过去的几年里，许多项目都尝试过，但是许多现有的解决方案都有问题。北京天德采用熊猫模型解决跨链问题，保持所有交易的交易一致性，并能处理大量数据。此外，北京天德拥有架构图、共识算法和相关论文，并进行了为期2个月的第三方白盒测试，包括实时在线清算。

天德清算系统框架图

如果采用第二种设计，结算和交易可以一次完成。但是，由于引入了数字法定货币设计，金融模式将会改变，并且会出现其他问题，例如回滚、数字钱包的安全性和监管(例如，美国的sec提到数字钱包将来可能会受到监管)。目前，还没有第二次设计的成功案例，但最近有ibm、双子座等。开始探讨稳定货币的问题，并且会有跨境交易，这在未来肯定会朝着这个方向发展。

数字法定货币将影响整个金融生态系统，基于数字法定货币的新金融模式的建立将对金融基础设施产生深远而复杂的影响，这是一个需要深入研究的课题，本文暂不讨论。

三.pfmi中提到的清算和结算

区块链的优势在于它可以提高金融交易的端到端处理效率。除了影响支付、清算和结算的效率，区块链还会影响安全性。在这方面，有必要考虑结算的关键组成部分“结算资产”，如何在业务上实现结算，如何在法律概念上实现最终结算。

如何在系统中实现结算资产？现在系统有三种设计:

1.基于更新分类账中的余额(即分类账通过借方和贷方记录头寸)；

2.基于分类账中数字资产的转移(即分类账记录了仅存在于分类账中的特定数字资产的所有权转移)；

3.基于保管中的实物资产转移的数字表示(即账簿记录在其他地方持有的资产转移)。

例如，在支付系统的应用中，可以采用更新余额、转移数字现金或更新账户余额的方法，这反映了托管银行持有金额的变化。

业务结算:在一些区块链架构中，更新和同步账簿之间的状态变化可能需要一些时间。例如，第一次更新操作可能不代表结算操作，因为在帐簿同步期间，可能需要一些时间才能在节点上达成一致。使用工作负载证明模型(工作负载证明是一种常见的共识形式，它要求节点就添加到账簿中的交易达成一致。一般来说，这种机制将等待大多数节点达成一致，然后再将事务添加到书中。)，结算是概率性的(如比特币系统)。也就是说，在账簿中确认的交易越多，它们被取消的可能性就越小。如果一种资产被换成另一种资产，例如，证券被换成现金或者两种货币被交换，结算操作变得更加复杂。中央银行不能使用这样的系统。在许多涉及价值交换的系统中，通常会涉及其他金融市场基础设施。

法律最终解决:最终解决是法律规定的时间。在此之后，资产或金融工具的转移，或债务的偿还，是不可撤销的和无条件的，参与者不容易在破产或破产后被释放。在传统制度中，最终解决是一个明确的时间点，具有很强的法律依据。对于区块链建筑来说，最终的结算可能不那么明确，许多公共链，如比特币，不能给出明确的结算时间。在依靠一致算法实现最终结算的架构中，可能没有单一的最终结算时间。此外，在这种情况下，我们应该改变法律框架以匹配公共链结算时间，还是改变公共链交易结算以匹配合法结算时间？我认为是前者，而不是后者。

关键问题:

1.账簿中记录了哪些状态变化(例如，余额、数字资产的转移、物理或非物理资产的数字表示的转移)？

2.资产或记录的法律性质如何反映在结构中？

3.如何在账簿中实现业务结算？谁会意识到呢？它与传统系统有何不同？

4.适用的法律框架如何规定最终解决？

5.对于价值交换结算，如何实现交付与支付、交付与交付、支付与支付？包括相关自主图书之间或图书与传统fmi之间的结算。

四.清算和结算的设计要素

清算和结算的困难在于:

1.海量数据；

2.必须正确处理分帐和对账；

3.对隐私保护的高要求；

4.系统要求高处理性能；

5.系统安全性要求高；

6.会计方法复杂多样。

为了解决这些问题，从pfmi的角度出发，我们提出了区块链在清算和结算领域的九个设计要素:

4.1 .管理

央行和金融监管机构需要完整的信息和备份来进行监管。pfmi原则中有明确和严格的监管规定，例如，数据透明，这是pfmi的一项重要原则。中央银行和金融监管部门需要能够随时快速查询所有账户及其财务信息。透明度原则要求，首先，规则、关键程序和市场数据需要提供足够的信息并公开披露，以便参与者准确理解；其次，根据相关管理部门及其各自的需求，及时准确地提供各种交易数据库的市场数据。区块链设计需要促进多个机构和政府之间的数据共享，提高数据透明度，并实施监管策略。如果链中的节点有不同的信息，就会增加监管的难度。例如，基于dag的区块链系统将面临监管困难。可调节性也影响许多其他因素。由于监管要求，区块链体系中的许多机制可能会发生变化。

4.2对账

几个典型的区块链模型或架构都有问题。例如，在评估corda系统时，加拿大银行指出，中央银行应参与所有交易核查，并掌握所有交易信息。按照现有的设计，如果没有符合区块链中央银行功能的节点类型，就不能满足银行业务的需要，甚至会增加银行的风险。另一方面，由于没有共享所有信息的分类帐，可能需要搜索分布在多个节点中的多个数据分区来查询帐户信息，从而导致诸如对账等操作效率降低。[4]其他模型也有类似的问题。在每个节点上没有相同信息的块链系统会有相同的问题，例如使用dag来达成一致。

在utxo模型中，每笔交易都有一个临时账户，这不是银行的用户账户，大量的账户和交易很难审计；不是银行的余额账户，即账户的余额信息不直接记录在交易中，查询余额时需要提取所有相关的记录块和交易。这两点导致utxo模型数据的透明度很低，这使得它很难在银行中应用。

区块链设计中支付、清算和结算所需的数据信息以统一的标准进行存储、交互和共享，提高了对账速度，消除或减少了繁重的后台人工操作，实现了海量用户账户的快速定位和交易记录的快速查询和对账。

4.3 .反转

如果资金不到位或资金来源有问题，现代金融系统允许参与者在交易后回滚，并且有回滚的时间限制(金融系统的要求)。然而，在区块链系统中回滚存在挑战，许多区块链系统不能支持回滚事务。一旦交易完成，就不能修改记录。

但是，“不能更改记录”并不意味着“不能回滚事务”。在区块链，如果要在指定时间内回滚事务，必须生成对方事务，并且对方事务必须在指定时间内完成。这样，为了支持回滚机制，区块链系统需要保证两次:1)最后一次可以回滚(t)；2)回滚事务完成时间(x)。因为回滚事务可能会失败，所以回滚时间必须足够。任何事务都需要在t时间之前回滚，否则回滚将被放弃，回滚事务必须在t+x时间内完成。t可能是一两天，x可能是一两个小时，因此事务有足够的时间回滚。如果过程中出现系统问题，可以扩展t和x，以确保必要时可以回滚。

加入回滚机制后，查询算法也会发生变化，因为需要查询最新的相关事务数据。相关资产交易在未来也会受到影响。例如，在回滚期之后，相关资产只能进行交易，这将导致一系列问题。

因此，如果允许回滚机制，则需要一系列区块链设计更改来确保事务是正确的。在这种机制下，即使交易记录完整合法，也可能需要回滚。

4.4 .交易所数量

交易系统的可扩展性主要是增加交易系统或代理。交易所越多，交易量就越大。由于交易的可扩展性机制不同于账户[9]，如果区块链系统只采用一种可扩展性机制，系统必然会遇到问题。

4.5 .共识机制

联盟链中的所有参与者都有一个共识。如果有多个交易所和商家参与，必须有明确的分工，谁能做什么，这在银行或账户中很难解决。以“满足财务共识需求的可扩展性”为主要研究目标，这里的财务共识不同于一般共识，一般共识是一种支持监督的共识机制，即监督节点可以快速发现账户、验证节点和验证流程记录，不同于一般共识机制。

4.6交易量

清算是一种交易后应用，重视高吞吐量，因此高吞吐量是清算链设计的首要目标。天德清算链自动将“原始交易”分解为“原子交易”，而不是直接处理复杂的原始交易，简化了清算流程，适应了高吞吐量需求。

4.7 .数据结构

数据结构是计算机系统中最关键的部分，因为算法和数据结构是计算机程序的两个关键，而算法又受数据结构的影响，所以算法设计不能独立于数据结构，而数据结构是算法实现的基础。第一代区块链采用半账户数据结构，大大简化了账户系统，便于交易处理。账户的数据结构过于简单，无法支持现代金融系统。可以说，它主要是一个交易系统，只是增加了账户管理系统，所以在财务上很难发展，比如rscoin和corda，因为数据结构与现代金融系统的数据结构不兼容；第二代区块链采用全账户数据结构，余额账户系统既需要账户管理又需要交易，存在可扩展性问题。【9】

4.8 .多链/单链架构

面对支付、清算和结算所面临的广泛挑战，整个区块链系统不应该采取“一刀切”的做法，即“一条链到世界各地”是行不通的；相反，我们需要“量身定制”并应用特定的区块链设计来解决特定的问题。例如，支付和清算也是金融应用，但支付是实时应用，它重视低延迟(因此支付链以低延迟为主要目标)；清算是一种交易后应用，它重视高吞吐量。低延迟和高吞吐量的系统设计是完全不同的，因此支付链和清算链应该采用不同的设计。

针对清算链，采用多链架构(而非单链架构)来保护隐私并简化区块链架构。结算时，如果采用账户，需要多方同意。清算所、银行和其他机构是分阶段还是一次性参与结算？如果是分段的，即多链结构，每个结算都非常复杂，包括至少三个小交易，至少需要三次协商时间，但幸运的是这是一个松散的结构，只要每个小交易都很快，就可以接受。如果采用“一条链连接整个世界”，将会造成很大的问题。

4.9 .实时/延迟

传统的清算与结算系统通过清算与结算的分离，可以在后台实现实时清算(交易)和定期结算，从而提高系统效率。在区块链，清算和结算可以同时完成，这比那更有效率。但这可能会导致其他问题，如可滚动性。

此外，智能合同被认为是区块链的一个重要特征，它可以促进某些协议条款的自动执行，避免交易执行中的人为干预，从而提高效率，减少人为失误的可能性。问题是智能合同技术还处于开发的早期阶段，这个功能不容易实现。如果系统和应用程序很小，可以解决，但是一旦系统变大，问题就会立即出现。

然而，清算和结算是一个非常令人担忧的金融风险。pfmi中的原则12“价值交换和结算系统”规定，“如果金融市场中介机构结算的交易涉及两个相互关联的债务结算，则应通过将一个债务的最终结算作为另一个债务的最终结算条件来消除主要风险。”这清楚地表明:

当链条遍布世界各地时，链条应该相互保证。这意味着必须评估链条的可靠性和安全性。这就像银行和银行之间的交易，它们必须相互保证，相互交易的银行的信用应该被评估。

自动合同执行是一种事件驱动模式。一旦满足代码中定义的条件(如支付时间)，程序将被触发自动执行(如支付操作)。分布式节点自主响应事件，无需全局定时控制。因此，在整个系统层面上，每个合同的执行时间和执行顺序都是不确定的，这使得结果不可控制，并导致最终结算风险。在某个时刻，如果多个合同同时满足条件，同时触发大量的清算和结算操作，也会带来流动性风险。

同时，合同之间的相互影响可能导致金融生态系统中不可预测的结果(见上文，摘自报告[2]第3.4.3节)。如果代码中有错误，可能会造成雪崩效应，在短时间内给参与者造成巨大损失，比如2016年的道事件。

因此，目前智能合同的安全性和可靠性远远不能满足金融系统中清算和结算的需要，应尽量避免。

V.摘要

今天，我们需要从pfmi原理出发设计区块链，仔细研究所设计的系统能否通过pfmi原理的评估，并且不仅要考虑一个pfmi，还要考虑整个系统。使用pfmi原则，不难确定问题出在哪个环节，比如哪个银行或交易所将解决问题。然而，在上述九个条件中，如果需要三个以上的条件来符合pfmi原则，将会有很大的困难。例如，为了满足金融系统的可扩展性，在清算和结算时也应考虑监管，交易所、清算和结算办公室以及银行也应受到监管。对于清算和结算系统，每天处理的交易数据种类繁多，涉及的金额巨大，因此监管和风险管控的重要性不言而喻。

在高速、自动化的交易清算业务过程中，我们需要一个自动化的风险决策机制和大数据平台，通过数据采集器从各种来源收集数据。收集的数据必须对监管机构可见，以检查是否存在任何违规行为。可以说，对区块链的研究才刚刚开始，任仲的未来还有很长的路要走。

我们认为pfmi不仅是一个评估标准，也是系统设计原则的基准。欧洲中央银行、日本银行和加拿大银行都采用pfmi作为评价标准，本文采用pfmi作为区块链设计指标。这开启了下一代区块链研究，与之前的区块链设计完全不同——以数字令牌的区块链为起点，旨在提高速度。

Pfmi是下一代区块链(Blockchain 2.0)设计的最高原则，旨在用于金融市场。这是与传统的区块链系统(一个为数字代币设计的系统)不同的两条路径，在两个不同的战场上需要不同的考虑。

参考

[1]。杨涛，程莲。《中国支付清算发展报告》(2015)，中国社会科学文献出版社，2015.6。

[2]。cpmi，“支付、清算和结算中的分布式分类账技术:分析框架”，2017年2月。

https://www.bis/cpmi/publ/d157.pdf.

[3]。fintech实验和项目。http://www . bank of Canada . ca/research/digital-currences-and-fin tech/fin tech-experiments-and-projects/。

[4]。加拿大银行，"贾斯帕项目:分布式批发支付系统可行吗？"，金融系统评论，2017年6月。

[5]。加拿大银行等，“jasper项目:加拿大分布式分类账技术在银行间支付结算中的试验”。2017年9月。

[6]。加拿大银行，“jasper第三阶段:使用分布式分类账技术的证券结算”，2018年10月。

[7]。加拿大银行等，“跨境银行间支付和结算:数字转型的新兴机遇”，2018年11月。

[8]。蔡、、刘灿。“区块链技术的几个重要凹坑(一)”，https://mp.weixin.qq/s/t3myn-suw4ynuq3xki6xbw.,，2018年6月14日

[9]。蔡、、刘灿。"区块链的第四个坑(中)-区块链碎片技术是一个可扩展的解决方案吗？"，2018.8.2

http://MP .微信. qq/s/mi9sdtcvww- qmqlgwo_moq。

[10]。蔡，。“区块链的第五个坑(下)——从pfmi的角度谈区块链”，2018.8.16.5 FF JVI B5Y-2 PTCIG，https://mp.weixin.qq/s/rpfn3t.

[11]。蔡、刘林。《区块链在金融领域应用的可行性》，2018.5.17。https://mp.weixin.qq/s/hcqq0uxultyq5pajauywyq.

[12]。蔡、白小英。，2018.12.24:“金融区块链的pfmi和系统要求:我们准备好迎接第二波区块链项目的失败了吗”

https://mp.weixin.qq/s/xxcprfnvaf6jilc5mw4a-g.

本文由平台/作者授权的金融网站发布。请不要擅自转载。如果你对干货有意见或文章，你愿意为投资者提供最权威和专业的参考意见。无论你是权威专家、金融评论家还是智囊团，我们都欢迎你积极投稿，进入金融网站的著名栏目。
电子邮件地址:mingjia @ jrj，电话号码:010-83363000-3477。期待您的加入！