基于云监管的P2P网络Bitcoin虚拟货币模型

赵龙妹 � B 刘锋

摘要：Bitcoin是目前越来越流行的网络虚拟货币，该货币的理论基础是由特定的p2p算法大量计算产生，并使用整个p2p网络中节点构成的分布式数据库来确认并记录所有的交易过程，bitcoin优点很多但随着应用的广泛确定也逐渐显示出。该文试想了将云技术应用于bitcoin的交易过程，使得bitcoin的使用更加安全和快捷。

关键词：bitcoin；云；p2p；网络

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）05-1157-04

Bitcoin是目前越来越流行的网络虚拟货币，他正在逐步的走进我们的现实生活中，关于bitcoin的交易和使用已经成为越来越多学者研究的方向，该文构想了一种以云监管为中心的bitcoin交易模型和借贷模型。

1 bitcoin的概念及研究意义

1.1 bitcoin的概念

bitcoin是一种由开源的P2P软件产生的网络虚拟货币。bitcoin不依靠特定货币机构发行，它通过特定算法的大量计算产生，并使用整个P2P网络中节点构成的分布式数据库来确认并记录所有的交易行为[1]。

1.2 bitcoin的优点是

1.2.1 去中心化

bitcoin是第一种以分布式为基础的虚拟货币，整个网络由每个用户结点构成，其去中心化是比特币安全与自由的保证。

1.2.2 流通性广

bitcoin可以在任意一台接入互联网的电脑上进行管理，用户可以在众多平台上发掘不同硬件的计算能力。

1.2.3 安全性

操控bitcoin需要私钥，因为51%的p2p网络原理，bitcoin网络已经足够健壮

1.2.4 交易方便

作为一种支付手段只要知道对方比特币地址就可以进行支付。

1.2.5 保值性

到2014年流通的bitcoin上限将会达到2100万，bitcoin将不会出现通货膨胀的问题

1.3 同时bitcoin还有其特有的缺点

1.3.1 交易平台的脆弱性

Bitcoin的网络很健壮，但交易平台很脆弱。交易平台通常是一个网站，容易遭到黑客的攻击或者管理部门的关闭。

1.3.2 交易确认时间长

由于bitcoin交易过程的特出性，即使是小笔交易也得消耗大约半小时的交易确认时间。

1.3.3 价格波动极大

由于bitcoin的数量限制和大量炒家介入，导致bitcoin的兑换波动极大，从刚开始1美元平均能够买到1309.03个比特币，但如今1比特币的价值相当于144美元。

挖矿的实际含义：

从技术上讲，挖掘是计算一个哈希值的块头，其中包括参考以前的块哈希一组事物集和一个随机数。如果被发现是小于当前的目标的散列值，则形成一个新的块，那么矿工得到新生成的比特币（每块25在目前的水平）。若该散列值不小于当前的目标，尝试一个新的随机数，并计算一个新的哈希值[2]。

payload =

nonce = 1

hash = SHA2（ SHA2（ payload + nonce ） ）

矿工的工作包括反复增加“随机数”，直到散列函数产生的值 ，但是可以看出，在开采过程中不计算什么特别的东西。它只是试图找到一个数字（也简称为乱数） ，其具有特殊性的哈希值结果。

一个比特币地址实际上是哈希的ECDSA公钥，计算的方式：

Version = 1 byte of 0 （zero）； on the test network， this is 1 byte of 111

Key hash = Version concatenated with RIPEMD-160（SHA-256（public key））

Checksum = 1st 4 bytes of SHA-256（SHA-256（Key hash））

Bitcoin Address = Base58Encode（Key hash concatenated with Checksum）

1.4 Bitcoin的研究意义[3]

由于bitcoin优点使得bitcoin被越来越多的人所接受和投资，使用bitcoin完成的交易也是越来越广泛，这种基于p2p的虚拟货币正如现实中的真实货币一样成为了人们生活中的一部分。比如在前段时间的四川雅安地震中，截止到2013年4月24日晚上7点，壹基金合作发展部总监霍庆川和比特币中国的官方微博显示，壹基金已经收到233个比特币，折合人民币将近22万元。

2 bitcoin的交易方式

Bitcoin使用公钥加密和验证数字签名，每个用户都有一个或者多个与解决每次交易相关的公钥和私钥对，用户使用私钥可以将bitcoin交易给别人，但是任何人都可以使用该用户的公钥来验证签名[4-5]。

假设Alice想支付给Bob bitcoin

.Bob将其地址（可以推导出公钥）给Alice

.Alice生成一个交易信息，该交易信息记录了Bob的公钥和bitcoin的金額

.Alice使用她的私钥来验证交易

.Alice将交易信息广播在bitcoin网络上（这个步骤由Bitcoin的客户端软件完成）

从交易外部来看，知道这些地址属于Alice和Bob的都会知道Alice已经同意将该部分的bitcoin交易给Bob，原因是除了Alice本人以外没有其他人会拥有Alice的私钥。

当Bob想要转让bitcoin的时候也会做同样的操作。

3 云监管的作用

Bitcoin的系统并不是完美的[6]，在bitcoin中对于小额交易来说需要至少等待6个块（一个直接块和5个后续块），整个交易时间为60分钟。（现在有的团队已经在研究快速支付手段[7]）

引入云监管的好处是，因为bitcoin的数量是有限的。交易中心处于云中心，将块地址的交易的过程进行跟踪记录，如果发现重复付费可以及时作出终止交易等措施。云中心同样能够提供信誉借贷服务，而且当借贷方不在线的时候，云中心可提供自动托管服务。在云中心添加一级hash加密，用户可以通过云监管中的缓存机制请求对进行交易的bitcoin进行一定程度上的托管。

4 基于云监管的bitcoin虚拟货币付款方式

图1 交易过程图

云监管下的交易方式：

假设同样是Alice想支付给Bob bitcoin

.Bob将其地址（可以推导出公钥）给云监管端，云监管端并自动使用hash将此地址加密（同样可推导出公钥）

.在云监控的Alice端的缓冲区域生成一个交易信息，该交易信息记录了Bob的公钥和bitcoin的金额

.Alice端的缓冲区域使用该缓冲区域的私钥来验证交易

.Alice的缓冲区域将交易信息广播在bitcoin网络上（这个步骤由Bitcoin的客户端软件完成）

交易时不论Bob在不在线，获得的bitcoin都存储在云端相对应的用户缓冲区内，Bob可以从缓冲区内获取，也不必担心不在线时的安全问题。当Bob想继续将该部分bitcoin交易给其他人时，可以直接从缓冲区交易，缩短了交易的时间。

5 基于云监管下的信誉模型

根据[11]所提出的这种信誉模型，理论上实现了允许有富余资金的节点给需要资金的节点提供信用额度，从而为其他节点提供资金周转，同时也为他们建立一定的信用评级的功能。在普通情况下，若欠款方不还钱，只会使欠款方的正常交易和信誉度受到较大影响，不能补偿借出者的损失。欠款方更换id后可以继续借款，使其他的借出者继续蒙受损失。

本文考虑引入p2p网络中的信任与激励机制。在此定义下用户的几种等级及交易权限：

1）完全信任用户。条件：①用户实名注册并将云应用的注册与其银行卡绑定，并有足够可以用来保证其信誉的账目；②用户交易活跃，不会出现长期离线状态，且交易记录良好无不良交易记录，该用户可自由交易并能向其他用户或者中心银行借贷一定规模的bitcoin进行消费。

2）信任用户。满足完全信任用户的条件1或者条件2的用户，可自由交易并可向其他用户和中心银行借贷小规模的bitcoin进行消费。

3）临时信任用户。用户不活跃，交易次数少，但是无不良交易记录且与完全信任用户有过成功交易，可进行小规模的交易，在有信任用户等级以上的用户的担保下进行小额的借贷。

4）历史用户。无交易记录但是id使用时间较长或者进行了实名注册，可进行小规模的交易，不可进行借贷。

5）新用户。无交易记录且并未实名注册，可进行小规模的交易，每月的交易次数有限制，不可进行借贷。

6）不可信任用户。不可进行交易和借贷活动，若是实名注册的同实名下的所有id账号用户都被标记为不可信任用户。

7）用户都是有信誉度的，信誉度的大小影响在借贷时云监管通过p2p的搜索找到的想要借出方的先后顺序。

5.1借贷过程

5.1.1 完全信任和可信任用户

图2 借贷过程

该类用户当需要借贷时，首先向云监管发出一个借贷申请，云监管审查用户的借贷资格后，查看用户想要借贷的数目（当数目在允许的范围内的时候才执行借贷的过程，完全信任和可信任用户在借贷过程中只有借贷数目不同）。云监管查阅云中心本身可以借贷出的额度和那些用户愿意提供借贷服务。用户需要向云监管和提供贷款的用户支付一定的管理费用和利息（利息的支付与金额大小有关，如果云中心也提供了部分的贷款金额，同样也会获得贷款的利息）。

假设A在购买某件物品时，bitcoin暂时不够但是想要贷款购买，A向云监管发出请求，云监管验证并同意A的请求后返回信息告诉A。A则首先将自身所拥有的bitcoin用于支付，然后给云监管发出信息，云监管确认后将剩余的额度发送给愿意提供贷款的用户B，由B进行支付。

不及时还款的惩罚措施：

将还款期限分为2个等级，第一个等级是在n天之内，第二个等级是在n到m之间。若是某次还款在n天之内还清，此次借贷过程完成，对以后的借贷不产生影响，并且增加该用户的可信度。若是在等级2的还款期还清，则标记该用户，如果有两次这种情况，将该用户等级降低。如果超过期限用户不还清，云监管会将该用户的账号锁定，还清后账号解锁并降低该用户一个等级。

5.1.2 临时信任用户

该类用户借贷时，可以讓某个完全信任或者可信任用户作为担保，假设A在购买某件物品时，bitcoin暂时不够但是想要贷款购买，A向云监管发出请求，云监管验证A的信息和担保者的信息后，同意A的请求后返回信息告诉A和其担保者，担保者发送确认信息给云监管。A则首先将自身所拥有的bitcoin用于支付，然后给云监管发出信息，云监管确认后将剩余的额度发送给愿意提供贷款的用户B，由B进行支付。

不及时还款的惩罚措施：

如果在n天之内还清，则借贷方和担保方的信誉值均增加，如果n到m天之内还清，借贷方获得一次标记，如果有两次标记则会降低该用户等级，担保方的信誉值不增加。如果超过期限用户不还清，云监管会将该用户的账号锁定，并给与担保方一个标记（同样两次降低用户一个等级）还清后账号解锁并降低该用户一个等级。

6 结束语

关于bitcoin的研究随着bitcoin使用广泛而越来越深入，该文只是从引入第三方验证来使得bitcoin的交易和借贷过程更加快速和安全，为未来更加深入的研究bitcoin的即时支付和安全保证提供一种思路。

参考文献：

[1] Bitcoin-Wikipedia，[EB/OL].Available from https：//en.bitcoin.it/wiki/Introduction.

[2] Block hashing algorithm -Bitcoin[EB/OL].Availabe from https：//en.bitcoin.it/wiki/Block_hashing_algorithm.

[3] Protocol Specifications -Bitcoin[EB/OL].Available from https：//en.bitcoin.it/wiki/Protocol_specification.

[4] Trade - Bitcoin[EB/OL].Available from https：//en.bitcoin.it/wiki/Trade.

[5] Satoshi Nakamoto. Bitcoin： A Peer-to-Peer Electronic Cash System， 2009.

[6] Difficulty — Bitcoin[EB/OL].Available from https：//en.bitcoin.it/wiki/Difficulty.

[7] Double Spending Fast Payments in Bitcoin[EB/OL].http：//www.syssec.ethz.ch/research/Bitcoin

[8] Protocol Rules—Bitcoin[EB/OL].Available from https：//en.bitcoin.it/wiki/Protocol_rules.

[9] Patricia Everaere ， Isabelle Simplot-Ryl ， Issa Traoré， Double spending protection for e-cash based on risk management，Proceedings of the 13th international conference on Information security[C]. October 25-28， Boca Raton， FL， USA，2010.

[10] Beverly Yang ， Hector Garcia-Molina， PPay： micropayments for peer-to-peer systems， Proceedings of the 10th ACM conference on Computer and communications security[C].October 27-30， Washington D.C.， USA [doi>10.1145/948109.948150]，2003.

[11] 鄭书雯，范磊.基于P2P网络Bitcoin虚拟货币的信用模型[J].信息安全与通信保密，2012（4）.