区块链生态系统的动力学

On Dynamics of Blockchain Ecosystems

郭 峰、李 军

1、郭峰博士：青岛链湾研究院 理事长、点亮资本 合伙人、中关村区块链产业联盟 副理事长2、李军博士：雄安区块链实验室 副主任

摘要：我们究竟需要什么样的区块链？区块链怎么解决行业中的信任痛点？如何构建一个稳定的、不断创造价值的“区块链+”应用？区块链生态如何有序的发展演进？这些问题一直缠绕着很多区块链研究者和应用开发者。本文首先分析信任网络、人类合作的原始动力和自然界耗散系统的演进规律，以及它们之间的关系；在此基础上，提出了“合作器”的概念，并建立了相应的“合作回路”模型；最后以“合作器”为基本组件设计了一个“区块链+”应用生态的实现与发展路径。动力学演进模型和典型案例分析表明，在区块链应用设计阶段，我们就可以借助定量化的分析工具对目标系统进行仿真、规范、评估，这样可最大限度地避免系统在实际运行中出现失控并陷入混沌状态。

关键字：信任网络、合作器、区块链+、合作回路、动力学

一、区块链与信任网络

我们知道，一个区块链应用由上下两部分构成：底层是一个区块链网络，上层是构建在这个网络上的应用逻辑。譬如，比特币就是构建在比特币网络上的一种数字黄金应用。底层区块链网络的核心功能是维护一个分布式账本，其特点如下：

1. 加入与退出网络是开放的，网络具有分布式、多中心结构，每个参与者（网络节点）都可以参与记账；
2. 公开透明，每个参与者都能同步账本并进行校验和计算；
3. 由不可逆的哈希算法保证账本不可篡改。

以上三点构成了区块链网络实现“信任传递”的基础。这里所谓的信任传递是指，运行在网络上的应用用户之间，能够借助于这个账本向其他用户自证清白，而其他用户也可借助这个账本验证清白。比特币是运行在比特币网络（比特币网络是第一个区块链网络实例）上的一个数字黄金游戏。挖矿者（网络参与者）付出算力“开采”数字黄金，也就是比特币。“挖矿者甲通过付出算力获得了10个比特币,甲是这10个币的合法拥有者”-- 通过比特币网络，甲可以自证这10个比特币是自己的，其他人也可通过比特币网络验证这10个币确实是甲的。区块链网络能够传递信任这一点，在2014年就被认识到了。这一点很重要，因为迄今为止，人们传递信任都是靠单一权威机构背书的。如果能构建一个廉价的、无处不在的区块链网络，那么我们传递信任是否也可像传递信息一样近乎零成本？至少，这在理论上是可行的。信任，包括信仰，是人类社会组成的基础。没有信任，就不可能有贸易、信用货币，更不可能产生政府、企业等现代社会制度。什么是信任？我们通常所说的信任，至少有几个层次的含义，包括诚实（真实）度、契约精神、法律意识、道德程度、信仰等等。其中，构成所有信任内涵的底层基础是真实，如何验真、证伪，如何自证清白、验证清白，是解决信任问题的基础。区块链网络，为解决这一问题提供了一种技术手段。需要注意的是，这里讲的验真与证伪，是对参与者在区块链网络中的行为或交易而言的，对参与者在区块链网络之外的行为，它无能为力。譬如，甲的一件物品（一副画）被数字化后作为一个数字物品进入区块链网络。当甲在网络中把这个数字物品赠送给了乙，区块链网络能够对这个赠送行为作证。如果甲和乙的这个行为，希望延伸到线下物理世界，即甲在物理世界的这幅画也赠给了乙，这时，这个区块链网络不能对这个物理世界的行为作证。除非，相应的物理溯源技术、物联网监控技术等与该区块链网络实现了无缝对接。目前，已展现出良好应用前景的区块链应用包括供应链金融、央行数字法币、联盟数字法币等。相反，早期被寄予厚望的版权保护、数字确权、共享经济、产品溯源、存证等领域并没有出现爆款应用。问题出在哪里呢？“区块链+”行业应用究竟应该如何发展？下面我们将探讨这些问题，并给出部分答案。

二、机器信任与人类合作的原动力

让我们先回到原点。人类沟通信息、建立信任的目的是为了能够相互合作，而合作的目的是为了创造价值（或消费价值）。一部人类文明史，也是一部人类建立信任的历史。通过无数次残酷博弈获得的信任，以契约、合约、法律、宪法等形式成为人类社会的支柱。但是，如何验真、证伪，如何自证清白、验证清白，这些最底层信任的建立与传递，却长期困扰着人类，制约着契约精神和法制的履行。相反，在自然界中我们可以观察到很多卓越的合作案例，譬如台风、植物光合作用等所谓的“耗散系统”便是一类。台风，是在西北太平洋和南海的热带或副热带洋面上形成的低压涡旋，它是太阳能、低压扰动、洋流和大气流、以及地球自转等相互作用的产物，百度百科的解释如下：“台风的形成需要以下几个方面的条件：海面水温在26.5℃以上；一定的正涡度初始扰动；环境风在垂直方向上的切变小；低压或云团扰动至少离赤道几个纬度。台风的初始阶段为热带低压，从最初的低压环流到中心附近最大平均风力达八级，一般需要2天左右，慢的要三四天，快的只要几个小时。在发展阶段，台风不断吸收能量，直到中心气压达到最低值，风速达到最大值。而台风登陆陆地后，受到地面摩擦和能量供应不足的共同影响，台风会迅速减弱消亡”。可以看到，台风产生的条件其实相当苛刻，但是，西北太平洋和南海一带，就像是一台产生台风的机器一样，每年平均生成26个台风。我们不妨把太阳能、低压扰动、地球等称为参与者，它们之间的共同“合作”产生了台风。植物光合作用，是指绿色植物中的叶绿体靠获取阳光中的太阳能、并吸收环境中的二氧化碳和水制造碳水化合物、并释放氧气的过程。光合作用是光子、叶绿素、二氧化碳、水等参与者相互合作的产物。只要不发生火灾、严重干旱等极端事件，地球上的植物总能年复一年的茁壮成长。最近的研究表明，在叶绿体中，光子和叶绿素的相互作用是一种量子级别的“谐振”，被光子激发的叶绿素形成一个“谐振通道”来传递光子的能量[2]。再看看人造的蒸汽机：只要有源源不断的蒸汽进入汽缸，活塞就会推动曲轴、飞轮转动，进而带动车轮运动。只要条件具备，合作者（这里指汽缸、活塞、曲轴等）就会毫不犹豫地按规则工作起来。我们看到，无论是台风的生成、光合作用的生化反应，还是蒸汽机的运转，只要具备了它们正常运行的条件，那么，海面的水汽扰动、叶绿体内的叶绿素、汽缸中的蒸汽就会立刻从随机无序的状态变为高度有序的运动，整个系统的运行是必然的、可预测的。与人类相比，这种系统不会因为合作参与者（诸如光子与叶绿素、汽缸与活塞）之间的信任关系而频繁出错，甚至失控。机器和自然系统内参与者的这种信任通常是强壮的，我们暂且称之为“强信任连接”。生物种群演进和人类社会进化等领域的研究者人员已经总结归纳了人类合作的五种基本动力[1]，即直接互惠、间接互惠、亲缘选择、网络互惠和群组选择。

1. 直接互惠（direct reciprocity）：如果合作能够带来持续的收益，则双方倾向于合作；
2. 间接互惠（indirect reciprocity）：如果合作能够给一方带来间接的收益，譬如声誉的提高等，则这一方倾向于合作；
3. 亲缘选择（kin selection）：如果合作有利于双方共同基因的生存与发展，则双方倾向于合作。现实中，亲缘不限于血缘，也包括同学、好友等志同道合者。
4. 网络互惠（Network Reciprocity）：互相合作的人形成网络聚集，合作者的生存适应性将超过不合作者，并逐步取代不合作者；
5. 群组选择（Group Selection）：对于群组之间的竞争，合作水平更高的群组更容易发展并取代合作水平更低的群组。

其中，前三项是基本的原动力，后两项则是演进过程中的发展动力。迄今为止，在人类合作的实践中，即使合作方都有充沛的原动力，但合作过程的正常运转依然困难重重：由于缺乏信任，人和人之间这种弱耦合的连接关系说断就断，合作的风险难以预测。即便是军队、政党这样高度组织化的群体，出现叛逆者也屡见不鲜，像红军长征（1934.10-1935.10）这样的成功合作案例，堪称人间奇迹。那么问题来了，我们能否构造一种合作机器，简称“合作器”，其主要参与者是人类个体或机构，但相互间的信任却是机器级别的强信任，可保证合作进程像蒸汽机一样可重复、可预测？

三、合作回路模型

我们把目光再次聚焦到人类合作的三个基本原动力上：即直接互惠、间接互惠、亲缘选择。直接互惠，是人类社会最普遍的交易模式。比特币挖矿机制就是直接互惠合作器的最简单例子：挖矿者向比特币网络输入能量（算力），网络回馈挖矿者收益（比特币）；并且，挖矿者和网络之间是强信任连接，挖矿者“获得比特币收益”这件事由整个比特币网络保证，是不可更改的。考察下面更传统的例子。老李从事蛋鸡养殖，不仅技术好而且效率高，生产的鸡蛋质高价低，受到不少消费者和亲朋好友青睐。老李把鸡蛋卖给消费者老王，老王向老李支付现金。物流（鸡蛋）从养鸡者老李→消费者老王，资金流从消费者老王→养鸡者老李，双方合作多次之后，相互之间建立了很高的信任度。老李为了扩大规模，希望把在线下积累的信任扩大到线上，问题是如何把线下的传统信任转化为线上的强信任？如果能够保证物流与资金流的强信任连接，形成物流与资金流的信任闭环，那么，这个强信任的鸡蛋产销合作器是可以构造的。老李有两条可能的途径：第一条途径是和某大型电商平台合作，第二条途径是参与一个区块链网络。第一条途径就是目前流行的“互联网+”模式，由电商平台这个中心化的机构为双方背书，目前无论技术还是运营都很成熟，但最大的欠缺是无法解决平台自身的信任问题，因为电商平台无法自证清白。我们重点讨论第二条途径，即区块链途径。下面我们看看如何构建这个鸡蛋产销合作器。假定有一个区块链网络，该网络可为交易双方提供交易合作支撑，①确保资金流的真实并不可篡改；②确保物流各个环节的真实并不可篡改；③该网络的运营与管理符合区块链治理规则，不受第三方控制，可自证清白。合作双方了解并确认了区块链网络的运作规则后，决定加入这个网络，把原先在线下进行的交易搬到网络上，包括资金支付逻辑和业务流程。对于双方每一笔成功的交易，网络将给予双方确定的收益激励和声誉激励，这些激励在网络上公开且不可篡改。我们把这种建立在区块链网络上的“直接互惠”和“间接互惠”合作机制，定义为“合作器”。图1绘出了这个合作器的符号表示，也称作“合作回路”（Cooperation circuit）模型，图中，pi与 pj为合作参与者，Co(i»j)表示pi与pj的互惠合作关系（直接或间接互惠），这个关系是有向的，符号“»”的左方表示交易关系的甲方（或间接互惠的利他者）、右方表示乙方；T表示基于区块链的信任网络。合作器的定义也可以扩展到多个参与者，譬如Co(i»j,k)表示pi与pj和pk的互惠关系。

图1. 合作器的符号表示：“合作回路”模型

（甲方pi与乙方pj通过区块链信任网络T构成的直接互惠或间接互惠合作闭环）图1所示的合作器在现实中可行吗？从以上对合作器的定义可知，其可行性取决于区块链网络的可行性。

1. 首先，确保资金流的真实并不可篡改。这是区块链技术的拿手戏，也已被实践证明比传统电子支付具有优势。
2. 其次，确保物流各个环节的真实并不可篡改。这一点区块链与目前的物联网与人工智能技术相结合也能够做到。就技术难度而言，和实现传统物流的技术相当。
3. 最后，区块链网络的运营与管理必须基于合规的区块链治理规则。关于这一点，尽管有多种可行的技术方案，但尚未出现权威的、标准化的行业规则。

如果没有物流环节，那么上述区块链网络是完全可行的 --- 这也是为什么区块链技术在类似供应链金融这样的金融科技行业率先成功应用的原因。对于上述第二点，目前即使各大电商巨头也没有做到，这不是技术问题，主要是经济成本的考虑。如果建造了一台机器，它创造的价值低于其建造成本，那么在经济上是没有意义的，对人类合作器也是同样道理。针对类似物流这样的实体经济行业，能否构造出这样的合作器，使其原始参与者创造的价值远远大于其参与成本？下节将讨论这一问题。

四、绕不过去的“区块链+”

电商是目前互联网上最成功的应用案例之一，最近遍及全球的新冠肺炎疫情进一步证明，电商平台已经成为抗疫的重要基础设施。我们知道，电商模式的成立需要二个必要条件，一是存在一个可近乎零成本传递信息的互联网，二是存在一个可覆盖最后一百米的、廉价高效的物流网络。电商平台中，平台运营者、物流商、专卖店、消费者之间，也是典型的“直接互惠”关系，但是，他们之间的信任，仍然是传统信任，离“机器信任”还有很大差距。也可以说，目前的电商平台，是一台减配的合作器，是一台在信任上打了折扣的初级合作器。因此，作为信任网络的区块链网络，不仅仅是合作器的必要组成部分，也是今后人类社会的重要基础设施，需要全社会的参与。如何打造一个可近乎零成本传递信任的区块链网络？显然，最快的途径是直接由上到下构造这样一个网络，例如很多广受关注的公链项目、央行数字货币（CBDC）、Libra等等就是例子。CBDC和Libra虽然是从数字货币入手，但其附属成果有可能是顺带构筑了一个面向大众的信任网络。本文关注的是另一个途径，就是所谓的“区块链+”。没有区块链网络，何谈“区块链+”？这是很自然的质疑。所谓没有区块链网络，是指目前还没有性能出色、并满足形形色色需求的大规模区块链网络。实际上，区块链面对的信任问题，因应用场景而不同，因此定制化的区块链网络及其应用方案是必不可少的。在底层技术尚不成熟、标准欠缺、大规模公共区块链网络缺位的情况下，这种定制化的区块链应用，也就是“区块链+”，是区块链技术发展，进而实现“可近乎零成本传递信任的区块链网络”的必由之路。这一点与“互联网+”的情形完全不同：“互联网+”是互联网高度发展的产物，是利用信息传递零成本导致的结果。而“区块链+”则相反，它的发展将导致“可实现信任传递零成本”的全领域信任网络的诞生，就如同当年校园网、企业网的发展催生了互联网一样。如果非要和互联网类比的话，“区块链+”对应的，不是“互联网+”，而是“TCP/IP+”。什么是“区块链+”应用生态？简而言之就是：以强信任的合作器为基本组件，以特定行业逻辑为纽带组成的“价值创造”生态。这里的合作器所锚定的区块链网络，可以是专用区块链网络（对应于联盟链），也可以是未来的公共区块链网络（对应公链）。需要强调的是，这里的合作器是价值创造机器，其建造成本一定低于其在生态内创造的价值，这是“区块链+”的一个必要条件。

五、区块链网络动力学基础

1. “区块链+”网络动力学基础

“区块链+”应用生态，是一个动态的发展过程，其演进遵循生物种群、人类社会发展的一般演进规则。设一个生态由N 个参与者pi 组成，i=1,2, …, N.pi(t)表示市场参与者pi 在生态中的规模，它是时间的函数。在一定的合作与竞争规则和有限的资源条件下，pi(t)的发展遵循下述微分方程[3][4][5]：其中，ri为参与者pi 在生态中的效率或收益率，表示其在生态中的能力；ki为参与者pi 在生态中所能达到的最大规模；aij (-1 aij 1)为参与者pi与pj 在生态中的合作效应系数；bij (-1 bij 1)为参与者pi与pj为参与者在生态中的竞争效应系数。注意：以上各参数的取值依生态的游戏规则、资源条件、以及各参与者的能力而定。在通常条件下，方程式 ① 非常复杂，其发展运动有可能陷入“混沌运动”状态，这是一种不可预测的运动状态，在自然界条件下经常发生。幸运的是，在强信任合作环境下，方程式①可大大简化。

1. 合作器的动力学模型

实际上，第三节所述合作器是一个最简单的“区块链+”生态模型，这个生态中仅有三个参与者：两个交易参与者甲和乙（即p1与 p2），以及区块链网络T，这里用p3表示。假设甲乙双方能力相等、规模相当（即r1= r2 =r，k1= k2 =k），由于双方利益完全互补，并且是基于p3的强信任，因此它们之间没有直接的合作与竞争效应，即满足a12=a21=0，b12=b21=0。同样，甲乙双方和网络之间的利益完全互补，即使在网络规模不大时，甲乙双方的交易对p3(t)的影响不大；在网络规模足够大的情况下，甲乙双方的交易对p3(t)的影响可以忽略不计。这样，方程①可简化为：图2绘出了方程②的一个实例：即在k=1000情况下，效率r分别取0.1，0.2, 0.8等不同值时，p1与 p2随时间演进曲线。不同应用场景的“区块链+”建模，就是设计不同的合作器，并在具体的业务逻辑基础上，分析与设计各个参数 ri, ai, bi 的合理取值范围，在理论上保证系统运行的稳定与安全，避免在实际的运行中陷入混沌状态。

图2. 合作器的动力学模型

在k=1000，r=0.1，0.2, 0.8等不同取值时，p1与 p2随时间演进曲线

1. “区块链+”动力学模型

“区块链+”生态发展之初，主要依赖不同合作器的线性叠加；达到一定规模后，如第二节所述，网络互惠与群组选择将成为主要发展动力。各参与者，包括潜在的初级合作器，将形成网络聚集，加入生态的参与者的生存能力将超过生态外的不合作者，并逐步取代不合作者，这是一个指数增长过程；随着生态的不断扩大，必然导致合作器或生态之间的竞争，合作水平更高的合作器或生态，将更容易发展并取代合作水平更低的。有核心企业参与的“区块链+”供应链金融生态是目前已广泛应用的案例，该生态的所有参与者功能互补，组成了一个由多个合作器构成的合作回路网络，简称“回路网络”（Circuit diagram）。图3绘出了该回路网络的最简单例子。图中，p1为核心企业，p2与p3分别为加入生态的一级和二级供应商。T为区块链信任网络，不失一般性，我们把银行等金融机构服务作为整个信任网络提供的功能。图4绘出了图3所示供应链金融回路网络的动力学曲线。这里，p1的最大规模取值k1=3000，p2与p2的最大规模分别取值k2=2000, k3=1000；假设各参与者的业务增长率都为20%，即r=0.2。

图3. 两个合作器组成的供应链金融“回路网络”

p1为核心企业，p2与p3为加入生态的一级和二级供应商；T为区块链信任网络图4. 核心企业参与的“区块链+”供应链金融生态的动力学模型
(r=0.2, k1=3000，k2=2000, k3=1000时的演进曲线)
从图4各参与者的演进曲线我们可以看到，一个理想的“区块链+”生态是一个高度有序的、协同发展的系统：从初期稳定的线性增长，逐步发展到指数增长，再平滑过渡到到稳定发展期。实际上，现代社会中有很多 “区块链+”应用的雏形，譬如各种生产合作社、供销合作社、医疗合作社、信用合作社、共享经济体等等，类似供应链金融案例，这些领域适当匹配区块链网络后将容易地升级为“区块链+”生态。目前“区块链+”正在向各个应用领域渗透，包括民生、社会治理、工业制造、智慧农业、新能源、智慧城市、跨境贸易、“一带一路”等领域， 限于篇幅，关于不同应用场景的“区块链+”回路网络模型和动力学分析，以及具体的生态构建方法我们将在以后的文章中论述。

六、结论与展望

通过分析信任网络和人类合作原始动力，并借鉴自然界耗散系统发展机理，本文提出了合作器的概念，并基于区块链网络建立了实现该合作器的“合作回路”模型。在此基础上我们进一步提出了用合作器构建“区块链+”应用生态的“回路网络”方法和相应的动力学模型，最后以“区块链+”供应链金融应用为背景给出了一个具体例子。涉及人类社会的很多领域都被认为是复杂系统，市场经济尤其如此。复杂源自无序，无序的力量造成失控，进而陷入混沌状态。区块链技术为我们提供了一种不依赖单一第三方的信任工具，合作器则把无序的涌动转化为有序的动力，进而由“区块链+”发展出有序合作与竞争的生态。本文提出的“回路网络”方法可用于“区块链+”生态系统的稳态分析，而动力学模型可用于仿真、评估生态系统的演进过程，并为稳定状态的各个参数取值提供依据。人工智能（AI）正在使机器变得更聪明、有情感、有思维、有信仰；“区块链+”生态将使人类社会的组织结构更简单、更单纯、更有序、更高效；两者的融合将是今后数字化社会的一个重要课题，这对AI也至关重要，否则，无序的群体智能更容易走向失控、陷入混沌。