區塊鏈技術及其應用挑戰研究

陳毅洋

[摘 要] 區塊鏈技術作為一種去中心化的分布式賬本技術，依靠其分布式、不可篡改性、共識性、加密性等技術特點對現有的社會秩序和社會格局產生了重大影響。本文首先解構了區塊鏈技術的主要特征，之后詳細闡述了該技術在未來發展過程中遇到的技術挑戰和非技術挑戰，從而致力于為區塊鏈技術相關研究提供指導和借鑒。

[關鍵詞] 區塊鏈技術；分散式；共識機制；挑戰

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 09. 072

[中圖分類號] TP311 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2019）09- 0161- 03

1 引 言

2008年底，中本聰發表了一篇名為《比特幣：一種點對點的電子現金系統》的白皮書[1]，首次提出了區塊鏈的概念。基于區塊鏈技術的比特幣系統允許用戶在一個不需要任何中介、相對開放并且不安全的網絡體系中直接進行交易。比特幣區塊鏈系統發布之后，出現了一系列基于區塊鏈技術的應用，如金融服務[2]、物聯網[3]、教育[4]等。區塊鏈技術的廣泛應用主要由于其具有優良的技術特征。目前有關區塊鏈的研究主要集中在應用方面，而對于技術本身的分析卻很少。針對這一問題，本文首先介紹了區塊鏈的分散性、不可篡改性、共識性、加密性等基本的技術特征，之后從技術和非技術方面討論了區塊鏈技術未來的應用挑戰，最后對區塊鏈技術未來的發展方向進行了總結。

2 技術特征

區塊鏈本質是利用區塊鏈技術所形成的共享分布式數據庫，其中區塊鏈技術是現代密碼學、對等網絡、智能合約等各種先進技術的集合，其技術框架主要分為數據層、網絡層、共識層、激勵層和應用層，具體框架圖如圖1所示。

通過區塊鏈技術可建立一個全網共同維護并且防篡改的數據庫來記錄發生在區塊鏈上的歷史數據。正是由于這些技術所具有的優良性質使得區塊鏈的價值才得以凸顯。區塊鏈的技術特征具體如下。

2.1 分布式

區塊鏈本身是一個分布式的對等（P2P）網絡。之所以是分布式，是由于區塊鏈的各節點呈現網狀型的拓撲結構。之所以是對等的，是由于各節點在區塊鏈網絡體系中的地位是對等的。之所以是網絡，是由于不存在中央節點和層級結構。以比特幣區塊鏈系統為例，它作為典型的分布式P2P網絡，由眾多分散的用戶節點組成，而區塊鏈各節點的拓撲結構決定了其分布式的特征和對等網絡的結構。另外，區塊鏈系統的分布式特性，使得區塊鏈系統中的任何一個區塊被破壞都不會導致整個系統的崩潰，所以區塊鏈的分布式特征也為其安全性和健壯性提供了重要的保證。

2.2 不可篡改性

區塊鏈的不可篡改性一方面是由于區塊鏈引入了時間戳的概念。時間戳以秒為單位，從格林尼治1970年01月01日00時00分00秒為時間起始點至今，從而構成一個時間序列，每一個時間點唯一標識某一刻的瞬時時間。時間戳為區塊鏈增加了時間的維度，只要事件被記載入區塊中，該區塊就被加蓋時間戳的標識，使得區塊鏈中的各區塊形成以時間為標識符的事件鏈條，增強數據的透明性。另一方面是由于51%攻擊。如果要篡改區塊鏈中的區塊信息，需要篡改整個區塊鏈系統至少51%的區塊信息，這種操作在節點數量很龐大的區塊鏈系統中幾乎是不可能的，為區塊鏈中的區塊數據提供了防篡改、防偽造的性能保證。

2.3 共識性

共識機制解決了分布式用戶結構在去中心化賬本上保持賬本一致性的問題。常見的共識機制有：PoW機制、PoS機制、DPoS機制。下面簡要介紹這三種共識機制的原理。

2.4 加密性

區塊鏈運用了大量的現代密碼學技術，主要包括哈希算法、Merkle樹和非對稱加密算法。

哈希算法是由哈希函數為基礎形成的，主要用于數字簽名和交易信息加密，哈希函數要求在現有的計算資源下，將數據壓縮成為固定長度的二進制串，即哈希值。Merkle樹是用來存放哈希值的樹。葉子節點上的數據是區塊數據的哈希值，非葉子節點的值為以該節點為根節點的所有子節點串聯字符串的哈希值。非對稱加密是由于加密和解密所使用的密鑰是不同的，分為公鑰和私鑰。公鑰和私鑰的轉換是不等價的，私鑰可以解密公鑰，而公鑰不可以破解私鑰。從而保證加密的可靠性。比如：A向B發出信息，A用B的公鑰對信息內容進行加密，只有B用自己的私鑰才能對其進行解密，從而獲取A想發的信息內容，而對于其他人，即便知道B的公鑰也無法獲取加密的信息。

3 應用挑戰

區塊鏈技術目從金融領域起步到現在非金融領域的興起，目前全球許多國家都將該技術應用到具體的項目。表1展示了區塊鏈技術的幾個代表性應用領域。

區塊鏈技術作為一種新興的技術，在眾多領域推廣并且應用的同時，也面臨著諸多的挑戰。以下我們將從技術和非技術兩方面挑戰進行分析。

3.1 技術挑戰

3.1.1 拓展挑戰

區塊鏈技術為了驗證數據，必須存儲所有的數據信息，但隨著事務量的增大，加入區塊鏈中的區塊會越來越多，導致整個區塊鏈系統越來越龐大，所需要的存儲空間并非普通存儲設備所能承受的。另一方面，隨著區塊數量的增加，驗證區塊信息同樣需要更多的時間，每秒處理的數據量無法滿足實時處理數百萬計的交易需求，從而產生更大的成本。以太坊創始人Vitalik提出可拓展性、安全性、去中心化只能擇其三選二。即追求安全性和去中心化的保證，則無法滿足可拓展性的要求，而區塊鏈的分布式特性是區塊鏈去中心化的重要保證，所以可拓展性問題將是區塊鏈技術發展的一大重要挑戰。

3.1.2 能源挑戰

為了挖掘區塊并且對事務進行驗證，礦工們必須解決復雜的密碼學難題，利用計算機強大的計算能力大大提高挖礦的成功率。然而為保證這樣強大算力的同時，需要大量的電能提供給計算機和冷卻系統以保證機器的正常運行。以比特幣區塊鏈系統為例，比特幣區塊鏈網絡的礦工以每秒45萬億個解決方案的速度進行挖礦，利用大量的計算機能力來驗證交易。開采加密貨幣的能源成本超過開采物理金屬的成本。可見，密碼學的復雜性會造成算力和能源的巨大消耗。

3.1.3 安全挑戰

區塊鏈中一個重要的安全問題就是51%攻擊。按照區塊鏈的共識機制的原理，當兩個礦工同時開采兩個不同的區塊時，之后隨著加入兩個區塊的后繼區塊越來越多，形成兩條叉鏈，最終較長的鏈條將會被驗證，短的鏈條會被廢棄。但是如果有人想要惡意篡改數據信息，只需想方設法形成一條更長的叉鏈即可，那么原來的鏈條就會被廢棄。所以叉鏈越多，整個系統被攻擊的可能性就會越大。另外，如果礦工結群謀私，致使其計算能力占主導位置，對于整個區塊鏈系統的數據篡改是很有可能的。可見，區塊鏈的安全性問題確實亟須解決。

3.1.4 隱私挑戰

區塊鏈技術由于其不可篡改性被認為是一種安全的技術，但是以比特幣區塊鏈為例，由于交易的進行不需要用戶提供真實的身份，只需要使用用戶生成的地址即可，并且交易包含相關用戶的地址信息是不可篡改的，所以如果一個地址相對應用戶的身份信息被泄露，則使用該地址的用戶所有交易信息都會被泄露。雖然信息泄露可以通過生成其他多個地址進行身份轉移，但是對于用戶來說，是否符合用戶簡便操作的心理需求還有待考證。綜上，區塊鏈技術對于用戶的隱私并不能提供絕對的保證。

3.2 非技術挑戰

除了以上技術本身面臨的挑戰，區塊鏈技術還面臨用戶、人才、社會適應、法律監管等方面的挑戰。

3.2.1 用戶挑戰

就目前區塊鏈在各個行業的發展來看，區塊鏈具有非常廣泛的應用前景，其去中心化的分布式對等網絡促進社會信任問題的解決，智能合約有利于社會向智能化邁進，而且區塊鏈技術作為一種新興的數字技術有利于數字經濟的發展。盡管區塊鏈擁有極好的發展態勢，然而對于用戶而言，新技術的出現，是否符合個體長期形成的習慣？是否可以更好地滿足用戶的需求，從而提高用戶的體驗感和滿意度？

3.2.2 人才挑戰

無論區塊鏈技術有多么廣的應用前景，沒有相應的人才推動，區塊鏈技術也是很難發展的，至少發展過程中會受到很大的約束。區塊鏈作為一種新興的技術，其興起和發展所需要的人才數量是很龐大的而且杜宇人才的質量要求也比較高，區塊鏈崗位對于人員的技能要求不僅要有GO、python等語言基礎，還要熟悉共識算法、密碼學、分布式計算、智能合約、數據挖掘等有關技術。可見，技術的復雜性使得與區塊鏈技術相關的人才成為區塊鏈技術未來發展的一大重要挑戰。

3.2.3 社會適應挑戰

對于技術本身的社會適應性而言，一項技術若想推廣并且在各個領域廣泛應用，很大程度上需要社會個體對該技術的認知和肯定，大多數具有革命性意義的技術從起初的異端學說到最后成為偉大革命，主要是由于社會對于技術逐步加深的認可程度所決定的，即技術的社會適應性強。就目前區塊鏈技術的發展來看，它很有可能成為下一代革命性的互聯網技術，但是要想發揮其本身的優勢，還是需要社會和時間來判斷該技術與未來社會發展動態是否相適應。

3.2.4 法律監管挑戰

在法律監管方面，區塊鏈是21世紀一種新的技術，在改變社會、經濟、生活等方面的同時，也必然需要與現有的法律制度進行磨合。尤其是在發展的初始階段，區塊鏈技術的發展態勢還沒有明確的定論，而且技術進步與法律規范之間存在時間差，所以法律制度無法對其潛在的法律問題和風險進行制約。另一方面，當技術成為社會的主流時，很有可能會被各種不同的利益個體利用，在一定程度上會挑戰現有的法律監管制度，引發一系列的法律問題。

綜上，區塊鏈技術面臨的技術挑戰和非技術挑戰將會成為未來區塊鏈技術發展的主要阻力，可見區塊鏈技術未來的發展任重道遠。

4 總 結

技術的潮流向來不是一蹴而就的，它是共識程度不斷加深的過程。一種新技術從不被接受到最后成為一種常態或者被淘汰，所面臨的就是社會對于該技術的共識與認可。隨著區塊鏈技術逐漸成為學術界和商業界的研究焦點，對于區塊鏈技術相關的基礎理論和技術研究將會不斷跟進，區塊鏈技術有望成為一種新的趨勢和社會共識。本文介紹了區塊鏈技術的幾個重要的技術特征以及該技術未來可能面臨的技術和非技術挑戰，為以后有關該方向的研究提供指導和借鑒。

主要參考文獻

[1]Nakamoto S. Bitcoin：A Peer-to-Peer Electronic Cash System[J].Technical Report，2008（28）.

[2]林曉軒.區塊鏈技術在金融業的應用[J].中國金融，2016（8）：17-18.

[3]何渝君，龔國成.區塊鏈技術在物聯網安全相關領域的研究[J].電信工程技術與標準化，2017，30（5）：12-16.

[4]楊現民，李新，吳煥慶，等.區塊鏈技術在教育領域的應用模式與現實挑戰[J].現代遠程教育研究，2017（2）：34-45.