探究區塊鏈的局限性和應對策略

摘?要：規模與權力是中心化產生信用的基礎，如果規模變小，信用將降低，而這些在區塊鏈的網絡中都可以杜絕，區塊鏈具有去中心化、不可篡改、可信任的特點，它解決了現實中去中心化信任的需求，數據公開透明任何人都可以隨時查看隨時驗證，而且內容一經寫入便不能篡改。但是隨著區塊鏈的普及和應用，人們開始發現區塊鏈的局限性，如何針對局限性對區塊鏈進行相應的改進策略，本文對區塊鏈的局限性進行分析研究，并提出應對策略。

關鍵詞：區塊鏈；共識算法；加密技術；零知識證明

Exploring?the?Limitations?and?Coping?Strategies?of?Blockchain

Zeng?Qingxing

Baoting?Federation?of?Literary?And?Art?Circles?HainanBaoting?572300

Abstract：Scale?and?power?is?the?basis?of?centralized?credit，if?smaller，credit?will?be?reduced，and?these?can?be?eliminated?in?the?network?of?block?chain，block?chain?has?the?characteristics?of?decentralization，tamperproof，trust，it?solves?the?demand?of?decentralized?trust?in?the?real?world，transparent?data?anyone?can?check?at?any?time，and?the?content?is?written?cannot?be?tampered?with.However，with?the?popularization?and?application?of?blockchain，people?begin?to?find?the?limitations?of?blockchain.How?to?improve?the?corresponding?strategies?of?blockchain?according?to?the?limitations，this?paper?analyzes?and?studies?the?limitations?of?blockchain，and?puts?forward?coping?strategies.

Keywords：Block?chain;Consensus?algorithm;Encryption?techniques；zero?knowledge?proof

區塊鏈之所以能夠實現去中心化信任，除了使用加密技術，就是每個數據庫相互獨立，權力平等，數據庫內容實時更新，如果有人想要篡改某一區塊的數據，就必須將生成在該區塊之外的所有區塊的區塊頭破解，并逐個篡改每個區塊中相應的數據，這幾乎是不可能的。如果有人掌握全網一半以上的算力，便可以將區塊任意生成在自己想要的鏈上，由于其比所有人生成區塊的速度快，區塊鏈的數據將被篡改，但掌握全網一半的算力投入成本巨大收益卻少。

1?區塊鏈核心技術

1.1?區塊鏈特殊的數據結構

區塊鏈的數據結構包含兩個部分，一個是區塊，一個是鏈，區塊鏈網絡中每秒都會產生成百上千條交易記錄，每過十分鐘節點將會檢查這些交易記錄，并檢查無誤后將其生成一個數據區塊，每個區塊又分為兩個部分，區塊頭（Block?Header）和區塊體（Block?Body），區塊體用于存放數據，區塊內存放了區塊頭、時間戳、交易數據、構造該區塊的礦工等信息，而區塊頭是當前區塊唯一的ID，用于識別區塊，并且該區塊頭的生成是由上個區塊的全部信息通過哈希運算得來的，區塊之間通過區塊頭進行連接便形成區塊鏈，所有區塊不斷連接形成一個不斷寫入數據的數據庫。

1.2?共識算法

區塊鏈作為由多個節點共同控制的數據庫，這些節點擁有相同的權限并共同協作構造區塊鏈，在區塊鏈增加區塊時，如何讓所有節點共同認可區塊的有效性，這就用到共識算法。為了提供有效的服務，因此在節點之間需要運行一個容錯的一致協議，以確保追加到區塊上的消息在所有節點之間都是一致的，這個一致性協議就為共識算法［1］。區塊鏈網絡中存在多個節點共同構造區塊并爭奪下一個區塊的上鏈權，哪個節點最先通過共識機制將區塊上鏈，哪個節點的區塊就被所有節點認可，較常見的區塊鏈網絡共識機制為工作量證明算法，工作量證明算法要求節點經過耗費資源的運算并且運算結果能被快速驗證，運算所耗費的時間、設備等資源作為擔保成本，以確保服務被真正利用，在區塊鏈網絡中哪個節點運算下一個區塊所需的時間越少且正確，哪一個節點構造的區塊就被所有節點認可，當該區塊被認可時并向所有節點廣播，所有節點就會認可該區塊的有效性并開始爭奪下一個區塊的上鏈權。共識算法作為區塊鏈的核心機制之一，保證了區塊鏈網絡能否正常運行。

1.3?加密算法

在區塊鏈的使用中，會采取不同方法來進行數據加密，通常用于交易安全性和隱私保護等方面。目前常用的密碼學算法有非對稱加密算法、Hash加密算法等。以非對稱加密算法為例，非對稱加密算法隨機將兩個質數，通過質數相乘、歐拉運算等步驟算出公鑰和私鑰，通過私鑰加密的數據可以被公鑰進行解密，公鑰加密的數據可以被私鑰進行解密，但公鑰加密的數據卻無法用公鑰進行解密，基于不對稱加密解密的公私鑰的密碼系統，可以將公鑰公開，私鑰則由各節點保存且不能被公開。當節點上傳區塊時使用公鑰進行加密，各節點使用各自的私鑰進行解密，并驗證該區塊是否有效。存儲在服務器中的數據是使用區塊鏈機制存儲的。第一層安全機制中，哈希值被分割，其中一部分存儲在云端，另一部分存儲在本地。即使區塊鏈或云端被黑客攻擊，也只能獲得一半的哈希密鑰信息［2］，通過加密算法，使黑客攻擊成本提高，增強區塊鏈各節點之間信息傳播的安全性。

1.4?智能合約

智能合約是由代碼編寫并由計算機自動執行的數字協議，智能合約早在1994年就被提出，但一直沒有得到廣泛利用，原因在于當時的環境沒有給智能合約可信的交易環境，而區塊鏈的出現解決了可信的問題。智能合約有以下特點：代碼公開、代碼量小和涉及資產，在區塊鏈里，智能合約會被包裝成交易記錄并放入區塊里，在交易的過程中滿足交易的預設條件，智能合約會自動進行且無法被更改，這就使交易雙方無法私自更改合約或抵賴，創造交易雙方互相信任的環境。

2區塊鏈的局限性

隨著區塊鏈的普及和應用人們開始發現區塊鏈的局限性，如效率低、智能合約的漏洞、信息安全、“區塊鏈不可能三角”等問題。

2.1?處理效率低下

區塊鏈網絡中每個節點的權利相同，達成共識所需的時間長，區塊鏈每個區塊容量有限，為實現全網的信息同步和信息的可追溯，每秒的信息承載量較小，無法應對如雙十一這樣的大量數據，效率極低無法滿足大數據時代的需求。

2.2?智能合約的漏洞

智能合約的特點是代碼公開、代碼量小，但正是這些特點讓智能合約存在被黑客攻擊的風險，代碼量小容易進行，代碼公開意味著無需做太多的破解、逆向分析等工作，代碼量小意味著破解周期短，黑客可以通過檢測區塊鏈新增的智能合約，從區塊交易中提取智能合約的地址與代碼，再使用漏洞分析工具掃描合約的源代碼，找出漏洞，最后進行人工分析和數據測試，往往就能得手。而且，由于沒有自然語言與區塊鏈智能合約代碼相對應，智能合約代碼的執行沒有相應的法律條款支撐，導致了智能合約仍然缺乏法律效力，只能代表法律協議的一部分［3］。

2.3?信息安全問題

區塊鏈解決的是相互陌生的交易雙方信任問題，也可以保證寫入區塊的數據不會被篡改，但寫入的信息的真假無法分辨。如果區塊鏈網絡生成區塊的速度是每10分鐘一個，并且信息需要經過六個區塊才能完全確認，如果寫入錯誤的信息，就必須在生成六個區塊之前更改，否則將無法更改，容錯率極低。區塊鏈的數據相對集中且每個節點都擁有完整的區塊鏈數據，區塊鏈數據存儲可分為鏈上存儲和鏈上/鏈下協同存儲兩種方式，采用鏈上存儲方式時所有數據全部存儲在區塊鏈底層數據庫中，而采用鏈上/鏈下協同存儲時，完整數據一般集中存儲在其他節點（一般為中心化服務器）中，而元數據則保存在區塊鏈數據庫中［4］，只要獲得其中的一個節點的數據就得到了整個區塊鏈中的數據，這無疑是增大了數據安全的保護難度。如果用戶私鑰丟失或者被黑客竊取，就會造成無法挽回的永久損失，因為去中心化的特點，用戶無法像中心化機制那樣找回密鑰或者更改密鑰，這樣意味著與密鑰關聯的賬戶將永久丟失。區塊鏈數據的隱私獲取相對容易，隱私保護難度較大，黑客可以通過對從其他平臺獲得的個人的公開數據與從區塊鏈中獲取的數據進行關聯性分析，一旦將區塊鏈交易地址與網絡IP地址、平臺消費記錄等信息進行關聯分析，很容易獲取到用戶的隱私信息。

2.4?區塊鏈的不可能三角

區塊鏈“不可能三角”的意思是區塊鏈無法同時擁有去中心化、可拓展性和安全性的特性。如果區塊鏈在去中心化的同時保證其安全性，就會導致拓展性弱；如果區塊鏈在保證安全性和可拓展性，就無法形成真正地去中心化。其原因是這幾個要素是相互制約的，去中心化需要擁有大量參與區塊生產和驗證的節點，節點地位相互平等，即使有些節點崩潰也無法讓整個區塊鏈網絡崩潰，并且攻擊區塊鏈的成本也會增加，因此區塊鏈擁有大量的節點保證了區塊鏈網絡的安全性，但這也意味著效率低下，因為每一區塊需要所有節點達成共識，節點越多達成共識的速度就越慢。

3?改進區塊鏈的對策

3.1?Layer?2

Layer?2是一條拓展以太坊并且繼承其安全性的獨立區塊鏈，Layer?2網絡分為兩層，二層網絡會定期與一層網絡溝通，并把交易數據傳過去，由一層網絡驗證數據，保證其安全性，簡單說Layer?2網絡是依靠一層網絡運行的區塊鏈，二層將所有數據壓縮并打包送入一層進行驗證，通過這樣的方式效率會大大提高，打包后的數據如何確認其有效性，Rollup為Layer2主要的解決方案，Rollup分為兩種方案，一種為零知識匯總（Zero?Knowledge?Rollup），一種為樂觀匯總（Optimistic?Rollup）；零知識匯總通過鏈上合約與鏈下虛擬機的方式保證每次更新后數據的可用性，此方法處理效率提高但無法保證安全性；樂觀匯總會給予數據一個星期左右的質詢期，通過獎罰機制，獎勵發現數據漏洞的節點并處罰將錯誤數據上傳的節點，在質詢期結束后將結果返還一層，該方法能保證安全性，但效率會降低。

3.2?改進領導節點

為了提高區塊鏈處理效率，有的區塊鏈網絡會通過使用多線程模型，以及引入領導節點來提高效率，領導節點將工作分給普通節點，領導節點負責生產區塊，普通節點負責驗證區塊，這雖然大大提高了效率但同時也大大削減了去中心化的程度，使得區塊鏈網絡變得不再安全。因此可以采用DAG技術并行處理計算，這遠遠高于單線程區塊鏈處理效率以及降低延遲并且提高資源利用率。再分配給區塊鏈中的每個節點額外的工作以備領導節點崩潰時接管領導節點，這樣有效避免領導節點崩潰時導致整個區塊鏈網絡崩潰。

3.3?改進共識算法

PoS（Proof?fo?Stake）即權益證明，是共識算法的一種，權益證明算法拋棄了工作量證明算法繁重的計算，節點通過質押一定的資產獲得搭建區塊的資格，按照固定時間根據節點的權重讓所有的節點輪流搭建區塊，節點必須保證區塊穩定運行，否則將扣除質押在區塊里的資產，由于所有節點都跟區塊鏈網絡產生利益相關，所以就不會主動破壞區塊鏈網絡的安全，但缺點是容易形成中心化趨勢。BDAC算法通過引入信用機制來優化現有的共識算法，如將信用機制引入工作量證明算法中，通過對所有節點進行信用度的計算和排名，依據排名將區塊構建權按比例分配給各個節點，節點信用值越大，節點獲得的區塊構建權就越大，增強了共識算法的安全性。將信用機制引入到權益證明算法中，綜合考慮節點的有效出塊數、有效投票數、參與度和歷史信用度計算節點的信用值，再結合節點本身的權益和信用值來遴選共識節點集［5］。信用值在權益證明算法中的主要作用就是用來挑選共識節點集，確保信用值高的節點優先被選上，提高權益證明機制的安全性。

結語

區塊鏈作為一種全新的人類關系連接方式，未來會像互聯網一樣普及，同時區塊鏈也是一種正在發展的技術，固然會有很多局限性，我們要理性地看待它。隨著越來越多的研究者對區塊鏈進行研究，區塊鏈會越來越完善。

參考文獻：

［1］張燕平，李中文，張華龍.區塊鏈的物聯網信息安全技術研究［J］.電子技術與軟件工程，2023（01）：1316.

［2］趙天嬌.區塊鏈技術及其應用安全性分析［J］.科技創新與應用，2022，12（36）：193196.

［3］李啟明，胡浩青.區塊鏈技術的能力局限與應對措施［J］.清華金融評論，2017，49（12）：101102.

［4］王群，李馥娟，倪雪莉，等.區塊鏈數據形成與隱私威脅研究［J/OL］.計算機工程，114［20230405］.

［5］劉惠文，謝才炳，鄧小鴻.基于信用的區塊鏈共識算法對比研究［J］.計算機應用研究，2023，40（02）：321327.

作者簡介：曾慶幸（1999—?），男，黎族，海南萬寧人，本科，一級科員，研究方向：軟件工程。