区块链技术及其应用挑战研究

陈毅洋

[摘 要] 区块链技术作为一种去中心化的分布式账本技术，依靠其分布式、不可篡改性、共识性、加密性等技术特点对现有的社会秩序和社会格局产生了重大影响。本文首先解构了区块链技术的主要特征，之后详细阐述了该技术在未来发展过程中遇到的技术挑战和非技术挑战，从而致力于为区块链技术相关研究提供指导和借鉴。

[关键词] 区块链技术；分散式；共识机制；挑战

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

[中图分类号] TP311 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2019）09- 0161- 03

1 引 言

2008年底，中本聪发表了一篇名为《比特币：一种点对点的电子现金系统》的白皮书[1]，首次提出了区块链的概念。基于区块链技术的比特币系统允许用户在一个不需要任何中介、相对开放并且不安全的网络体系中直接进行交易。比特币区块链系统发布之后，出现了一系列基于区块链技术的应用，如金融服务[2]、物联网[3]、教育[4]等。区块链技术的广泛应用主要由于其具有优良的技术特征。目前有关区块链的研究主要集中在应用方面，而对于技术本身的分析却很少。针对这一问题，本文首先介绍了区块链的分散性、不可篡改性、共识性、加密性等基本的技术特征，之后从技术和非技术方面讨论了区块链技术未来的应用挑战，最后对区块链技术未来的发展方向进行了总结。

2 技术特征

区块链本质是利用区块链技术所形成的共享分布式数据库，其中区块链技术是现代密码学、对等网络、智能合约等各种先进技术的集合，其技术框架主要分为数据层、网络层、共识层、激励层和应用层，具体框架图如图1所示。

通过区块链技术可建立一个全网共同维护并且防篡改的数据库来记录发生在区块链上的历史数据。正是由于这些技术所具有的优良性质使得区块链的价值才得以凸显。区块链的技术特征具体如下。

2.1 分布式

区块链本身是一个分布式的对等（P2P）网络。之所以是分布式，是由于区块链的各节点呈现网状型的拓扑结构。之所以是对等的，是由于各节点在区块链网络体系中的地位是对等的。之所以是网络，是由于不存在中央节点和层级结构。以比特币区块链系统为例，它作为典型的分布式P2P网络，由众多分散的用户节点组成，而区块链各节点的拓扑结构决定了其分布式的特征和对等网络的结构。另外，区块链系统的分布式特性，使得区块链系统中的任何一个区块被破坏都不会导致整个系统的崩溃，所以区块链的分布式特征也为其安全性和健壮性提供了重要的保证。

2.2 不可篡改性

区块链的不可篡改性一方面是由于区块链引入了时间戳的概念。时间戳以秒为单位，从格林尼治1970年01月01日00时00分00秒为时间起始点至今，从而构成一个时间序列，每一个时间点唯一标识某一刻的瞬时时间。时间戳为区块链增加了时间的维度，只要事件被记载入区块中，该区块就被加盖时间戳的标识，使得区块链中的各区块形成以时间为标识符的事件链条，增强数据的透明性。另一方面是由于51%攻击。如果要篡改区块链中的区块信息，需要篡改整个区块链系统至少51%的区块信息，这种操作在节点数量很庞大的区块链系统中几乎是不可能的，为区块链中的区块数据提供了防篡改、防伪造的性能保证。

2.3 共识性

共识机制解决了分布式用户结构在去中心化账本上保持账本一致性的问题。常见的共识机制有：PoW机制、PoS机制、DPoS机制。下面简要介绍这三种共识机制的原理。

2.4 加密性

区块链运用了大量的现代密码学技术，主要包括哈希算法、Merkle树和非对称加密算法。

哈希算法是由哈希函数为基础形成的，主要用于数字签名和交易信息加密，哈希函数要求在现有的计算资源下，将数据压缩成为固定长度的二进制串，即哈希值。Merkle树是用来存放哈希值的树。叶子节点上的数据是区块数据的哈希值，非叶子节点的值为以该节点为根节点的所有子节点串联字符串的哈希值。非对称加密是由于加密和解密所使用的密钥是不同的，分为公钥和私钥。公钥和私钥的转换是不等价的，私钥可以解密公钥，而公钥不可以破解私钥。从而保证加密的可靠性。比如：A向B发出信息，A用B的公钥对信息内容进行加密，只有B用自己的私钥才能对其进行解密，从而获取A想发的信息内容，而对于其他人，即便知道B的公钥也无法获取加密的信息。

3 应用挑战

区块链技术目从金融领域起步到现在非金融领域的兴起，目前全球许多国家都将该技术应用到具体的项目。表1展示了区块链技术的几个代表性应用领域。

区块链技术作为一种新兴的技术，在众多领域推广并且应用的同时，也面临着诸多的挑战。以下我们将从技术和非技术两方面挑战进行分析。

3.1 技术挑战

3.1.1 拓展挑战

区块链技术为了验证数据，必须存储所有的数据信息，但随着事务量的增大，加入区块链中的区块会越来越多，导致整个区块链系统越来越庞大，所需要的存储空间并非普通存儲设备所能承受的。另一方面，随着区块数量的增加，验证区块信息同样需要更多的时间，每秒处理的数据量无法满足实时处理数百万计的交易需求，从而产生更大的成本。以太坊创始人Vitalik提出可拓展性、安全性、去中心化只能择其三选二。即追求安全性和去中心化的保证，则无法满足可拓展性的要求，而区块链的分布式特性是区块链去中心化的重要保证，所以可拓展性问题将是区块链技术发展的一大重要挑战。

3.1.2 能源挑战

为了挖掘区块并且对事务进行验证，矿工们必须解决复杂的密码学难题，利用计算机强大的计算能力大大提高挖矿的成功率。然而为保证这样强大算力的同时，需要大量的电能提供给计算机和冷却系统以保证机器的正常运行。以比特币区块链系统为例，比特币区块链网络的矿工以每秒45万亿个解决方案的速度进行挖矿，利用大量的计算机能力来验证交易。开采加密货币的能源成本超过开采物理金属的成本。可见，密码学的复杂性会造成算力和能源的巨大消耗。

3.1.3 安全挑战

区块链中一个重要的安全问题就是51%攻击。按照区块链的共识机制的原理，当两个矿工同时开采两个不同的区块时，之后随着加入两个区块的后继区块越来越多，形成两条叉链，最终较长的链条将会被验证，短的链条会被废弃。但是如果有人想要恶意篡改数据信息，只需想方设法形成一条更长的叉链即可，那么原来的链条就会被废弃。所以叉链越多，整个系统被攻击的可能性就会越大。另外，如果矿工结群谋私，致使其计算能力占主导位置，对于整个区块链系统的数据篡改是很有可能的。可见，区块链的安全性问题确实亟须解决。

3.1.4 隐私挑战

区块链技术由于其不可篡改性被认为是一种安全的技术，但是以比特币区块链为例，由于交易的进行不需要用户提供真实的身份，只需要使用用户生成的地址即可，并且交易包含相关用户的地址信息是不可篡改的，所以如果一个地址相对应用户的身份信息被泄露，则使用该地址的用户所有交易信息都会被泄露。虽然信息泄露可以通过生成其他多个地址进行身份转移，但是对于用户来说，是否符合用户简便操作的心理需求还有待考证。综上，区块链技术对于用户的隐私并不能提供绝对的保证。

3.2 非技术挑战

除了以上技术本身面临的挑战，区块链技术还面临用户、人才、社会适应、法律监管等方面的挑战。

3.2.1 用户挑战

就目前区块链在各个行业的发展来看，区块链具有非常广泛的应用前景，其去中心化的分布式对等网络促进社会信任问题的解决，智能合约有利于社会向智能化迈进，而且区块链技术作为一种新兴的数字技术有利于数字经济的发展。尽管区块链拥有极好的发展态势，然而对于用户而言，新技术的出现，是否符合个体长期形成的习惯？是否可以更好地满足用户的需求，从而提高用户的体验感和满意度？

3.2.2 人才挑战

无论区块链技术有多么广的应用前景，没有相应的人才推动，区块链技术也是很难发展的，至少发展过程中会受到很大的约束。区块链作为一种新兴的技术，其兴起和发展所需要的人才数量是很庞大的而且杜宇人才的质量要求也比较高，区块链岗位对于人员的技能要求不仅要有GO、python等语言基础，还要熟悉共识算法、密码学、分布式计算、智能合约、数据挖掘等有关技术。可见，技术的复杂性使得与区块链技术相关的人才成为区块链技术未来发展的一大重要挑战。

3.2.3 社会适应挑战

对于技术本身的社会适应性而言，一项技术若想推广并且在各个领域广泛应用，很大程度上需要社会个体对该技术的认知和肯定，大多数具有革命性意义的技术从起初的异端学说到最后成为伟大革命，主要是由于社会对于技术逐步加深的认可程度所决定的，即技术的社会适应性强。就目前区块链技术的发展来看，它很有可能成为下一代革命性的互联网技术，但是要想发挥其本身的优势，还是需要社会和时间来判断该技术与未来社会发展动态是否相适应。

3.2.4 法律监管挑战

在法律监管方面，区块链是21世纪一种新的技术，在改变社会、经济、生活等方面的同时，也必然需要与现有的法律制度进行磨合。尤其是在发展的初始阶段，区块链技术的发展态势还没有明确的定论，而且技术进步与法律规范之间存在时间差，所以法律制度无法对其潜在的法律问题和风险进行制约。另一方面，当技术成为社会的主流时，很有可能会被各种不同的利益个体利用，在一定程度上会挑战现有的法律监管制度，引发一系列的法律问题。

综上，区块链技术面临的技术挑战和非技术挑战将会成为未来区块链技术发展的主要阻力，可见区块链技术未来的发展任重道远。

4 总 结

技术的潮流向来不是一蹴而就的，它是共识程度不断加深的过程。一种新技术从不被接受到最后成为一种常态或者被淘汰，所面临的就是社会对于该技术的共识与认可。随着区块链技术逐渐成为学术界和商业界的研究焦点，对于区块链技术相关的基础理论和技术研究将会不断跟进，区块链技术有望成为一种新的趋势和社会共识。本文介绍了区块链技术的几个重要的技术特征以及该技术未来可能面临的技術和非技术挑战，为以后有关该方向的研究提供指导和借鉴。

主要参考文献

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

[2]林晓轩.区块链技术在金融业的应用[J].中国金融，2016（8）：17-18.

[3]何渝君，龚国成.区块链技术在物联网安全相关领域的研究[J].电信工程技术与标准化，2017，30（5）：12-16.

[4]杨现民，李新，吴焕庆，等.区块链技术在教育领域的应用模式与现实挑战[J].现代远程教育研究，2017（2）：34-45.