區(qū)塊鏈技術(shù)及其應用挑戰(zhàn)研究

陳毅洋

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

[關(guān)鍵詞] 區(qū)塊鏈技術(shù)；分散式；共識機制；挑戰(zhàn)

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(fā)表了一篇名為《比特幣：一種點對點的電子現(xiàn)金系統(tǒng)》的白皮書[1]，首次提出了區(qū)塊鏈的概念。基于區(qū)塊鏈技術(shù)的比特幣系統(tǒng)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(wǎng)絡體系中直接進行交易。比特幣區(qū)塊鏈系統(tǒng)發(fā)布之后，出現(xiàn)了一系列基于區(qū)塊鏈技術(shù)的應用，如金融服務[2]、物聯(lián)網(wǎng)[3]、教育[4]等。區(qū)塊鏈技術(shù)的廣泛應用主要由于其具有優(yōu)良的技術(shù)特征。目前有關(guān)區(qū)塊鏈的研究主要集中在應用方面，而對于技術(shù)本身的分析卻很少。針對這一問題，本文首先介紹了區(qū)塊鏈的分散性、不可篡改性、共識性、加密性等基本的技術(shù)特征，之后從技術(shù)和非技術(shù)方面討論了區(qū)塊鏈技術(shù)未來的應用挑戰(zhàn)，最后對區(qū)塊鏈技術(shù)未來的發(fā)展方向進行了總結(jié)。

2 技術(shù)特征

區(qū)塊鏈本質(zhì)是利用區(qū)塊鏈技術(shù)所形成的共享分布式數(shù)據(jù)庫，其中區(qū)塊鏈技術(shù)是現(xiàn)代密碼學、對等網(wǎng)絡、智能合約等各種先進技術(shù)的集合，其技術(shù)框架主要分為數(shù)據(jù)層、網(wǎng)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(qū)塊鏈技術(shù)可建立一個全網(wǎng)共同維護并且防篡改的數(shù)據(jù)庫來記錄發(fā)生在區(qū)塊鏈上的歷史數(shù)據(jù)。正是由于這些技術(shù)所具有的優(yōu)良性質(zhì)使得區(qū)塊鏈的價值才得以凸顯。區(qū)塊鏈的技術(shù)特征具體如下。

2.1 分布式

區(qū)塊鏈本身是一個分布式的對等（P2P）網(wǎng)絡。之所以是分布式，是由于區(qū)塊鏈的各節(jié)點呈現(xiàn)網(wǎng)狀型的拓撲結(jié)構(gòu)。之所以是對等的，是由于各節(jié)點在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡體系中的地位是對等的。之所以是網(wǎng)絡，是由于不存在中央節(jié)點和層級結(jié)構(gòu)。以比特幣區(qū)塊鏈系統(tǒng)為例，它作為典型的分布式P2P網(wǎng)絡，由眾多分散的用戶節(jié)點組成，而區(qū)塊鏈各節(jié)點的拓撲結(jié)構(gòu)決定了其分布式的特征和對等網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)。另外，區(qū)塊鏈系統(tǒng)的分布式特性，使得區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的任何一個區(qū)塊被破壞都不會導致整個系統(tǒng)的崩潰，所以區(qū)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(qū)塊鏈的不可篡改性一方面是由于區(qū)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(gòu)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(qū)塊鏈增加了時間的維度，只要事件被記載入?yún)^(qū)塊中，該區(qū)塊就被加蓋時間戳的標識，使得區(qū)塊鏈中的各區(qū)塊形成以時間為標識符的事件鏈條，增強數(shù)據(jù)的透明性。另一方面是由于51%攻擊。如果要篡改區(qū)塊鏈中的區(qū)塊信息，需要篡改整個區(qū)塊鏈系統(tǒng)至少51%的區(qū)塊信息，這種操作在節(jié)點數(shù)量很龐大的區(qū)塊鏈系統(tǒng)中幾乎是不可能的，為區(qū)塊鏈中的區(qū)塊數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)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(qū)塊鏈運用了大量的現(xiàn)代密碼學技術(shù)，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(shù)為基礎(chǔ)形成的，主要用于數(shù)字簽名和交易信息加密，哈希函數(shù)要求在現(xiàn)有的計算資源下，將數(shù)據(jù)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(jié)點上的數(shù)據(jù)是區(qū)塊數(shù)據(jù)的哈希值，非葉子節(jié)點的值為以該節(jié)點為根節(jié)點的所有子節(jié)點串聯(lián)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(zhuǎn)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(fā)出信息，A用B的公鑰對信息內(nèi)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(fā)的信息內(nèi)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(zhàn)

區(qū)塊鏈技術(shù)目從金融領(lǐng)域起步到現(xiàn)在非金融領(lǐng)域的興起，目前全球許多國家都將該技術(shù)應用到具體的項目。表1展示了區(qū)塊鏈技術(shù)的幾個代表性應用領(lǐng)域。

區(qū)塊鏈技術(shù)作為一種新興的技術(shù)，在眾多領(lǐng)域推廣并且應用的同時，也面臨著諸多的挑戰(zhàn)。以下我們將從技術(shù)和非技術(shù)兩方面挑戰(zhàn)進行分析。

3.1 技術(shù)挑戰(zhàn)

3.1.1 拓展挑戰(zhàn)

區(qū)塊鏈技術(shù)為了驗證數(shù)據(jù)，必須存儲所有的數(shù)據(jù)信息，但隨著事務量的增大，加入?yún)^(qū)塊鏈中的區(qū)塊會越來越多，導致整個區(qū)塊鏈系統(tǒng)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(qū)塊數(shù)量的增加，驗證區(qū)塊信息同樣需要更多的時間，每秒處理的數(shù)據(jù)量無法滿足實時處理數(shù)百萬計的交易需求，從而產(chǎn)生更大的成本。以太坊創(chuàng)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(qū)塊鏈的分布式特性是區(qū)塊鏈去中心化的重要保證，所以可拓展性問題將是區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展的一大重要挑戰(zhàn)。

3.1.2 能源挑戰(zhàn)

為了挖掘區(qū)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(tǒng)以保證機器的正常運行。以比特幣區(qū)塊鏈系統(tǒng)為例，比特幣區(qū)塊鏈網(wǎng)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(zhàn)

區(qū)塊鏈中一個重要的安全問題就是51%攻擊。按照區(qū)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(qū)塊時，之后隨著加入兩個區(qū)塊的后繼區(qū)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(shù)據(jù)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(tǒng)被攻擊的可能性就會越大。另外，如果礦工結(jié)群謀私，致使其計算能力占主導位置，對于整個區(qū)塊鏈系統(tǒng)的數(shù)據(jù)篡改是很有可能的。可見，區(qū)塊鏈的安全性問題確實亟須解決。

3.1.4 隱私挑戰(zhàn)

區(qū)塊鏈技術(shù)由于其不可篡改性被認為是一種安全的技術(shù)，但是以比特幣區(qū)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(guān)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(zhuǎn)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(qū)塊鏈技術(shù)對于用戶的隱私并不能提供絕對的保證。

3.2 非技術(shù)挑戰(zhàn)

除了以上技術(shù)本身面臨的挑戰(zhàn)，區(qū)塊鏈技術(shù)還面臨用戶、人才、社會適應、法律監(jiān)管等方面的挑戰(zhàn)。

3.2.1 用戶挑戰(zhàn)

就目前區(qū)塊鏈在各個行業(yè)的發(fā)展來看，區(qū)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(wǎng)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(qū)塊鏈技術(shù)作為一種新興的數(shù)字技術(shù)有利于數(shù)字經(jīng)濟的發(fā)展。盡管區(qū)塊鏈擁有極好的發(fā)展態(tài)勢，然而對于用戶而言，新技術(shù)的出現(xiàn)，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(zhàn)

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

3.2.3 社會適應挑戰(zhàn)

對于技術(shù)本身的社會適應性而言，一項技術(shù)若想推廣并且在各個領(lǐng)域廣泛應用，很大程度上需要社會個體對該技術(shù)的認知和肯定，大多數(shù)具有革命性意義的技術(shù)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(shù)逐步加深的認可程度所決定的，即技術(shù)的社會適應性強。就目前區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展來看，它很有可能成為下一代革命性的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，但是要想發(fā)揮其本身的優(yōu)勢，還是需要社會和時間來判斷該技術(shù)與未來社會發(fā)展動態(tài)是否相適應。

3.2.4 法律監(jiān)管挑戰(zhàn)

在法律監(jiān)管方面，區(qū)塊鏈是21世紀一種新的技術(shù)，在改變社會、經(jīng)濟、生活等方面的同時，也必然需要與現(xiàn)有的法律制度進行磨合。尤其是在發(fā)展的初始階段，區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢還沒有明確的定論，而且技術(shù)進步與法律規(guī)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(shù)成為社會的主流時，很有可能會被各種不同的利益?zhèn)€體利用，在一定程度上會挑戰(zhàn)現(xiàn)有的法律監(jiān)管制度，引發(fā)一系列的法律問題。

綜上，區(qū)塊鏈技術(shù)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和非技術(shù)挑戰(zhàn)將會成為未來區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展的主要阻力，可見區(qū)塊鏈技術(shù)未來的發(fā)展任重道遠。

4 總 結(jié)

技術(shù)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(shù)從不被接受到最后成為一種常態(tài)或者被淘汰，所面臨的就是社會對于該技術(shù)的共識與認可。隨著區(qū)塊鏈技術(shù)逐漸成為學術(shù)界和商業(yè)界的研究焦點，對于區(qū)塊鏈技術(shù)相關(guān)的基礎(chǔ)理論和技術(shù)研究將會不斷跟進，區(qū)塊鏈技術(shù)有望成為一種新的趨勢和社會共識。本文介紹了區(qū)塊鏈技術(shù)的幾個重要的技術(shù)特征以及該技術(shù)未來可能面臨的技術(shù)和非技術(shù)挑戰(zhàn)，為以后有關(guān)該方向的研究提供指導和借鑒。

主要參考文獻

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