## 关键技术和挑战

从技术角度讲，区块链涉及到的领域比较杂，包括分布式、存储、密码学、心理学、经济学、博弈论、网络协议等，下面列出了目前认为有待解决或改进的关键技术点。

### 密码学技术

怎么防止交易记录被篡改？

怎么证明交易方的身份？

怎么保护交易双方的隐私？

密码学正是要提供解决这些问题的有效手段。传统方案包括 hash 算法，加解密算法，数字证书和签名(盲签名、环签名)等。区块链技术的应用将可能刺激密码学的进一步发展，包括随机数的产生、安全强度、加解密处理的性能等。量子计算等新技术的出现，让 RSA 算法等已经无法提供足够的安全性。

这将依赖于数学科学的进一步发展和新一代计算技术的突破。

*注：[SONY PS3 私钥被破解事件](https://groups.google.com/forum/?fromgroups=#!topic/sci.crypt/3isJl28Slrw) 再次证明，即便足够安全的算法，如果没有被恰当的使用，都只是纸上谈兵。*

### 分布式共识

这是个古老的话题，已有大量的研究成果（Paxos、拜占庭等）。

核心在于如何解决某个变更在网络中是一致的，是被大家都承认的，同时这个信息是被确定的，不可推翻的。该问题在公开匿名场景下和带权限管理的场景下需求差异较大。

比特币区块链考虑的是公开匿名场景下的最坏保证。引入了“工作量证明”（Proof of Work）策略来规避少数人恶意破坏数据，并通过概率模型保证最后大家看到的就是合法的最长链。此外，还有以权益为抵押的 PoS、DPoS 和 Casper 等。这些算法在思想上都是基于经济利益的博弈，让恶意破坏的参与者损失经济利益，从而保证大部分人的合作。同时，确认必须经过多个区块的生成之后从概率学上进行保证。

更广泛的区块链技术支持更多的共识机制，包括经典的拜占庭算法等，可以解决确定性的问题。

共识问题在很长一段时间内都将是极具学术价值的研究热点，核心的指标将包括容错的节点比例和收敛速度。PoW 等系列算法理论上允许少于一半的不合作节点，PBFT 等算法理论上允许不超过 $$\frac{1}{3}$$ 的不合作节点。

### 处理性能

如何提高交易的吞吐量，同时降低交易的确认延迟。

目前，公开的比特币区块链只能支持平均每秒约 7 笔的吞吐量，一般认为对于大额交易来说，安全的交易确认时间为一个小时。小额交易只要确认被广播到网络中并带有交易服务费用，即有较大概率被最终打包到区块中。

区块链系统跟传统分布式系统不同，其处理性能无法通过单纯增加节点数来进行扩展，实际上，很大程度上取决于单个节点的处理能力。**高性能、安全、稳定性、硬件辅助加解密能力**，都将是考察节点性能的核心要素。

一方面可以将单个节点采用高性能的处理硬件，同时设计优化的策略和算法，提高性能；另外一方面将大量高频的交易放到链外来，只用区块链记录最终交易信息，如 [闪电网络](https://lightning.network/lightning-network-paper.pdf) 等。类似的，侧链（side chain）、影子链（shadow chain）等的思路在当前阶段也有一定的借鉴意义。类似设计可以很容易的将交易性能提升 1-2 个数量级。此外，如果采用联盟链的方式，在一定的信任前提和利益约束下优化设计，也可以换来性能的提升。

目前，开源区块链自身在平台层面已经实现普通配置，单客户端每秒数百次的交易吞吐量（参考后面的 [性能评测数据](https://github.com/yeasy/blockchain_guide/blob/master/hyperledger)），乐观预测将很快突破每秒数千次的基准线，但离现有证券交易系统的每秒数万笔的峰值还是有较大差距。

另外，从工程设计和平台部署上，都存在一些可以优化的地方。

*注：VISA 系统的处理均值为 2000 tps，号称的峰值为 56,000 tps；某支付系统的处理峰值超过了 85,000 tps；某证券交易所号称的处理均（峰）值在 80,000 tps 左右。*

### 扩展性

常见的分布式系统，可以通过增加节点来扩展整个系统的处理能力。

对于区块链网络系统来说，这个问题并非那么简单。

网络中每个参与维护的核心节点都要保持一份完整的存储，并且进行智能合约的处理。因此，整个网络的总存储和计算能力，取决于单个节点。甚至当网络中节点数过多时，可能会因为一致性的达成过程延迟降低整个网络的性能。尤其在公有网络中，由于大量低质量处理节点的存在问题将更明显。

比较直接的一些思路，是放松对每个节点都必须参与完整处理的限制（但至少部分节点要能合作完成完整的处理），这个思路已经在超级账本中启用；同时尽量减少核心层的处理工作。

在联盟链模式下，还可以专门采用高性能的节点作为核心节点，用相对较弱的节点作为代理访问节点。

### 系统安全

区块链目前最热门的应用前景是金融相关的服务，安全自然是讨论最多、挑战最大的话题。

区块链在设计上基于现有的成熟的密码学算法。但这是否就能确保其安全呢？

**世界上并没有绝对安全的系统。**

系统是由人设计的，系统也是由人来运营的，只要有人参与的系统，就容易出现漏洞。

*可以参考，著名黑客米特尼克所著的《反欺骗的艺术——世界传奇黑客的经历分享》，介绍了大量的实际社交工程欺骗场景。*

有如下几个方面是很难逃避的。

首先是立法。对区块链系统如何进行监管？攻击区块链系统是否属于犯罪？攻击银行系统是要承担后果的。但是目前还没有任何法律保护区块链以及基于它的实现。

其次是软件实现的潜在漏洞是无法避免的。考虑到使用了几十年的 openssl 还带着那么低级的漏洞（[heart bleeding](https://heartbleed.com/)），而且是源代码就在大家眼皮底下。这背后曾经发生过啥，让人遐想连篇。对于金融系统来说，无论客户端还是平台侧，即便是很小的漏洞都可能造成难以估计的损失。

另外，公有区块链所有交易记录都是公开可见的。搞大数据的人听了是不是开始激动起来了，确实，这里面能分析的东西还真不少，而且规模够大、影响力够大……实际上，已有文献证明，比特币区块链的交易记录最终是能追踪到用户的。

还有就是作为一套完全的分布式系统，公有的区块链缺乏有效的调整机制，一旦运行起来，出现问题也难以修正。即使是让它变得更公平、更完善的修改，只要有部分既得利益者合起来反对，那就无法加入进去。这让比特币本身的价值也蒙上了一层阴影。

此外，运行在区块链上的智能合约应用可能是五花八门的，必须要有办法进行安全管控，在注册和运行前需要有机制进行探测，以规避恶意代码的破坏。

2016 年 6 月 17 日，发生 [DAO 系统漏洞被利用](https://blog.daohub.org/the-dao-is-under-attack-8d18ca45011b) 事件，直接导致价值 6000 万美元的数字货币被利用者获取。尽管对于这件事情的反思还在进行中，但事实再次证明，目前基于区块链技术进行生产应用时，务必要细心谨慎地进行设计和验证。

### 数据库和存储系统

区块链网络中的块信息需要写到数据库中进行存储。

观察区块链的应用，大量的写操作、hash 计算和验证操作，跟传统数据库的行为十分不同。

当年，人们观察到互联网应用大量非事务性的查询操作，而设计了非关系型（NoSql）数据库。那么，针对区块链应用的这些特点，是否可以设计出一些特殊的针对性的数据库呢？

levelDB、RocksDB 等键值数据库，具备很高的随机写和顺序读\/写性能，以及相对较差随机读的性能，被广泛应用到了区块链信息存储中。但目前来看，面向区块链的数据库技术仍然是需要突破的技术难点之一。

笔者认为，未来将可能出现更具针对性的“块数据库（BlockDB）”，专门服务类似区块链这样的新型数据业务，其中每条记录将包括一个完整的区块信息，并天然地跟历史信息进行关联，一旦写入确认无法修改。所有操作的最小单位将是一个块。

### 可集成性

在相当长的一段时间内，基于区块链的新业务系统将与已有的中心化系统共存。

两种系统如何共存，如何分工，彼此的业务交易如何进行传递？

这些都是很迫切的问题。这个问题解决不好，将是区块链技术落地的很大阻碍。

### 其它

区块链提供的新应用和新的业务场景，也带来了对很多具体的运营问题。

例如：

* 智能合约的合法性、安全性和可执行性；
* 如何将现实中的合约和条约对应为电子合约；
* 分布式系统的伸缩可靠性和数据迁移；
* 对存储系统新的挑战，特别是性能。