区块链存在的问题及对策

本文选自《中国科学基金》，Vol. 2020年第34期第1期

《区块链技术与应用》

区块链存在的问题及对策

刘哲1、2*郑子斌3宋素1张兆天1

1. 国家自然科学基金委员会信息科学部，北京

2. 南京航空航天大学计算机科学与技术学院，南京

3. 中山大学数据科学与计算机学院，广州

摘要：本文从区块链可扩展性、安全与隐私保护、区块链监管审计、智能合约开发与保护四个方面分析总结了区块链当前存在的问题，阐述了解决相关问题的研究依据。理论与关键技术；进一步探讨区块链技术的发展趋势和影响；最后给出了对策和建议。

关键词：前沿信息技术；区块链；关键技术；发展趋势；对策与建议

为深入贯彻习近平总书记在中央政治局第十八次集体学习中强调的“关于区块链技术，要加强基础研究，提高原始创新能力”的重要讲话精神。系分别于 2019 年 11 月 1 日和 11 月 22 日召开了区块链基础理论与关键技术研讨会。本文基于这两次会议的讨论，分析了区块链技术的现状和发展趋势，提出了促进区块链技术发展的对策和建议。

1 区块链技术存在的问题及关键技术

区块链具有数据透明、不可篡改、多方可验证等优势，这些优势使其具有广阔的应用前景。但是，当前的区块链技术仍存在以下亟待解决的问题：

1.1 可扩展性问题

区块链的可扩展性是区块链领域的一个重要研究问题。以比特币为例，可以通过增加系统的区块大小或缩短出块时间来提高系统的吞吐率。然而，这种扩展方案有一个上限，受网络延迟等因素的限制[1]。如果仅仅通过增加某个指标来提高区块链系统的吞吐率，即使在实验环境中，吞吐率的提升也远远不能满足需求，因此比特币系统的可扩展性很差。在目前主流的区块链系统中，能够实现无限扩展的寥寥无几[2]。为了让区块链系统在未来能够承担大量的交易和去中心化应用，在考虑去中心化和安全性的同时，需要实现可扩展的高性能区块链系统[3]。其关键技术包括：

(1）区块链共识机制。区块链的本质特征是在多方协作环境下达成共识。现有的共识机制难以满足大规模网络节点下的高吞吐量和低延迟的需求，需要研究和创新区块链共识机制。

(2）区块链分片技术。分片是解决区块链扩容问题的主要技术手段。它是从传统数据库扩展而来的，包括网络分片、交易分片、状态分片。

(3）区块链跨链交易技术。研究多个区块链项目之间的跨链交易技术，例如公证人机制、哈希锁定、分布式私钥控制、跨链智能合约框架等，可以提高区块链系统之间的互操作性。

(4）松耦合数据结构设计。解耦区块链应用场景与底层交易结构和类型，实现不同应用场景下统一高效的交易处理；优化区块链底层Merkle树，实现系统的高效组织和更新账户、交易和状态；改进的区块链组织和存储结构，便于追溯和高效查询。

(5）区块链密码算法更新。在有敌手的真实环境中，通过周期性地更新新旧密钥下相同消息的密文，达到加密和更新的不可区分性，从而在在安全可靠的前提下，可以达到高效扩展区块链的目的。

(6）链下扩容技术。区块链的链上容量相对有限。通过将一些链上动作移出链外区块链技术发展现状和趋势，可以提高区块链的效率，比如状态通道、闪电网络等技术。一般来说，这些技术通过牺牲一定的可用性来提高计算和存储的可扩展性。

1.2 安全和隐私保护问题

区块链的安全包括系统安全和信息安全两个方面。区块链系统的安全问题可能出现在三个不同的层面：一是网络层，即底层点对点网络的安全。方式），这会使特定节点无法正常工作 [4,5]。二是共识层，即共识机制本身的安全性。例如，使用工作量证明的区块链中的 51% 算力攻击可以通过获得大量算力来控制特定时期内网络块的打包 [6]。第三是智能合约层，即区块链上智能合约代码的漏洞，比如以太坊的DAO事件，这在当时造成了数千万美元的加密货币损失 [7]。区块链信息安全的核心是确保系统内用户的各种隐私得到有效保护。区块链隐私保护的关键是在不影响去中心化的前提下，确保用户的隐私不会因为公开交易而暴露。在现有的公链系统中，隐私问题是一个重要的挑战。以比特币为例，虽然地址是匿名的，但在与其他实体的交互过程中很容易被反匿名化，导致用户交易记录的隐私泄露[8]。为实现区块链的安全和隐私保护，需要攻克的关键技术包括：区块链信息安全的核心是确保系统内用户的各种隐私得到有效保护。区块链隐私保护的关键是在不影响去中心化的前提下，确保用户的隐私不会因为公开交易而暴露。在现有的公链系统中，隐私问题是一个重要的挑战。以比特币为例，虽然地址是匿名的，但在与其他实体的交互过程中很容易被反匿名化，导致用户交易记录的隐私泄露[8]。为实现区块链的安全和隐私保护，需要攻克的关键技术包括：区块链信息安全的核心是确保系统内用户的各种隐私得到有效保护。区块链隐私保护的关键是在不影响去中心化的前提下，确保用户的隐私不会因为公开交易而暴露。在现有的公链系统中，隐私问题是一个重要的挑战。以比特币为例，虽然地址是匿名的，但在与其他实体的交互过程中很容易被反匿名化，导致用户交易记录的隐私泄露[8]。为实现区块链的安全和隐私保护，需要攻克的关键技术包括：区块链隐私保护的关键是在不影响去中心化的前提下，确保用户的隐私不会因为公开交易而暴露。在现有的公链系统中，隐私问题是一个重要的挑战。以比特币为例，虽然地址是匿名的，但在与其他实体的交互过程中很容易被反匿名化，导致用户交易记录的隐私泄露[8]。为实现区块链的安全和隐私保护，需要攻克的关键技术包括：区块链隐私保护的关键是在不影响去中心化的前提下，确保用户的隐私不会因为公开交易而暴露。在现有的公链系统中，隐私问题是一个重要的挑战。以比特币为例，虽然地址是匿名的，但在与其他实体的交互过程中很容易被反匿名化，导致用户交易记录的隐私泄露[8]。为实现区块链的安全和隐私保护，需要攻克的关键技术包括：虽然地址是匿名的，但在与其他实体的交互过程中很容易被反匿名化，导致用户交易记录的隐私泄露[8]。为实现区块链的安全和隐私保护，需要攻克的关键技术包括：虽然地址是匿名的，但在与其他实体的交互过程中很容易被反匿名化，导致用户交易记录的隐私泄露[8]。为实现区块链的安全和隐私保护，需要攻克的关键技术包括：

(1）密码算法和安全协议。密码算法是区块链系统的基石。研究点包括满足区块链系统需求的关键安全存储和保护技术、数字签名、零知识证明、安全多重- 方计算。等等。

(2）可信身份协同管理技术。区块链身份协同管理技术包括跨链、链上、链下用户身份信用评估、认证、检测和管理机制，保障交易安全。 .

（3）数据隐私保护技术。包括不同形态区块链系统的数据隐私保护方法、交易层数据隐私保护机制等，保证区块链节点数据的安全，保证数据易于访问维持。

（4）用户身份隐私保护技术。区块链用户的个人数据隐私保护机制是区块链广泛应用的关键，可以避免用户身份泄露造成的用户流失。

1.3 区块链监管审计问题

由于区块链上的用户是匿名的，信息不可篡改，如何对链上的行为和数据进行“审计”，保证系统的健康发展，是区块链技术的重要课题。区块链的监督审计可以通过对区块链数据的分析，及时识别用户行为，对违法行为进行预警，如欺诈行为、链上数据异常行为等[9,10]。以比特币为代表的区块链采用了新的隐私模式，即交易细节完全公开，用户匿名。此外，比特币区块链系统包含大量用户数据，这些数据是公开的，为研究人员挖掘和分析区块链数据提供了前所未有的机会。然而，由于用户匿名和去中心化组织，用户在系统中的行为不可控，区块链生态还缺乏有效的监督。区块链平台已成为各种网络犯罪的高发地[11-13]。因此，做好对违法行为的预警是进一步完善区块链生态的必要条件。区块链监管审计的关键技术包括：做好违法行为预警是进一步完善区块链生态的必要条件。区块链监管审计的关键技术包括：做好违法行为预警是进一步完善区块链生态的必要条件。区块链监管审计的关键技术包括：

(1）交易溯源技术。追踪区块链的交易行为，对恶意或异常交易进行追踪和可视化，确保交易行为健康可持续发展。

（2）异常交易检测技术。检测区块链上的异常或非法交易，及时预警，实现区块链的风控和安全管理。

(3）非法行为识别技术。识别区块链交易欺诈、合约欺诈、赌博欺诈等违法行为，实现实时监控，及时发现恶意用户或节点，保障区块链安全运行。

（4）用户身份推测与追踪技术。针对有异常或违法行为的用户，推测其身份并追踪其轨迹，为打击网络犯罪提供追踪信息，减少使用区块链犯罪。

1.4 区块链智能合约开发与安全问题

总的来说，区块链智能合约的出现标志着区块链2.0时代的到来。凭借区块链的去中心化和不可篡改的特性，区块链智能合约可以用来承载去中心化的应用。然而，目前智能合约的发展面临着诸多问题，例如缺乏统一的平台语言，以及合约存在漏洞导致巨大经济损失的可能性[14, 15]。因此，高效开发安全可靠的智能合约是推动区块链技术应用发展的重要因素[16]。涉及的关键技术包括：

(1）合约一致性证明。保证智能合约与用户期望的一致性，保证合约按照用户要求准确执行。

(2）合约设计与开发。在智能合约开发过程中，优化其开发、编译、部署和运行，设计高效的智能合约，降低计算消耗，节省合约资源开销。

(3）合约漏洞检测技术。在部署前对智能合约进行安全漏洞检测，包括验证技术、测试技术等，防止合约被恶意攻击。

(4）合约可靠性保障技术。提高智能合约软件代码的可靠性，保证区块链系统中合约的稳定运行。

2 发展趋势及影响分析

区块链目前处于发展初期，具有以下发展趋势和影响：

（1）打造全新的信息基础设施，实现价值互联。随着区块链技术在各个行业的应用，区块链技术将成为个人和企业信息、资产、交易的纽带，重要支撑链上的各种服务，进而发展成为重要的社会信息化基础设施，实现基于区块链的价值互联和流通。

（2）打通数据孤岛，提升社会效率。大数据时代，数据成为重要资产。然而，数据孤岛问题却成为数据发挥价值的绊脚石。区块链技术结合分布式机器学习、隐私计算等，技术手段有望成为在保护用户隐私的前提下，突破数据孤岛，实现数据融合计算的重要支撑工具，数据孤岛的破除将极大释放价值数据，提高社会效率。

（3）重构信任格局，重塑行业形象。目前部分领域存在企业和行业公信力不足的问题，制约了行业的发展。区块链技术具有以下特点易溯源、不可篡改，结合其他辅助手段，重构社会信任关系格局，将公众对企业的信任转化为政府可以监督、群众可以参与的区块链技术的信任，重塑社会信任。行业形象。

（4）应用金融领域推动科技发展。区块链不可篡改和解决信任问题的特性使其在金融领域具有天然优势，能够很好地解决多方协同记账问题，可以为数字货币和数字资产提供底层技术支持，也可以推动金融产品交易、保险、普惠金融、金融监管等方向的发展。

(5）服务政府部门，提升管理能力。除了商业应用，区块链在政府部门的流程优化中也有很大的应用空间。对于政府部门来说，安全是政务执行和执行的基本条件。各种任务的正常运行，包括通信安全、数据安全、信息安全等。区块链技术可以为链上信息提供溯源依据，从而保证网络上数据和信息的可信度和可靠性。区块链有望成为推动国家治理体系和治理能力现代化的有力工具。

（6）改革中介行业，推动新业态诞生。一些中介行业之所以存在，主要是为了创造一个中心化的平台，利用信息不对称来获利。随着区块链技术的发展和大众对技术的理解，接受，区块链技术，具有去中介化的特点，结合人工智能等技术，将首先替代一些低价值的中介行业，进而实现中介行业的转型。企业可能天生就有场景和服务模式。

(7）革新法律行业，更新监管模式。区块链以其分布式、不可篡改、可追溯等特点，成功应用于司法证据。随着区块链技术的发展和行业应用的推广，未来法律行业将面临新的取证形式，围绕区块链数据的法律服务将成为法律行业的重要组成部分。对区块链数据未来将成为国家监管的重要组成部分，现有的监管体系结合区块链技术将创造一种新的监管模式，推动社会进步。基于区块链技术的监管方式发展和创新监管模式将成为重要的研究课题。

3 对策与建议

为推动我国区块链技术发展，占领技术制高点，本文提出以下对策和建议：

（1）培育自主可控的区块链系统，建立区块链生态优势。区块链有机会成为未来的商业基础设施。我国需要大力推进自主可控的区块链系统研发，并进行核心技术攻关，推进开源区块链社区建设，丰富国内区块链应用生态，占领创新制高点，获得新的产业优势。

（2）平衡各方利益，推动产业变革。目前联盟区块链虽然在各个行业都有一定的应用，但要取代原有的商业模式还有巨大的距离。原因很大程度上是以上就是行业既得利益者不愿意参与，因为以区块链为代表的分布式商业模式会减少寡头和中介的既得利益，我们可以从政府的角度考虑支持建立产业联盟，推动实施新商业模式，政府牵头平衡各方利益，推动产业变革。

（3）鼓励开源社区，推动技术发展。开源代码是技术发展的重要手段。虽然国内部分区块链技术产品已经开源，但仍有很大的开放空间。大量的闭源软件限制了技术发展和创新的速度，国家可以鼓励区块链开源社区的发展，比如对开源社区提供资金支持，鼓励开源社区交流活动等，促进开源和区块链技术创新。

三是提前防范Libra等超主权。货币对我国货币政策和支付体系的影响要提前规划。

（5）协调法规和标准，构建符合国情的区块链体系。区块链技术具有永久记录的特点，与我国现行法律中信息保护的“被遗忘权”相矛盾；以及现有的金融法律法规不能适用于基于区块链的分布式商业金融行为，因此需要根据国家现有国情，协调好各种政策法规、行业技术标准与区块链的关系。 ，在保障人民权益的同时，促进区块链技术的合理发展。

（6）设立专项基金，推动区块链基础理论和核心技术的研发。目前，各地都出台了区块链扶持政策，其中大部分是从区块链创业公司的角度对各类区块链初创企业进行激励和补贴。但我国区块链技术基础理论研究和关键技术研究还比较薄弱，需要重点突破。支持突破区块链基础理论和关键技术，促进产学研协调健康发展。

4 致谢

感谢研讨会各位专家和领导提出的建设性意见，为本文提供了很好的素材。

参考

[1] 博诺 J、米勒 A、克拉克 J 等人。Sok：比特币和加密货币的研究观点和挑战//2015 年 IEEE 安全和隐私研讨会论文集。2015：104—121.

[2]潘C，刘Z，刘Z，等。区块链技术可扩展性研究：问题与方法。计算机研究与发展学报, 2018, 55(10): 2099—2110.

[3]Ethereum.Sharding——FAQs[EB/OL].FAQs.

[4] Otte P、De Vos M、Pouwelse J. TrustChain：抗女巫攻击的可扩展区块链。下一代计算机系统，Elsevier，2017.

[5] Efanov D, Roschin P. 区块链技术的普遍性。Procedia 计算机科学, 2018, 123: 116—121.

[6] 李雪，江平，陈涛，等。区块链系统安全性调查。下一代计算机系统区块链技术发展现状和趋势，2017.

[7] Atzei N, Bartoletti M, Cimoli T. 对以太坊智能合约 (sok) 安全与信任原则国际会议攻击的调查。2017：164—186.

[8] Meiklejohn S、Pomarole M、Jordan G 等人。一把比特币：描述无名男性的支付特征//2013 年互联网测量会议论文集。2013：127—140.

[9] Vasek M, Moore T. 即使使用比特币，也没有免费的午餐：追踪虚拟货币诈骗的流行度和利润//金融密码学和数据安全国际会议。2015, 8975: 44—61.@ >

[10] Chen W, Zheng Z. 区块链数据分析：现状趋势与挑战回顾。计算机研究与发展, 2018, 55(9): 1853—1870.

[11] Lischke M, Fabian B. 分析比特币网络：前四年。未来互联网, 2016, 8(4): 7.

[12] Tasca P, Hayes A, Liu S. 比特币经济的演变：提取和分析支付关系网络。风险金融学报, 2018, 19(2): 94—126.@ >

[13] 陈伟，郑志，崔杰，等。检测以太坊上的庞氏骗局：走向更健康的区块链。2018 年万维网会议技术论文集。2018：1409—1418.

[14] Chatterjee K, Goharshady AK, Velner Y. 智能合约的定量分析。欧洲编程研讨会。湛：施普林格国际出版社，2018：739—767.

[15]黄毅，孔Q，贾N，等。推荐差异化代码支持智能合约更新。第 27 届国际程序理解会议论文集。IEEE 出版社，2019：260—270.

[16] Weiqin Z，David L，Pavneet Singh K，等。智能合约开发：挑战与机遇。IEEE 软件工程汇刊，2019.

关于作者

刘哲，南京航空航天大学教授、博士生导师，国家青年专家。主要研究领域为密码学、密码工程、物联网安全、区块链等。发表学术会议和期刊文章80余篇。曾获得卢森堡国家自然科学基金、自然科学基金等多项研究项目。曾担任多个安全与密码学学术期刊的编委，并应国际密码学学会邀请担任密码学工程顶级会议CHES 2020大会的主席。