关键问题和挑战

从技术角度讲，区块链所涉及到的领域比较繁杂，包括分布式系统、密码学、心理学、经济学、博弈论、控制论、网络协议等，这也意味着工程实践中大量的挑战。

下面列出了目前业界关注较多的一些技术话题。

隐私保护

隐私保护一直是分布式系统领域十分关键的问题。在分布式场景下，因为缺乏独立的管理机制，参与网络的各方无法保证严格遵守协议，甚至会故意试图获取网络中他人的数据，这些行为都很难进行约束。

而分布式账本要在共享协同信息和隐私保护之间达到合适的平衡，是个不小的挑战。特别随着公有账本系统屡屡出现安全漏洞，动辄造成数千万美金的风险；随着欧盟《通用数据保护条例》（General Data Protection Regulation，GDPR）的落地，隐私保护的合规要求愈加严格；传统的信息安全技术、形式化验证技术在应对新的需求时暴露出实践性不强的缺陷，都亟待解决。

尤其以医疗健康领域，对数据的隐私性需求最为强烈，要求严格控制数据的来源、所有权和使用范围，传统手段很难满足这些特性，需要有机结合零知识证明、同态加密等新的密码学手段。而这些新技术在实际应用中还存在不少问题。

分布式共识

共识是分布式系统领域经典的技术难题，学术界和业界都已有大量的研究成果（包括 Paxos、拜占庭系列算法等）。

问题的核心在于确保某个变更在分布式网络中得到一致的执行结果，是被参与多方都承认的，同时这个信息是不可推翻的。

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，从而导致了基于概率的算法和确定性算法两类思想。

最初，比特币区块链考虑的是公开匿名场景下的最坏保证。通过引入了“工作量证明”（Proof of Work）策略来规避少数人的恶意行为，并通过概率模型保证最后参与方共识到最长链。算法的核心思想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达成，从概率上进行保证。这类算法的主要问题在于效率的低下和能源的浪费。类似地，还有以权益为抵押的 PoS 和 DPoS 算法等。

后来更多的区块链技术（如超级账本）在带权限许可的场景下，开始考虑支持更多的确定性的共识机制，包括经典的拜占庭算法等，可以解决快速确认的问题。

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、决策收敛速度、出错后的恢复、动态特性等。PoW 等基于概率的系列算法理论上允许少于一半的不合作节点，PBFT 等确定性算法理论上则允许不超过 1/3 的不合作节点。

交易性能

一般情况下，区块链并不适用于高频交易的场景，但由于金融系统的需求，业界目前也十分关心如何尽量提高区块链系统的交易性能，包括吞吐量和确认延迟两个方面。

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，安全的交易确认时间为一个小时左右。以太坊区块链的吞吐量略高一些能到几十笔每秒，但交易性能也被认为是较大的瓶颈。2017 年底一款名为 CryptoKitties 的游戏应用造成以太坊网络的严重堵塞。

这种场景下，为了提高处理性能，一方面可以提升单个节点的性能（如采用高配置的硬件），同时设计优化的策略和算法，提高性能；另外一方面可将交易处理卸载（off-load）到链下。只用区块链记录最终交易信息，如比特币社区提出的 闪电网络 等设计。类似地，侧链（side chain）、影子链（shadow chain）等思路在当前阶段也有一定的借鉴意义。类似设计可将整体性能提升 1~2 个数量级。

联盟链场景下，参与多方存在一定的信任前提和利益约束，可以采取更优化的设计，换来性能的提升。以超级账本 Fabric 项目为例，在普通虚拟机配置下，单客户端每秒可以达到数百次（Transactions per second，tps）的交易吞吐量；在有一定工程优化或硬件加速情况下可以达到每秒数千次的吞吐量。

客观地说，目前开源区块链系统已经可以满足不少应用场景的性能需求，但离大规模交易系统每秒稳定数万笔的吞吐性能还有较大差距。

注：据公开的数据，VISA 系统的处理均值为 2,000 tps，峰值为 56,000 tps；某金融支付系统的处理峰值超过了 85,000 tps；某大型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，可以通过横向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，跟传统分布式系统不同，这个问题往往并非那么简单。实际上，大部分区块链系统的性能，很大程度上取决于单个节点的处理能力。对这些系统来说，节点需要满足 高性能、安全、稳定、硬件辅助加解密能力。

例如，对于比特币和以太坊区块链而言，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。此时，整个网络的总存储和计算能力，取决于单个节点的能力。甚至当网络中节点数过多时，可能会因为共识延迟而降低整个网络的性能。尤其在公有网络中，由于大量低性能处理节点的存在，问题将更加明显。

要解决这个问题，根本上是放松对每个节点都必须参与完整处理的限制（当然，网络中节点要能合作完成完整的处理），这个思路已经在超级账本等项目中得到应用；同时尽量减少核心层的处理工作，甚至采用多层处理结构来分散交易。

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。

另外，未来必然会涉及到不同账本之间互通的需求（跨链）。目前无论是基于公证人（Notary）、侧链/中继链锚定（Sidechains / Relays）还是哈希锁定（Hash-locking）机制，在实践中仍存在一些不足。公证人机制往往需要依赖第三方的公证人，存在中心化的弱点；侧链/中继链锚定机制目前应用在资产类转移场景，依赖不同链之间的合约配合；哈希锁定在闪电网络中最早提出，并应用在 W3C 的 Interledger 协议中，目前只支持支付类交换操作，而且要求双方账本理解彼此合约。

超级账本的 Quilt 项目和 W3C 的 Interledger Payments 工作组已对此问题开展研究，但离通用的跨链需求还有距离。目前来看，要想解决跨链的扩展性问题，需要有办法打通不同框架，类似路由器来沟通不同的子网。

安全防护

区块链目前最热门的应用场景是金融相关的服务，安全自然是最敏感也是挑战最大的问题。

区块链在设计上大量采用了现代成熟的密码学算法和网络通信协议。但这是否就能确保其绝对安全呢？

世界上并没有绝对安全的系统。

系统越复杂，攻击面越多，安全风险越高；另外系统是由人设计的和运营的，难免出现漏洞。

作为分布式系统，区块链首先要考虑传统的网络安全（认证、过滤、攻防）、信息安全（密码配置、密钥管理）、管理安全（审计、风险分析控制）等问题。其次，尤其要注意新场景下凸显的安全挑战。

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（特别是公有链）以及基于它的实现。

其次是代码实现的漏洞管理。考虑到使用了几十年的 openssl 还带着那么低级的漏洞（heart bleeding），而且是源代码完全开放的情况下，让人不禁对运行中的大量线上系统持谨慎态度。而对于金融系统来说，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，这意味着所有的交易，即便被匿名化和加密处理，但总会在未来某天被破解。安全界一般认为，只要物理上可接触就不是彻底的安全。实际上，已有文献证明，比特币区块链的交易记录大部分都能追踪到真实用户。

公有链普遍缺乏有效的治理和调整机制，一旦运行中出现问题难以及时修正。即使是有人提交了修正补丁，只要有部分既得利益者联合起来反对，就无法得到实施。比特币社区已经出现过多次类似的争论。

最后，运行在区块链上的智能合约应用五花八门，可能存在潜在的漏洞，必须要有办法进行安全管控，在注册和运行前进行形式化验证和安全探测，以规避恶意代码的破坏。运行智能合约的环境也会成为攻击的目标。近些年区块链领域的安全事件大都跟智能合约漏洞有关。

2014 年 3 月，Mt.gox 交易所宣称其保存的 85 万枚比特币被盗，直接导致破产。

2016 年 6 月 17 日，发生 DAO 系统漏洞被利用 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。必要时，甚至要引入“形式化验证”和人工审核机制。

2018 年 3 月，币安交易所被黑客攻击，造成用户持有比特币被大量卖出。虽然事后进行了追回，但仍在短期内对市场价格造成了巨大冲击。

注：著名黑客凯文•米特尼克（Kevin D. Mitnick）所著的《反欺骗的艺术——世界传奇黑客的经历分享》一书中分享了大量的真实社交工程欺骗案例。

数据库和存储系统

区块链网络中的大量信息需要写到文件和数据库中进行存储。

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

当年，人们观察到互联网场景中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，以及相对较差的随机读的性能，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，特别是如何支持更丰富语义的操作。

大胆预测，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，一旦写入确认则无法修改。所有操作的最小单位将是一个块。为了实现这种结构，需要原生支持高效的签名和加解密处理。

互操作和运营治理

大部分企业内和企业之间都已经存在了一些信息化产品和工具，例如处于核心位置的数据库、企业信息管理系统、通讯系统等。企业在采用新的产品时，往往会重点考察与已有商业流程和信息系统进行集成时的平滑度。

两种系统如何共存，如何分工，彼此的业务交易如何进行合理传递？出现故障如何排查和隔离？已有数据如何在不同系统之间进行迁移和灾备？这些都是很迫切要解决的实际问题。解决不好，将是区块链技术落地的不小阻碍。

另外，虽然大部分区块链系统在平台层面都支持了非中心化机制，在运营和治理层面确往往做不到那么非中心化。以比特币网络为例，历史上多次发生过大部分算力集中在少数矿池的情况，同时软件的演化路线集中在少数开发者手中。运营和治理机制是现有区块链系统中普遍缺失的，但在实际应用中又十分重要。

如何进行合理的共识、高效的治理仍属于尚未解决的问题。公有账本中试图通过将计算机系统中的令牌与经济利益挂钩，维护系统持续运行；联盟账本中通过商业合作和投票等方式，推举联盟治理机构，进行联盟网络的维护管理。这些机制仍需在实践过程中不断完善和改进。以供应链场景为例，动辄涉及到数百家企业，上下游几十个环节，而且动态性较强。这些都需要分布式账本平台能提供很强的治理投票和权限管控机制。