區塊鏈具有數據透明、防篡改、多方可驗證等優點，這些優點使其具有廣闊的應用前景。但是，目前區塊鏈技術還存在以下問題亟待解決：

　　1.1 可擴展性問題

　　區塊鏈的可擴展性是區塊鏈領域的重要研究問題。以比特幣為例，可以通過增大系統的區塊大小，或者是縮短出塊時間，來提高系統的吞吐率。然而，這樣的擴展方案是有上限的，其上限受到網絡延遲等因素的制約[1]。如果通過簡單地提升某一個指標以提高區塊鏈系統的吞吐率，即使是在實驗環境下，其吞吐率的提升也遠遠無法滿足需求，因而比特幣系統的可擴展性較差。目前主流的區塊鏈系統中，能夠做到無限擴展的幾乎沒有[2]。未來要想讓區塊鏈系統承擔起大量的交易和去中心化應用，就必須在兼顧去中心化、安全性的同時，實現可擴展、高性能的區塊鏈系統[3]，其關鍵技術包括：

　　(1)區塊鏈共識機制。區塊鏈的本質特點是在多方協同環境中達成共識，現有共識機制在大規模網絡節點下難以滿足高吞吐、低延遲的需求，需要研究創新的區塊鏈共識機制。

　　(2)區塊鏈分片技術。分片是解決區塊鏈擴容問題的主要技術手段，它由傳統數據庫延伸而來，包括網絡分片、交易分片和狀態分片等。

　　(3)區塊鏈跨鏈交易技術。在多個區塊鏈項目之間研究跨區塊鏈交易技術，比如公證人機制、哈希鎖定、分布式私鑰控制、跨鏈智能合約框架等，可提高區塊鏈系統間的互通性。

　　(4)松耦合數據結構設計。解耦區塊鏈應用場景與底層事務結構與類型，實現不同應用場景下事務統一高效處理;對區塊鏈底層默克爾樹進行優化，實現系統賬戶、事務及狀態的高效組織和更新;改進區塊鏈組織與存儲結構，方便追溯和高效查詢。

　　(5)區塊鏈密碼算法更新。在存在敵手的現實環境中，通過對同一個消息的密文在新老密鑰下的周期性更新，實現加密與更新的不可區分性，從而在安全可靠的前提下，達到高效擴展區塊鏈的目的。

　　(6)鏈下擴容技術。區塊鏈鏈上容量是較為有限的，通過將部分鏈上動作移出到鏈外可以提高區塊鏈的效率，例如狀態通道、閃電網絡等技術。一般而言，這些技術通過犧牲一定的可用性以提高計算與存儲的可擴展性。

　　1.2 安全與隱私保護問題

　　區塊鏈的安全性包括系統安全和信息安全兩個方面。區塊鏈系統的安全問題可能發生在三個不同的層次：一是網絡層，即底層點對點網絡的安全，在公有鏈系統中，通過“女巫攻擊”(即偽造多個節點與特定節點通訊的方式)，可以使特定節點不能正常工作[4,5]。二是共識層，即共識機制本身的安全，如采用工作量證明的區塊鏈中存在的51%算力攻擊，可通過獲取大量算力控制特定時段網絡區塊的打包[6]。三是智能合約層，即區塊鏈上智能合約代碼的漏洞，比如以太坊The DAO事件，該合約漏洞當時造成了價值數千萬美金的加密貨幣損失[7]。區塊鏈的信息安全的核心是確保系統中用戶的各種隱私得到有效保護。區塊鏈隱私保護的關鍵在于保證不影響去中心化的同時，確保用戶的隱私不會因交易公開而暴露。現有的公有鏈系統中，隱私問題是一個重要挑戰，以比特幣為例，盡管地址是匿名的，但是在與其他實體的交互過程中容易被反匿名，從而導致用戶交易記錄的隱私泄露[8]。為實現區塊鏈的安全與隱私保護，須攻關的關鍵技術包括：

　　(1)密碼算法與安全協議。密碼算法是區塊鏈系統的基石，研究點包括滿足區塊鏈系統需求的密鑰安全存儲與防護技術、數字簽名、零知識證明、安全多方計算等。

　　(2)可信身份協同管理技術。區塊鏈身份協同管理技術包括跨區塊鏈、鏈上鏈下用戶身份的信用評估、認證、檢測及管理機制，通過這些機制來保障交易的安全性。

　　(3)數據隱私保護技術。包括不同形態區塊鏈系統的數據隱私保護方法、交易層數據隱私保護機制等，確保區塊鏈節點數據安全的同時保證數據便于維護。

　　(4)用戶身份隱私保護技術。區塊鏈用戶的個人數據隱私保護機制是區塊鏈廣泛應用的關鍵，可避免用戶身份泄露而造成用戶的損失。

　　1.3 區塊鏈的監管審計問題

　　由于區塊鏈上用戶匿名、信息不可篡改，因而如何“審計”鏈上行為和數據，確保系統良性發展是區塊鏈技術存在的重要問題。區塊鏈的監管與審計，可以通過分析區塊鏈數據，及時識別用戶行為，并預警非法行為，如欺詐行為、鏈上數據的異常行為等[9,10]。以比特幣為代表的區塊鏈采用了一種新的隱私模型，即交易細節全部公開，而用戶匿名。此外，比特幣區塊鏈系統中包含大量的用戶數據，這些數據公開可查，為研究人員對區塊鏈數據進行挖掘分析提供了前所未有的機會。然而，由于用戶匿名和去中心化組織導致系統中用戶行為不可控，且目前區塊鏈生態中尚缺乏有效的監管，區塊鏈平臺成為各種網絡犯罪高發地[11-13]。因此，做好非法行為的預警是進一步完善區塊鏈生態的必要條件。區塊鏈的監管與審計關鍵技術包括：

　　(1)交易追溯技術。對區塊鏈的交易行為進行追溯，針對惡意或異常交易進行溯源和可視化展示，確保交易行為的健康可持續發展。

　　(2)異常交易檢測技術。針對區塊鏈上的異常或非法交易行為進行檢測，提供及時預警，實現區塊鏈的風險控制和安全管理。

　　(3)非法行為識別技術。識別區塊鏈交易欺詐、合約欺詐、賭博詐騙等非法行為，實現實時監控，及時發現惡意用戶或節點，保障區塊鏈的安全運行。

　　(4)用戶身份推測與追蹤技術。針對具有異常或非法行為的用戶，推測其身份并追蹤其軌跡，為打擊網絡犯罪提供追蹤信息，減少利用區塊鏈進行違法犯罪的行為。

　　1.4 區塊鏈智能合約開發與保障問題

　　一般來說，區塊鏈智能合約的出現標志著區塊鏈2.0時代的到來。憑借著區塊鏈的去中心化、難以篡改等特性，區塊鏈智能合約可以被用于承載去中心化的應用。然而，當前智能合約的發展面臨許多問題，如缺乏統一的平臺語言、合約可能存在漏洞導致巨大的經濟損失等[14,15]。因而，高效地開發安全、可靠的智能合約是促進區塊鏈技術應用發展的重要因素[16]，其中涉及的關鍵技術包括：

　　(1)合約一致性證明。保證智能合約與用戶期望的一致性，確保合約按用戶要求準確執行。

　　(2)合約設計開發。在智能合約開發過程中，優化其開發、編譯及部署運行等問題，設計高效的智能合約，降低計算消耗，節省合約資源開銷。

　　(3)合約漏洞檢測技術。對智能合約在部署前進行安全漏洞檢測，包括驗證技術、測試技術等，防止合約受到惡意攻擊。

　　(4)合約可靠性保障技術。提升智能合約軟件代碼的可靠性，保障合約在區塊鏈系統中穩定運行。