百度安全研究院:区块链智能合约介绍

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发布于: 2020 年 08 月 04 日

摘要:智能合约 (smart contract) 是一种由事件驱动的、具有状态的代码合约和算法合同 [11],随着以比特币为代表的区块链技术的蓬勃发展, 区块链技术已经开始逐步超越可编程货币时代而进入智能合约时代。智能合约作为区块链的核心部分,在技术中得到广泛应用,也是令区块链成为具有一定颠覆性技术的原因之一。本文通过对智能合约的背景知识以及流程介绍,总结出当前智能合约的特点和应用领域,从而为区块链智能合约技术的发展提供一定参考。



1.引言



区块链利用分布式节点共识算法对数据进行生成和更新,使用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据的一种全新的分布式基础架构与计算范式 [10],本身具有去中心化的特性。



区块链的发展主要分为三大阶段 [6],第一阶段为以比特币为首的可编程货币,第二阶段为以智能合约为首的可编程金融,第三阶段为以去中心化应用为首的可编程社会。比特币发展迅速,区块链发展阶段逐渐向第二阶段过渡,以以太坊为首的智能合约技术得到了广泛关注。



1995 年,由密码学家 Szabo 提出智能合约这一概念,由于当时缺少可信的执行环境,智能合约并没有被应用到实际产业中。比特币诞生后,由于比特币的底层技术区块链具有去中心化的特性,满足智能合约所需的可信的执行环境,区块链可以提供参与的各个节点的互信。



智能合约是一种计算机协议,在协议制定和部署后,不需要外加人为干预,即可实现自我执行和自我验证 [4]。从技术角度来说,智能合约可以被看作一种计算机程序,这种程序可以自主地执行全部或部分和合约相关的操作,并产生相应的可以被验证的证据,来说明执行合约操作的有效性。在部署智能合约之前,与合约相关的所有条款的逻辑流程就已经被制定好了。智能合约通常具有一个用户接口,以供用户与已制定的合约进行交互,这些交互行为都严格遵守此前制定的逻辑。得益于密码学技术,这些交互行为能够被严格地验证,以确保合约能够按照此前制定的规则顺利执行,从而防止出现违约行为。



智能合约是在传统合约基础上对安全性、唯一性进行改进的一种合约,用数字形式定义的承诺来保障合约参与者的协议安全可靠。



区块链的智能合约最早建立在以太坊,用一段代码来实现条款在处理硬件和软件中的应用,这段代码运行在以太坊的虚拟机中,按照特定程序执行操作,在相应的时间节点完成条款内容。



以太坊是一个开源的具有智能合约功能的公共区块链平台,以太坊项目借鉴了比特币区块链的技术,对它的应用范围进行了扩展。如果说比特币是利用区块链技术的专用计算器,那么以太坊就是利用区块链技术的通用计算机。简单地讲,以太坊 = 区块链 + 智能合约。



与比特币相比,以太坊最大的不同点是:它可以支持更加强大的脚本语言,即使用一套图灵完备的脚本语言来建立应用,允许开发者在上面开发任意应用,实现任意智能合约,这也是以太坊的最强大之处。作为平台,以太坊可以类比于苹果的应用商店,任何开发者都可以在上面开发应用,并出售给用户。



2.智能合约类型



智能合约分为广义智能合约和狭义智能合约。广义的智能合约是指运行在区块链上的计算机程序,适用范围较广。狭义的智能合约是运行在区块链基础架构上,基于约定规则,由事件驱动、具有状态、能够保存账本上资产,利用程序代码来封装和验证复杂交易行为,实现信息交换、价值转移和资产管理,可自动执行的计算机程序 [9]。



2.1 脚本型智能合约

将比特币中的智能合约称为脚本型智能合约。由于比特币中的脚本仅包含指令和数据两部分,其中涉及到的脚本指令只需要完成有限的交易逻辑,不需要复杂的循环、条件判断和跳转操作,功能有限但编写较为容易,支持的指令不到 200 条。



2.2 图灵完备型智能合约

将主要运行在以太坊和超级账本中的智能合约称为图灵完备型智能合约。脚本语言被设计成为仅在有限范围内执行有限功能的简单执行语言,是非图灵完备的语言。使用脚本语言编写的交易指令虽然能够满足比特币应用,但无法适应以太坊平台的开发需求。目前,以太坊主要使用 Solidity 和 Serpent 两种智能合约开发语言。



2.3 可验证合约型智能合约

将正在研发中的 kadena 项目中的智能合约称为可验证合约型智能合约。可验证语言的语法类似于 Lisp 语言,用于编写运行在区块链 Kadena 上的智能合约,可实现合约的数据存储和授权验证等功能。为防止在复杂合约的编程过程中可能存在的安全漏洞以及因此而带来的风险,可验证合约型语言采用非图灵完备设计,不支持循环和递归。该语言编写的智能合约代码可以直接嵌入在区块链上运行,不需要事先编译成为运行在特定环境(如以太坊 EVM)的机器代码。



3.智能合约语言



3.1 Solidity

Solidity 可以用来开发合约并编译成以太坊虚拟机字节代码,运行在 Etheream 虚拟机(EVM)之上。是静态类型语言,支持继承、库和复杂的用户定义类型等特性。虽然 Solidity 语法与 Javascript 较为接近,是一种面向对象的语言,但是两者又有许多不同:



1、由于语言内嵌框架是支持支付的,所以可以提供如 payable 之类的关键词,实现在语言层面直接支持支付,更为简便;

2、由于以太坊底层是基于账户而非 UTXO,故存在特殊类型 Address,可以用于定位用户和合约,并定位合约的代码;

3、由于智能合约是将原来的一个简单函数调用变成了网络节点中的代码执行,故在去中心化的网络运行环境中,会更加强调合约或函数执行的调用方式;

4、由于为了保证合约执行的原子性,以避免中间状态出现的数据不一致,Solidity 的异常机制一旦出现异常,所有执行都会被回撤。



常用的 Solidity 集成有 Remix、Visual studio Extension 等。以编译器 Remix 为例,Remix 是基于浏览器的IDE,集成了编译器和 Solidity 运行时的环境,不需要额外的服务端组件。这里用 Solidity 开发“Hello World”。可以看到,在 decoded output 中返回 HelloWorld ! 。





3.2 Serpent

Serpent 和 Python 类似,使用用 LLL 编译,最终会被编译为 EVM 字节码。可以用于开发合约编译成以太坊虚拟机字节代码。Serpent 是一种分组加密算法,更加简洁,将低级语言在效率方面的优点和编程风格的操作简易相结合,同时合约编程增加了独特的领域特定功能。



3.3 Lisp Like Language

Lisp Like Language(LLL) 是和 Assembly 类似的低级语言。更为简单,本质上只是直接对以太坊虚拟机的一点包装。是一门 Lisp 风格的底层编程语言,持续更新,并且与 Solidity 同属一个资源库。



4.智能合约运行机制



以以太坊开发平台为例,智能合约运行机制主要包含及下阶段:



  1. 生成代码:智能合约一般具有值和状态两个属性,代码中用 If-Then 和 What-If 语句预置了合约条款的相应触发场景和响应规则,在合约各方面内容都达成一致的基础上,评估确定该合同是否可以通过智能合约实现,即“可编程”,然后由程序员利用合适的开发语言将以自然语言描述的合同内容翻译为成为可执行的机器语言;

  2. 编译:利用开发语言编写的智能合约代码一般不能直接在区块链上运行,而需要在特定的环境(以太坊为 EVM, 超级账本为 Docker 容器)中执行,所以在将合约文件上传到区块链之前需要利用编译器对原代码进行编译,生成符合环境运行要求的字节码。;

  3. 提交:智能合约的提交和调用是通过“交易”完成,当用户以交易形式发起提交合约文件后,通过 P2P 网络进行全网广播,各节点在进行验证后存储在区块中;

  4. 确认:被验证后的有效交易被打包进新区块,通过共识机制达成一致后,新区块添加到区块链的主链。根据交易生成智能合约的账户地址,之后可以利用该账户地址通过发起交易来调用合约,节点对经验证有效的交易进行处理,被调用的合约在环境中执行。



5.智能合约项目



最简单的合约是:信息上传区块链——双方签字确认——双方达成共识——合约被存储。



Language Language 是一种安全稳定的分布式语言,符合 Szabo 对智能合约设计理念的特点,所有的远程通信会被加密。



Hawk Hawk 是一种去中心化的智能合约系统,是一个用智能合约构建隐私保护的框架 [2],在这个系统中不会以明确的方式将金融交易存储在区块链中,Hawk 编译器负责将程序编译为区块链和用户之间的加密协议。



OpenBazzar OpenBazzar 平台是一家利用比特币进行交易的去中心化电商平台,是一个开源平台,直接将用户与用户连接开展交易,实现点对点交易网络,买卖双方可以直接进行交易,不需要借助中心化平台,保证了隐私。



Ethereum Ethereum 是具有图灵完备编程语言的区块链平台,包含了公有链和私有链,可以创建任何应用。使用共识机制中的 PoW 机制,拥有更高的处理速度和精度,可以在没有处理所有交易的情况下验证应用状态,目标成

为分布式应用平台的脊梁。但区块的构造时间受到交易处理速度的影响,建块速度受到很大影响。



Codius Codius 是由 Ripple 实验室发布的智能协议,具有去中心化、安全性高等特点,可以实现点对点交易网络, 是一种开源平台,应用于 Ripple 平台上,实现的功能是引导货币流通。



Hyperledger Hyperledger 是一种 Linux 基金会下的区块链开源平台,以容器的形式运行智能合约,具有较高安全性。



6.智能合约基本特点



6.1 优势

可信性 智能合约的承诺包含两方面,一是自动,无需信任和公正地执行合约;二是直接,在合约执行的各个环节中取消中间人这一角色 [5]。智能合约的所有条款和执行过程是提前制定好的,并由计算机绝对执行。因此所有执行的结果都是准确无误的,不会出现不可预料的结果。



交易无需第三方 智能合约不需要中心化的权威来仲裁合约是否按规定执行,合约的监督和仲裁都由计算机来完成 [1]。在一个区块链网络中一般不存在一个绝对的权威来监督合约的执行,而是由共识机制来判断合约是否按规定执行,监督方式通常由 PoW 或 PoS 技术实现。由于智能合约的数字化特点,数据被存储在区块链中,使用加密代码强制执行协议,保证交易可追踪和不可逆转。



高效的实时更新 由于智能合约的执行不需要人为的第三方权威或中心化代理服务的参与,其能够在任何时候响应用户的请求,大大提升了交易进行的效率。用户只需通过网络对业务进行办理,节省了人力、物力。



更低成本 智能合约具有去人为干预的特点,其能够大大减少合约履行、裁决和强制执行所产生的人力成本,要求合约制定人能够将合约的各个细节在合约建立之初就确定下来。



6.2目前存在的问题

不可撤销性 智能合约自动履行合约内容,但在现实生活中,合同可能会因为一些不可抗力、违法等原因解除。合同法中,对于合同的要求是避免律师预测和协商可能出现结果的灵活性。但由于区块链的不可修改性,智能合约一旦触发就会自动履行,不可撤销,具有一定的僵化特性。



法律效力 智能合约的起草需要通过第三方计算机程序员,而在合约出现问题时若判定是第三方计算机程序员的责任,那么对于错误的算法应该如何追究责任。在法律管辖权问题上,智能合约作为一种新兴合约方式,哪些法院可以受理诉讼、现有的法律条款应该如何修改等问题都是亟待解决的。



安全漏洞 智能合约的漏洞分为交易顺序依赖漏洞、时间戳依赖漏洞、处理异常漏洞和可重入缺陷漏洞 [3],依赖性漏洞是由于智能合约的执行正确与否与以太坊的状态有关,而有效的交易可能会影响以太坊的状态。当一个新的区块含有两笔交易时,交易的先后顺序可能会引起以太坊的最终状态不同,而交易的顺序取决于矿工,从而导致智能合约的执行依赖于矿工的操作 [8]。时间戳依赖漏洞是由于某些智能合约是根据区块中的时间戳所执行的,而时间戳是由矿工根据自身的时间所设置的,若时间被攻击者所修改,可能会导致产生一定风险。在不同的智能合约相互调用时可能出现处理异常漏洞,若被调用的合约产生错误返回值却没有被正确验证时,可能会遭受到攻击。若一个函数在执行完成前被调用了数次,导致发生意料不到的行为时,可重入漏洞就可能出现,可重入缺陷漏洞是指攻击者可以利用调用了智能合约而状态未改变的中间状态对合约进行反复的调用。



7.智能合约应用场景



7.1法律方面

在法律层面,区块链智能合约可以被看作为智能合同 [10],即运用区块链技术来实现法律合同,将书面化的法律语言转化为可被自动化执行的技术。



以数字版权保护为例,类似于自由文化影响下的知识共享协议的开放式版权协议不断出现,如何保证版权的实用行为,是数字版权保护的核心问题。由于传统的版权保护具有时间、空间的限制,在版权登记、监管机制等方面容易受到影响,而数字版权保护的出现极大改善了这一问题,更好适应了数字资产形式变化多样、易传播的特点。



在版权登记方面,利用区块链技术原理中计算值的唯一性和不可篡改性,对不同的作品生成不同的计算值,将计算值视为作品的一种代表方式进行关联,可以减少作品追溯和存储的成本,简化作品查询流程。



在署名方式方面,使用数字身份对计算值对应的作品进行署名,使用加密技术对数字作品进行保护,保障作品不会被篡改。



根据合约代码和自然语言的比例,智能合约有以下几种表现形式:1、完全以代码形式编写的合约;2、以代码和自然语言两种形式书写的合约。如果法律认为无论是以自然语言书写还是以计算机语言编写,都视为合同的书面形式, 法律效力是相同的,那么两种语言编写的合约构成了完整的合同。



智能合同可能面临的问题有,第 2 种合同是以两种语言表现的,如果这两个版本合约内容上有冲突,以哪一个版本为准,无论是以自然语言版本为准还是以代码语言为准,都需要法律进一步明确并给出司法解释。



7.2金融方面

在金融层面,因为智能合约可以在区块链中运作,从而充当很多角色。智能合约可以作为经济参与者,接受信息、存储信息,消除人工参与,降低成本,保证合约交易的高效。



以物联网为例,当前社会物联网包括数十亿个通过互联网共享数据的节点,通过物联网、区块链以及智能合约技术的融合应用,物联网支持的物理设备或财产,如公寓、汽车、停车场、自行车等,都可以允许人们在没有中间商的情况下出租、出售或共享 [7]。



当前租房市场在押金方面存在很多争议,一些不良房东在收到押金后就卷钱跑路。将智能合约引入到租房押金中, 在所有者设定出租房屋的金额后,用户通过交易向区块链支付押金,从而触发许可,获得房屋的智能锁权限。与此同时,押金被锁定在区块链中,直到用户决定向区块链发送另一个交易来返回虚拟密钥(如支付租金),智能合约自动执行,在扣除押金中的租金后将剩余金额发送给所有者,交易完成。这一过程将缩减不必要的时间,只需要通过手机进行操作,提高效率的同时降低风险。



但智能合约可能会带来新的金融犯罪行为和风险,例如机密信息泄漏、加密密钥被盗等犯罪行为,而当前的法院和监管机构暂时很难跟上这一技术的发展步伐,由于智能合约具有一定的复杂性,在一些消费者眼里是难以理解的, 这也是智能合约实施中需要解决的问题之一。



7.3公益慈善

在公益慈善层面,当前面临的最大问题是资金流向不透明,导致很多人并不会使用众筹平台来进行慈善捐款。众筹是一种通过互联网方式发布筹款项目并筹集资金的方式,众筹更为开放,具有门槛低、依靠大众力量等特点。如何解决资金信息公开透明,加强监管和监督,成为当前公益慈善的热点讨论之一。



区块链是遗传使用密码学方法产生关联的数据块,每一个数据块中都还喊了一定时间的交易信息,每个数据块都包含上一个块的哈希值,以用于验证其信息的有效性 [12]。智能合约可以通过代码合约实现对众筹系统价值流的控制, 将众筹业务流转换为智能合约代码。区块链的不可更改和共识机制保证了数据的真实和可靠性,可以提高众筹平台的公信力。



众筹区块链总体设计包含双数据系统、双私有链设计、高速与信誉机制、智能合约设计、审计与监督设计、可扩展链式设计。



由于区块链的分布式存储架构,可以在不同用户处放置不同权限的节点,让不同用户参与到管理中,对于发布的消息实现可追踪和不可修改。通过不断互联,使区块链形成互联链、链中链,按照统一标准进行管理监管,解决慈善公益的监管和监督问题。



参考文献

[1]   Bartoletti, M., and Zunino, R.  Bitml:  A calculus for bitcoin smart contracts.  pp. 83–100.

[2]   Kosba, A., Miller, A., Shi, E., Wen, Z., and Papamanthou, C. Hawk: The blockchain model of cryptography and privacy-preserving smart contracts. pp.839–858.

[3]   Luu, L., Chu, D.-H.,  Olickel,  H.,  Saxena,  P.,  and  Hobor,  A.  Making smart contracts smarter.  pp. 254–269.

[4]   Mourouzis, T., and Tandon,  J.  Introduction to decentralization and smart contracts, 03    2019.

[5]   Pfitzmann,  B.,  Schunter,  M.,  and  Waidner,  M.  Optimal efficiency of optimistic contract signing.

[6]   V.Buterin.  A next-generation smart contract and decentralized application platform.  white paper     (2014).

[7]   刘德林.  区块链智能合约技术在金融领域的研发应用现状、问题及建议.  海南金融 000, 10 (2016), 27–31.

[8]   张杰. 区块链安全综述. 西安文理学院学报 (自然科学版(2020), 42–55.

[9]   王群, 李馥娟, 王振力, 梁广俊, and 徐杰. 区块链原理及关键技术. 计算机科学与探索, 1–24.

[10]   贺小苗. 区块链技术的应用: 智能合约及法律问题前瞻. 现代商业 000, 16 (2018), 153–154.

[11]   贺海武, 延安, and 陈泽华. 基于区块链的智能合约技术与应用综述. 计算机研究与发展 55, 11 (2018), 112–126.

[12]   黄洁华, 高灵超, and 许玉壮. 众筹区块链上的智能合约设计. 信息安全研究 (2017).



作者介绍:百度安全研究院 秦雨桐  程越强 



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