An Overview on Smart Contracts: Challenges,Advances and Platforms
論文翻譯：Zheng, Zibin, et al. "An overview on smart contracts: Challenges, advances and platforms."?Future Generation Computer Systems?105 (2020): 475-491.
智能合約概述：挑戰(zhàn)、進(jìn)展和平臺(tái)
摘要：智能合約技術(shù)正在重塑傳統(tǒng)的工業(yè)和商業(yè)流程。智能合約嵌入到區(qū)塊鏈中，使協(xié)議的合同條款能夠自動(dòng)執(zhí)行，而無需受信任的第三方的干預(yù)。因此，智能合約可以減少管理，節(jié)省服務(wù)成本，提高業(yè)務(wù)流程的效率，降低風(fēng)險(xiǎn)。盡管智能合約有望推動(dòng)業(yè)務(wù)流程創(chuàng)新的新浪潮，但仍有許多挑戰(zhàn)有待解決。本文對(duì)智能合約進(jìn)行了綜述。我們首先介紹區(qū)塊鏈和智能合約。然后，我們將介紹智能合約面臨的挑戰(zhàn)以及最新的技術(shù)進(jìn)步。本文還比較了典型的智能合約平臺(tái)，對(duì)智能合約應(yīng)用進(jìn)行了分類，并給出了一些典型的應(yīng)用實(shí)例。
I. INTRODUCTION
區(qū)塊鏈技術(shù)最近引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛興趣。區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N分布式軟件系統(tǒng)，允許在不需要可信第三方的情況下處理交易。因此，業(yè)務(wù)活動(dòng)可以以廉價(jià)和快速的方式完成。此外，區(qū)塊鏈的不變性也保證了分布式信任，因?yàn)閹缀醪豢赡艽鄹拇鎯?chǔ)在區(qū)塊鏈中的任何交易，而且所有歷史交易都是可審計(jì)和可追蹤的。區(qū)塊鏈技術(shù)正在促成Nick Szabo于20世紀(jì)90年代首次提出的智能合約[1]。在智能合約中，當(dāng)預(yù)先設(shè)定的條件得到滿足時(shí)，用計(jì)算機(jī)程序編寫的合約條款將自動(dòng)執(zhí)行。由交易組成的智能合約本質(zhì)上是在分布式區(qū)塊鏈中存儲(chǔ)、復(fù)制和更新的。相比之下，傳統(tǒng)的合約需要由可信的第三方集中完成，因此執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng)，成本高。區(qū)塊鏈技術(shù)與智能合約的融合將使“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)市場(chǎng)”的夢(mèng)想成真。
? ? ? ?以買方Buyer和供應(yīng)商Supplier之間的智能合約為例。如圖1所示，Supplier首先通過區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)向Buyer發(fā)送產(chǎn)品目錄。該目錄包括產(chǎn)品描述（如財(cái)產(chǎn)、數(shù)量、價(jià)格和可用性）以及裝運(yùn)和付款條款，存儲(chǔ)并分發(fā)在區(qū)塊鏈中，以便買方能夠獲得產(chǎn)品信息，同時(shí)驗(yàn)證供應(yīng)商的真實(shí)性和信譽(yù)。然后買方通過區(qū)塊鏈提交訂單，并提供指定數(shù)量和付款日期。整個(gè)程序構(gòu)成了一份藍(lán)色方框內(nèi)的采購合同（即Contract1），如圖1所示。值得一提的是，整個(gè)過程是在買方Buyer和供應(yīng)商Supplier之間完成的，沒有第三方的干預(yù)。
? ? ?Contract1完成后，供應(yīng)商將在區(qū)塊鏈中搜索一家Carrier（運(yùn)輸公司），以完成裝運(yùn)階段。與Contract1一樣，Supplier也在區(qū)塊鏈中發(fā)布運(yùn)輸描述（如運(yùn)輸費(fèi)用、來源、目的地、容量和運(yùn)輸時(shí)間）以及運(yùn)輸條件和條款。如果供應(yīng)商接受承運(yùn)人簽發(fā)的合同，產(chǎn)品將交付給承運(yùn)人，承運(yùn)人將最終將產(chǎn)品發(fā)送給買方。整個(gè)過程構(gòu)建了合同Contract2（包含在粉色框中），如圖1所示。同樣，Contract2的整個(gè)程序也在沒有第三方干預(yù)的情況下進(jìn)行。除自動(dòng)執(zhí)行Contract1和合同Contract 2外，付款程序（包括供應(yīng)商向承運(yùn)人付款和買方向供應(yīng)商付款）也自動(dòng)完成。例如，一旦買方確認(rèn)收到產(chǎn)品，當(dāng)滿足預(yù)定條件時(shí)，買方和供應(yīng)商之間的付款將自動(dòng)觸發(fā)。買方與供應(yīng)商之間的財(cái)務(wù)結(jié)算通過加密貨幣（如比特幣或以太幣）進(jìn)行。與傳統(tǒng)交易不同的是，整個(gè)過程是以對(duì)等方式進(jìn)行的，沒有銀行等第三方的干預(yù)。因此，周轉(zhuǎn)時(shí)間和交易成本可以大大節(jié)省。
????總之，與傳統(tǒng)合約相比，智能合約具有以下優(yōu)勢(shì)：?降低風(fēng)險(xiǎn)。由于區(qū)塊鏈的不變性，智能合約一旦發(fā)布就不能隨意更改。此外，在整個(gè)分布式區(qū)塊鏈系統(tǒng)中存儲(chǔ)和復(fù)制的所有交易都是可追蹤和可審計(jì)的。因此，像財(cái)務(wù)欺詐這樣的惡意行為可以大大減少。
?降低管理和服務(wù)成本。區(qū)塊鏈通過分布式共識(shí)機(jī)制確保整個(gè)系統(tǒng)的信任，而無需經(jīng)過中央經(jīng)紀(jì)人或調(diào)解人。存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈中的智能合約可以以分散的方式自動(dòng)觸發(fā)。因此，由于第三方的干預(yù)，可以大大節(jié)省管理和服務(wù)成本。
?提高業(yè)務(wù)流程的效率。消除對(duì)中介的依賴可以顯著提高業(yè)務(wù)流程的效率。以上述供應(yīng)鏈流程為例。一旦滿足預(yù)定條件（例如，買方確認(rèn)收到產(chǎn)品），財(cái)務(wù)結(jié)算將以對(duì)等方式通過程序自動(dòng)完成。因此，周轉(zhuǎn)時(shí)間可以大大縮短。
智能合約推動(dòng)了從工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)到金融服務(wù)的廣泛應(yīng)用[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。盡管智能合約在重塑傳統(tǒng)業(yè)務(wù)流程方面具有巨大潛力，但仍有許多挑戰(zhàn)有待解決。例如，即使區(qū)塊鏈能夠確保合同各方的某種匿名性，但由于所有交易都是全球可用的，因此整個(gè)合同執(zhí)行的隱私可能無法得到保護(hù)。此外，由于計(jì)算機(jī)程序?qū)收虾褪У拇嗳跣?，保證智能合約的正確性也是一個(gè)挑戰(zhàn)。最近有一些關(guān)于智能合約的研究。例如，[12]、[13]、[14]介紹了區(qū)塊鏈技術(shù)的全面調(diào)查，并簡(jiǎn)要介紹了智能合約。[15]的工作深入調(diào)查了以太坊智能合約編程漏洞，而[17]則詳細(xì)調(diào)查了智能合約語言的驗(yàn)證方法。文[16]報(bào)告了作者在智能合約編程教學(xué)中的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了學(xué)生犯的幾種典型錯(cuò)誤。參考文獻(xiàn)[18]對(duì)智能合約平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)證分析。最近的研究[19]，[20]也收集了一些關(guān)于智能合約的文獻(xiàn)并進(jìn)行了綜述，但沒有討論這一領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。此外，[21]的工作簡(jiǎn)要介紹了智能合約平臺(tái)和體系結(jié)構(gòu)。然而，現(xiàn)有的大多數(shù)論文都未能明確不斷上升的挑戰(zhàn)，并給出一個(gè)全面的調(diào)查。例如，以太坊可用于進(jìn)行非法業(yè)務(wù)，如龐氏騙局，據(jù)報(bào)道，該騙局騙取了41萬多美元，而很少有研究涉及這一問題[22]。
本文的目的是對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)支持的智能合約的技術(shù)挑戰(zhàn)進(jìn)行系統(tǒng)概述。本文的貢獻(xiàn)如下：?指出了智能合約生命周期中的重要研究挑戰(zhàn)總結(jié)了解決技術(shù)挑戰(zhàn)的最新進(jìn)展。?對(duì)典型的智能合約平臺(tái)進(jìn)行了詳細(xì)的比較。?總結(jié)了智能合約的各種應(yīng)用。本文的組織結(jié)構(gòu)。第二節(jié)簡(jiǎn)要介紹了區(qū)塊鏈和智能合約。第三節(jié)總結(jié)了智能合約的研究挑戰(zhàn)以及最新的技術(shù)進(jìn)展。第四節(jié)接著比較了典型的智能合約開發(fā)平臺(tái)。第五節(jié)對(duì)典型的智能合約應(yīng)用進(jìn)行了分類。最后，第六節(jié)對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)。
二.區(qū)塊鏈與智能合約概述
智能合約建立在區(qū)塊鏈技術(shù)之上，確保合約的正確執(zhí)行。我們首先簡(jiǎn)要介紹區(qū)塊鏈技術(shù)。然后對(duì)智能合約進(jìn)行概述。
區(qū)塊鏈可以被視為一個(gè)公共賬本，其中所有的交易都不能被偽造。圖2展示了區(qū)塊鏈的一個(gè)例子。區(qū)塊鏈?zhǔn)遣粩嘣鲩L(zhǎng)的區(qū)塊鏈。當(dāng)生成新的塊時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都將參與驗(yàn)證該塊。一旦區(qū)塊被驗(yàn)證，它將被附加到區(qū)塊鏈。為了驗(yàn)證塊的可信性，開發(fā)了一致性算法。一致性算法確定哪個(gè)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)下一個(gè)塊，以及新附加的塊如何被其他節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證。有代表性的共識(shí)算法包括工作證明（PoW）[23]和權(quán)益證明（PoS）以及實(shí)用的拜占庭容錯(cuò)（PBFT）[24]，[25]。共識(shí)算法通常由首先解決難題的用戶完成（即PoW或PoS）。這些用戶被稱為礦工。每個(gè)礦工都保存著區(qū)塊鏈的完整副本。與PoW和PoS不同，PBFT需要多輪投票才能達(dá)成共識(shí)。分布式共識(shí)算法可以確保交易在沒有銀行等第三方干預(yù)的情況下進(jìn)行。因此，可以節(jié)省交易成本。此外，用戶使用虛擬地址而不是真實(shí)身份進(jìn)行交易，因此用戶的隱私也得到了保護(hù)。在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，多個(gè)節(jié)點(diǎn)有可能同時(shí)成功達(dá)成共識(shí)（即解謎），從而導(dǎo)致分支對(duì)分。為了解決這個(gè)差異，短邊鏈被丟棄，如圖2所示，而最長(zhǎng)的鏈被選為有效鏈。這種機(jī)制是有效的，因?yàn)樵诜植际较到y(tǒng)中，長(zhǎng)鏈比短鏈更能抵抗惡意攻擊。
智能合約可以看作區(qū)塊鏈技術(shù)的一大進(jìn)步[29]。1990年代，一項(xiàng)智能合約被提議為一種計(jì)算機(jī)化交易協(xié)議，執(zhí)行協(xié)議的合約條款[1]。智能合約中嵌入的合約條款在滿足一定條件時(shí)自動(dòng)執(zhí)行（如一方違反合同將自動(dòng)受到處罰）。智能合同基本上是在區(qū)塊鏈之上實(shí)施的。批準(zhǔn)的合約條款被轉(zhuǎn)換成可執(zhí)行的計(jì)算機(jī)程序。合約條款之間的邏輯連接也以程序中邏輯流的形式保存（例如if else if語句）。每個(gè)合約語句的執(zhí)行記錄為存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈中的不可變事務(wù)。智能合同保證適當(dāng)?shù)脑L問控制和合同執(zhí)行。特別是，開發(fā)人員可以為合約中的每個(gè)函數(shù)分配訪問權(quán)限。一旦智能合約中的任何條件得到滿足，觸發(fā)的語句將以可預(yù)測(cè)的方式自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的功能。例如，愛麗絲和Bob就違反合約的處罰達(dá)成一致。如果Bob違反合約，相應(yīng)的罰款（根據(jù)合約）將自動(dòng)從Bob的存款中支付（扣除）。
智能合約的整個(gè)生命周期由四個(gè)連續(xù)的階段組成，如圖3所示：
1） 創(chuàng)建智能合約。幾個(gè)當(dāng)事人首先就合約的義務(wù)、權(quán)利和禁止進(jìn)行談判。經(jīng)過多輪討論和談判，可以達(dá)成協(xié)議。律師或顧問將幫助雙方起草一份初步合約協(xié)議。然后，軟件工程師將以自然語言編寫的協(xié)議轉(zhuǎn)換為以計(jì)算機(jī)語言（包括聲明性語言和基于邏輯的規(guī)則語言）編寫的智能合約[30]。與計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)類似，智能合約轉(zhuǎn)換的過程由設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證（即測(cè)試）組成。值得一提的是，智能合約的創(chuàng)建是一個(gè)涉及多輪談判和迭代的迭代過程。同時(shí)，它還涉及多方，如利益相關(guān)者、律師和軟件工程師。
2） 智能合約的部署。經(jīng)過驗(yàn)證的智能合約可以部署到區(qū)塊鏈之上的平臺(tái)上。由于區(qū)塊鏈的不變性，存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈上的合約無法修改。任何修訂都需要建立新的合約。一旦智能合約部署到區(qū)塊鏈上，所有各方都可以通過區(qū)塊鏈訪問合約。此外，智能合約雙方的數(shù)字資產(chǎn)通過凍結(jié)相應(yīng)的數(shù)字錢包來鎖定[31]。例如，與合約相關(guān)的錢包上的幣轉(zhuǎn)移（傳入或傳出）被阻止。同時(shí)，雙方可以通過數(shù)字錢包識(shí)別身份。3） 智能合約的執(zhí)行。在部署智能合約后，合約條款已得到監(jiān)控和評(píng)估。一旦合約條件達(dá)到（如產(chǎn)品接收），合約程序（或功能）將自動(dòng)執(zhí)行。值得注意的是，智能合約由許多具有邏輯連接的聲明性語句組成。當(dāng)一個(gè)條件被觸發(fā)時(shí)，相應(yīng)的語句將被自動(dòng)執(zhí)行，因此區(qū)塊鏈中的礦工將執(zhí)行和驗(yàn)證一個(gè)事務(wù)[32]。提交的交易和更新后的狀態(tài)已存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈上。
三、 智能合約的挑戰(zhàn)與進(jìn)展
盡管智能合約是一項(xiàng)很有前途的技術(shù)，但仍有許多挑戰(zhàn)需要解決。根據(jù)智能合約生命周期的四個(gè)階段，我們將這些主要挑戰(zhàn)分為四類。同時(shí)，我們也對(duì)解決這些挑戰(zhàn)的最新進(jìn)展進(jìn)行了綜述。表三概述了挑戰(zhàn)和最新進(jìn)展。
A.創(chuàng)建合同創(chuàng)建是實(shí)現(xiàn)智能合同的一個(gè)重要步驟。用戶必須編寫自己的合同，然后將其部署到各種區(qū)塊鏈平臺(tái)（將在第四節(jié)中介紹）。由于區(qū)塊鏈本質(zhì)上是不可變的，基于區(qū)塊鏈的智能合約在部署后也不能修改。因此，開發(fā)人員需要認(rèn)真解決以下問題。1） 可讀性：大多數(shù)智能合約都是用編程語言編寫的，比如Solidity、Go、Kotlin和Java（將在第四節(jié)中描述）。然后編譯并執(zhí)行源代碼。因此，在不同的時(shí)間段，程序有不同的代碼形式。如何使程序以每種形式可讀仍然是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。
可讀性挑戰(zhàn)的新進(jìn)展
?恢復(fù)源代碼：如[33]所示，超過77%的智能合約沒有發(fā)布公共源代碼，所有這些都涉及超過30億美元。源代碼的不可用使得智能合約對(duì)官方審計(jì)人員來說是不透明的。為了解決這個(gè)問題，[33]提出了一個(gè)逆向工程工具（即Erays）來分析已編譯的智能合約。這個(gè)逆向工程工具能夠?qū)⑹M(jìn)制編碼的契約轉(zhuǎn)換成人類可讀的偽代碼。
?人類可讀代碼：Frantz和Nowostawski[34]提出了一種半自動(dòng)翻譯系統(tǒng)，可以將人類可讀的合同表示轉(zhuǎn)換為計(jì)算程序?；旧希@種半自動(dòng)翻譯系統(tǒng)是根據(jù)制度分析的概念來實(shí)現(xiàn)的[80]。特別是，制度規(guī)范可以分解為不同的組成部分，如屬性、義務(wù)、目標(biāo)、條件等。然后將這些組件映射到用編程語言編寫的相應(yīng)塊中。例如，屬性可以轉(zhuǎn)換為實(shí)體結(jié)構(gòu)。由于大多數(shù)智能合約編程語言都是面向?qū)ο蟮恼Z言，[35]認(rèn)為邏輯編程計(jì)算模型支持的聲明式語言可能更適合智能合約。例如，作者聲稱Prolog（一種邏輯語言）不需要編譯，因此也避免了對(duì)智能合約編譯的檢查。
?可讀執(zhí)行：盡管許多平臺(tái)試圖為智能合約開發(fā)者提供高級(jí)語言，但這些智能合約隨后將被編譯成其他形式，例如以太坊虛擬機(jī)（EVM）中的字節(jié)碼。在大多數(shù)情況下，交易雙方需要在blockchain.Ref上存儲(chǔ)和執(zhí)行的級(jí)別上理解合約。[36]提出了一種名為IELE的中級(jí)語言來解決這一挑戰(zhàn)。IELE的語法類似于低級(jí)虛擬機(jī)（LLVM）[37]，以便在編譯時(shí)、鏈接時(shí)、運(yùn)行時(shí)和空閑時(shí)向編譯器提供高級(jí)信息。
2） 函數(shù)（Function）問題：現(xiàn)有智能合約平臺(tái)存在許多Function問題。我們提出了幾個(gè)具有代表性的挑戰(zhàn)：
1）重新進(jìn)入意味著中斷的功能可以安全地重新調(diào)用。惡意用戶可以利用此漏洞竊取數(shù)字貨幣(重入攻擊)，如[81]所示。2） 塊隨機(jī)性。一些智能合約應(yīng)用程序（如彩票和投注池）可能需要隨機(jī)生成區(qū)塊。這可以通過在塊時(shí)間戳或nonce中生成偽隨機(jī)數(shù)來實(shí)現(xiàn)。然而，一些惡意礦工可能會(huì)編造一些塊來偏離偽隨機(jī)發(fā)生器的結(jié)果。通過這種方式，攻擊者可以控制結(jié)果的概率分布，如[82]所示。3） gas消耗過度。最近的工作[44]表明，由于智能合約的優(yōu)化不足，智能合約可能會(huì)被多收費(fèi)。這些gas浪費(fèi)的模式具有死代碼、重復(fù)計(jì)算循環(huán)中昂貴的操作等特征。
Function問題的最新進(jìn)展
?重入攻擊：最近，一些方案試圖解決重入攻擊問題。黑曜石（Obsidian）[38]被提議用于解決再進(jìn)入攻擊和資金泄漏問題。特別是，Obsidian利用命名狀態(tài)對(duì)狀態(tài)轉(zhuǎn)換和驗(yàn)證進(jìn)行一致性檢查，從而修復(fù)重入漏洞。此外，還提出了一種數(shù)據(jù)流分析方法，以防止非法數(shù)字貨幣被盜。參考文獻(xiàn)[39]建議通過禁止合同中函數(shù)之間的嵌套調(diào)用來消除重入漏洞。Liu等人[40]提出通過迭代生成隨機(jī)但不同的事務(wù)來檢測(cè)可重入性bug，從而對(duì)智能合約執(zhí)行模糊測(cè)試。
?區(qū)塊隨機(jī)性：區(qū)塊鏈被認(rèn)為是一種有前途的技術(shù)，可以產(chǎn)生公共的和不可預(yù)測(cè)的隨機(jī)值。然而，隨機(jī)輸出可能不像人們期望的那樣隨機(jī)。礦工們可以控制區(qū)塊的生成并釋放區(qū)塊，直到他們發(fā)現(xiàn)區(qū)塊有利可圖。為了解決這個(gè)問題，[41]提出使用延遲函數(shù)來產(chǎn)生隨機(jī)性。這意味著隨機(jī)值只有在生成后的一段短時(shí)間內(nèi)才會(huì)為其他人所知。這樣，區(qū)塊鏈就繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，礦商們就無法保留區(qū)塊來獲利。但是延遲函數(shù)并不適用于智能合約，因?yàn)榇蠖鄶?shù)延遲函數(shù)都需要實(shí)例驗(yàn)證。為此，[42]提出了Sloth函數(shù)以允許更快的驗(yàn)證。在文獻(xiàn)[42]，[43]的基礎(chǔ)上，提出了一種利用仲裁委托模型驗(yàn)證延遲函數(shù)的多輪協(xié)議。它將驗(yàn)證輸出的成本從30美元降低到0.4美元。
?收費(fèi)過高：智能合約的開發(fā)者除了關(guān)心程序的效率外，還需要關(guān)注自己的執(zhí)行成本。參考文獻(xiàn)[44]報(bào)道說，超過90%的真正智能合約都受到以太坊模式的影響。Chen等人[45]提出了GasReducer，一種用于檢測(cè)氣體模式的工具。GasReducer可以用高效的字節(jié)碼代替欠優(yōu)化的字節(jié)碼。
B.部署挑戰(zhàn)
創(chuàng)建后，智能合約將部署在區(qū)塊鏈平臺(tái)上。但智能合約需要仔細(xì)檢查，以避免潛在的漏洞。此外，智能合約開發(fā)人員需要了解合約的交互模式，以減輕惡意行為（如欺詐和攻擊[83]）造成的潛在損失。接下來我們將介紹智能合約部署的挑戰(zhàn)和進(jìn)展。1） 合約正確性：一旦智能合約部署到區(qū)塊鏈上，幾乎不可能進(jìn)行任何修改。因此，在智能合約正式部署之前對(duì)其正確性進(jìn)行評(píng)估就顯得尤為重要。然而，由于智能合約建模的復(fù)雜性，驗(yàn)證智能合約的正確性具有挑戰(zhàn)性。
1)合約正確性的最新進(jìn)展
?字節(jié)碼分析：字節(jié)碼級(jí)別分析僅需要智能合約的已編譯字節(jié)碼，而這很容易獲得。如何利用這些字節(jié)碼來檢測(cè)安全威脅已成為研究的熱點(diǎn)。特別是，在[46]中提出了OYENTE來識(shí)別潛在的安全錯(cuò)誤，包括錯(cuò)誤處理的異常和與時(shí)間戳有關(guān)的問題?；贠YENTE生成的控制圖，[47]生成了基于規(guī)則的表示形式，用于高級(jí)字節(jié)碼分析。同時(shí)，Knecht和Stiller [48]提出了一個(gè)智能合約部署和管理平臺(tái)（SmartDEMAP），以解決合約開發(fā)和部署過程中的信任問題。此外，其他代碼質(zhì)量控制工具（例如自動(dòng)錯(cuò)誤查找器）也可以配備SmartDEMAP。以這種方式，僅在滿足可信條件后才能部署智能合約。[49]提出了MadMax來預(yù)測(cè)以太坊智能合約中的以gas為重點(diǎn)的漏洞?；诳刂屏鞣治龅姆淳幾g器和聲明性程序結(jié)構(gòu)查詢的組合使該方法可以高精度地檢測(cè)漏洞。同時(shí)[84]對(duì)合約依賴圖進(jìn)行了符號(hào)分析，以從代碼中提取出精確的語義信息。然后，它檢查合規(guī)性和違規(guī)模式，這些模式捕獲了足以證明財(cái)產(chǎn)是否存在的條件。此外，[50]提出了一種在智能合約的控制流程圖中搜索某些關(guān)鍵路徑并識(shí)別可能導(dǎo)致關(guān)鍵指令的路徑的方法，其中指令的參數(shù)可以由攻擊者控制。[51]提出了Vandal，一種首先將低級(jí)字節(jié)碼轉(zhuǎn)換為寄存器傳輸語言，然后再轉(zhuǎn)換為邏輯語義關(guān)系的工具。另外，[52]提出了Gigahorse，一種能夠?qū)⒅悄芎霞s字節(jié)碼反編譯為high level 3-address表示的工具。智能合約的新的中間表示形式使EVM字節(jié)碼的隱式數(shù)據(jù)和控制流依存關(guān)系變得明確。 Amani等的 [53]將字節(jié)碼序列重構(gòu)為直線代碼塊，并創(chuàng)建了程序邏輯來識(shí)別合同的安全漏洞。
?源代碼分析：與字節(jié)碼級(jí)別分析相比，源代碼分析需要智能合約源代碼的可用性。盡管源代碼分析包含更多信息，但它也需要高精度的分析。關(guān)于智能合約的源代碼分析，有許多研究。特別是，在[54]中提出了一種形式驗(yàn)證方法，可以分析和驗(yàn)證智能合約（例如，以太坊合約）的運(yùn)行時(shí)安全性和功能正確性。該方法首先將智能合約轉(zhuǎn)換為用F * [55]編寫的代碼，F(xiàn) *是一種主要用于程序驗(yàn)證的功能性編程語言。此轉(zhuǎn)換可用于檢測(cè)異常模式，例如堆棧溢出（即，超出堆棧限制）。同時(shí)，[56]提出了宙斯驗(yàn)證智能合約的正確性。 Zeus首先將合同和策略規(guī)范轉(zhuǎn)換為低級(jí)的中間表示，并將編碼后的表示輸入受約束的horn條款[57]，以確定智能合約的安全性。
基于機(jī)器學(xué)習(xí)的分析：最近，已經(jīng)提出了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法來獲得更好的表示形式，以檢測(cè)智能合約中的漏洞。 特別是，[58]提出了一種新的語義感知安全審計(jì)技術(shù)，稱為以太坊S-gram方案。 結(jié)合了N-gram語言建模和靜態(tài)語義標(biāo)記的S-gram方案可用于通過識(shí)別不規(guī)則令牌序列并優(yōu)化現(xiàn)有深度分析器來預(yù)測(cè)潛在漏洞。 同時(shí)，[59]的工作將智能合約的字節(jié)碼轉(zhuǎn)換為RGB顏色，然后轉(zhuǎn)換為圖像。 圖像被饋送到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）中以提取更有意義的特征。 此外，[60]應(yīng)用長(zhǎng)短期記憶（LSTM）在操作碼級(jí)別分析了智能合約的安全威脅。
2）動(dòng)態(tài)控制流
盡管已部署的智能合約是不可變的，但不能保證智能合約的控制流程是不可變的。尤其是，智能合約可以與其他合約進(jìn)行交互（例如，向合約轉(zhuǎn)移資金或創(chuàng)建新合約）。開發(fā)合同時(shí)，需要仔細(xì)設(shè)計(jì)智能合同的控制流程。隨著時(shí)間的推移，智能合約的交互作用會(huì)導(dǎo)致互連合約數(shù)量的增加。因此，如何預(yù)測(cè)合同行為變得具有挑戰(zhàn)性。另外，大多數(shù)現(xiàn)有方法關(guān)注于程序中潛在的動(dòng)態(tài)控制流問題的檢測(cè)，而并不總是確保執(zhí)行環(huán)境的可靠性。因此，檢查執(zhí)行環(huán)境是否可靠也很重要。動(dòng)態(tài)控制流程的最新進(jìn)展
?基于圖的分析：Charlier等。 [61]提出了一種多維方法來預(yù)測(cè)智能合約之間的交互。特別是，這種方法集成了隨機(jī)過程和張量以重現(xiàn)現(xiàn)有的相互作用，因此可以預(yù)測(cè)未來的合同相互作用。此外，[62]中的工作提出了控制流不變性的啟發(fā)式指標(biāo)。特別是，在以太坊上所有智能合約的調(diào)用圖上評(píng)估了該方法。通過分析調(diào)用圖，可以看出，兩個(gè)智能合約（五分之二）需要至少一個(gè)第三方的信任。
?路徑搜索：Nikolic′等人的 [63]提出了一種名為MAIAN的方法，該方法可以檢測(cè)合約長(zhǎng)期調(diào)用中的漏洞。 MAIAN使用過程間符號(hào)分析和具體的驗(yàn)證器來展示真實(shí)的漏洞利用。它使用深度優(yōu)先搜索（DFS）在跟蹤中搜索所有執(zhí)行路徑的空間，并檢查協(xié)定是否觸發(fā)屬性違規(guī)。與上述基于圖的方法不同，MAIAN旨在識(shí)別無限期鎖定資金，泄露給任意用戶或被任何人對(duì)合約使用析構(gòu)函數(shù)。因此，它不需要對(duì)智能合約之間的交互進(jìn)行建模。
?執(zhí)行環(huán)境：提出了EVMFuzz [64]以檢測(cè)智能合約執(zhí)行環(huán)境的漏洞。 EVMFuzz不斷為不同的EVM執(zhí)行生成種子合同，以便在執(zhí)行結(jié)果之間找到盡可能多的不一致之處。該方法最終可以發(fā)現(xiàn)具有交叉引用輸出的漏洞。執(zhí)行階段對(duì)于智能合約至關(guān)重要，因?yàn)樗鼪Q定了智能合約的最終狀態(tài)。在執(zhí)行智能合約期間，有許多問題需要解決。 1）值得信賴的預(yù)言：沒有真實(shí)世界的信息，智能合約將無法運(yùn)作。例如，Eurobet（即足球博彩智能合約）需要知道歐洲杯的結(jié)果。但是，智能合約被設(shè)計(jì)為在與外部網(wǎng)絡(luò)隔離的沙箱中運(yùn)行。在智能合約中，oracle充當(dāng)代理的角色，該代理查找并驗(yàn)證現(xiàn)實(shí)世界中發(fā)生的事件，并將此信息轉(zhuǎn)發(fā)給智能合約。因此，如何確定一個(gè)值得信賴的oracle成為一個(gè)挑戰(zhàn)。
交易順序依賴性：當(dāng)?shù)V工將交易打包成塊時(shí)，用戶發(fā)送交易以調(diào)用智能合約中的功能。然而，由于一分為二的區(qū)塊鏈分支的不確定性，交易的順序是不確定的[26]。這種不確定性可能導(dǎo)致與訂單相關(guān)的交易不一致。例如，有一個(gè)包含變量x的合同。alice發(fā)送交易使x增加1，而bob發(fā)送交易使x乘10。由于交易順序的不確定性，變體x的最終結(jié)果會(huì)有不同。值得一提的是在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）中，這種不一致已經(jīng)得到了很好的解決[85]，而據(jù)我們所知，在智能合約中解決這種挑戰(zhàn)是具有挑戰(zhàn)性的。
交易訂單依賴性的最新進(jìn)展
?順序執(zhí)行：[68]介紹了一種智能合約交易計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)模式。事務(wù)計(jì)數(shù)器希望將每個(gè)函數(shù)中的過渡編號(hào)作為參數(shù)，并確保在每個(gè)函數(shù)執(zhí)行后將該編號(hào)增加一個(gè)。通過分析轉(zhuǎn)移數(shù)，解決了不一致的問題。
?預(yù)定義合約：為避免此類異常，[69]建議通過編寫智能合同而不是交易調(diào)用合約。例如，如果Alice想要在Bob的操作之后增加x的值，則可以編寫一個(gè)GrowthIfMultiplied（）函數(shù)，這樣可以避免Alice的操作在Bob的操作之前執(zhí)行的情況。
3） 執(zhí)行效率：智能合約由礦工連續(xù)執(zhí)行。換句話說，在當(dāng)前合約完成之前，礦工不會(huì)執(zhí)行其他合約。執(zhí)行序列化本質(zhì)上限制了系統(tǒng)性能。然而，由于多個(gè)智能合約之間的數(shù)據(jù)共享，并發(fā)執(zhí)行智能合約是一個(gè)挑戰(zhàn)。同時(shí)，在不需要重新部署新合約的情況下，如何在沒有指定接口的情況下檢查合同數(shù)據(jù)對(duì)提高智能合約執(zhí)行效率也很重要。
執(zhí)行效率研究進(jìn)展
?執(zhí)行序列化：為了填補(bǔ)這一空白，Dickerson等人[70]提出了一種基于軟件事務(wù)內(nèi)存的方法，允許礦工或驗(yàn)證器并行執(zhí)行契約。這種方法的主要思想是將智能合約的每次調(diào)用視為一種推測(cè)性的原子操作。這樣，在并行執(zhí)行期間發(fā)生的沖突就可以很容易地回滾。此外，在[71]中的工作從并行的角度研究了智能合約。特別是，并發(fā)性問題，如原子性、干擾、同步和資源所有權(quán)，在本文中得到了很好的研究。參考文獻(xiàn)[72]建議使用樂觀軟件事務(wù)內(nèi)存系統(tǒng)來幫助提高智能合約的執(zhí)行效率。當(dāng)使用多線程并發(fā)執(zhí)行合約事務(wù)時(shí)，miner還將事務(wù)塊圖存儲(chǔ)到塊中。然后驗(yàn)證程序與給定的塊圖同時(shí)重新執(zhí)行智能合約。如果結(jié)果一致，塊將被追加到區(qū)塊鏈中。
? 合約檢查：部署后，合同內(nèi)容不可修改。 如果要求開發(fā)人員觀察一些在其初始需求中未描述的值，他們可以做什么？ 一個(gè)直接的解決方案是修改智能合約并重新部署它。 但是，重新部署智能合約可能會(huì)導(dǎo)致額外的成本。 參考 [73] 提出利用內(nèi)存布局具體化來反編譯已編譯合約的二進(jìn)制結(jié)構(gòu)。 同時(shí)，[73]的工作提出了封裝在鏡像中的反編譯能力[86]，通過該方法可以檢查智能合約實(shí)例的當(dāng)前狀態(tài)，而無需重新部署它。
其他挑戰(zhàn)
智能合約執(zhí)行后，系統(tǒng)中對(duì)狀態(tài)的修改將打包為交易并廣播到各個(gè)節(jié)點(diǎn)。然而，智能合約的激增帶來了額外的擔(dān)憂。1）隱私和安全：目前大多數(shù)智能合約和區(qū)塊鏈平臺(tái)缺乏隱私保護(hù)機(jī)制，尤其是交易隱私。特別是，交易記錄（即操作順序）在整個(gè)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中傳播。因此，所有交易對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)人都是可見的。盡管一些區(qū)塊鏈系統(tǒng)利用假名公鑰來提高交易的匿名性，但大多數(shù)交易數(shù)據(jù)（例如余額）仍然是公開可見的。如[87]所示，可以基于交易圖分析從交易數(shù)據(jù)中獲取有用的信息。智能合約系統(tǒng)也有其固有的軟件漏洞，容易受到惡意攻擊。此外，智能合約運(yùn)行在同樣存在系統(tǒng)漏洞的區(qū)塊鏈系統(tǒng)之上。例如，[88] 中報(bào)告說，攻擊者利用邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議 (BGP) 路由方案來攔截區(qū)塊鏈中的消息。它會(huì)造成消息廣播的高延遲，還會(huì)劫持一部分節(jié)點(diǎn)的流量，從而竊取數(shù)字貨幣。
隱私和安全的最新進(jìn)展
? 隱私：為了解決智能合約的隱私問題，Kosba 等人。 [74] 提出了 Hawk - 一個(gè)去中心化的智能合約系統(tǒng)，用于建立隱私保護(hù)的智能合約。特別是，Hawk 編譯器會(huì)自動(dòng)將合約編譯為加密協(xié)議。編譯好的Hawk程序包含兩個(gè)主要部分：用于執(zhí)行主要功能的私有部分和用于保護(hù)用戶的公共部分。 Hawk 將對(duì)交易信息（例如交易余額）進(jìn)行加密，并通過使用零知識(shí)證明（即不查看交易內(nèi)容）來驗(yàn)證交易的正確性?？梢源_保智能合約中各方的匿名性，而可能無法滿足合約執(zhí)行的保密性。 Enigma [75] 為智能合約執(zhí)行的保密性提供了解決方案。 Enigma 中使用高級(jí)制圖算法來支持零知識(shí)證明。此外，與傳統(tǒng)的區(qū)塊鏈冗余方案不同（即每個(gè)節(jié)點(diǎn)保存所有交易的副本），Enigma 將區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)分布在不同的節(jié)點(diǎn)中。 ? 安全性：在解決安全問題方面有一些努力。例如，[76] 的最近工作提出了一種用于區(qū)塊鏈的安全中繼網(wǎng)絡(luò)，即 SABRE。特別是，SABER 調(diào)整了 BGP 路由方案的域間路由策略。它可以通過適當(dāng)放置中繼來保護(hù)客戶端和中繼之間的鏈路。同時(shí)，SABRE還通過軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）采用硬件和軟件的協(xié)同設(shè)計(jì)，以減少中繼的流量負(fù)擔(dān)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了對(duì)抗 BGP 路由攻擊的有效性。
詐騙：作為一項(xiàng)新技術(shù)，區(qū)塊鏈和智能合約容易受到詐騙發(fā)起的惡意攻擊。詐騙的檢測(cè)對(duì)于合約用戶尤其重要，因?yàn)樗顾麄兡軌蛟谠缙陔A段終止投資以避免不必要的損失。
可讀性挑戰(zhàn)的最新進(jìn)展
? 龐氏騙局：龐氏騙局是一種典型的騙局，它承諾給投資者帶來高回報(bào)且風(fēng)險(xiǎn)很小。它用新投資者的資金支付老投資者。但是，如果沒有足夠的流通貨幣，該計(jì)劃就會(huì)解散那些因此而賠錢的后繼者。 [77] 最近的工作對(duì)以太坊上的龐氏騙局進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。其中，2015年7月至2017年5月共統(tǒng)計(jì)16,082,269筆交易，發(fā)現(xiàn)17,777筆交易與龐氏騙局有關(guān)，僅兩年時(shí)間就已收繳超過41萬美元。陳等人。 [22] 提出了一種從賬戶和操作碼中提取特征的方法，以識(shí)別以太坊上的龐氏騙局。同時(shí)，[78] 的工作提出了一種檢測(cè)和量化比特幣龐氏騙局的新方法。特別是，為了解決龐氏騙局經(jīng)常使用多個(gè)地址而難以識(shí)別的問題，提出了一種聚類方法[78]來識(shí)別地址。他們發(fā)現(xiàn) 32 個(gè)龐氏騙局中有 19 個(gè)使用多個(gè)地址。
（未完待續(xù)，待更新）
