區塊鏈智能合約技術研究綜述

汪永菊,杜秀娟,2,3,陳浩章

(1. 青海師范大學計算機學院,青海 西寧 810008;2. 藏語智能信息處理及應用國家重點實驗室,青海 西寧 810008;3. 高原科學與可持續發展研究院,青海 西寧 810008)

1 引言

隨著比特幣數字貨幣的發展,區塊鏈吸引了眾多業界人士及社會各領域關注,區塊鏈為智能合約提供安全可信的環境[1],智能合約為其提供靈活的編程特性。在1994年,智能合約的概念由Nick Szbao提出,并定義為“一套以數字形式指出的承諾,包括合約參與方可以在上面執行這些承諾的協議”[2]。目前,智能合約并沒有一個可以公認的定義[3]。由袁勇、王飛躍所著的“區塊鏈理論與方法”一書中指出,廣義的智能合約定義為無需中介、自我驗證、自動執行合約條款的計算機交易協議[3]。

智能合約[3]就是在雙方或參與者在互不了解、互不信任且沒有可信第三方的權威機構下,對合約條款達成共識,實現智能合約的可編程特性[4]。

2 區塊鏈概述

2008年,中本聰公開發表了”Bitcoin:A Peer-to-Peer Electronic Cash System”[5],提出了P2P網絡、非對稱加密技術、時間戳、共識算法的電子現金系統的架構理念,以下是區塊鏈的發展歷程:

1)區塊鏈1.0--比特幣代表區塊鏈1.0,實現了跨境支付、可編程貨幣,對傳統金融市場造成了巨大沖擊。因此,區塊鏈1.0稱為可編程貨幣階段[6]。

2)區塊鏈2.0--第一次嘗試將區塊鏈技術和現實產業相結合,將其應用于金融、經濟領域。以太坊是區塊鏈2.0。因此,區塊鏈2.0稱為可編程金融階段[6]。

3)區塊鏈3.0--將區塊鏈從數字貨幣應用到金融、醫療、物聯網等社會的諸多領域,其目的是實現可編程社會。因此,區塊鏈3.0稱為可編程社會階段[6]。

區塊鏈是用時間順序將數據區塊進行連接并將數據存儲在主鏈上的一種分布式數據庫[3],在區塊鏈系統中用密碼學技術實現了數據不被篡改、利用共識機制達成共識,同時使用智能合約實現自動化的編程,并由各節點共享且共同維護的分布式數據賬本[3]。

3 智能合約

智能合約的概念在區塊鏈出現之前就被提出,但直到區塊鏈的出現為智能合約的發展提供了條件。

智能合約(Smart Contracts)是將合約內容通過算法和程序的方式編寫為代碼并在區塊鏈上進行部署[1],一旦滿足了提前制定的規則中的條件,代碼將會自動執行而且不需要人為的對代碼進行任何的操作[1]。因受到計算場景等因素限制,智能合約得不到應用,但區塊鏈的發展給智能合約提供了新的涵義[3]。此外智能合約包括自動執行、安全靈活等優點[7]。

4 智能合約的主要開發平臺

目前比較成熟的智能合約技術平臺主要有以太坊(Ethereum)[8]和超級賬本(Hyperledger Fabric)[9]。朱巖[10]等人從語言形式和運行環境將智能合約分為腳本型、通用型和專用型等三種不同的智能合約,簡要闡述了不同技術平臺使用的編程語言不同。本文將從編程語言和執行環境等方面介紹比特幣腳本、以太坊平臺和超級賬本。

4.1 比特幣腳本

比特幣(Bitcoin)交易腳本語言可簡稱為(Script),是一種類似Forth語言的指令體系[10]。它是非圖靈完備的語言且處理簡單的交易腳本[11],為了解決存在的漏洞及攻擊問題,比特幣腳本中沒有設計循環等較為復雜的控制流[3],只實現基本的算法、邏輯運算及驗證加密功能。

比特幣腳本語言能夠保證交易的安全,卻僅限于數字貨幣領域,它可看做是智能合約的雛形,并不能作為智能合約未來的發展方向[12]。

4.2 以太坊平臺

4.2.1 以太坊

以太坊是一個開源平臺項目[4],以太坊智能合約就是以太坊上的一種程序。按以下智能合約模型,將合約部署在區塊鏈上,將有用的價值和狀態存儲在區塊鏈創建的共享賬本上[1],以太坊是基于賬戶的模型,包括外部賬戶和合約賬戶[12],外部賬戶用來創建交易,合約賬戶不能創建交易,但可以完成信息創建的過程。智能合約的調用過程是將其它合約發來的交易借助外部賬戶發送到合約賬戶的這一過程,當接收到外部發來的事件和其他賬戶發來的交易時,滿足預定條件可激活智能合約,并對其進行回應,可以通過發送交易來發出價值或通過發送事件來傳遞信息[10],如圖1。

圖1 智能合約模型

在合約運行時,因CPU和內存會占據存儲空間因而會消耗一定的燃料費(Gas),而燃料費是用以太幣進行兌換的,如果Gas消耗完,合約將停止運行,已經消耗的Gas不會返回,可防止運行過程出現死循環。

4.2.2 以太坊編程語言

在以太坊中使用的編程語言分為Serpent和Solidty兩種[6]。Serpent類似于Python[10],語法簡單便于掌握,在以太坊智能合約中主要使用Solidty語言完成合約的編寫,它與JavaScript語言類似[10],且更具安全性。Solidty是面向對象的弱類型語言,也是圖靈完備的語言[13]。在合約的編寫過程中是不可直接用EVM語言(Ethereum Virtual Machine Code),而是使用Serpent和Solidty等編程語言,用編譯器編譯為EVM語言后才可以使用[13]。

4.2.3 以太坊執行環境

以太坊智能合約是在以太坊虛擬機(Ethereum Virtual Machine,EVM)[1]中執行,它屬于隔離的沙箱環境,并在以太坊虛擬機內部來完成合約代碼的執行過程[14],以太坊使用的虛擬機是屬于輕量級的,使用過程中可消耗較低的能源[14]。

將合約部署到以太坊網絡上便可運行。任何人都能對合約內容進行訪問,因為它是全網公開的,其狀態信息和價值也是公開的。

4.3 超級賬本

根據比特幣和以太坊等全球共享的公有鏈的成功經驗及企業需求[6],業界推出了適用于企業級的應用平臺。2015年超級賬本成為開源項目并交給Linux進行維護[15],Fabric是Hyperledger的一個子項目[1],超級賬本是指只有允許的商業聯盟或組織才能參與其中并進行維護。

4.3.1 鏈碼

超級賬本的智能合約稱為鏈碼(Chaincode)[16],它可用于交易并進行狀態數據的訪問,在對合約進行編寫時使用了Init和Invoke兩個函數[17],Init函數是對狀態進行初始化的一個過程,而Invoke函數是對數據進行讀寫操作[17]。

4.3.2 超級賬本編程語言

Hyperledger Fabric使用Go、Java、Node.js語言來編寫合約[12],編程語言也是圖靈完備的,同時降低了學習者對編程語言的要求,便于被更多的人掌握,主要是用于滿足商業級的業務需求和實際應用。

4.3.3 超級賬本執行環境

超級賬本是在Docker容器中執行,也是輕量級的,并且容器是屬于隔離的沙箱環境,可以減少惡意合約對宿主機產生攻擊的行為,也不會對容器之間產生影響[6]。

4.4 智能合約平臺的對比分析

從執行環境、編程語言、區別、準入機制、數據模型、共識算法、底層數據庫、圖靈完備性等方面對比特幣、以太坊和超級賬本作對比分析,見表1。

表1 智能合約開發平臺對比

5 智能合約的典型應用領域

智能合約最先是在無人自動售貨機中進行使用[12]。用戶將足額硬幣投入售貨機來獲得相應的商品,完成一次交易。最初Nick Szbao根據無人自動售貨機提出了智能合約的概念,將其作為一個簡單版本的智能合約,即向售貨機中投入硬幣獲得商品的方式,自動控制程序完成交易。

智能合約的應用場景廣泛,可以運用于各類金融資產、物聯網、醫療、供應鏈、保險、身份認證等諸多領域。本文從金融、醫療、物聯網、供應鏈管理等四個主要領域介紹智能合約的應用場景。

5.1 金融

智能合約在金融行業的作用比較突出,胡啟磊[18]研究發現,智能合約技術使得金融交易數字化,執行過程中實現合同的自動化、智能化,節省附加的時間和人工成本,提高交易過程中的透明度,確保各類金融交易安全;李九斤[19]等人研究發現,智能合約可簡化金融交易流程,提供更高效和標準的金融服務。

智能合約還可以應用于抵押貸款,通過智能合約實現自動化付款及在付款后可查詢抵押記錄及簡化付款跟蹤,與傳統人工處理相比,提高處理效率,減少誤差并降低交易成本;智能合約在金融領域的關注度和投入度比其 它行業更多,智能合約的在金融行業的應用具有更大的發揮潛能,但是需要進一步關注法律及技術方面問題,比如數據隱私方面的保護。

5.2 醫療

醫療行業目前是一個全球關注的行業,也是各國政府進行大量財力和物力投資優化的行業,將智能合約技術和醫療行業相結合,能夠更深入地為醫療領域的工作者提供安全、穩定的大數據分析及醫療知識學習與分析等服務,更好的解決醫療數據的信息孤島問題。因此,將智能合約運用在醫療領域,可保證數據安全及患者隱私。文獻[20,21]研究發現,基于區塊鏈智能合約可實現對不同醫療區塊鏈平臺數據的訪問控制,并實現不同醫療機構之間對患者隱私的保護、數據整合和信息共享的過程,還保障了醫療數據的權威及可信性,為醫療人員提供了更便利及智能的服務,能夠更好地保護在不同醫療系統之間醫療數據的安全及隱私泄露等問題。

5.3 物聯網

物聯網是將位于不同時間、不同地方的物與物、人與設備、設備與設備之間通過網絡進行連接且進行信息交換和通信,將識別、追蹤、監控等諸多功能綜合而成的一種繼互聯網后迅速發展的信息技術,廣泛用于智慧城市、智慧交通、智能醫療等諸多領域。對物聯網存在的安全問題,陳亞茹[22]提出了一種區塊鏈智能合約技術的物聯網模型,從認證與訪問控制、數據安全及建構安全網絡架構三方面進行分析,結合區塊鏈的去中心化、安全可信等特性,提出的架構具有提高數據傳輸安全、降低數據傳輸成本及隱私保護等優勢;文獻[23,24]中將區塊鏈智能合約技術和物聯網相結合,利用智能合約實現物聯網復雜流程,更好的解決了分布式網絡中的不信任問題,保證安全并提高合約的可靠性,實現資源共享。

5.4 供應鏈管理

供應鏈管理是指在實現一定供應鏈效益的前提下,對來自不同實體的參與者進行有效組織管理并達到最小的供應鏈成本[25]。將智能合約運用在供應鏈中可提高整個供應鏈系統的信息透明度和追溯性[25]。田陽[25]等人對區塊鏈在供應鏈管理中的應用進行系統化分析,通過對農業、食品、醫療及工業供應鏈等四個不同行業作對比分析并闡述區塊鏈智能合約技術在不同行業的解決方案,提高了供應鏈過程中數據透明性,同時也更好的解決了參與方存在的信任問題;李劍[26]等人設計了一種可以用區塊鏈進行驅動的供應鏈協同減排信息共享機制,而信息不對稱是阻礙供應鏈多主體協同減排的主要因素,所以提出了使用“區塊鏈+協同減排”三位一體信息共享機制來增強供應鏈效益。三位是指生產商、供應商和消費者,一體是區塊鏈。

6 結論

區塊鏈的不可篡改及可追溯等特性為智能合約的實現提供了條件,智能合約也會被更多的人熟知,將其更好地應用于電子商品、數字版權及文化傳媒等不同行業中。本文主要從區塊鏈概述、智能合約、智能合約的主要開發平臺及智能合約的典型應用領域等四個方面分別闡述了區塊鏈智能合約技術的研究。首先從區塊鏈發展史等方面簡要概述區塊鏈;其次闡述智能合約概念;然后對智能合約的三個不同的開發平臺分開進行闡述并進一步作分析;最后從金融、物聯網、醫療和供應鏈管理四個主要領域簡要介紹智能合約應用場景。

下一步工作從智能合約存在的隱私、安全、法律等各種問題出發,將對智能合約的安全問題和隱私保護作進一步研究;在未來發展工作中致力于將區塊鏈智能合約技術應用于水下傳感器網絡、海洋研究等領域,將區塊鏈智能合約技術與水下傳感器網絡相結合,其去中心化、不可篡改、可追溯等特性在水下傳感器網絡中發揮更大的優勢,使得區塊鏈智能合約技術與水下傳感器網絡在未來研究中具有更大的突破。