智能合約入門系列 | 智能合約工程重要環節：形式化驗證方法_IME

北京航空航天大學分布式實驗室北京航空航天大學云南創新研究院?周楚涵胡凱

形式化驗證是智能合約工程的重要環節，它可以成為對合約進行確定性驗證的一種技術，通過形式化語言把合約中的概念、判斷、推理轉化成智能合約模型，可以消除自然語言的歧義性、不通用性，進而采用形式化工具對智能合約建模、分析和驗證，進行一致性測試，最后自動生成驗證過的合約代碼，形成智能合約生產的可信全生命周期。

1.?????形式化驗證

形式化驗證是基于形式化方法相關理論。形式化方法起源于20世紀50年代對編譯技術的研究，20世紀60年代發生了“軟件危機”，當時針對“軟件危機”，主要有兩種解決方法：一種是采用合理有效的工程方法來管理和組織軟件的開發過程，這也是軟件工程的起源；另一種是建立嚴格的數學推導理論，以指導軟件開發過程，這方面推進了形式化方法的深入研究。

形式化方法主要包括形式規約和形式化驗證。形式規約是指應用具有精確語法和語義的形式化語言來刻畫系統的性質和行為，是設計系統約束和驗證系統是否正確的依據；形式化驗證是在形式規約的基礎上，建立系統的行為及其性質的關聯，進而驗證系統是否需求的關鍵性質。形式化驗證與形式化規約之間具有緊密的聯系，形式化驗證就是驗證已有的程序P，是否滿足其規約的要求），它也是形式化方法所要解決的核心問題。

目前常見的形式化驗證方法主要可分為兩類：演繹驗證和模型檢測。演繹驗證主要基于定理證明的基本思想，采用邏輯公式描述系統及其性質，通過一些公理或推理規則來證明系統具有某些性質。目前主要的演繹驗證工具有：基于Manna-Pnueli證明系統的STeP、TLV、機器定理證明器等。模型檢測方法的基本思想是通過狀態空間搜索來確認合約是否具有某些性質。即給定一個合約P和規約ψ，生成對應于合約模型M，然后證明M╞ψ，即規約公式ψ在合約模型M中成立，這樣就證明了合約P滿足規約ψ。常用的模型驗證工具有：SMV、SPIN、SDL、UPPAAL等。

范一飛：數字人民幣智能合約要堅持開放包容、公平競爭，避免形成新的信息壁壘:金色財經消息，中國人民銀行黨委委員、副行長范一飛表示，數字人民幣智能合約要堅持開放包容、公平競爭，要在央行中心化管理和“雙層運營”架構的原則下統籌推進，避免形成新的信息壁壘。要廣泛連接各類外部生態，確保在智能合約系統和外部系統、身份驗證和合規性檢查數據以及運行環境等方面實現互通，更高效地適應各行各業的實際需求。（金十）[2022/9/8 13:16:25]

模型檢測技術是近三十年來最成功的自動驗證技術之一，目前被廣泛地應用于有限狀態系統的驗證，包括電路設計和通信協議的分析與驗證。根據所要驗證模型的規格特點，可以分為復合檢驗器、時態邏輯模型檢測器和行為一致檢驗器。根據采用的不同的技術可以分為：面向狀態的模型檢測和符號模型檢測。模型檢測器的基本原理都是一樣的，其工作原理如圖1???所示。通常情況下，模型都需要經過迭代驗證的過程，才能最終滿足驗證條件。

圖1模型檢測器原理

形式化驗證是一種基于數學和邏輯學的方法，在智能合約部署之前，對其代碼和文檔進行形式化建模，然后通過數學的手段對代碼的安全性和功能正確性進行嚴格的證明，可有效檢測出智能合約是否存在安全漏洞和邏輯漏洞。該方法可以有效彌補傳統的靠人工經驗查找代碼邏輯漏洞的缺陷。形式化驗證技術的優勢在于，用傳統的測試等手段無法窮舉所有可能輸入，而我們用數學證明的角度，就能克服這一問題，提供更加完備的安全審計。

2.???形式化驗證在區塊鏈領域的應用現狀

隨著區塊鏈平臺級應用的普遍化，智能合約涉及的金額呈指數級別增長，智能合約的安全問題也成為投資者和開發者共同關注的焦點。今年以來有數個基于ERC-20的項目因為智能合約代碼出現漏洞而遭到黑客攻擊，導致投資者巨額的損失。為了防止類似事件的發生，交易所、錢包、項目方等都在智能合約安全上加大投入，同時圍繞著智能合約安全的周邊生態成為目前投資的熱點。

歐盟委員會發布新數據法案相關提案，尋求加強對智能合約的控制:2月26日消息，歐盟委員會發布關于歐盟新數據法案的提案，其中一些關于智能合約的細則。該法案草案將智能合約定義為：“基于預先確定的條件執行和結算交易的電子分類賬上的計算機程序。它們有可能向數據持有者和數據接收者保證共享數據的條件得到遵守。”

法案第30條要求使用智能合約的應用程序應該增加終止功能：“確保存在終止繼續執行交易的機制：智能合約應包括可以重置或指示合約停止或中斷操作以避免未來（意外）執行的內部功能。”

專業人士指出，終止開關意味著單一來源能夠進行更改代碼，這在本質上威脅到了智能合約不可變性的承諾。（The Block）[2022/2/26 10:17:02]

形式化驗證技術已經在軍工、航天等高系統安全要求領域的取得了相當成功的應用，將形式化方法應用于智能合約，使得合約的生成和執行有了規范性約束，保證了合約的可信性，使人們可以信任智能合約的生產過程和執行效力。通過形式化語言，把合約中的概念、判斷、推理轉化成智能合約模型，可以消除自然語言的歧義性、不通用性，進而采用形式化工具對智能合約建模、分析和驗證，進行一致性測試。合約的形式化驗證保證了合約的正確屬性，自動化代碼生成提高了合約的生成效率，合約的一致性測試保證了合約代碼與合約文本的一致性。

目前區塊鏈產業中與形式化驗證相關的產品可以分為三類:VaaS平臺，公鏈，和語言，應用尚在技術的早期，自動化程度和實用性，及用戶工具還有待于極大的進步。

Vaas平臺

是直接面向開發者提供形式化驗證服務的平臺。目前Vaas類項目包括CertiKzecurify.ch、RuntimeVerification等項目。目前，CertiK仍在初始階段，Securify.ch的測試版已經上線，而RuntimeVerification已經在商業運營。

Plasm創始人：智能合約已鎖倉15萬枚ETH，正在開發以太坊橋:Plasm創始人Sota Watanbe發推稱：目前已經收到6項Web3基金會捐助，已經提交四項捐贈。智能合約鎖倉15萬枚ETH，社區成員超過3萬人。接下來Plasm將推出以太坊橋、發布Plasm Network Portal以及成為Kusama/波卡平行鏈。[2021/2/4 18:51:20]

與其它幾個項目不同，RuntimeVerification是基于EVM虛擬機二進制碼進行形式化驗證，而非針對智能合約本身用的高級語言，因此在安全性上又更進一步，避免了因編譯器編譯過程中可能產生的漏洞。

語言

語言類產品一般為函數式語言的子語言，提供與智能合約形式化驗證相關的開發者庫和工具，目前有Imandra和Tezos等項目。

其中，Imandra發布了一套開源的以太坊虛擬機用ImandraML語言標記的模型，并且專注于交易所等金融應用場景的形式化驗證，用以確保金融交易的合法合規，據稱相關技術已經用于華爾街頂級投行的交易系統。

公鏈

直接包含形式化驗證引擎的公鏈產品目前只有TheMatrix項目，特征是基于AI輔助的形式化驗證及動態約束的檢查。AI是否對于形式化驗證的自動化帶來幫助在技術上仍是個未知數。

3.?????智能合約的形式化驗證

智能合約的安全性驗證問題迫在眉睫，智能合約可能存在的主要安全隱患有：1）合約中某一方利用合約漏洞修改合約，使得合約執行結果偏向某一方；2）智能合約攻擊者利用合約漏洞攻擊合約，造成合約中財產的損失。這最終都會導致人們對于智能合約的不信任。在智能合約的驗證方面，形式化驗證方法可以檢查智能合約的很多屬性，例如，合約的公平性、可達性、有界性、活鎖、死鎖、不可達，以及無狀態二義性等。形式化方法重點可以解決智能合約產生與執行的可信性問題。采用模型檢測的優點是完全自動化并且驗證速度快，即便是只給出了部分描述的合約，通過搜索也可以提供關于已知部分正確性的有用信息。尤其重要的是，在性質未被滿足時，搜索終止可以給出反例，這種信息常常反映了合約設計中的細微失誤，因而對于合約排錯有極大的幫助。

聲音 | Coin Metrics數據工程師：以太坊伊斯坦布爾升級后，智能合約調用Gas供不應求:Coin Metrics數據工程師Antoine Le Calvez在一系列推文中指出了以太坊伊斯坦布爾升級帶來的“負面后果”：“雖然技術上是成功的，但最近的以太坊伊斯坦布爾升級并非沒有負面影響。一些EVM操作被重新定價，成本更高，這影響了一些智能合約活動。” 在最新的網絡升級中，EIP主要集中在降低成本、為智能合約引入新功能等方面。然而，據Calvez透露，自從升級以來，智能合約的Gas消耗量激增。“一個調用被認為是一個契約函數的本地調用，它不會在區塊鏈上廣播或發布任何內容。”Calvez分享了一份圖表，并說明道：“在全球范圍內，智能合約調用Gas的供不應求情況在升級之后變得更加頻繁。失敗率是原來的四倍多。”此外，Calvez指出，像Gemini這樣的大型交易所也受到了同樣的影響。以太坊開發者Tim Beiko也證實了Calvez的發現。[2019/12/10]

這里我們采用模型檢測工具SPIN對智能合約進行驗證。SPIN是用來檢測和驗證分布式軟件系統的模型檢測器。SPIN即PROMELA解析器，是由美國貝爾實驗室開發并用于形式化驗證分布式軟件系統的模型檢測器，是一種廣泛應用于大規模復雜軟件系統的形式化模型檢測器，與商業性模型檢測器相比，SPIN在技術上和使用上更加自由和開放。

描述一個智能合約，包括以下幾個方面：合約方的信息、合約狀態機、各個合約方的執行狀態機。

我們定義智能合約

，為一個二元組，其中：

動態 | 研發團隊實現可以進行數字資產保密交易的智能合約:據trustnodes消息，一個編碼器團隊實現了一個叫阿茲特克協議的智能合約，該合約可以對Ethereum上的任何通用數字資產(包括現有資產)進行保密交易。為了證明實現了阿茲特克協議，研發團隊在MakerDAO的DAI令牌上附加了一個阿茲特克令牌。智能合約可以用來將DAI從它的ERC-20公共表單轉換為一個機密的阿茲特克表單。[2018/12/2]

Con為合約的基本信息描述，Con={CId，CTimeStamp，CTime，CSign}，CId為合約標識，是區分合約的唯一標識，CTime為合約的時限，即合約的有效期，CTimeStamp為合約的時間戳，即簽訂合約的日期，CSign為合約方的簽名。

Machine={

}，表示各個合約方的執行狀態機的集合，

表示第i個合約方的執行狀態機。

合約狀態機

=<MStatus，CInput，COutput，CFunction，CInit，CFinal，CBackground>，為一個多元組，其中：

MStatus是智能合約中第i個合約狀態機的所有狀態的集合和對集合的描述，MStatus={

，

，

，

?}，其中，i表示第i個進程（0

i

n），

表示合約的第i個進程的進程集合。一個合約是由一個或多個進程組成的。

CInput是合約的輸入集合，CInput={CIEvent，CITime}，CIEvent為合約輸入的事件，CITime為合約輸入的時間。智能合約有兩種觸發執行機制，分別為時間觸發和事件觸發，合約通過時間或事件的輸入觸發合約的執行，使得智能合約的狀態發生變化。

COutput是合約輸出的集合，COutput={COData}，COData為合約輸出的數據。智能合約規定可以部分執行完成，因此，合約的輸出可能是合約執行中間的一個結果輸出，也可能是合約全部執行完成。合約的輸出統一使用數據類型表示，每一個輸出都意味著合約狀態的遷移，同時每一次合約輸出都分別對應了一個合約狀態。

CFunction是合約狀態轉換函數的集合，且有CFunction：MStatus

MStatus。

CInit為合約初始狀態值，且

。

CFinal為合約終止狀態的集合，CFinal={

，

，

，

}，且

。

CBackground為智能合約其他相關信息的描述。

在智能合約的描述過程中，合約的狀態變遷過程代表了合約的執行過程，合約模型采用PROMELA進行合約建模。

SPIN的驗證過程，首先從描述系統模型的規格開始，經過編譯器的分析確定沒有語法錯誤后，對系統模型進程之間的交互進行模擬，直至確認系統模型中出現的行為和系統設計的預期行為一致。其次，SPIN從系統的高級規約中會生成一個優化后的on-the-fly驗證程序，經過編譯器編譯后執行，執行中會檢測是否有違背正確性說明，若有反例出現，則返回交互模擬的執行狀態進行再修正，確認出錯原因，直至完成正確性驗證。其驗證框架如圖2所示

圖2基于SPIN驗證框架

據此驗證框架，我們設計完成了一個形式化驗證系統，取得了較好的驗證效果,值得推廣應用，后文將給出一個驗證案例。

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