智能合約研究綜述

周近 葉歷平 倪藝洋 焦嬌

【摘要】? ? 在2008年，由中本聰提出設(shè)計(jì)的比特幣，為人類打開(kāi)了區(qū)塊鏈的大門。2016年，區(qū)塊鏈已經(jīng)成為世界熱門技術(shù)，生活中越來(lái)越多的應(yīng)用都離不開(kāi)區(qū)塊鏈。智能合約被認(rèn)為是區(qū)塊鏈2.0的代名詞之一，在1995年被尼克·薩博首次提出[1]，受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)發(fā)展，智能合約并沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。隨著區(qū)塊鏈的發(fā)展，智能合約結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)已經(jīng)成為許多應(yīng)用場(chǎng)景的核心技術(shù)。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外區(qū)塊鏈發(fā)展的最新趨勢(shì)，對(duì)智能合約的基本特點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹與展望，論述了現(xiàn)有智能合約的應(yīng)用場(chǎng)景以及存在的問(wèn)題，為后續(xù)對(duì)區(qū)塊鏈的研究提供參考。

【關(guān)鍵詞】? ? 智能合約? ? 區(qū)塊鏈? ? 綜述? ? 應(yīng)用

Abstract： In 2008， Satoshi Nakamoto put forward the concept of Bitcoin which offers a gateway to blockchain. In 2016， blockchain has been widely used in life which attracts more and more attention. Intelligent contract is considered as one of the key technologies for blockchain 2.0 era. With the development of blockchain， the combination of intelligent contract and blockchain technology has become the core technology of many application scenarios. This paper focus on the intelligent contract of blockchain. We introduce the characteristics， key technologies and future directions of intelligent contract. From the aspects of the application， we investigate the application scenarios and important challenging which provides the reference for the follow-up study.

Key words： intelligent contract; block chain; review; application

一、區(qū)塊鏈概述

2008年，由中本聰發(fā)表的《比特幣：一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的電子現(xiàn)金系統(tǒng)中》提出比特幣的技術(shù)概念，由此區(qū)塊鏈作為比特幣的核心技術(shù)開(kāi)始發(fā)展起來(lái)。2016年1月，英國(guó)政府發(fā)布了區(qū)塊鏈的專題研究報(bào)告[2]，預(yù)示著區(qū)塊鏈成為人類信用進(jìn)化史上的第四個(gè)里程碑[3]。經(jīng)歷了區(qū)塊鏈1.0-數(shù)字貨幣時(shí)代、區(qū)塊鏈2.0-數(shù)字資產(chǎn)和智能合約時(shí)代，未來(lái)將迎來(lái)區(qū)塊鏈3.0-區(qū)塊鏈自治組織（DAO）、區(qū)塊鏈自治公司（DAC）以及區(qū)塊鏈大社會(huì)時(shí)代[4]。廣義上，區(qū)塊鏈就是一個(gè)分布式存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫(kù)，這種分布式節(jié)點(diǎn)通過(guò)共識(shí)算法來(lái)生成和更新鏈上的交易信息，以及使用自動(dòng)化腳本代碼（即智能合約）來(lái)編程并且操作數(shù)據(jù)完成無(wú)第三方的信任交易。狹義上，區(qū)塊鏈?zhǔn)前凑諘r(shí)間順序?qū)?shù)據(jù)信息存儲(chǔ)在區(qū)塊中并以鏈條的方式通過(guò)特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)鏈接在一起，使用密碼學(xué)方式保證其不可篡改、不可偽造、可驗(yàn)證、匿名的去中心化共享賬本。

區(qū)塊鏈有著廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景，不僅僅局限于金融、數(shù)字貨幣等領(lǐng)域，還可以應(yīng)用到能源、醫(yī)療、管理等生活應(yīng)用中[5]。未來(lái)，區(qū)塊鏈將成為人類生活生產(chǎn)中必不可少的部分，實(shí)現(xiàn)理想中完全去中心化的區(qū)塊鏈社會(huì)[6]。

二、智能合約概述

其實(shí)，早在1995年多產(chǎn)的跨領(lǐng)域法律學(xué)者尼克·薩博就已經(jīng)提出了智能合約的理念[7]，他的定義是“一個(gè)智能合約是一套以數(shù)字形式定義的承諾，包括合約參與方可以在上面執(zhí)行這些承諾的協(xié)議”，但此時(shí)，不懂得編程的他并沒(méi)有能力去實(shí)現(xiàn)這一超前的理念。直到2009年首個(gè)比特幣軟件系統(tǒng)的推出，讓智能合約有了新的發(fā)展平臺(tái)—區(qū)塊鏈。2016年，國(guó)務(wù)院發(fā)表了《“十三五”國(guó)家信息化規(guī)劃》[8]，首次確定了以區(qū)塊鏈為首，大數(shù)據(jù)、人工智能以及機(jī)器深度學(xué)習(xí)等新技術(shù)為國(guó)家布局重點(diǎn)。同年，以以太坊為代表的智能合約技術(shù)成為了業(yè)界的新熱點(diǎn)，引起了各個(gè)領(lǐng)域廣泛的關(guān)注。

2019年10月24日，中共中央總書記習(xí)近平在中央政治局第十八次集體學(xué)習(xí)時(shí)明確強(qiáng)調(diào)要將區(qū)塊鏈作為核心技術(shù)自主創(chuàng)新的重要突破口加大投入力度，加快推動(dòng)區(qū)塊鏈技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。

智能合約是區(qū)塊鏈中每一筆交易之間重要的“合同”，這份合同包含了眾多對(duì)交易雙方的約束規(guī)則，交易前只需預(yù)置好合同內(nèi)容，就可保證交易的安全性和不可逆性。

智能合約的單線程執(zhí)行、資源消耗約束、難以獲取鏈外資源等特點(diǎn)使得目前的智能合約生態(tài)多以鏈上資源為主要方式。由此，不難看出目前智能合約的廣泛應(yīng)用還缺乏相關(guān)技術(shù)支撐，但大量科研人員已開(kāi)始致力于智能合約的研究。毋庸置疑的是，智能合約將會(huì)占據(jù)業(yè)界的重要地位，開(kāi)啟一個(gè)新的區(qū)塊鏈時(shí)代。? 相較于傳統(tǒng)APP開(kāi)發(fā)需要繁瑣復(fù)雜的流程以及大量的資金儲(chǔ)備，基于智能合約的去中心化應(yīng)用（DAPP）不再局限于某個(gè)APP的開(kāi)發(fā)公司，一個(gè)團(tuán)隊(duì)甚至一個(gè)人都可進(jìn)行開(kāi)發(fā)，更具靈活性與開(kāi)放性。在DAPP中，APP作為前端負(fù)責(zé)用戶交互工作，智能合約作為后端負(fù)責(zé)和區(qū)塊鏈交互，如圖1所示。

目前，DAPP大多數(shù)以PC端網(wǎng)頁(yè)的形式或者智能合約接口調(diào)用的形式得以應(yīng)用，由于技術(shù)局限性，移動(dòng)端的普及率相對(duì)較低。未來(lái)，隨著更多科研力量的投入、更安全的操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，DAPP的發(fā)展將成為必然。

三、智能合約基本架構(gòu)與運(yùn)行機(jī)制

3.1合約基礎(chǔ)架構(gòu)模型

智能合約的本質(zhì)其實(shí)是一段代碼，通過(guò)一定的事件驅(qū)動(dòng)，利用協(xié)議和用戶接口完成合約的自動(dòng)執(zhí)行。在協(xié)議制定和部署完后，無(wú)需任何外設(shè)或人為干預(yù)，即可實(shí)現(xiàn)自我執(zhí)行和驗(yàn)證[9]。尼克·薩博所定義的智能合約包含了承諾、數(shù)字形式、協(xié)議等關(guān)鍵詞，其中承諾即為合約的本質(zhì)和目的，是合約的雙方都同意的權(quán)利或者義務(wù);數(shù)字形式便是利用計(jì)算機(jī)形成的代碼，只要合約雙方啟動(dòng)這段代碼，計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)就可直接執(zhí)行這段代碼，并在執(zhí)行后會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的可被驗(yàn)證的證據(jù)，以確保合約的有效性。

智能合約一般包括三個(gè)基本屬性：協(xié)議、形式化和執(zhí)行。

1）協(xié)議：主要是智能合約的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)參與雙方制定協(xié)議時(shí)，需要記錄下來(lái)作為合約的證據(jù)，合約雙方的承諾被實(shí)現(xiàn)還取決于多個(gè)因素，其中最重要的是合約履行期間的交易本質(zhì)。2）形式化：智能合約的形式化一般指的是數(shù)字形式，這意味著合約能夠被寫入計(jì)算機(jī)形成計(jì)算機(jī)可讀代碼，參與雙方一旦達(dá)成協(xié)定，智能合約就會(huì)在此臺(tái)電腦上通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)并執(zhí)行。3）執(zhí)行：當(dāng)智能合約在一臺(tái)電腦上部署下來(lái)，參與雙方達(dá)成統(tǒng)一后，合約就會(huì)自動(dòng)按照代碼一步一步執(zhí)行，在此過(guò)程中，任何人都不能篡改或反悔協(xié)議的內(nèi)容。

智能合約的基礎(chǔ)架構(gòu)模型[10]如圖2所示，包括應(yīng)用層、表現(xiàn)層、智能層、運(yùn)維層、合約層和基礎(chǔ)設(shè)施層應(yīng)用層封裝了目前智能合約的應(yīng)用領(lǐng)域，驗(yàn)證了區(qū)塊鏈與智能合約可應(yīng)用于各行各業(yè)。表現(xiàn)層封裝了智能合約在實(shí)際應(yīng)用中的幾種具體表現(xiàn)形式，為區(qū)塊鏈2.0時(shí)代的到來(lái)奠定了基礎(chǔ)。智能層封裝了多種智能算法，智能合約的智能在以后可能會(huì)替代人類生活中的一些高級(jí)行為。運(yùn)維層封裝了一系列對(duì)合約層中靜態(tài)合約數(shù)據(jù)的操作，運(yùn)維層是智能合約 按照設(shè)計(jì)者意愿正確、安全、高效運(yùn)行的保障。合約層封裝了一些必不可少的合約數(shù)據(jù)，相當(dāng)于是智能合約的靜態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)?；A(chǔ)設(shè)施層封裝了支持智能合約及其衍生應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的所有基礎(chǔ)設(shè)施，這些設(shè)施的選擇在一定程度上影響了智能合約的設(shè)計(jì)模式和合約屬性。

3.2智能合約工作原理

智能合約的工作過(guò)程包括構(gòu)建、部署、輸入、執(zhí)行等四個(gè)步驟。由開(kāi)發(fā)語(yǔ)言編寫完成后，交由以太坊特有的二進(jìn)制格式的虛擬機(jī)來(lái)進(jìn)行編譯，形成字節(jié)碼后完成部署，再通過(guò)P2P網(wǎng)絡(luò)上傳到本次合約相關(guān)的區(qū)塊鏈上，廣播到各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，在這之后的每次合約調(diào)用都會(huì)在虛擬機(jī)上被執(zhí)行，具體過(guò)程如下：1）構(gòu)建：智能合約的構(gòu)建主要是將合同或者業(yè)務(wù)規(guī)劃以代碼的形式呈現(xiàn)出來(lái)，包括條件、輸入?yún)?shù)、執(zhí)行邏輯、輸出結(jié)果等內(nèi)容。2）部署：在進(jìn)行智能合約部署時(shí)，首先需要編寫合約代碼文件，并交由智能合約編譯器進(jìn)行編譯，轉(zhuǎn)換為在虛擬機(jī)（EVM）上執(zhí)行的字節(jié)碼;接著，向區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)接口發(fā)送創(chuàng)建請(qǐng)求交易，驗(yàn)證通過(guò)后檢查輸入數(shù)據(jù)，再進(jìn)入交易池;隨后，由“礦工”打包該交易，并生成新的區(qū)塊廣播到P2P網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)在接收到區(qū)塊信息后對(duì)交易進(jìn)行處理，為合約創(chuàng)建EVM環(huán)境，生成智能合約特有的賬戶地址，并將該區(qū)塊添加到區(qū)塊鏈上;最后，應(yīng)用程序編程接口獲取到該交易的收據(jù)，得到賬戶地址，完成智能合約的部署。3）輸入：智能合約的輸入是整個(gè)工作過(guò)程的重點(diǎn)，為智能合約代碼提供了可信的數(shù)據(jù)輸入，作為該合約的基本信息源，是智能合約成功與否的關(guān)鍵。4）執(zhí)行：合約的執(zhí)行基于輸入并保證確定的邏輯關(guān)系，執(zhí)行成功后會(huì)反饋正確可信的執(zhí)行結(jié)果。

四、智能合約應(yīng)用

4.1眾籌項(xiàng)目管理

眾籌指的是大眾籌資，當(dāng)一個(gè)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)人員有了創(chuàng)造能力，卻因?yàn)橘Y金鏈不足，無(wú)法啟動(dòng)項(xiàng)目時(shí)，可以將該項(xiàng)目的具體信息發(fā)布到平臺(tái)上進(jìn)行籌資，即尋找對(duì)該項(xiàng)目感興趣并且有足夠的資金支持的人[11]。眾籌的每個(gè)項(xiàng)目必須要設(shè)定明確的籌資目標(biāo)和籌資天數(shù)，項(xiàng)目在時(shí)間內(nèi)籌集目標(biāo)資金后進(jìn)行開(kāi)發(fā)，投資者會(huì)獲得一定的報(bào)酬。若超過(guò)設(shè)定的天數(shù)，還未籌集目標(biāo)金額，則該項(xiàng)目視為籌資失敗，已經(jīng)獲得的資金將會(huì)全部返還給投資者，該項(xiàng)目視為作廢。

由于眾籌的門檻較低，出現(xiàn)的問(wèn)題也較多。第一，眾籌作為金融業(yè)務(wù)中的一部分，必須滿足金融機(jī)構(gòu)業(yè)務(wù)的所有信用條件，需要給定完整可靠的方案賬本。對(duì)于線上眾籌項(xiàng)目，需要提供大量的可信資料以贏得公眾的信任，確保發(fā)起方和支持者雙方的利益保障。第二，傳統(tǒng)的眾籌平臺(tái)并沒(méi)有嚴(yán)格管控的監(jiān)督機(jī)構(gòu)，導(dǎo)致引起問(wèn)題糾紛，因此根據(jù)網(wǎng)絡(luò)模型提供監(jiān)督是建立眾籌制度的關(guān)鍵問(wèn)題。第三，眾籌平臺(tái)必定會(huì)與銀行等金融實(shí)體機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)接，當(dāng)平臺(tái)項(xiàng)目的規(guī)模擴(kuò)張，實(shí)體性問(wèn)題（生產(chǎn)壓力、缺乏創(chuàng)業(yè)指導(dǎo)、投資人不夠?qū)I(yè)等）接踵而至，大大影響了項(xiàng)目的成功率。

基于區(qū)塊鏈的智能合約技術(shù)可以解決上述問(wèn)題，區(qū)塊鏈通過(guò)使用密碼學(xué)方法來(lái)生成相關(guān)聯(lián)的區(qū)塊，每個(gè)區(qū)塊都包含了交易的時(shí)間、具體信息、驗(yàn)證信息等，且不可篡改，提高了眾籌業(yè)務(wù)的效率和可信度。并且區(qū)塊鏈將具有不同權(quán)限的節(jié)點(diǎn)放置在了不同的用戶地址，用戶實(shí)行參與或部分參與管理以及發(fā)布權(quán)威認(rèn)證消息，實(shí)現(xiàn)了所有信息的可追溯性。由于區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，鏈上每一個(gè)小小的變化都將引起整個(gè)狀態(tài)的改變，但是區(qū)塊鏈技術(shù)能惡狗快速找到并糾正它，保證了數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性，所以對(duì)于眾籌問(wèn)題需要用到的高可信度平臺(tái)，使用區(qū)塊鏈技術(shù)是非常有必要的。

4.2醫(yī)療管理

傳播病人的醫(yī)療記錄的泄露會(huì)給患者的隱私帶來(lái)多中風(fēng)險(xiǎn)，并可能引起患者的嚴(yán)重?fù)p失或聲譽(yù)、財(cái)產(chǎn)等，基于這個(gè)問(wèn)題，XIA等人提出了MeDShare系統(tǒng)[12]，該系統(tǒng)采用了智能合約和訪問(wèn)控制機(jī)制來(lái)進(jìn)行有效地跟蹤數(shù)據(jù)行為，為大數(shù)據(jù)實(shí)體之間的云存儲(chǔ)庫(kù)中的共享數(shù)據(jù)提供來(lái)源、審計(jì)和控制，在此系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換從一個(gè)實(shí)體共享到另一個(gè)實(shí)體，以及所有操作都以防篡改的方式進(jìn)行記錄，并在違反數(shù)據(jù)權(quán)限的情況下撤銷對(duì)微觀實(shí)體的訪問(wèn)，解決了醫(yī)療大數(shù)據(jù)保管人在無(wú)心信任環(huán)境中共享醫(yī)療數(shù)據(jù)的問(wèn)題。

4.3 版權(quán)管理

互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展使得網(wǎng)絡(luò)上的各種作品都能夠最大限度地展現(xiàn)在每一個(gè)人的眼前，給具有創(chuàng)新創(chuàng)作的人才帶來(lái)了更多的機(jī)會(huì)，抄襲行為屢禁不止，給原創(chuàng)作者們帶來(lái)了無(wú)盡的煩惱，版權(quán)保護(hù)問(wèn)題成為了熱點(diǎn)。在版權(quán)登記時(shí)，可以利用區(qū)塊鏈技術(shù)的不可篡改性，對(duì)不同的作品生成唯一的識(shí)別碼，將這個(gè)識(shí)別碼視為作品的代表方式進(jìn)行關(guān)聯(lián)，則會(huì)在一定程度上解決這個(gè)問(wèn)題。并且還可以設(shè)置監(jiān)督機(jī)制，在合約中增加時(shí)間戳，及時(shí)掌握用戶訪問(wèn)文件的相關(guān)信息作者的身份會(huì)得到證明，為版權(quán)保護(hù)提供了極大的便利。

五、智能合約應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)

5.1編碼問(wèn)題

以太坊智能合約都是依靠于程序語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，然而在代碼的編輯過(guò)程中，難免錯(cuò)誤的出現(xiàn)。例如以太坊的眾籌項(xiàng)目The DAO是因?yàn)橹悄芎霞s代碼的遞歸調(diào)用產(chǎn)生漏洞而遭到攻擊，造成了巨大的損失，雖然最后通過(guò)硬分叉追回了損失，但該項(xiàng)目還是宣布開(kāi)發(fā)失敗了。

5.2安全問(wèn)題

鑒于應(yīng)用于智能合約的開(kāi)發(fā)程序語(yǔ)言并不成熟，合約存在較大的安全漏洞，使得惡意的人有空子可鉆。并且，在區(qū)塊鏈這個(gè)公共的大環(huán)境下，鏈上的所有用戶都可以看到基于區(qū)塊鏈的智能合約，已部署上鏈的合約不可逆轉(zhuǎn)，一旦合約遭到攻擊，若開(kāi)發(fā)人員不能迅速修復(fù)，必將造成難以挽回的經(jīng)濟(jì)損失與嚴(yán)重的安全問(wèn)題。

5.3 法律問(wèn)題

從“合約”二字中推斷出智能合約一定是與法律概念中的合約有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，但是從法律的角度來(lái)看，這是錯(cuò)誤的推測(cè)。然而，不可否認(rèn)的是智能合約必須被歸類為與法律相關(guān)的行為，所有可能的經(jīng)濟(jì)交易都被法律管理和控制著，智能合約就相當(dāng)于是組織經(jīng)濟(jì)交易的一種工具，類似于智能合同[13]。智能合約中責(zé)任及風(fēng)險(xiǎn)的歸屬等問(wèn)題仍需深入研究。同時(shí)，智能合約的開(kāi)展還將存在諸多不可預(yù)見(jiàn)的情形，真實(shí)性缺乏實(shí)際考察等?？紤]到這些問(wèn)題是否會(huì)記錄進(jìn)法律條文來(lái)實(shí)施對(duì)智能合約項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的保護(hù)。

5.4 性能問(wèn)題

智能合約目前依賴于區(qū)塊鏈平臺(tái)的分布式賬本及其關(guān)鍵技術(shù)，在一定程度上受到了一些限制導(dǎo)致合約的執(zhí)行性能和數(shù)據(jù)處理性能較低，隨著智能合約的發(fā)展，區(qū)塊鏈上的合約數(shù)量在逐步的增加，區(qū)塊鏈系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)無(wú)法擴(kuò)展規(guī)模的問(wèn)題。同時(shí)，智能合約在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中是按順序來(lái)執(zhí)行的，每秒能夠執(zhí)行的合約數(shù)量受到限制，在性能上成為了大大的阻礙。Hyperledger提出了多通道的方案，但目前的區(qū)塊鏈平臺(tái)還是以單鏈為主;Dickerson等人提出了一種智能合約的并行執(zhí)行框架，希望允許非沖突的合約同時(shí)進(jìn)行，從而來(lái)提高系統(tǒng)吞吐量，改善智能合約的執(zhí)行性能，以上解決問(wèn)題的方法目前還在積極研發(fā)中，在不久的將來(lái)肯定能夠很好地解決智能合約的執(zhí)行性能問(wèn)題。

六、總結(jié)與展望

智能合約是在上世紀(jì)被提出的創(chuàng)世紀(jì)技術(shù)，在區(qū)塊鏈的浪潮下又煥發(fā)出了新的生機(jī)，又由于智能合約在生活中的廣泛應(yīng)用，極大地促進(jìn)了區(qū)塊鏈的發(fā)展。在目前看來(lái)，智能合約已經(jīng)立足于世界的某一個(gè)技術(shù)頂點(diǎn)，成為全球經(jīng)濟(jì)的基本構(gòu)件，并且任何人都有可能依靠智能合約找到自己的經(jīng)濟(jì)支點(diǎn)?？偠灾悄芎霞s為靜態(tài)的底層區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)賦予了靈活可編程的機(jī)制和算法，并為構(gòu)建區(qū)塊鏈2.0和3.0時(shí)代的可編程金融系統(tǒng)與社會(huì)系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。但是，就目前的生態(tài)而言，智能合約對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的影響力是有限的，但是事物總是在發(fā)展中的，毋庸置疑的是智能合約將會(huì)扮演著越來(lái)越重要的角色，隨著以太坊2.0的落地，也許會(huì)開(kāi)創(chuàng)一個(gè)新的區(qū)塊鏈時(shí)代，有更多智能合約應(yīng)用等著我們?nèi)ド钊胙芯俊?/p>

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