CN114218809A - 面向以太坊智能合约的协议自动形式化建模方法与系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向以太坊智能合约的协议自动形式化建模方法与系统，在不需要人工参与的前提下，不仅能够建模合约中各个交易的行为，还可以建模交易之间的关系(即交易之间的顺序、区块变量)，因此，可以应用于验证：1)在不同交易顺序下是否满足特定安全属性；2)处于不同区块的交易是否满足特定属性，在能够用于分析溢出、重入等漏洞的基础上，还可以用于交易顺序依赖、区块变量依赖漏洞的自动分析。

Description

面向以太坊智能合约的协议自动形式化建模方法与系统
技术领域
本发明涉及以太坊智能合约安全分析与形式化验证技术领域，尤其涉及一种面向以太坊智能合约的协议自动形式化建模方法与系统。
背景技术
以太坊是目前最主流的区块链平台之一。以太坊智能合约是存在以太坊链上，可以被触发执行的一段程序代码。智能合约具有可追踪性、不可篡改性等特性，因此可以作为以太坊平台上不同账户之间的交易协议。
以太坊智能合约部署后难以更改，因此一旦存在代码漏洞将可能导致相关账户(合约部署者或合约使用者)存在安全性的问题。为了保障其安全性，可以使用形式化验证的手段在合约部署之前对其进行安全性分析验证。而形式化验证的重要一步就是将智能合约构建成可以验证的形式化模型。智能合约形式化建模可以分为自动建模和手工建模两种，由于智能合约目前的数量巨大，智能合约的自动建模技术显得尤为重要。
现有的以太坊智能合约自动形式化建模技术主要有两种：
1)采用符号执行技术(A.Permenev,D.Dimitrov,P.Tsankov,D.Drachsler-Cohen,and M.T.Vechev,“Verx:Safety verification of smart contracts,”in 2020IEEESymposium on Security and Privacy,SP 2020,San Francisco,CA,USA,May 18-21,2020,pp.1661–1677,IEEE,2020.)，将智能合约中的变量转换为符号值得到模型。
2)将智能合约源码自动转换为buchi自动机(J.Stephens,K.Ferles,B.Mariano,S.Lahiri,and I.Dillig,“Smartpulse:Automated checking of temporal propertiesin smart contracts,”in 42ndIEEE Symposium on Security and Privacy,IEEE,May2021.)。
但是，以上两类技术的问题都在于仅建模合约中各个交易的行为，缺少对交易之间的关系建模，导致交易关系信息的丢失，从而在后续的验证过程无法分析出一些与交易关系相关的漏洞，例如，交易顺序依赖漏洞等。
发明内容
本发明的目的是提供一种面向以太坊智能合约的协议自动形式化建模方法与系统，在不需要人工参与的前提下，能够建模合约行为以及合约相关交易之间的关系，与已有技术相比，能够用于交易顺序依赖、区块变量依赖漏洞的自动分析。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
(与权利要求相对应，暂略)
由上述本发明提供的技术方案可以看出，不仅能够建模合约中各个交易的行为，还可以建模交易之间的关系(即交易之间的顺序、区块变量)，因此，可以应用于验证：1)在不同交易顺序下是否满足特定安全属性；2)处于不同区块的交易是否满足特定属性，在能够用于分析溢出、重入等漏洞的基础上，还可以用于交易顺序依赖、区块变量依赖漏洞的自动分析。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的一种面向以太坊智能合约的协议自动形式化建模方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种以太坊智能合约源码的示意图。
图3为本发明实施例提供的一种面向以太坊智能合约的协议自动形式化建模系统的示意图；
图4为本发明实施例提供的一种处理设备的示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：
术语“和/或”是表示两者任一或两者同时均可实现，例如，X和/或Y表示既包括“X”或“Y”的情况也包括“X和Y”的三种情况。
术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。
下面对本发明所提供的一种面向以太坊智能合约的协议自动形式化建模方法进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。
如图1所示，一种面向以太坊智能合约的协议自动形式化建模方法，主要包括如下步骤：
步骤1、获取以太坊智能合约源码以及安全属性。
本发明实施例中，所述以太坊智能合约源码的具体内容不做限制，相关的安全属性可以是已有的任意类型的安全属性。
步骤2、解析所述以太坊智能合约源码，获得全局变量集合与函数集合。
本发明实施例中，可采用常规方式实现源码的解析。
步骤3、针对每一函数，生成外部账户行为子模型，表示任意外部账户调用相应函数的行为。
本发明实施例中，生成的外部账户行为子模型表示发起调用的外部账户以及局部变量初始值是任意的。
步骤4、结合以太坊智能合约源码中的函数，针对不同身份的攻击者，生成相应的攻击者行为子模型，建模相应攻击者的能力。
本发明实施例中，所述不同身份的攻击者包括：外部账户攻击者、合约账户攻击者与矿工攻击者；其中，对于智能合约中的公开函数，建模外部账户攻击者，它可以调用智能合约中的任意公开函数；当智能合约中的函数存在以太币转账行为，建模合约账户攻击者，它可以构造fallback函数实现间接调用以太坊智能合约中的任意公开函数；当智能合约中的函数使用了区块变量时，建模矿工攻击者，它可以在打包区块时修改区块变量。
步骤5、针对每一函数中的语句，按照预设转换方式，根据语句类型、使用变量以及所在函数，将语句转换为智能合约行为子模型。
本步骤的优选实施方式如下：
1)根据语句类型，生成相应的子模型：对于条件语句，生成两条不同的子模型，表示条件满足和不满足时的执行分支；对于循环语句，将循环展开(循环展开是形式化领域常规操作)，展开结果包括条件语句和/或其他语句(也即非条件语句)，对于其他语句，生成一条子模型，对于条件语句，则按照前述方式生成两条不同子模型；
2)对于前述1)中生成每一条子模型，根据使用变量及所在函数进行转换：子模型的左值和右值分别表示语句执行的前提和结果，左值和右值中分别使用了LVar与Gvar，LVar表示语句所在函数的局部变量值，Gvar表示合约的全局变量值；
3)综合所有子模型的转换结果，获得智能合约行为子模型。
本发明实施例中，上述步骤3～步骤5不区分执行的先后顺序，可以同步执行，也可以按照任意顺序先后执行。
步骤6、根据所述安全属性的类型，对三种行为子模型或者部分行为子模型进行修改，得到以太坊智能合约形式化模型。本发明实施例中，针对不同类型的安全属性，采用不同的修改方式：
1)对于不变式的安全属性，修改外部账户行为子模型，添加动作表示不变式在交易执行之前成立；和/或，修改智能合约行为子模型中对应返回语句，添加动作表示不变式在交易执行完成后不成立。
示例性的，添加动作的可通过下述操作实现：将不变式根据其中的比较符，转换为动作Eq，Ne，Less，NLess，分别表示的是比较符为等于、不等、小于，不小于的不变式，不变式两侧的值作为动作携带的参数；例如，Eq(a,b)表示参数a＝b。
2)针对等价的安全属性，有两种修改方式：
第一修改方式：将三种行为子模型构成的集合复制得到新的集合，以两个集合对应表示两组交易，将两个集合对应的初始区块变量设置为不同，表示两组交易对应的初始区块变量不同；修改对应返回语句的行为子模型，添加动作表示两组交易执行完成后存在一个账户的余额不一致。
第二修改方式：将三种行为子模型构成的集合复制得到三个新的集合，以四个集合对应表示四组交易，将集合对应的变量初始值设置为两两相同，以此表示相同的交易；将代表不同交易的集合以不同的先后顺序组合；修改对应返回语句的行为子模型，添加动作表示两组交易执行完成后存在一个账户的余额不一致。
为了便于理解，下面以一段以太坊智能合约源码为例进行介绍。
还参见图1所示的流程：
步骤1、获取以太坊智能合约源码与安全属性。
如图2所示，为获取的以太坊智能合约源码，安全属性为不变式属性(假设合约地址为c)
Figure BDA0003443064090000051
其中，A2表示所有调用该智能合约的账户地址的集合，a表示集合A2中的任意账户，balances(a)表示账户a保存的代币余额，totalSupply表示保存代币的总量。
步骤2、解析所述以太坊智能合约源码，获得全局变量balances、totalSupply以及函数transfer。
步骤3、针对函数transfer，生成外部账户行为子模型：
[Calle(c,'transfer',cb,(to,value))]-[]→[Lvar1(c,'transfer',cb,'EXT',to,value)]
其中，左侧表示的是任意账户cb可以使用to和value参数调用函数transfer'，Calle表示外部账户发起的外部调用消息，c表示合约自身的地址，EXT是标记当前函数由外部账户的调用消息触发，右侧表示的是收到调用消息后智能合约根据参数初始化对应的局部变量。
步骤4、针对三种不同身份的攻击者：外部账户、合约账户、矿工，生成如下攻击者行为子模型，建模相应攻击者的能力：
[Fallback(c,Fr(cb),Fr(to),Fr(balue))]-[]→[Callin(c,′transfer′,cb,(to,value))]
[Return(c,'transfer',cb)]-[]→[ReturnFallback(c,'transfer')]
[Fr(bt),Fr(bn)]-[]→[Bvar(bt,bn)]
其中，Callin表示合约账户发起的内部调用消息，Fr表示生成一个随机值；Return表示合约中的函数执行完成，给出返回值；ReturnFallback表示攻击者收到合约发来的返回值；Bvar表示区块变量值；第一个式子与第二个式子都对应的是合约账户攻击者，第一个式子的左侧表示攻击者fallback函数被触发，右侧表示的是攻击者以内部调用消息的方式调用transfer函数；第二个式子的左侧表示transfer函数执行完后给攻击者返回值，右侧表示攻击者收到返回值；第三个式子对应矿工攻击者，左侧表示攻击者随机生成值bt和bn，右侧表示攻击者控制区块变量；对于外部账户攻击者，直接复制前述步骤3的外部账户行为子模型的表达式即可。
步骤5、将函数transfer中的语句转换为如下智能合约行为子模型：
Figure BDA0003443064090000061
Figure BDA0003443064090000062
Figure BDA0003443064090000063
其中，Gvar和Lvar分别表示当前合约的全局变量和合约中正在执行函数的局部变量，左侧表示该语句执行前的变量值，右侧表示语句执行后的变量值，不同角标主要起到区分作用，ether表示以太币余额，不同下标即表示不同账户的以太币余额；Predeq表示字符串的相等关系，type(cb)获取cb的类型，如果等于EXT，表示当前函数由外部账户调用。
步骤6、根据安全属性的类型，对已生成的部分智能合约行为子模型进行修改得到最终模型：
Figure BDA0003443064090000064
Figure BDA0003443064090000065
即，修改智能合约行为子模型中的部分内容，然后，由修改后的结果与未修改的其余子模型构成最终模型。
本发明另一实施例还提供一种面向以太坊智能合约的协议自动形式化建模系统，其主要用于实现前述实施例提供的方法，如图3所示，该系统主要包括：
数据信息获取单元，用于获取以太坊智能合约源码以及安全属性；
解析单元，用于解析所述以太坊智能合约源码，获得全局变量集合与函数集合；
外部账户行为子模型生成单元，用于针对每一函数，生成外部账户行为子模型，表示任意外部账户调用相应函数的行为；
攻击者行为子模型生成单元，结合以太坊智能合约源码中的函数，针对不同身份的攻击者，生成相应的攻击者行为子模型，建模相应攻击者的能力；
智能合约行为子模型生成单元，针对每一函数中的语句，按照预设转换方式，根据语句类型、使用变量以及所在函数，将语句转换为智能合约行为子模型；
修改单元，用于根据所述安全属性的类型，对三种行为子模型或者部分行为子模型进行修改，得到以太坊智能合约形式化模型。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将系统的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
需要说明的是，上述系统中各单元所涉及的相关技术细节在之前的方法实施例中做了详细的说明，故不再赘述。
本发明另一实施例还提供一种处理设备，如图4所示，其主要包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序；其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现前述实施例提供的方法。
进一步的，所述处理设备还包括至少一个输入设备与至少一个输出设备；在所述处理设备中，处理器、存储器、输入设备、输出设备之间通过总线连接。
本发明实施例中，所述存储器、输入设备与输出设备的具体类型不做限定；例如：
输入设备可以为触摸屏、图像采集设备、物理按键或者鼠标等；
输出设备可以为显示终端；
存储器可以为随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，也可为非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如磁盘存储器。
本发明另一实施例还提供一种可读存储介质，存储有计算机程序，当计算机程序被处理器执行时实现前述实施例提供的方法。
本发明实施例中可读存储介质作为计算机可读存储介质，可以设置于前述处理设备中，例如，作为处理设备中的存储器。此外，所述可读存储介质也可以是U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种面向以太坊智能合约的协议自动形式化建模方法，其特征在于，包括：
获取以太坊智能合约源码以及安全属性；
解析所述以太坊智能合约源码，获得全局变量集合与函数集合；
针对每一函数，生成外部账户行为子模型，表示任意外部账户调用相应函数的行为；
结合以太坊智能合约源码中的函数，针对不同身份的攻击者，生成相应的攻击者行为子模型，建模相应攻击者的能力；
针对每一函数中的语句，按照预设转换方式，根据语句类型、使用变量以及所在函数，将语句转换为智能合约行为子模型；
根据所述安全属性的类型，对三种行为子模型或者部分行为子模型进行修改，得到以太坊智能合约形式化模型。
2.根据权利要求1所述的一种面向以太坊智能合约的协议自动形式化建模方法，其特征在于，所述外部账户行为子模型表示发起调用的外部账户以及局部变量初始值是任意的。
3.根据权利要求1所述的一种面向以太坊智能合约的协议自动形式化建模方法，其特征在于，所述结合以太坊智能合约源码中的函数，针对不同身份的攻击者，生成相应的攻击者行为子模型包括：
所述不同身份的攻击者包括：外部账户攻击者、合约账户攻击者与矿工攻击者；其中，对于智能合约中的公开函数，建模外部账户攻击者，它能够调用智能合约中的任意公开函数；当智能合约中的函数存在以太币转账行为，建模合约账户攻击者，它能够构造fallback函数实现间接调用以太坊智能合约中的任意公开函数；当智能合约中的函数使用了区块变量时，建模矿工攻击者，它能够在打包区块时修改区块变量。
4.根据权利要求1所述的一种面向以太坊智能合约的协议自动形式化建模方法，其特征在于，针对每一函数中的语句，按照预设转换方式，根据语句类型、使用变量以及所在函数，将语句转换为智能合约行为子模型包括：
根据语句类型，生成相应的子模型：对于条件语句，生成两条不同的子模型，表示条件满足和不满足时的执行分支；对于循环语句，展开后获得条件语句和/或其他语句，对于其他语句，生成一条子模型，对于条件语句，则生成两条不同子模型；
对于每一条子模型，根据使用变量及所在函数进行转换：子模型的左值和右值分别表示语句执行的前提和结果，左值和右值中分别使用了LVar与Gvar，LVar表示语句所在函数的局部变量值，Gvar表示合约的全局变量值；
综合所有子模型的转换结果，获得智能合约行为子模型。
5.根据权利要求1所述的一种面向以太坊智能合约的协议自动形式化建模方法，其特征在于，所述根据所述安全属性的类型，对三种行为子模型或者部分行为子模型进行修改包括：
对于不变式的安全属性，修改外部账户行为子模型，添加动作表示不变式在交易执行之前成立；和/或修改智能合约行为子模型中对应返回语句，添加动作表示不变式在交易执行完成后不成立。
6.根据权利要求1所述的一种面向以太坊智能合约的协议自动形式化建模方法，其特征在于，所述根据所述安全属性的类型，对三种行为子模型或者部分行为子模型进行修改包括：
针对等价的安全属性，将三种行为子模型构成的集合复制得到新的集合，以两个集合对应表示两组交易，将两个集合对应的初始区块变量设置为不同，表示两组交易对应的初始区块变量不同；修改对应返回语句的行为子模型，添加动作表示两组交易执行完成后存在一个账户的余额不一致。
7.根据权利要求1所述的一种面向以太坊智能合约的协议自动形式化建模方法，其特征在于，所述根据所述安全属性的类型，对三种行为子模型或者部分行为子模型进行修改包括：
针对等价属性，将三种行为子模型构成的集合复制得到三个新的集合，以四个集合对应表示四组交易，将集合对应的变量初始值设置为两两相同，以此表示相同的交易；将代表不同交易的集合以不同的先后顺序组合；修改对应返回语句的行为子模型，添加动作表示两组交易执行完成后存在一个账户的余额不一致。
8.一种面向以太坊智能合约的协议自动形式化建模系统，其特征在于，用于实现权利要求1～7任一项所述的方法，该系统包括：
数据信息获取单元，用于获取以太坊智能合约源码以及安全属性；
解析单元，用于解析所述以太坊智能合约源码，获得全局变量集合与函数集合；
外部账户行为子模型生成单元，用于针对每一函数，生成外部账户行为子模型，表示任意外部账户调用相应函数的行为；
攻击者行为子模型生成单元，结合以太坊智能合约源码中的函数，针对不同身份的攻击者，生成相应的攻击者行为子模型，建模相应攻击者的能力；
智能合约行为子模型生成单元，针对每一函数中的语句，按照预设转换方式，根据语句类型、使用变量以及所在函数，将语句转换为智能合约行为子模型；
修改单元，用于根据所述安全属性的类型，对三种行为子模型或者部分行为子模型进行修改，得到以太坊智能合约形式化模型。
9.一种处理设备，其特征在于，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序；
其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1～7任一项所述的方法。
10.一种可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，当计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～7任一项所述的方法。
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