以太坊(3)——智能合约

智能合约

首先明确一下几个说法(说法不严谨,为了介绍清晰才说的):

  1. 全节点==矿工

  2. 节点==账户

智能合约是基于Solidity语言编写的

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学习Solidity语言可以到WFT学院官网(Hello from WTF Academy | WTF Academy),有初级和进阶课程

智能合约的结构

下面的函数的问题,在文章最后讨论

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上述是一个简单的智能合约的结构:

  1. 一个合约可以看作是一个类

  2. log通过emit触发事件在链上记录下来

  3. 构造函数是每个合约有且只有一个的,可以为空,只能在创建时调用一次

  4. 成员函数是部署合约后可以调用的,一般有关键字,modifier等限制权限

  5. 智能合约里的mapping不能遍历,只能存储它的地址集合,按照地址去查询

合约的调用

外部账户的调用

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  1. 首先,要填写外部账户的地址,合约账户的地址

  2. 之后,需要填写函数接收的参数(之后细说)

  3. 一般部署和调用合约的编译器是Remix

一个合约中调用另一个合约的函数

直接调用

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  1. 合约B调用合约A的内容,A a = A(addr),addr指的是A的地址,该语句将这个地址转换成A合约的实例a,之后调用a里面的函数foo,使用ua接收返回值。

  2. 由于以太坊规定一个交易只能由外部账户调用,合约账户不能发起交易。因此只能当某个外部账户调用合约B的时候,才能触发B中的那个语句,进而调用A

  3. 这种调用方式下,如果A在运行过程中发生什么异常,会导致B合约的内容也连带回滚

call函数调用

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这种方式的调用,如果调用的合约(addr的实例)出现错误,C合约不会回滚,只会引起调用部分返回异常值,其余部分正常

代理调用

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这种调用不需要切换到被调用的合约环境中去执行,在当前合约的环境中执行(使用当前合约的属性等)

  1.  

fallback函数

注意,只有向合约账户转账时才有fallback函数的生成!!!

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如果不需要调用函数或者调用函数错误时,Solidity编译器自动生成fallback函数,里面的payable函数也是自动添加的

注意:gas费是给记录你这笔交易矿工的(类似于BTC里面的交易手续费),不是给合约账户的!

合约节点会在以下情况下调用fallback函数:

  1. 未知函数调用: 当合约接收到一个未知的函数调用时,即调用合约中不存在的函数时,会触发fallback函数的执行。

  2. 以太币转账: 当以太币被直接发送到合约地址(即没有附带调用数据),这时会触发fallback函数的执行。

  3. 低级调用: 如果合约内部使用了calldelegatecall调用其他合约,并且调用的合约不存在对应的函数时,也会调用fallback函数。

错误处理

智能合约的调用具有原子性,即一个合约部分出错,整体回滚(这个和前面讲的addr调用不冲突,addr调用是使用一个判断语句将这个调用变成了一个返回值)

  1. gaslimit被耗完依旧不能实现,调用被回滚,而且gas费不退还

  2. assert()语句检查内部错误(类似于C语言)

  3. require()语句检查外部错误(比如msg.senter!=addr)

  4. revert()语句自动弹出错误(可用于if条件等)

注意:Solidity里面没有自定义报错类型try-catch

嵌套调用

一个合约调用另一个合约

如果向某个合约账户转账,虽然表面上你没有调用,但是编译器自动帮你生成了fallback函数,还是调用了!

智能合约的创建和运行

创建

  1. 外部账户发起转账到0x0地址中,转账金额为0

  2. 合约代码(编译成bytecode)放在data域中

  3. 支付给矿工gas,矿工将合约发布到区块链上,返回合约的地址(也就是智能合约的地址)

  4. 此时,智能合约就可以被所有人调用了

运行

智能合约运行在以太坊虚拟机EVM(Ethereum Virtual Machine)上

EVM是一个256位的WWC(Worldwide Computer),使用EVM提高了智能合约的可移植性

汽油费(gas)

原因

图灵完备的语言,需要避免死循环导致的停机

数据结构

调用合约的人支付,相当于是把停机问题推给了调用方

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GasLimit就是调用方此次调用这个合约能接受的最大汽油量,可以在Remix部署时填写

GasLimit * Price 计算出的是花掉的最大汽油费

Payload就是data域

gas的价格是由调用者选择的,价格高的更容易被矿工写入区块。

  1. 往往代码功能简单的汽油费低,代码复杂的汽油费高。

  2. 存储状态变量汽油费高,仅读取状态变量免费

调用过程

  1. 当一个全节点收到一个调用的时候,它首先计算出调用花费的最大汽油费

  2. 将这笔最大汽油费从发起账户中扣掉。

  3. 然后根据实际执行的情况算出实际花费的汽油费,剩下的退回去,不够的话合约回滚gas耗完不退

数据结构

区块头

GasLimit

实际消耗gas的上限!

BTC每个区块最大不能超过1M,主要是带宽因素

  1. 由于ETH矿工的gas费收益是很可观的,防止他为了多收钱把巨量的的交易包含进去,影响传输速率,也要进行限制,

  2. 但是因为智能合约Solidity的结构复杂(循环和调用),往往大小不能完全反映复杂程度,因此就使用最大gas费的方式限制

GasUsed

实际消耗的汽油费

每个区块发布的时候,矿工可以对gaslimit进行微调,上下不超过1/1024

三树

合约调用的时间应该在发布区块前还是发布区块后?

先执行,后挖矿。原因是执行完合约之后,“三树”的信息会改变,而区块头包含的是三树的根哈希值。只有得到根哈希值之后才可以组合数据,尝试nonce值!

本质上,汽油费是为了补偿矿工执行合约消耗的资源。但是对于没有挖到区块的矿工,他们的验证没有补偿的,这会不会导致那些矿工不去验证发布的区块,就默认发布的是对的。如果这样的话就会严重影响区块链的安全性!

节点不验证了怎么办?

如果它不执行不验证,就无法更新三树,之后它组装区块的时候算出的根哈希值是错的,挖出区块的nonce值被其他区块验证为不合法!环环相扣了属于是。

我还是不验证,直接抄!

这种做法类似于矿池的做法,一个全节点进行验证,其他矿工只负责计算哈希值。

但是如果你不是这个矿池的成员,你敢不敢相信它发布的三树根哈希是正确的呢?要知道挖矿的3Ether收益可是远远大于gas费的,矿工不愿意冒着辛辛苦苦挖出区块作废的奉劝去节省验证的花销。

执行错误的交易要不要发布?

要,这样依旧可以扣除他的汽油费,获得你的收益

智能合约是否支持多线程(多核并行处理)?

不支持,因为Solidity语言中不具有支持多线程的语句。原因是多核对于内存访问顺序不同的时候,会导致最终的结果不同,而以太坊需要的是状态机进入统一的确定的状态(Papers (zhenxiao.com)可以参考肖老师的论文

 

Receipt

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每个交易执行完形成一个收据(receipt),Status这个变量代表的是交易的状态

地址类型

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address.balance: address的余额

address.transfer(金额):当前合约向address转入的金额

address.call:当前合约调用address

转账的方法

<address>.transfer(uint256 amount)//会导致连锁型回滚  gas少
<address>.send(uint256 amount)//返回false 不会会滚 gas少
<address>.call.value(uint256 amount)//本意不是专门为转账设计的 不会会滚  发送剩余的所有gas

 

智能合约的信息获取

通过智能合约可以得到区块链的信息

 

智能合约可以获取的调用信息

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msg.sender和tx.origin的区别

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上图中A账户调用C1合约中的f1函数,f1函数调用C2合约中的f2函数

则对于f2函数而言,msg.sender指的是C1,而tx.origin指的是A账户

智能合约的设计

不可篡改!

智能合约是不可篡改的,在发布之前一定要反复测试。

一旦发布就不可撤销,无法更改。可能会导致资金的永久锁死或者被黑客利用漏洞进行攻击!

测试的网址比如本地的truffle,ganache,测试网等等,确认完全没有问题再进行发布

后门?

不存在的,因为这与去中心化背道而驰

拍卖函数的修正

第一版问题

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右侧最高出价的for循环有问题,都拿不到钱!

第二版

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拆成两个函数,第一个允许竞拍的失败者取回自己的钱(只能取一次),第二个是将最高出价给卖家

BUG

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注意黑客合约的fallback函数(右侧最下面),当合约通过call函数调用时,调用fallback函数(忘记的话可以回顾一下上面的fallback函数部分)。因此,主合约的withdraw进入if语句的判断时,就会调用fallback函数给黑客转账,而fallback函数再次调用withdraw函数,形成循环(根本无法执行48行的清零语句)...

循环截至的条件:

  1. 合约存储的钱不足以支付下次转账

  2. 调用栈溢出

  3. gas费不足

这也是黑客的fallback函数里面if语句判断的条件!

第三版

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先清零再转账,这遵循了和其他合约发生交互的编程模式: 先判断条件,再改变条件,最后交互!

第二版纠正

另一种方法就是不用call!

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使用send和transfer都可以,因为发送出的汽油费只有2300个单位,不足以支撑再一次的调用,只够写一个log

The DAO

造成以太坊分裂的一次攻击

DAO:Decentralized Autonomous Organization 去中心化机构

致力于去中心化投资的公司——The DAO

运行原理

这个公司本质上是ETH上的一个智能合约,你想要投资就要把你的以太币发给这个合约,换取合约的D代币(简称)。要投资什么项目由大家投票决定,投票的权重按照所拥有的D代币分配,收益也是按照规定按比例分配。

取款

取款的方式使用split DAO。当取钱时,收回相应的代币,将对应的以太币打到子基金Chile DAO之中(这种做法也是给部分人投资小众项目拆分子基金用的,极端例子就是单个投资者成立子基金,也就是取钱)

拆分之前有7天的讨论期,用于商讨要不要拆出子基金以及要不要加入这个子基金

拆分后有28天的锁定期,子基金里的钱要28天以后才能取出来

历史事件

2016年开始众筹,引起很大关注,在一个月时间筹集到价值1.5亿美元的Ether(当时价格)

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这就违反了之前提到的先判断条件,再改变条件,最后交互!的编程原则,导致了黑客盗走价值5kw美元的资金

之后,社区发生意见的分歧,一方认为要回滚,利用28天的锁定期来防止黑客取走资金。另一方认为,合约的漏洞只是它自己的漏洞,不能因为一个合约的问题就违背以太坊的不可篡改性。

社区的开发者认为The DAO是too big to fail,垮掉会对以太坊造成毁灭性打击(以太币价格跳水),因此采取了回滚措施进行补救。

如何补救?

首先,以太坊开发团队想到的是一个软分叉方案:

锁定黑客账户:进行一次软件升级但凡与TheDAO相关的账户,不能进行任何交易(老认新,软分叉)。

问题是,当时规定,这些”非法“的账户发布交易,不能上链也不收取gas,因此引起了很多这种账户发布死循环攻击来骚扰矿工,矿工不堪重负,纷纷回滚这次软件的升级

由于软方案失败,所剩时间不多,团队只能采取硬分叉方案:

将所有的资金(要是只转黑客的,其他的相关帐户都可以利用这个BUG实现攻击)转入一个账户B,该账户的唯一作用就是——退钱!在第192W个区块强制将所有相关账户的钱转给账户B(新认老,固执节点不认可你没有人家账户签名就转账的操作)

分歧

很多节点认为,这种操作违背了去中心化的理念(以太坊团队说转走谁的钱就转走)因此以太坊团队发布两个合约进行投票,支持哪一种方案就把以太币投进那个合约。最后大多节点(按掌握资金数量分)选择硬分叉。

但是,另一方不认可这样的做法:

  1. 并非所有资金都参与投票了

  2. 大多数人支持的就一定对吗?

这些矿工挖出的旧链以太币被称为ETC

ETC

ETC(classic),指的是在旧链上挖矿产出的以太币,由于挖矿算力大幅削减,不乏投机者选择在这条链上进行挖矿,但是也有一部分矿工坚持挖矿是源自去中心化的信仰!尽管开始的前景并不被人看好,但是这条链依旧坚持至今。

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2015年7月 Vitalik Buterin和以太坊基金会创建了第一个基于区块链的图灵完成智能合约平台。

2016年4月~6月 以太坊The DAO项目ICO以遭到黑客攻击告终

2016年7月20日 以太坊硬分叉实施,产生了ETH和ETC两条独立的区块链,ETC正式诞生

2016年8月 91,pool上线

2016年9月23日,微软加入对于ETC的支持

2016年10月17日,ETC第一个ICO项目ETCWIN

2016年10月,ETCFans上线

2016年12月24日,全球第一个以太坊原链社区交易所ETCWin上线

2017年4月27日,ETF基金会确定限产

2017年6月底,ETC发起支持零知识证明改进建议。

......

为了更好的管理这两条链,产生了新的数据标记——ChainID

Beauty Chain(美链)

背景介绍

美链(Beauty Chain)是一个部署在以太坊上的智能合约,有自己的代币BEC。

  1. ICO:Initial Coin Offering没有自己的区块链,代币的发行、转账都是通过调用智能合约中的函数来完成的

  2. 可以自己定义发行规则,每个账户有多少代币也是保存在智能合约的状态变量里

  3. ERC 20(Ethereum Request for Comments)是以太坊上发行代币的一个标准,规范了所有发行代币的合约应该实现的功能和遵循的接口

  4. 美链中有一个叫batchTransfer的函数,它的功能是向多个接收者发送代币,然后把这些代币从调用者的帐户上扣除

很多代币上线之前是依附在以太坊上的。

实现

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接收者的数目最多20个

问题

uint amount = uint256(cnt) * _value

乘出的结果可能过大,出现溢出,即扣除的代币数字很小。也就是调用者转出的代币少,接收者依旧收到海量代币。也就是系统发行代币量凭空增多。

攻击细节

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每个黑客区块收到了很大一部分代币

反思

Is smart contract real smart?

智能合约,实际上只是一种改不了Bug的合同

不可篡改性是一个双刃剑

一方面增加了合约的公信力,

但另一方面发布后的软件很难进行修改。发现了安全漏洞,很难发布软分叉进行补救,或者阻止调用;哪怕发现了黑客,也很难冻结其账户

如果你是theDAO的用户,怎么补救?

使用重入攻击转走剩余的资金,之后再分给大家

Nothing is irrevocable

不要过度迷信区块链的不可篡改性,代码是死的,人是活的

比如美国宪法还有修正案,以及被推翻的修正案(禁酒令)

Solidity语言设计的问题

安全性问题

有人认为Solidity语言是反自然的。本质上,转账时调用fallback函数,也就给了被转账方再次调用合约的机会。这和正常情况下转账接收方是被动接收相违背,和常识不同。因此有人提议应该使用函数式的语言编写合约

语言表达能力

图灵完备的表达能力是不是太强了?BTC的语言表达能力太差,ETH写的程序又有些危险。能不能找一种适中的语言?

在日常生活中,我们使用自然语言编写合同,自然语言写出的一些合同也有纠纷,难道要写一套合同专用语言吗?实际上的解决方法是在模板的基础上编写合同,常用的智能合约会出现模板,会出现专门编写智能合约的机构......

相信智能合约终究会走向成熟!

透明性

中心化的公司很多是闭源的,把源代码当作是商业机密。去中心化的公司为了让大家达成共识,往往需要将代码开源(比如更新,查验等等)

开源的好处

  1. 增加合约的公信力

  2. 开源代码很多人审查,不容易出现漏洞?

Many Eyeball Fallacy

虽然很多人有权限看,但是大多人没动力看,看不懂或者看懂了找不出漏洞

涉及到财产安全的合约,要仔细检查漏洞。投资需谨慎,将资金投入在自己了解擅长的领域,不要孤注一掷天台见!

去中心化

What does decentralization mean?

去中心化不是说一切由代码决定,也要有人的参与。

去中心化不是说制定好的规则一定不能修改,而是规则的修改要按照去中心化的原则来完成。

分叉

存在分叉的选项,是民主的体现,因为在中心化的世界里,你只能接受!

这就像theDAO当时的子基金,或者像还在挖矿的ETC,亦或是创建以太坊的V神,他们愿意构造一个世界,不是少数服从多数,而是只要有想法,就可以走出自己的道路。

去中心化不等价于分布式

去中心化一定是分布式的,但是分布式如果是由一个组织管辖(或者占有绝对领导权),也不能叫去中心化。

分布式的系统是不同的机器做不同的事情,最后汇总成一个结果。本质目的是为了加速

状态机

而比特币和以太坊都是运行的一台状态机,付出巨大的代价使得系统维持一个一致的状态。状态机的本质目的是为了容错。space shuttle,stock exchange 等状态机多台计算机运行同一个状态,防止某台机器宕机的风险。状态机由于同步的需要,往往是机器越多,运行越慢,因此只有几台机器(本来就是防止某台宕机的,多了也没必要)

而向BTC,ETH这种上千台计算机的分布式状态机是两者的混合体,智能合约适用的不是分布式系统,智能合约是用来在互不相识的机器之间建立共识机制的控制性语言,而不是用于大规模云计算的。

溢出

Solidity 里的SafeMath有很对针对溢出的函数

c=a*b
assert(c/a==b)

不会存在像C语言的溢出

flag:对于智能合约审计和黑客游戏的内容之后会学习分享

 

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