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以太坊智能合约优化及交易网络安全性分析

以太坊智能合约优化及交易网络安全性分析

作者：李子豪电子科技大学

学位级别：硕士

以太坊是一个支持加密货币(以太币)和智能合约的区块链平台。尽管以太坊上已经部署的智能合约数量超过了800万个,但是人们对其用户的特征、智能合约的活动以及它们之间互动知之甚少。而智能合约作为一种利用区块链机制(运行于以太坊虚拟... 详细信息

以太坊是一个支持加密货币(以太币)和智能合约的区块链平台。尽管以太坊上已经部署的智能合约数量超过了800万个,但是人们对其用户的特征、智能合约的活动以及它们之间互动知之甚少。而智能合约作为一种利用区块链机制(运行于以太坊虚拟机)来执行代码的软件,由于其具备诸多优点而受到越来越多的关注。为了确保智能合约的执行能够终止并防止资源的滥用,以太坊向部署智能合约的开发人员和使用智能合约的用户收取费用,另外未优化的智能合约相比优化过后会花费更多的交易费用,而针对智能合约的优化可以从底层的操作码序列以及高级语句逻辑结构两个角度入手。此外最近的研究发现,通过使用静态程序分析技术,可以检测出大量智能合约存在严重的安全性问题。对于智能合约,大多数静态程序分析技术需要首先构建其控制流图,而控制流图需要通过控制流转移(CFTs)将基本代码块串接起来,以进行下一步的分析。针对以上问题,本文基于复杂网络分析技术、程序字节码优化技术、程序控制流转移(CFT)技术、gas低效率特征优化技术完成了四项工作以达到对以太坊更全面的研究与理解。本文的主要研究内容为以下几点:本文通过网络图分析完成了对以太坊的系统化研究,之后提出了一种新的方法来收集所有的交易数据,然后构造资金转移网络图(MFG)、智能合约创建图(CCG)和智能合约调用图(CIG)来描述以太坊上的主要活动。本文通过分析MFG、CCG和CIG上的各种网络图指标(如聚类系数),获得了关于以太坊的观察和见解。这些结果使得研究者能够更好地了解以太坊的生态系统。针对以太坊的攻击取证、异常检测和去匿名化三个重要的安全问题,本文分别提出了三种基于三种网络图的检测方法,且通过实际案例的分析验证了检测方法的有效性。针对底层操作码序列的优化,本文提出了24个在部署和调用智能合约时浪费gas的可优化特征代码序列,并确定了替换可优化特征代码序列实例的相应高效代码。本文设计了一个智能合约字节码级的工作流,可以自动检测可优化特征代码序列并将其替换为对应高效代码。本文对已部署的智能合约及其执行记录进行实验,检测出大量的可优化特征代码实例。本文完成了大规模的智能合约CFT识别分析,对6个被广泛使用的工具进行了全面的比较,对所有部署的智能合约进行了检测,并最终获得了许多见解且其中一些可以应用到其他工具上。本文利用EVM来恢复智能合约的历史执行记录,使用这些记录来评估工具,并发现了执行记录可以显著地补充工具发现的CFT。基于以上的观察,本文使用从执行轨迹中提取的CFT来增强oyente,而大量的实验表明,这种增强能减少其漏报率。针对高级语句逻辑结构,本文提出了10种gas低效率智能合约特征代码,并基于符号执行技术设计了对gas低效率特征的检测方法。本文对以太坊的已部署合约进行了广泛的实证研究,分析了gas低效率特征的普遍程度。并且本文针对不同版本的编译器开展了实验,确定了编译器版本升级对gas低效率特征的消除效果。

关键词：以太坊智能合约网络分析字节码优化控制流转移 gas低效率特征

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以太坊智能合约测试研究综述

信息技术与信息化 2023年第10期 52-58页

作者：王丹黄松王兴亚陆军工程大学指挥控制工程学院江苏南京210007 南京工业大学计算机科学与技术学院江苏南京211816

以太坊智能合约管理着大量数字资产,吸引了攻击者的注意,并且由于其不可篡改等性质,安全漏洞难以恢复,一旦攻击成功,将造成不可估量的损失。为了保障以太坊智能合约的安全性,许多研究者对此开展了大量研究工作,取得了丰硕的成果。首先... 详细信息

以太坊智能合约管理着大量数字资产,吸引了攻击者的注意,并且由于其不可篡改等性质,安全漏洞难以恢复,一旦攻击成功,将造成不可估量的损失。为了保障以太坊智能合约的安全性,许多研究者对此开展了大量研究工作,取得了丰硕的成果。首先对以太坊智能合约的基础知识进行简单的介绍;然后梳理了13个常见的漏洞类型,按照漏洞发生的层级对其进行分类阐述,并列出了相应的攻击事件;进一步总结了四类测试方法及对应的测试工具,为了探究漏洞、测试方法和测试工具之间的关系,对各种测试方法下的测试工具检测的漏洞类型做了详细的梳理;最后,针对目前智能合约测试中存在的问题提出合理的展望。

关键词：以太坊智能合约安全漏洞漏洞检测测试方法测试工具

ContractGuard:面向以太坊区块链智能合约的入侵检测系统

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网络与信息安全学报 2020年第2期6卷 35-55页

作者：赵淦森谢智健王欣明何嘉浩张成志林成创 Ziheng Zhou 陈冰川 Chunming Rong 华南师范大学计算机学院广东广州510000 广州市云计算安全与测评技术重点实验室广东广州510000 华南师范大学唯链区块链技术与应用联合实验室广东广州510000 拉卡拉集团北京100080 香港科技大学中国香港999077 VeChain Foundation Limited Singapore 238463 广东财经大学广东广州510000 Stavanger University Norway Stavanger 4036

以太坊智能合约本质上是一种在网络上由相互间没有信任关系的节点共同执行的已被双方认证程序。目前,大量的智能合约被用于管理数字资产,使智能合约成为黑客的重要攻击对象。常见的攻击方法是通过利用智能合约的漏洞来实现特定操作的入... 详细信息

以太坊智能合约本质上是一种在网络上由相互间没有信任关系的节点共同执行的已被双方认证程序。目前,大量的智能合约被用于管理数字资产,使智能合约成为黑客的重要攻击对象。常见的攻击方法是通过利用智能合约的漏洞来实现特定操作的入侵攻击。ContractGuard是首次提出面向以太坊区块链智能合约的入侵检测系统,它能检测智能合约的潜在攻击行为。ContractGuard的入侵检测主要依赖检测潜在攻击可能引发的异常控制流来实现。由于智能合约运行在去中心化的环境以及在高度受限的环境中运行,现有的IDS技术或者工具等以外部拦截形式的部署架构不适合于以太坊智能合约。为了解决这些问题,通过设计一个嵌入式的架构,实现了把ContractGuard直接嵌入智能合约的执行代码中,作为智能合约的一部分。在运行时刻,ContractGuard通过相应的context-tagged无环路径来实现入侵检测,从而保护智能合约。由于嵌入了额外的代码,ContractGuard一定程度上会增加智能合约的部署开销与运行开销,为了降低这两方面的开销,基于以太坊智能合约的特性对ContractGuard进行优化。实验结果显示,可有效地检测83%的异常行为,其部署开销仅增加了36.14%,运行开销仅增加了28.17%。

关键词：区块链以太坊智能合约入侵检测系统异常检测

基于深度学习和信息反馈的智能合约模糊测试方法

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计算机科学 2023年第9期50卷 117-122页

作者：赵明敏杨秋辉洪玫蔡创四川大学计算机学院成都610065

主流区块链平台以太坊上频繁发现由不安全编程引起的智能合约安全漏洞。为了提高模糊测试对合约代码的覆盖率,以更全面地检测安全漏洞,提出了一种智能合约模糊测试方法。首先构造智能合约交易序列数据集,再基于深度学习构建智能合约交... 详细信息

主流区块链平台以太坊上频繁发现由不安全编程引起的智能合约安全漏洞。为了提高模糊测试对合约代码的覆盖率,以更全面地检测安全漏洞,提出了一种智能合约模糊测试方法。首先构造智能合约交易序列数据集,再基于深度学习构建智能合约交易生成模型以生成模糊测试初始种子;然后根据覆盖率和分支距离信息,对智能合约进行信息反馈引导的模糊测试,提出了特定的测试用例染色体编码方式,并设计实现了相应的交叉和变异算子。所提方法能有效覆盖智能合约的深层次状态以及严格条件守卫的分支代码。在500个智能合约上进行实验,结果表明,所提方法的代码覆盖率为93.73%,漏洞检测率为93.93%,与ILF,sFuzz, Echidna方法相比,所提方法的代码覆盖率提高了3.80%~25.49%,漏洞检测率提高了4.64%~24.02%。所提方法有助于提升以太坊智能合约安全测试的有效性,具有参考价值。

关键词：以太坊智能合约安全测试深度学习模糊测试信息反馈引导

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基于区块链且支持验证的属性基搜索加密方案

通信学报 2020年第2期41卷 187-198页

作者：闫玺玺原笑含汤永利陈艳丽河南理工大学计算机科学与技术学院

针对一对多搜索模型下共享解密密钥缺乏细粒度访问控制且搜索结果缺乏正确性验证的问题,提出了一种基于区块链且支持验证的属性基搜索加密方案。通过对共享密钥采用密文策略属性加密机制,实现细粒度访问控制。结合以太坊区块链技术,解... 详细信息

针对一对多搜索模型下共享解密密钥缺乏细粒度访问控制且搜索结果缺乏正确性验证的问题,提出了一种基于区块链且支持验证的属性基搜索加密方案。通过对共享密钥采用密文策略属性加密机制,实现细粒度访问控制。结合以太坊区块链技术,解决半诚实且好奇的云服务器模型下返回搜索结果不正确的问题,在按需付费的云环境下,实现用户和云服务器之间服务-支付公平,使各方诚实地按照合约规则执行。另外,依据区块链的不可篡改性,保证云服务器得到服务费,用户得到正确的检索结果,而不需要额外验证,减少用户计算开销。安全性分析表明,所提方案满足自适应选择关键词语义安全,能很好地保护用户的隐私以及数据的安全。性能对比及实验结果表明,所提方案在安全索引产生、搜索令牌生成、检索效率以及交易数量方面有一定的优化,更加适用于智慧医疗等一对多搜索场景。

关键词：对称可搜索加密属性基加密以太坊智能合约可验证

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基于区块链的多关键词模糊搜索加密方案

电子与信息学报 2023年第4期45卷 1346-1355页

作者：闫玺玺冯苏伟汤永利尹沛河南理工大学软件学院焦作454003

针对1对多数据密文共享中多关键词模糊匹配和用户公平性问题,该文提出一种基于区块链的多关键词模糊搜索加密方案。该文提出一种R-HashMap索引结构,通过使用对偶编码函数和位置敏感哈希函数来构建安全索引,并采用K最近邻算法来加密索引... 详细信息

针对1对多数据密文共享中多关键词模糊匹配和用户公平性问题,该文提出一种基于区块链的多关键词模糊搜索加密方案。该文提出一种R-HashMap索引结构,通过使用对偶编码函数和位置敏感哈希函数来构建安全索引,并采用K最近邻算法来加密索引,通过计算欧式距离度量查询关键词向量与索引节点之间的相似性,实现多关键词模糊密文搜索。该文除了消除预定义词典和降低存储开销外,还在不增加搜索复杂度的前提下实现对安全索引的更新。此外,将以太坊区块链技术与可搜索加密方案相结合避免了恶意服务器对数据的篡改,使用智能合约作为可信第三方进行检索工作,不仅可以防止云服务器内部的关键词猜测攻击,还可以解决检索结果不正确的问题。通过安全性证明分析,该文不但满足自适应选择关键词语义安全性,还可以保护用户隐私和数据安全。将该文与其他方案进行实验对比,证明该文在保证精确度的前提下,时间开销上具有更好的效率优势。

关键词：加密方案多关键词模糊搜索可验证以太坊智能合约

基于属性基加密的区块链数据分享系统研究与实现

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基于属性基加密的区块链数据分享系统研究与实现

作者：唐振嘉北京邮电大学

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随着互联网信息技术的迅速发展,云存储服务应用越来越广泛。但是,云存储服务作为非完全可信第三方,将未经加密的用户数据保存至云端会严重威胁用户数据的绝对控制权和隐私安全。因此,属性基加密算法具有的数据加密和访问控制机制得到了... 详细信息

随着互联网信息技术的迅速发展,云存储服务应用越来越广泛。但是,云存储服务作为非完全可信第三方,将未经加密的用户数据保存至云端会严重威胁用户数据的绝对控制权和隐私安全。因此,属性基加密算法具有的数据加密和访问控制机制得到了研究人员的关注。但是,目前属性基加密算法存在无法保护加密策略中用户属性的隐私安全问题与属性授权中心的单点故障问题,这两个问题成为它在云存储服务中应用的障碍。本文研究属性基加密算法与区块链数据分享系统,旨在提高属性基加密算法的隐私安全与高可用,同时解决区块链数据分享系统中用户数据的安全存储问题,这对于提高云存储服务中用户的隐私安全和数据存储安全,具有十分重要的研究意义。针对属性基加密算法中访问结构无法保护用户属性的问题和属性授权中心的单点故障问题,本文提出了支持策略保护的属性基加密方案SPABE。在该方案中,通过将加密策略转换成多元多项式来混淆用户属性,实现加密策略中用户属性的保护。同时,SPABE方案局部采用一主多从、全局采用分布式选举的思想提高属性授权中心的高可用,解决了属性授权中心的单点故障问题。通过安全分析验证了SPABE方案的安全性。经过性能分析与实验对比结果表明本方案减少了密文的存储开销,并降低了在加密和解密阶段的计算复杂度。因此,SPABE方案不仅提高了安全性与高可用性,还提升了在加密和解密阶段的计算效率。针对当前云存储服务存在的用户数据控制权问题、用户隐私安全问题和数据存储安全问题,本文设计并实现了区块链数据分享系统BCDS。在本系统中,利用SPABE方案直接对用户数据加密,防止系统直接接触用户数据,确保用户数据的绝对控制权和隐私安全,并且通过SPABE方案的访问控制机制,实现用户之间数据的安全分享。同时,系统中设计了用户和文件的以太坊智能合约代替传统的数据库,利用区块链可追溯特性保护用户上传的文件。并结合IPFS分布式存储系统存储用户加密后的文件,保障用户数据的安全存储,解决因不可抗力因素导致文件损坏的问题。

关键词：属性基加密以太坊智能合约策略保护数据分享

面向Solidity语言的变异测试系统设计与实现

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面向Solidity语言的变异测试系统设计与实现

作者：巫浩然南京大学

学位级别：硕士

Solidity是一种面向以太坊智能合约(Ethereum Smart Contract,ESC)的高级编程语言,用于在以太坊网络上实现智能合约。以太坊是当前最流行的智能合约开发与运行平台,已有超过百万款智能合约在以太坊中部署。然而研究表明,约90%的智能合... 详细信息

Solidity是一种面向以太坊智能合约(Ethereum Smart Contract,ESC)的高级编程语言,用于在以太坊网络上实现智能合约。以太坊是当前最流行的智能合约开发与运行平台,已有超过百万款智能合约在以太坊中部署。然而研究表明,约90%的智能合约中存在缺陷,且由于区块链的不可修改性,这些缺陷难以被修复。因此,智能合约在部署前要尽可能充分地测试,这对保障以太坊用户资金安全以及构建可持续的以太坊生态具有重要意义。变异测试是一种衡量测试套件充分性的软件测试方法,它通过将故障注入到源程序中来检查测试套件揭示这些故障的能力。变异测试已被证明适用于各种编程语言及编程范式,因此采用变异测试来评估ESC测试的充分性是可行的。然而,现有变异算子无法覆盖ESC特有的缺陷,为了提高变异测试的效果,需要针对ESC编程语言Solidity设计新的变异算子。本文设计并实现了一个面向Solidity语言的变异测试系统。具体来说,本文从关键字、全局变量/函数、异常检测及合约漏洞等方面研究了Solidity的语言特性,提出了16个Solidity特殊变异算子。随后,基于Spring boot框架实现了一个面向Solidity语言的变异测试工具Mu SC。Mu SC能够在抽象语法树的层次上高效且准确地生成大量变异体,并基于Truffle框架实现合约的自动化部署及测试。此外,Mu SC还提供变异体展示、自定义测试链创建、测试报告生成等功能,具有较强的可用性。本文在4个真实以太坊分布式应用(DApp)中的26个智能合约上进行了实证研究,来证实变异测试以及新变异算子的有效性。实验结果显示,基于变异测试的方法在缺陷检测率上优于基于覆盖的方法(变异得分63.1比53.6),表明变异测试相比代码覆盖率可以更好的衡量ESC测试的充分性。此外,本文对729个真实ESC错误报告进行浏览分类,发现其中有117个与Solidity特殊变异算子有关,表明本文提出的新变异算子能够有效揭示真实缺陷。这些结果揭示了变异测试在ESC质量保障中的巨大潜力。

关键词： Solidity 区块链以太坊智能合约变异测试变异算子

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基于以太坊平台的代币转账行为实时监测

基于以太坊平台的代币转账行为实时监测

作者：张文生电子科技大学

学位级别：硕士

自从比特币取得成功以来,越来越多基于区块链技术的加密货币被创建。以太坊区块链平台是继比特币区块链之后最为成功的区块链应用。以太坊在比特币出现之后能够再次引起人们关注的重要原因是以太坊将区块链技术的应用进一步扩展到了智... 详细信息

自从比特币取得成功以来,越来越多基于区块链技术的加密货币被创建。以太坊区块链平台是继比特币区块链之后最为成功的区块链应用。以太坊在比特币出现之后能够再次引起人们关注的重要原因是以太坊将区块链技术的应用进一步扩展到了智能合约领域。截至以太坊区块链的1100万区块高度已经有超过3000万个智能合约部署在以太坊平台。以太坊在智能合约领域的应用以一种代币类型合约应用为主,其中开发者通过部署以太坊智能合约的方式创建和发行的电子加密货币称之为代币,对代币进行交易管理的智能合约称之为代币合约。目前代币合约已经成为以太坊平台生态中的重要组成部分,如何准确并高效地识别代币转账行为对许多以太坊应用都是至关重要的。已经存在的一些代币行为监测方案由于其对代币转账行为错误的假设或者对代币合约存储模式的片面认知并不能准确地监测代币转账行为。这一点可能会被攻击者利用并实现对代币合约的攻击。所以如何准确并高效地监测代币行为具有重要的研究价值和意义。本文对以太坊平台的交易机制和合约运行机制进行了深入研究,结合代币合约转账的行为特征和平台底层合约的运行机制,提出并实现了以太坊平台代币转账行为实时监测系统。使用以太坊公链数据作为实验数据的测试结果显示:该系统能够自动识别出新型的代币合约,并且以98.7%的准确率识别代币合约的转账行为。除此之外,本文提出了四种性能优化机制提升系统的运行效率。优化后的该系统在以太坊节点客户端同步交易时对节点的性能负载仅仅为4%。实验结果表明本文的代币转账行为监测系统在保证较高的准确性同时也保持着比较高的运行效率。本文主要的研究内容如下:1.针对代币行为监测的准确性需求对合约存储的基本类型容器进行归纳总结,将其访问路径抽象为树型图。围绕树型图节点的组合方式提出一种复杂类型容器的匹配方法。以该方法为理论基础设计并实现了一种识别代币合约并提取出代币合约账本容器类型的方案。2.在深入研究了以太坊平台交易同步机制的底层原理后,结合代币合约账本容器提取技术,实现了一个代币转账行为实时监测系统。3.提出了四种性能优化机制用于优化系统性能。并通过一系列测试实验探究每种优化机制的优化效果,最后结合以太坊运行机制分析了性能优化机制取得相应效果的深层次原因。

关键词：以太坊智能合约代币合约转账行为监测同步机制性能优化