[論文レビュー] A Concurrent Perspective on Smart Contracts

Ilya Sergey, Aquinas Hobor|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2017

Distributed systems and fault tolerance参考文献 17被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、スマートコントラクトを複数のブロックチェーン取引がアクセスする共有で変更可能な状態のエンティティとしてモデル化するための同時実行オブジェクトの類似性を導入し、リエントラント攻撃や取引順序依存性といった脆弱性が古典的な同時実行バグに類似していることを明らかにした。コントラクトの相互作用を共有オブジェクト上のスレッドの相互作用にマッピングすることで、既存の形式的検証手法の再利用が可能になり、スマートコントラクト設計における同期プリミティブと不変式の考察の重要性が浮き彫りになった。

ABSTRACT

In this paper, we explore remarkable similarities between multi-transactional behaviors of smart contracts in cryptocurrencies such as Ethereum and classical problems of shared-memory concurrency. We examine two real-world examples from the Ethereum blockchain and analyzing how they are vulnerable to bugs that are closely reminiscent to those that often occur in traditional concurrent programs. We then elaborate on the relation between observable contract behaviors and well-studied concurrency topics, such as atomicity, interference, synchronization, and resource ownership. The described contracts-as-concurrent-objects analogy provides deeper understanding of potential threats for smart contracts, indicate better engineering practices, and enable applications of existing state-of-the-art formal verification techniques.

研究の動機と目的

• 共有メモリの同時実行における古典的問題に類似する、リエントラント性や取引順序依存性といったスマートコントラクトにおける類似脆弱性を特定・分析すること。
• スマートコントラクトを複数の取引がアクセスする同時実行オブジェクトとして捉える概念的モデルを提案すること。これは、スレッドが共有メモリにアクセスするのと類似している。
• 同時プログラムのための既存の形式的検証手法が、複数の取引にわたる複雑なコントラクト動作を理由づけるために適応可能であることを示すこと。
• 干渉と原子性の問題を強調することで、スマートコントラクト設計におけるより良い工学的実践と同期メカニズムの導入を提唱すること。
• 通信状態遷移系（STS）やTLA+のようなツールを用いた、コントラクトの動作と通信パターンに関する高水準の推論の可能性を検討すること。

提案手法

• スマートコントラクトを、複数のスレッドが同時にアクセスする共有メモリ上のオブジェクトに類似した、共有ブロックチェーン状態に存在する同時実行オブジェクトとしてモデル化すること。
• スレッド干渉、レースコンディション、同期の類似性を用いて、取引順序やリエントラント性がEthereumコントラクトにバグを引き起こす仕組みを説明すること。
• 実世界のEthereumコントラクト（例：The DAO や BlockKing）を分析することで、取引レベルの原子性があるにもかかわらず、同時実行上の問題がどのように現れるかを説明すること。
• コントラクト動作の高水準モデル化のため、形式的手法（例：TLA+ や STS）の使用を提案し、トレース性およびライブネス性の性質の検証を可能にすること。
• 高水準のSTSモデルと低水準のコントラクトコード（例：Why3 や F* での記述）との間で精錬証明を行うことで、同時に実行される状況下でも正しさを保証できることを示唆すること。
• ミューテックスが同時プログラミングで果たす役割に類似した、コントラクトベースの同期プリミティブ（例：ロックプロキシコントラクト）の導入を提言すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スマートコントラクトにおける複数取引の動作は、共有メモリの同時実行における古典的問題とどのように類似しているか？
• RQ2 Ethereumコントラクトにおける取引順序依存性（TOD）とリエントラント性は、同時プログラムにおけるレースコンディションや干渉とどのような点で類似しているか？
• RQ3 同時プログラミングから得られた既存の形式的検証手法は、複数の取引にわたるスマートコントラクト動作を理由づけるために適応可能か？
• RQ4 複数の取引による同時アクセス下での複合スマートコントラクトの通信および状態遷移動作を効果的にモデル化する高水準の形式的記述は何か？
• RQ5 同時実行オブジェクトの類似性は、より安全で予測可能なスマートコントラクトの設計にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 本論文は、The DAOで発生したリエントラントバグが、スレッドに類似した干渉が生じる同時実行環境における、コントラクトの状態が予期せず変更される現象であることを示した。
• Ethereumにおける取引順序依存性（TOD）は、同時プログラミングにおける制御不能な干渉に等しく、実行順序が正しさに影響を与えることを示した。
• 取引の原子性があるにもかかわらず、複数ブロックや取引にわたる同時実行によって、観察可能な干渉が生じ、安全特性が破られる可能性がある。これは、逐次的推論の仮定に疑問を呈する。
• 類似性のおかげで、TLA+ や通信状態遷移系（STS）といった形式的検証手法を、複雑なコントラクト動作のモデル化と検証に適用可能になった。
• 著者らは、原子レジスタやロックプロキシコントラクトといった同期メカニズムを用いることで、干渉を防げると主張し、これは同時プログラミングにおけるミューテックスに類似している。
• 本論文は、将来のコントラクト設計において干渉を予測し、形式的不変式や精錬証明を用いて、同時に実行される状況下でも正しさを保証するべきだと提言した。