通用圖靈機(jī)和智能合約之間的關(guān)系是什么

在Kadena我們經(jīng)常談?wù)?a target="_blank">區(qū)塊鏈設(shè)計(jì)決策。我最近遇到的一個(gè)特別深刻的設(shè)計(jì)決策是關(guān)于圖靈完備的，它在我們的一個(gè)開發(fā)人員最近的一篇文章中引發(fā)了爭論。作為團(tuán)隊(duì)的非技術(shù)成員，我想了解圖靈完備的真正含義，為什么區(qū)塊鏈社區(qū)在這個(gè)問題上存在分歧，為什么我們的工程師在努力教育其他人安全智能合約編程的缺點(diǎn)。

以下是我為揭開和理解智能合約安全這一核心屬性而進(jìn)行探索的簡要總結(jié)。所以，如果你像我一樣，被區(qū)塊鏈系統(tǒng)的開發(fā)所吸引，尤其是被智能合約語言所吸引，那么希望這個(gè)故事能夠提高你對(duì)圖靈完備如何影響智能合約安全的理解。

圖靈機(jī)促進(jìn)圖靈完備

20世紀(jì)30年代，艾倫·圖靈提出了通用圖靈機(jī)的概念。請(qǐng)注意，圖靈機(jī)不同于二戰(zhàn)期間用來解決Enigma代碼的設(shè)備。這就是炸彈機(jī)。圖靈機(jī)實(shí)際上是一種理論設(shè)備，一種數(shù)學(xué)計(jì)算模型，描述了我們今天所知道的最強(qiáng)大的機(jī)械計(jì)算機(jī)。

這可以歸結(jié)為“圖靈完備”，它是一個(gè)屬性，用于描述可以用來模擬圖靈機(jī)器的編程語言。事實(shí)上，現(xiàn)存的絕大多數(shù)編程語言都是圖靈完備的。圖靈完備智能合約機(jī)最著名的例子是Ethereum虛擬機(jī)（EVM）。

“一種圖靈完備的編程語言，理論上能夠表達(dá)計(jì)算機(jī)完成的所有任務(wù);如果忽略有限內(nèi)存的限制，幾乎所有的編程語言都是圖靈完備的。

這在實(shí)踐中意味著什么呢？編程語言能夠表達(dá)每一個(gè)可計(jì)算的算法是好是壞？

起初，這聽起來像是一個(gè)強(qiáng)大的特性。智能合約語言對(duì)于構(gòu)建任何類型的應(yīng)用程序都是普遍適用和靈活的，這當(dāng)然是有好處的。讓我們考慮一下其影響。

圖靈完備應(yīng)用于區(qū)塊鏈智能合約

不幸的是，我并不是智能合約設(shè)計(jì)領(lǐng)域的思想領(lǐng)袖，所以我求助于互聯(lián)網(wǎng)。初步的研究從StackOverflow或者像這樣的圖靈機(jī)上的深入論文中得到了完全沒有幫助的答案。這兩種方法都沒有通過編程智能合約的上下文來檢查所討論的屬性。

幸運(yùn)的是，我有幸請(qǐng)到了一位非常有資格并且在這個(gè)主題上領(lǐng)先的的人物Emily Pillmore，她是Kadena的高級(jí)程序員。我問她：“在區(qū)塊鏈的中，圖靈完備和圖靈不完備有什么區(qū)別？””她的反應(yīng)：圖靈不完備與區(qū)塊鏈并沒有太多直接關(guān)系。在計(jì)算機(jī)科學(xué)中，抽象重寫系統(tǒng)的一個(gè)特性是確保系統(tǒng)中的所有表達(dá)式都可以用正態(tài)形式表示（即可以被簡化）……圖靈不完備表現(xiàn)為在一種不可簡化的語言中的表達(dá)式。“這只是全部答案的一小部分！”對(duì)于像我這樣的人來說，其余的回答同樣令人費(fèi)解。我問了一下“這個(gè)東西是如何工作的”問題，得到了一個(gè)全面而技術(shù)性的答案。很好。所以我想我會(huì)從不同的角度來看待這個(gè)問題。也許如果我問一個(gè)“這件事能做什么”的問題，我就能更具體地了解它的行為。

我問：“有沒有一些例子可以說明：圖靈不完備可以在區(qū)塊鏈上使用？”” Emily的回答是：“沒有。我想不出一個(gè)需要圖靈完備的區(qū)塊鏈用例。EVM不使用圖靈完備的任何屬性，因?yàn)樗拗屏送ㄟ^gas模型進(jìn)行的所有遞歸，這將強(qiáng)制遞歸在gas耗盡之前終止，或者在gas耗盡時(shí)終止程序。所以實(shí)際上，EVM的gas模型模擬了圖靈不完備，但不是真的。這就是為什么我說他們采用了圖靈完備的所有缺陷（副作用、難以理解和不合理的代碼、任意循環(huán)），但是沒有使用它的任何好處（不允許無限遞歸）?！鞍」颐靼琢?！”也就是說當(dāng)你有能力做更多的事情，這也意味著更多的事情可能出錯(cuò)。圖靈完備天生就更強(qiáng)大，但是如果您不能利用這種強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，那么您就不必要地將自己暴露在更多的攻擊向量中，因?yàn)樵黾拥谋砻娣e帶來了如此多的額外特性。

為進(jìn)一步明確區(qū)分特征：

· 圖靈完備語言總是有條件重復(fù)或條件跳轉(zhuǎn)的形式

· 根據(jù)區(qū)塊鏈的設(shè)計(jì)，區(qū)塊鏈可以通過像gas這樣的機(jī)制來阻止這些無休止的循環(huán)。

· 因此，圖靈完備帶來了一個(gè)不必要的、繁重的攻擊表面。風(fēng)險(xiǎn)高，回報(bào)低，如下圖所示。

在發(fā)布時(shí)，已知有16種針對(duì)Solidity的攻擊向量，Solidity是用于智能合約的最流行的特定領(lǐng)域的編程語言，碰巧是圖靈完備。如果圖靈機(jī)不完整，那么這些攻擊中代價(jià)最高的攻擊甚至都不可能發(fā)生。最值得注意的是，2016年的DAO攻擊——圖靈完備支持的可重入攻擊，從該基金中抽走了360萬ETH（約5000萬美元），導(dǎo)致以太坊社區(qū)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了硬分叉，以恢復(fù)他們喜歡的歷史版本。最近在2019年，君士坦丁堡升級(jí)暫停，因?yàn)樗肓艘环N新的重入攻擊形式。

在設(shè)計(jì)像智能合約這樣的規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)時(shí)，最好避免將開發(fā)人員和用戶暴露在不必要的潛在風(fēng)險(xiǎn)中，這樣他們也許有一天就可以提出一個(gè)用例來享受它所帶來的好處。畢竟，智能合約只不過是運(yùn)行在區(qū)塊鏈上的計(jì)算機(jī)程序。他們是按要求去做的。在使用它們時(shí)，您將自己暴露在對(duì)所有可能的輸入的風(fēng)險(xiǎn)中。與其信任一個(gè)未知程序員的邏輯，不如考慮信任一個(gè)圖靈不完備的編程語言，使用這種語言甚至不可能有危險(xiǎn)的錯(cuò)誤和漏洞。為了獲得更多的安全性，請(qǐng)考慮信任一種圖靈不完備語言，該語言在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了智能合約安全性。

隨著我對(duì)這個(gè)主題的不斷了解，我很想知道您是否認(rèn)為圖靈完備里有我沒有提到的關(guān)鍵含義。您在您的智能合約中發(fā)現(xiàn)使用圖靈完備的好處了嗎？