本研究提出了一种针对区块链共识机制与智能合约的形式化验证框架，采用Event-B方法。该方法结合了表示抽象、基于不变量的证明以及时间模型检验，可在部署前对安全性、活性以及抗双重支付能力进行形式化验证。
本研究提出了一种针对区块链共识机制与智能合约的形式化验证框架，采用Event-B方法。该方法结合了表示抽象、基于不变量的证明以及时间模型检验，可在部署前对安全性、活性以及抗双重支付能力进行形式化验证。
本研究利用 Event-B 和 Rodin 平台，建立了一个形式化基础的区块链共识机制与智能合约行为验证框架。与以往主要依赖仿真或针对孤立合约进行案例验证的方法不同，本工作融合了有限状态机（FSM）抽象、基于不变量的证明、精细化建模以及时序逻辑验证，用于分析工作量证明（PoW）、权益证明（PoS）以及防止双重支付的机制。Solidity 智能合约被抽象为有限状态机，并编码为 Event-B 模型，从而实现对状态转换和安全性约束的形式化描述。安全性属性——包括交易唯一性、状态一致性、访问控制执行以及账本不变量的保持——通过 Rodin 中自动生成的证明义务进行验证。共生成 312 项证明义务，其中 287 项（92%）被自动解除，25 项通过交互式证明完成，实现了完整的不变量覆盖。活性属性使用计算树逻辑（CTL）进行形式化描述，并通过模型检测进行验证，确认了在 PoS 条件下系统无死锁且最终能选出验证者。双重支付的防范通过状态一致的账本建模得以形式化实施，其唯一性约束在所有可达状态中均被证明成立。PoW 与 PoS 的协议级共识逻辑经过三个抽象层次的精细化建模，通过逐步精细化确保了区块完整性与验证者行为的正确性。结果表明，机器检查的证明能够提供超越基于仿真的评估的可验证正确性保障，建立了一条严格且可复现的验证流程，增强了区块链系统在正确性保障和协议级鲁棒性方面的可信度。
区块链技术已发展为一种分布式账本范式，能够在无需依赖中心化机构的情况下实现去中心化的记录保存。通过在参与节点之间复制账本状态，并借助共识机制达成一致，区块链系统在开放且存在对抗的环境中提供了完整性、透明性和防篡改性。正如 Yaga 等人所述1，区块链架构结合了密码学原语、分布式共识协议和点对点通信，以确保已验证的交易在计算上极难被篡改。核心共识机制（如工作量证明（PoW）和权益证明（PoS））用于管理验证者的选取、区块验证以及账本同步。此外，智能合约通过嵌入可编程逻辑，能够自动执行预定义规则，从而扩展了区块链的功能，支持在金融、医疗和治理等多个领域的去中心化应用。随着区块链技术在高价值、安全关键环境中的部署日益广泛，确保共识机制和智能合约行为的正确性已成为维持系统运行可靠性的关键2。
尽管区块链系统具有去中心化的特性，但仍容易受到逻辑层面和协议层面漏洞的影响。当账本一致性约束未被严格实施时，可能发生双重支付攻击。共识层的弱点，例如验证者选择逻辑错误或区块验证规则存在缺陷，以及智能合约漏洞（如重入攻击和不恰当的访问控制），已在已部署的平台中导致重大财务损失。尽管经验测试和仿真框架被广泛用于评估工作量证明（PoW）和权益证明（PoS）协议的行为，但这些方法仅能提供示例性观察结果，无法提供全面的正确性保证。基于仿真的验证无法证明在所有可达状态下的不变性保持，也无法确保在所有执行路径下的安....
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研究输入
本研究中使用了两个 Solidity 智能合约作为验证输入。第一个是简易的 DAO 风格合约，用作重入攻击的案例研究；第二个是经过简化的账本/状态转移合约，旨在测试针对双重支付的合约级约束。原始的 Solidity 源代码作为本协议中定义的抽象与验证过程的输入。此类合约所采用的通用转换过程如图1所示，该图展示了 Solidity 源代码在验证过程中逐步转换为有限状态机（FSM）、Event-B 和 SMV 模型的过程。
建模边界
形式化建模重点关注智能合约的控制流逻辑，包括函数的进入与退出行为、内部执行过程以及合约层面的状态转换。函数可见性（public、external、internal 和 private）与重入性分析相关的调用栈行为一并表示。抽象转换的类型（调用、发送、转账）被视为以太币转移的操作。
在抽象边界内，通过定义合约级不变量来确保交易的唯一性并防止双重支付。为了表示验证选择和区块完整性要求，协议逻辑抽象层基于工作量证明和权益证明的协议级状态转换进行定义。
抽象边界未包含网络层元素，包括待传递消息的调度、由任意数量跳数引起的时间延迟、分叉解决、采用拜占庭策略的网络对手、以太坊虚拟机语义、由网络节点控制....
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本研究的成果结合了Event-B的形式化验证结果与CTL模型检验，并融合了来自区块链仿真的可执行信息。这些多层次输出的结合，在设计的有限示例范围内，支持对智能合约的关键行为、其共识系统以及账本健全性限制的验证。
环境设置与依赖项验证
用于模型转换、验证和仿真的执行环境已成功启动，且无依赖冲突。通过使用 Web3、NetworkX、Matplotlib、Graphviz、NumPy 和 Pandas，所有密码学、数学及区块链交互相关的软件包均已加载。如图4所示的控制台输出表明，所有必需模块在执行时均已被识别并存在。这验证了在开展验证与仿真操作前，计算环境的正确性。
验证产物度量与可扩展性指标
在 Event-B 模型的所有抽象与精化层次中，共生成了 312 个证明义务。其中，287 个通过 Rodin 内置的集成证明器自动完成证明，25 个通过交互式方式完成证明，总体证明完成率达到 10.......
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形式化验证与基于仿真的验证表明，本研究所采用的多层验证系统能够在明确定义的抽象边界下验证智能合约行为、共识机制的正确性以及账本完整性属性。Event-B 以不变量和基于精化的逻辑，为安全性属性、状态流以及重入预防逻辑提供了具有数学基础的表示方法5,6。较高的证明消解率表明，所建模的系统在内部具有逻辑一致性，并符合利用形式化技术验证关键系统正确性的已知实践9,10,11,12。对权益证明（PoS）和工作量证明（PoW）的仿真也验证了系统动态在静态和事件调制情况下均保持稳定，且形式化规约与执行层面观察到的行为一致。这些结果还与先前在区块链验证方面的研究相吻合，其中形式化推理已被应用于智能合约分析、执行语义以及协议级安全属性的研究2
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作者声明无任何利益冲突。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Rodin 平台 (v3.7.0) | Rodin Team / Eclipse Foundation | https://www.event-b.org/install.html | Event-B 建模、精化以及证明义务的生成与验证 |
| Event-B 方法 | 南安普顿大学 / Rodin 社区 | https://www.event-b.org/ | 用于不变式规约与系统精化的形式化建模框架 |
| nuXmv 模型检测工具 (v2.0.0) | FBK（Bruno Kessler 基金会） | https://nuxmv.fbk.eu/ | CTL 属性的符号模型检测 |
| Graphviz (v0.20.3) | Graphviz 团队 | https://graphviz.org/ | 有限状态机可视化与图形渲染 |
| Python (v3.10.12) | Python 软件基金会 | https://www.python.org/downloads | 仿真与执行环境 |
| Web3.py (v7.6.0) | 以太坊基金会 / 贡献者 | https://web3py.readthedocs.io/ | 区块链交互与交易仿真 |
| NetworkX (v3.4.2) | NetworkX 开发团队 | https://networkx.org/ | 区块链与有限状态机结构的图建模 |
| Matplotlib (v3.8.0) | Matplotlib 开发团队 | https://matplotlib.org/ | 绘制挖矿时间与验证者分布图 |
| NumPy (v1.26.4) | NumPy 开发者 | https://numpy.org/ | 数值计算 |
| Pandas (v2.2.2) | Pandas 开发团队 | https://pandas.pydata.org/ | 数据分析与处理 |
| OpenJDK 11 | Oracle / OpenJDK 社区 | https://openjdk.org/projects/jdk/11/ | Rodin 平台所需的运行环境 |
| Ubuntu 22.04 LTS | Canonical Ltd. | https://ubuntu.com/download | 所有实验所用的操作系统 |
| Solidity | 以太坊基金会 | https://soliditylang.org/ | 作为输入使用的智能合约源语言 |
| nuXmv 输入语言 (SMV) | FBK | https://nuxmv.fbk.eu/documentation.html | 用于 CTL 验证的中间模型表示 |
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