区块链智能合约技术应用综述

辛玉红　冉城　刘德辉

摘  要：区块链技术应用最广泛的领域之一是智能合约，在区块链所执行的计算机程序中，智能合约可以自动执行所制定的合约条款。文章通过梳理区块链智能合约技术的基本概念、来源和基本特征，并对基于区块链的智能合约技术进行分析和探讨，针对区块链智能合约解决信息共享问题提出了解决方案，并对所面临的技术问题进行分析以及对未来的发展前景进行展望。

关键词：区块链;智能合约;去中心化

中图分类号：F407.67                  文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）20-0185-05

Application Overview of Block-Chain Smart Contract Technology

XIN Yuhong， RAN Cheng， LIU Dehui

（School of Computer Science， Guangdong Polytechnic Normal University， Guangzhou  510665， China）

Abstract： One of the most widely used fields of block-chain technology is smart contract. In the computer program executed by block-chain， smart contract can execute the formulated contract terms automatically. This paper combs the basic concepts， sources and basic characteristics of block-chain smart contract technology， analyzes and discusses the block-chain based smart contract technology， puts forward solutions to the problem of solving information sharing by block-chain smart contract， analyzes the technical problems faced and looks forward to the future development prospect.

Keywords： block-chain; smart contract; decentralization

0  引  言

近年來，以比特币底层技术为代表的区块链技术在物联网、金融、供应链、能源、教育、医疗、政府和信息安全等领域得到了积极的应用。2018年区块链产业发展及投资价值报告指出：区块链是2016年国务院在《“十三五”国家信息规划》中提及的关键词，针对区块链的政策逐渐明晰化，表明区块链的发展得到了国家的大力支持。区块链技术的行业应用正在加速发展，从数字货币向非金融领域渗透扩散，与各行业创新技术相融合。虽然全球的区块链发展尚不成熟，但从整体状况来看区块链技术正以可观的速度在飞速发展。智能合约这一概念是由Szabo提出的，由于没有适合智能合约有效执行的环境，智能合约的应用并没有真正落地，而区块链的诞生给智能合约提供了理想的应用环境，区块链分布式环境解决了信任问题，为合约提供了一个可信的执行环境，由此基于区块链的智能合约技术开始发展起来。

为此，本文通过对近几年来一些权威期刊上发表的关于区块链技术的相关研究文献进行分析，梳理了区块链智能合约的基本概念、特点以及其技术层面的支撑，并介绍了区块链智能合约应用研究现状以及存在的问题，分析了区块链智能合约的具体应用。针对信息共享率低且激励不足的问题提出了解决方案，并对区块链技术未来的发展前景进行展望。

1  区块链智能合约技术简述

智能合约概念是在区块链出现之前提出的，几乎与现代互联网同时产生。智能合约在早期由于技术发展不成熟以及受运行环境制约而没有被充分运用到技术环境中，而基于比特币的区块链技术具有可信性，为智能合约的执行提供了条件。因此，利用区块链技术解决智能合约现存问题，引起了产业界和学术界的高度重视。

区块链智能合约包含的工作原理共分为三步：（1）通过多方参与主体共同协商制定智能合约，参与主体注册信息产生合约所对应的公钥和私钥。公钥对外公开，而只有参与方才能获得对应的私钥，私钥不对外公开，且用私钥进行电子合约签名，这份智能合约再传入可执行的区块链环境中。（2）此执行过程越过了第三方平台的担保，降低了程序中投入的成本，提高了合约验证和程序执行的效率，实现了可信任、透明化的交易，达成一种全网共识，即整个交易中的系统节点都不需要建立相互信任。共识机制一经触发即将进行一系列的有效验证。（3）在区块链部署的智能合约是一种将会在分布式环境下根据程序代码自动执行的合约。如图1所示，每个所包含的区块具备以下的信息：根据时间戳的顺序，依次前后相连存储区块的Hash值及其所包含的信息。

智能合约是区块链技术中的核心技术之一。然而，目前来说，区块链技术发展还不成熟，智能合约与通用的计算机程序还存在一定的差别，智能合约须具备安全性、稳定性，否则无法保证智能合约在区块链中的稳定运行。

2  区块链智能合约的技术层面支撑

区块链智能合约技术涉及国家层面的规划和投入，这是因为其建设缺乏标准的统一性（包括区块链的制度规范），所涉及的信息则难以实现跨领域共享。在信息共享的原则下，区块链智能合约技术应该做到，对区块链中存储和处理的数据流通信息进行清晰的界定。从国家的层面研究区块链智能合约技术层面支撑所需的要素还没有引起学者们的足够关注。

不管是区块链技术还是基于区块链的核心技术——智能合约，它们都是科技进步的新兴产物。智能合约可以更多地改变或破坏既定流程或市场，但也可以代表创建全新应用程序、市场或服务技术组件。区块链技术发展还不够成熟，因此对其研究背景和技术理论进行更为深入的研究是非常重要的。蔡一博指出在智能合约产生初期并没有可靠执行的技术支撑，仅限于理论研究，而区块链的出现为其提供了关键的技术支撑，满足了技术不可篡改、去中心、可追溯性的要求，并提供了公开公正的执行环境。目前，基于区块链的智能合约技术在诸多行业、大量的商业领域应用落地。

3  区块链智能合约的应用场景

基于区块链技术的智能合约违约成本昂贵，在分布式环境下的智能合约具有很高的可信性，其已被广泛应用到很多领域，如组织管理、保理业务、政府服务、医疗信息等领域，如图2所示。

（1）组织管理。Ni X等结合区块链和智能合约技术对新媒体中关于组织管理的模型进行了研究，智能合约技术对组织管理中存在的悬而未决的问题具有启发性，实现了建立在虚拟网络中员工之间授信的管理模型。徐超等利用智能合约技术研究审计组织管理等数据，该技术提升了管理数据的可信性和可溯源性。为了有效组织和管理传统医院以及提高交易效率，提出了一种基于区块链的医疗数据信息系统。

（2）保理业务。邓爱民等研究发现区块链智能合约技术和供应链保理业务，二者之间具有很大的契合度，该技术的应用落地有效地提高了保理业务交易处理的速度，降低了人工成本。Zheng，K等将区块链智能合约技术和保理业务相结合，利用拜占庭容错算法和激励兼容机制对供应链智能优化保理业务模式进行了分析和建模，优化了保理业务模式。

（3）政府服务。Alketbi，A等提出了一种由政府主导的服务区块链生态系统模型，该模型能够从根本上转变政府服务和职务所需的关键能力，并在不需要信任的第三方机构实现数据的处理。针对跨部门协同一致性难和信任问题，提出了基于区块链的新型信息资源协同共享模式。

（4）医疗信息。Griggs K N等基于以太坊合约的私有区块链创建了一个系统，该智能合约系统将会为医生和患者提供健康监测情况，并能够及时地进行医疗干预。Zghaibeh M等介绍了基于区块链的健康管理系统，该系统可以利用智能合约发起与患者有关的各种请求和查询，去访问系统数据而不损害其可靠性。基于共享医疗安全和隐私考虑，提出了一种基于区块链的远程医疗信息系统，该系统减少了通信轮数，提高了性能。Hassan等论述了区块链可以改善医疗保健数据共享和存储系统，但针对安全和授权问题，许多医疗机构在是否引入区块链的决策上存在犹豫不决的情况，区块链性能还有待提高。

综上，通过梳理区块链智能合约技术在应用领域中应用的相关内容，其运用范圍主要从隐私、安全和信任这几个方面进行了考虑。然而，区块链智能合约通过区块链保存的数据信息具有去中心化、安全、隐私、匿名功能，因此，对区块链的研究主要集中于概念、技术特点、结构等方面，对区块链的研究主要包括区块链关键技术、运用平台等。

4  区块链智能合约的具体应用

传统信息共享存在共享信息质量问题、共享信息安全问题、共享成本高、利益分配不均衡等问题（具体体现在，共享过程缺乏有效的激励机制、信息规范性差、信息共享没有形成一个完善的信息化服务体制），导致信息共享率不高，要想提高信息共享率，首先要有效解决这些问题。区块链为信息共享方式的转型提供了契机，如图3所示，智能合约、权限控制对信息共享具有安全保障作用，能够规范信息的储存和共享。区块链具有全新的规则制度机制，可灵活嵌入各种信息且具有共享智能模式。基于区块链智能合约的信息资源共享中去中心化的处理方式可节约很多资源，使得整个交易自主化、简单化、去信任，并排除被中心化代理控制的风险。执行自动化合约条款进行信息共享，对各方面进行了信息安全的保障，信息共享在区块链中安全交互，存储为数据区块链，实现了更加有效的信息共享。

目前所研究的信息共享都是从技术的角度对信息共享存在的问题进行分析，而如何系统全面地从管理角度基于区块链技术及其智能合约来解决信息共享问题的研究仍然缺乏。本文针对基于区块链智能合约技术解决信息共享问题来提高信息共享的需求，对现有文献研究的不足，提出了在区块链环境下设置合理的激励机制，有效地激励信息共享节点守约并积极的共享，在区块链智能合约上制定合理的激励机制，使共享信息在区块链环境下实现良性的可持续发展。

4.1  博弈模型构建

共享信息下有限理性参与主体更愿意通过可信任、有安全保障的平台分享数据。因此，在区块链平台中建立激励机制能够实现信息的有效共享。参与主体参与平台信息共享的过程均是由有限理性者来支配的，以追求自身利益最大化为目的，在博弈过程中根据自身收益不断调整策略，激励共享过程是一个长期的动态发展过程，需要参与主体通过不断的学习和模仿获得。为构建参与主体参与演化博弈的模型，特作以下假设：

假设1：参与主体可以根据在参与信息共享中所获得的利益进行选择，参与主体的选择集为{信息共享，信息不共享}。

假设2：针对信息共享，博弈双方获得的共享收益可分为直接收益和增值收益两种。直接收益是参与双方获得对方共享信息并从中获利，记为直接收益D，协同收益是参与方共享信息时彼此之间相互融合所创造出来的收益，记为增值收益T。

假设3：共享成本C。在信息共享平台中，信息共享需要投资固定的信息共享成本。

假设4：激励系数R。在区块链智能合约激励机制下，激励系数表现为奖励收益或参与成本。

假设5：博弈过程中参与主体A选择“共享”的概率为x（0

假设6：当参与用户都不存在共享时，两者所获得的收益都为0。

根据以上假设条件，可以得出参与主体信息共享的收益矩阵，如表1所示。

4.2  模型分析

参与主体面临两种策略选择：共享策略或不共享策略，如图4所示，选择参与信息共享策略意味着参与主体愿意主动共享信息并从平台中获得其他参与主体共享的信息，选择不共享策略意味着参与主体不愿信息共享也获取不了其他参与主体的信息，下面对三种情况分别进行讨论：

（1）情况一。参与方A、B都不进行信息共享的情况下，无任何收益及成本，即收益均为0。

（2）情况二。参与方A、B相互之间进行信息共享，不仅能获得相互之间共享信息的利益，还能彼此协同促进信息的相互借鉴和融合，并能创造出新的价值即所获得的增值利益，使参与方获得更多的收益，但是信息共享需要一定的投资成本。在区块链平台中，为了实现用户之间的信息共享，可以通过创建激励机制对博弈双方进行促进。激励机制中的参数有正向促进和负向促进，当激励参数C越来越接近阈值时为正向促进，最终达到增益的饱和状态，当激励参数超过阈值时为负向促进同时会造成负增益。因此，在进行信息共享时参与方的收益均为D+T-C-R。

（3）情况三。在所在区块链信息共享平台中，一方选择参与另一方选择不参与信息共享。然而，选择信息共享方并没有因为信息共享而获利，相反，共享方进行信息共享需自行承担投资成本，但由于对方没有进行信息共享并不能额外获利，而且还要赔偿一定的激励成本。通常在这种情况下经过一次与对方的博弈后，有限理性的共享方会采取不共享的策略损失为-C-R。对于不共享参与方，因没有共享而获得的收益仅来自博弈方共享的直接收益D。

参与主体以收益大小为决策依据来追求自身效用最大化，若共享时收益超过不共享时，此时参与主体的最优策略为“共享”。在该激励机制下根据策略给予激励奖励，即激励参数转化为正效益（即奖励收益）以激励参与主体积极参与信息共享。

4.3  机制设计

在区块链平台中对信息共享进行激励时，具有有限理性的参与主体难以在一次决策中做出最优的决策，但是参与主体会通过长期的模仿、学习，不断地调整自身的策略并循环往复地进行动态的调整，最后达到一种平衡稳定的状态。按照智能合约执行方式的不同，根据区块链的核心机制（即激励机制），对信息共享的区块链所涉及的平台利用智能合约技术，能够智能化地根据条件对激励机制进行动态策略管理调整，为传统的信息共享提供了重要的技术支撑，确保参与方积极参与信息共享能使自身获得最大收益，并且能够最大限度地促进更多主体参与信息共享，提高了信息利用率。区块链智能合约平台中的激励机制可根据参与方信息共享程度，自动执行智能合约技术以给予相应的激励奖励。为此，本文构建了基于区块链智能合约信息共享的演化博弈模型激励机制，既为用户节省了投入成本，使得其实现利益最大化，也激励了参与主体积极地进行信息共享。当调用智能合约功能时，激励奖励和参与成本两者会根据情况自动调整，以此鼓励参与主体进行有效的信息共享并获得最大化收益，促进参与方进行信息共享。

5  区块链智能合约存在的问题

基于区块链的智能合约技术的优势显而易见，它实现了去中心化，即可建立面向双方的信任机制。基于区块链的智能合约技术具有分布式系统所具有的优势，在数据安全、隐私保护方面得到一定意义上的保证。下面从数据安全问题、隐私保护问题、成本问题方面进行详细的分析：

（1）数据安全问题。在分布式环境中，虽然区块链智能合约技术提供了安全信任保障，但也面临着未知安全问题的挑战，因此需要技术的日臻成熟和创新。智能合约技术安全问题的保障意味着区块链能够按照开发者的意愿正常运行。例如，Liu J等指出区块链智能合约技术存在安全方面的问题，合约漏洞的存在造成了巨大的经济损失，因此，对安全验证问题进行了探索，基于形式化法的智能合约的准确性和可信性验证应当引起重视。Ilya等研究发现区块链上运行的智能合约程序中的错误和漏洞可能导致灾难性的后果，因此，严格的语义基础对安全验证技术是非常重要的。

（2）隐私保护问题。在公有链中各节点可任意加入和推出节点信息并且用户交易可以被公开查看，因而缺乏信息的隐私保护。章宁等提出了一种基于区块链隐私保护机制运用于互联网租车个人隐私保护中。Liu X等在区块链中建立了一个信任管理模型以确保更安全的网络环境，解决信任和隐私两大问题，以匿名的方式保护车辆的隐私，使安全存储在区块链中的车辆信息具有可靠性和可信度。Wang等研究发现交易信息将会公开用户隐私从而引起信息安全和隐私问题，为此提出了一种基于区块链的激励机制，通过节点验证形式进行用户的匿名隐私保护，以确保使用激励机制的安全性和可行性。

（3）成本问题。虽然区块链的建立可消除第三方中介的介入，能降低这些方面的投入成本，然而，区块链在运行中挖矿使用的计算资源、避免区块链分叉问题导致数据的丢失、解决双花攻击式的安全问题等会导致区块链的投入成本增加。因此，在区块链智能合约技术应用中应着力解决和改善影响其成本投入增高的因素。Thakur S等提出了一种点对点的能源系统的成本分析方法，从风险、安全问题和低廉的能源价格获利之间衡量取舍以协调降低贸易成本。Munoz D J等提出了一种跨平台低成本的区块链模型ClinicAppChain，这个模型具有身份验证、可保密性和被许可的数据信息共享的功能并建立了分散式医疗分类帐，实现了最低成本的共享。

6  結  论

本文重点介绍了区块链智能合约的概念、特点及其技术层面的支撑，最后介绍了区块链智能合约应用研究现状以及存在的问题，并分析了区块链智能合约的具体应用。针对信息共享率低且激励不足的问题提供了解决方案，构建了区块链智能合约激励机制下信息参与主体之间的演化博弈模型，根据条件对激励系数进行参数调整，使信息共享参与主体达到基于演化博弈机制中最大参与状态，从而促进更多地参与主体趋向于信息共享策略并获得收益，使整个参与主体利益最大化，有利于提高参与主体信息共享率并激励更多地参与主体进行信息共享，从而获得长期稳定的发展。同时，区块链分布式环境解决了信任问题，给智能合约提供一个可信的执行环境，降低了应用成本，提高了执行效率。目前区块链的基础设施发展还不是太成熟，在实现方面和技术领域仍然有许多限制，因此，需要更进一步地对其进行优化和改进，这也是有效提升区块链技术的重要一步，对智能合约的机制和规则进行完善和设计，推动其向智能化方向发展并得到现行法律制度的认可，这是未来研究应该倍加重视的方面。

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作者简介：辛玉红（1971—），女，汉族，山东肥城人，教授，博士后，主要研究方向：复杂系统的建模与仿真、供应链金融与互联网金融;通讯作者：

冉城（1994—），女，汉族，四川宜宾人，硕士研究生在读，主要研究方向：复杂系统的建模与仿真、区块链应用;

刘德辉（1998—），男，汉族，黑龙江大庆人，硕士研究生在读，主要研究方向：复杂系统的建模与仿真、供应链管理、博弈论。