Umgang mit Gasabfällen in Ethereum Smart Contracts

Smart Contracts laufen auf Ethereum, einem öffentlichen Blockchain-System. Wenn diese Verträge ausgeführt werden, fallen Gasgebühren für die Nutzung der Ressourcen des Netzwerks an. Programmierer, die Smart Contracts in Solidity schreiben, fügen oft unabsichtlich Code hinzu, der die Gasgebühren unnötig erhöht. Diese ineffizienten Teile des Codes, die als Gas-Abfälle bekannt sind, können zu erheblichen Kosten für die Nutzer führen. Trotz der Wichtigkeit dieses Themas wurde nicht viel unternommen, um diese Gas-Abfälle zu untersuchen oder Werkzeuge zu entwickeln, um sie zu finden.

Dieses Papier zielt darauf ab, Ethereum-Nutzern zu helfen, Gasgebühren durch zwei Hauptaktivitäten zu sparen: Zuerst untersuchen wir die häufigsten Ursachen für Gas-Abfälle in beliebten Solidity-Verträgen und schlagen Strategien zur Behebung vor. Dann entwickeln wir ein Tool namens PeCatch, das hilft, diese Gas-Abfälle zu erkennen und einfache Lösungen vorschlägt.

#Bedeutung der Gas-Effizienz

Gasgebühren sind entscheidend für den Betrieb von Smart Contracts auf Ethereum. Jede Operation in einem Smart Contract benötigt Gas, und die Gesamtkosten können schnell ansteigen, was den Nutzern täglich Millionen kostet. Daher ist es wichtig, Code zu schreiben, der den Gasverbrauch minimiert. Zu verstehen, wo Gas-Ineffizienzen entstehen, ist der erste Schritt zur Lösung dieses Problems. Die Ergebnisse unserer Studie können zukünftigen Programmierwerkzeugen und Sprachverbesserungen helfen, Gas-Abfälle zu reduzieren.

#Was sind Gas-Abfälle?

Gas-Abfälle beziehen sich auf Code-Segmente in einem Solidity-Programm, die mehr Gas verbrauchen als nötig. Im Gegensatz zu traditionellen Performanzfehlern, die die Richtigkeit oder Geschwindigkeit eines Programms beeinflussen, beeinflussen Gas-Abfälle nicht das Endergebnis, verursachen jedoch zusätzliche Kosten. Gas-Abfälle zu identifizieren und zu beheben kann den Nutzern erhebliche Ersparnisse bringen.

#Herausforderungen bei der Erkennung von Gas-Abfällen

Die Erkennung von Gas-Abfällen ist aus mehreren Gründen eine komplizierte Aufgabe:

1. Komplexe Gas-Kosten: Jede Operation in Solidity hat unterschiedliche Gas-Kosten. Zu verstehen, wie jede die Gesamtkosten beeinflusst, kann schwierig sein.

2. Einzigartige Sprachmerkmale: Solidity hat spezifische Merkmale, die es von anderen Programmiersprachen unterscheiden, was zu Gas-Ineffizienzen führen kann, die anderswo nicht vorhanden sind.

3. Begrenzte Tools: Die aktuellen Erkennungstechniken übersehen oft die Besonderheiten von Solidity, was zu verpassten Möglichkeiten zur Optimierung führt.

#Unser Ansatz

Um Gas-Abfälle in Solidity-Smart Contracts zu bekämpfen, folgen wir einem zweistufigen Prozess:

1. Empirische Studie: Wir untersuchen beliebte Solidity-Anwendungen, um häufige Gas-Abfälle und deren Ursachen zu identifizieren.

2. Tool-Entwicklung: Basierend auf unseren Erkenntnissen erstellen wir PeCatch, ein statisches Analysetool, das Gas-Abfälle erkennt und Lösungen vorschlägt.

#Empirische Studie zu Gas-Abfällen

Unsere Studie umfasste fünf weit verbreitete Solidity-Anwendungen. Wir haben den Code manuell untersucht, um Gas-Abfälle zu identifizieren. Unsere Ergebnisse beinhalten:

• Kategorien von Gas-Abfällen: Wir haben Gas-Abfälle nach den Bereichen des Vertrags kategorisiert, in denen Ineffizienzen auftraten. Dazu gehören der Stack, der Speicher, die Speicherung und calldata.

• Häufige Ursachen: Programmierer machen oft Fehler, die zu Gas-Abfällen führen, wie das Missverstehen von Solodity's Datenverarbeitungsmerkmalen.

#Wichtige Ergebnisse

Aus unserer Analyse der Gas-Abfälle haben wir mehrere Erkenntnisse gewonnen:

1. Stack-Missbrauch: Viele Gas-Abfälle entstehen durch die Art und Weise, wie Programmierer den Stack nutzen, der günstiger zugänglich ist als andere Speichertypen.

2. Ignorieren von Sprachmerkmalen: Programmierer übersehen oft einzigartige Merkmale, die helfen könnten, den Gasverbrauch zu reduzieren, wie das unchecked-Schlüsselwort, das Überprüfungen umgehen kann, die Gas verbrauchen.

3. Wiederholter Zugriff: Mehrfacher Zugriff auf dieselben Daten ohne Speicherung kann zu unnötigen Gas-Kosten führen.

Insgesamt haben wir 100 spezifische Fälle von Gas-Abfällen in unseren ausgewählten Anwendungen entdeckt, von denen viele leicht behoben werden können.

#Tool-Entwicklung: PeCatch

Wir haben PeCatch als Lösung zur Erkennung von Gas-Abfällen in Solidity-Programmen entwickelt. Das Tool funktioniert, indem es den Solidity-Code analysiert und Muster erkennt, die bekannt dafür sind, zu Ineffizienzen zu führen.

#Funktionen von PeCatch

• Statische Analyse: PeCatch untersucht den Code von Smart Contracts, ohne ihn auszuführen, und identifiziert potenzielle Gas-Abfälle.

• Spezifische Checker: Das Tool enthält verschiedene Checker, die sich jeweils auf einen bestimmten Typ von Gas-Abfall konzentrieren.

• Detaillierte Berichterstattung: PeCatch bietet detailliertes Feedback zu identifizierten Problemen, einschliesslich vorgeschlagener Lösungen, die Programmierer direkt in ihren Code implementieren können.

#Bewertung von PeCatch

Wir haben PeCatch sowohl an den in unserer empirischen Analyse untersuchten Anwendungen als auch an zusätzlichen Open-Source-Projekten getestet. Unsere Bewertung zielte darauf ab, die Effektivität, Genauigkeit und Effizienz des Tools zu bewerten.

#Ergebnisse

PeCatch identifizierte erfolgreich 383 Gas-Abfälle in den Anwendungen, deutlich mehr als bestehende Erkennungstools. Das Tool wies auch eine geringe Rate an falsch-positiven Ergebnissen auf, was seine Zuverlässigkeit bestätigt.

#Gas-Einsparungen

Durch die Umsetzung der von PeCatch gegebenen Vorschläge können Nutzer erhebliche Einsparungen bei den Gasgebühren erzielen. Unsere Analyse zeigt, dass die Behebung identifizierter Gas-Abfälle zu geringeren Kosten für Nutzer in realen Anwendungen führen kann.

#Fazit

Unsere Studie beleuchtet das Problem der Gas-Ineffizienzen in Solidity-Smart Contracts und präsentiert PeCatch als praktische Lösung zur Erkennung und Behebung dieser Probleme. Die Erkenntnisse aus der Analyse von Gas-Abfällen können helfen, die Solidity-Sprache zu verbessern und die Entwicklung effizienterer Programmierwerkzeuge zu inspirieren. Zukünftige Arbeiten werden sich darauf konzentrieren, die Fähigkeiten von PeCatch auszubauen, um mehr Arten von Gas-Abfällen abzudecken und die Erkennungsalgorithmen zu verfeinern.

#Zukünftige Arbeiten

Wir planen, das PeCatch-Tool zu verbessern, indem wir:

1. Erkennungsfähigkeiten erweitern: Wir wollen umfassendere Erkennungsmethoden einbeziehen, um ein breiteres Spektrum von Gas-Abfällen zu erfassen.

2. Automatisierte Lösungen: Zukünftige Versionen von PeCatch könnten in der Lage sein, automatische Lösungen für identifizierte Gas-Abfälle vorzuschlagen.

3. Formale Verifizierung: Wir beabsichtigen, formale Methoden zu erkunden, um sicherzustellen, dass Lösungen das beabsichtigte Verhalten von Smart Contracts erhalten, während der Gasverbrauch reduziert wird.

#Zusammenfassung

Während Ethereum weiter wächst, wird der Druck auf Entwickler, effiziente Smart Contracts zu schreiben, immer deutlicher. Gas-Abfälle zu verstehen und anzugehen, ist entscheidend für die langfristige Lebensfähigkeit des Ethereum-Ökosystems. Durch unsere Forschung und die Entwicklung von PeCatch hoffen wir, zu einer Zukunft beizutragen, in der gas-effiziente Programmierpraktiken der Standard unter Solidity-Programmierern sind.