Was ist eine verifizierbare Verzögerungsfunktion (VDF)?

Eine verifizierbare Verzögerungsfunktion (VDF) ist ein kryptografisches Primitiv, das so konzipiert ist, dass für die Auswertung eine bestimmte Anzahl aufeinanderfolgender Schritte erforderlich ist, das Ergebnis jedoch von anderen effizient überprüft werden kann.

Kerneigenschaften von VDFs

1. Sequentielle Berechnung: Ein VDF kann nicht durch paralleles Rechnen oder zusätzliche Hardwareressourcen beschleunigt werden; Es muss schrittweise über eine festgelegte Zeitdauer ablaufen.

2. Eindeutige Ausgabe: Für einen gegebenen Eingabe- und Schwierigkeitsparameter erzeugt die Funktion eine eindeutige Ausgabe, die nicht variieren kann.

3. Effiziente Überprüfbarkeit: Nach der Berechnung kann jeder die Richtigkeit der Ausgabe mithilfe eines kurzen Beweises, der häufig zusammen mit dem Ergebnis erstellt wird, schnell überprüfen.

4. Öffentlich überprüfbar: Der Verifizierungsprozess erfordert keine geheimen Schlüssel und eignet sich daher für dezentrale Systeme, bei denen eine vertrauenswürdige Validierung unerlässlich ist.

5. Widerstand gegen Vorberechnungen: Aufgrund der unvorhersehbaren Natur der Eingaben unter Live-Netzwerkbedingungen kann keine Partei Ergebnisse im Voraus sinnvoll vorberechnen.

VDFs in Blockchain- und Konsensprotokollen

1. Zufallsgenerierung: Blockchains wie Ethereum nutzen VDFs innerhalb von Zufallsbeacons, um unvoreingenommene, unvorhersehbare Entropie für die Wahl des Anführers oder des Validators zu erzeugen.

2. Proof-of-Time-Mechanismen: In Protokollen, die Wert auf Fairness legen, stellen VDFs sicher, dass bestimmte Vorgänge nur ein Minimum an Echtzeit in Anspruch nehmen, um überstürzte Manipulationen zu verhindern.

3. Abwehr von Angriffen aus großer Entfernung: Durch die Verankerung von Zustandsübergängen in zeitlich begrenzten Berechnungen machen es VDFs Gegnern schwerer, entfernte Blöcke neu zu schreiben, ohne dass dabei übermäßige Zeitkosten entstehen.

4. Annahmen für synchrone Netzwerke: Sie helfen bei der Annäherung an das globale Timing in asynchronen Umgebungen und ermöglichen einen robusteren Konsens bei variablen Nachrichtenverzögerungen.

5. Integration mit Proof-of-Stake: VDFs ergänzen die Absteckmechanismen, indem sie eine zeitliche Dimension hinzufügen und sicherstellen, dass selbst wohlhabende Stakeholder die Blockproduktion nicht allein durch Geschwindigkeit dominieren können.

Technische Umsetzung und Herausforderungen

1. Primzahlgruppenbasierte Konstruktionen: Ein gängiger Ansatz verwendet wiederholtes Quadrieren in Gruppen unbekannter Ordnung, wie etwa RSA-Gruppen oder Klassengruppen, für die es keine effiziente Abkürzung gibt.

2. Anforderungen an die vertrauenswürdige Einrichtung: Einige VDF-Konstruktionen erfordern eine anfängliche Einrichtungsphase, in der geheime Parameter sicher verworfen werden müssen, um Hintertüren zu verhindern.

3. Hardware-Beschleunigungsgrenzen: Während ASICs die Auswertung möglicherweise geringfügig optimieren, verhindert die inhärente Sequenzialität exponentielle Beschleunigungen und sorgt so für Fairness.

4. Beweisgröße und Verifizierungsgeschwindigkeit: Moderne Designs konzentrieren sich auf die Minimierung der Beweisgröße und der Verifizierungskomplexität, um die Skalierbarkeit über Tausende von Knoten hinweg sicherzustellen.

5. Parameterauswahl: Die Wahl des richtigen Verzögerungsparameters ist entscheidend – zu kurz und unwirksam; zu lang und beeinträchtigt die Reaktionsfähigkeit des Protokolls.

Häufig gestellte Fragen

Was unterscheidet ein VDF von einem Proof-of-Work? Ein Proof-of-Work ermöglicht Parallelisierung und belohnt schnellere Berechnungen, während ein VDF die sequentielle Ausführung unabhängig von der verfügbaren Rechenleistung erzwingt. Das Ziel eines VDF ist nicht der Ressourcenaufwand, sondern ein vorhersehbares Timing.

Können VDFs außerhalb der Blockchain verwendet werden? Ja. Zu den Anwendungen gehören Zeitstempeldienste, faire Online-Auktionen und sichere Mehrparteienberechnungen, bei denen erzwungene Zeitverzögerungen eine vorzeitige Offenlegung von Informationen verhindern.

Warum sind Gruppen unbekannter Ordnung in VDFs wichtig? Gruppen unbekannter Reihenfolge verhindern, dass die Teilnehmer das Ergebnis von Potenzierungen im Voraus vorhersagen können. Ohne Kenntnis der Gruppenordnung können Abkürzungen wie der kleine Satz von Fermat nicht angewendet werden, was eine vollständige sequentielle Auswertung erzwingt.

Benötigen alle Blockchains VDFs? Nein. VDFs sind spezialisierte Tools für spezifische Probleme wie Zufallsgenerierung und Timing-Durchsetzung. Viele Blockchains funktionieren effektiv ohne sie und verlassen sich stattdessen auf andere Formen der Koordination und Sicherheitsannahmen.