Was ist der Unterschied zwischen deterministischen und nicht deterministischen Smart Contracts?

Deterministische Smart Contracts in Blockchain-Systemen

1. Deterministische Smart Contracts erzeugen immer den gleichen Output, wenn sie den gleichen Input erhalten, unabhängig vom Knoten, der sie ausführt, oder vom Zeitpunkt der Ausführung. Diese Konsistenz ist entscheidend für die Aufrechterhaltung des Konsenses über dezentrale Netzwerke hinweg.

2. Jede Operation innerhalb eines deterministischen Vertrags muss vorhersehbar und frei von externer Zufälligkeit sein, es sei denn, diese Zufälligkeit stammt aus einer sicheren Quelle und ist in der Kette überprüfbar. Dazu gehören arithmetische Operationen, Datenabruf aus dem Blockchain-Status und bedingte Logik.

3. Da alle Knoten nach der Ausführung eines Vertrags zu identischen Schlussfolgerungen gelangen müssen, kann jedes nicht deterministische Verhalten – wie das Vertrauen auf lokale Zeitstempel, Zufallszahlengeneratoren oder Netzwerkaufrufe – den Konsens brechen und zu Kettenverzweigungen führen.

4. Die Ethereum Virtual Machine (EVM) erzwingt Determinismus, indem sie den Zugriff auf unvorhersehbare Systemressourcen einschränkt und sicherstellt, dass sich Opcodes über alle Implementierungen hinweg einheitlich verhalten.

5. Entwickler, die deterministische Verträge schreiben, müssen Datenabhängigkeiten außerhalb der Kette vermeiden, es sei denn, sie werden durch vertrauenswürdige Orakel vermittelt, die konsistente, zeitgestempelte und manipulationssichere Eingaben bereitstellen.

Nichtdeterministische Elemente und ihre Risiken

1. Nicht deterministische Smart Contracts können bei der Ausführung auch bei identischen Eingaben zu unterschiedlichen Ergebnissen führen, häufig aufgrund der Abhängigkeit von variablen externen Bedingungen wie der aktuellen Zeit, zufälligen Seeds oder veränderlichen Off-Chain-Datenquellen.

2. Wenn ein Vertrag Daten von einer ungesicherten API ohne kryptografische Überprüfung abruft, erhalten verschiedene Knoten möglicherweise zu unterschiedlichen Zeiten unterschiedliche Werte, was zu unterschiedlichen Zuständen führt.

3. Die unvorsichtige Verwendung von block.timestamp kann zu subtilem Nichtdeterminismus führen. Während es Teil des Block-Headers ist und daher im Konsens vereinbart wird, führt seine Manipulation durch Miner zu Unsicherheiten in der zeitabhängigen Logik.

4. Zufälligkeiten, die außerhalb der Kette oder über interne Variablen wie den Gasverbrauch generiert werden, sind von Natur aus unsicher und führen zu ausnutzbaren Schwachstellen, wenn sie für kritische Entscheidungen wie Lotteriegewinner oder NFT-Prägereihenfolge verwendet werden.

5. Einige Blockchain-Umgebungen ermöglichen probabilistische Ergebnisse für bestimmte Anwendungsfälle, diese werden jedoch typischerweise auf deterministischen Kernen geschichtet, indem Commit-Reveal-Schemata oder verifizierbare Verzögerungsfunktionen (VDFs) verwendet werden, um die allgemeine Netzwerkintegrität zu wahren.

Entwurfsmuster zur Sicherstellung der Ausführungskonsistenz

1. Eine wirksame Methode zur Aufrechterhaltung des Determinismus ist die Verwendung von Oracle-Netzwerken wie Chainlink, die Daten außerhalb der Kette aggregieren und signierte, verifizierte Ergebnisse in der Kette veröffentlichen, um sicherzustellen, dass alle Knoten denselben Wert lesen.

2. Commit-Reveal-Mechanismen ermöglichen es den Teilnehmern, zunächst verschlüsselte Entscheidungen zu übermitteln und diese dann später offenzulegen. Dadurch wird ein Front-Running verhindert und Fairness sichergestellt, ohne dass es zu Unvorhersehbarkeiten zur Laufzeit kommt.

3. State-Channels und Layer-2-Lösungen führen oft Logik außerhalb der Kette aus, legen die endgültigen Ergebnisse jedoch auf einer deterministischen Basisschicht fest, wodurch die Sicherheit gewahrt bleibt und gleichzeitig die Effizienz verbessert wird.

4. Formale Verifizierungstools analysieren den Vertragsbytecode, um Eigenschaften wie Determinismus, Abwesenheit von Wiedereintritt und korrekte Zustandsübergänge vor der Bereitstellung nachzuweisen.

5. Ereignisgesteuerte Architekturen, bei denen Verträge Ereignisse aussenden, anstatt unmittelbare irreversible Änderungen vorzunehmen, tragen dazu bei, Aktionen von Nebenwirkungen zu entkoppeln und die Oberfläche für inkonsistentes Verhalten zu verringern.

Häufig gestellte Fragen

Was macht die Funktion eines Smart Contracts nicht deterministisch? Eine Funktion wird nicht deterministisch, wenn sie auf Eingaben oder Umgebungsvariablen basiert, die nicht global über alle Validierungsknoten hinweg konsistent sind – Beispiele hierfür sind flüchtige Off-Chain-APIs, nicht initialisierter Speicher oder Entropiequellen, die nicht im Blockchain-Status verankert sind.

Können Block-Hashes sicher für Zufälligkeiten in Smart Contracts verwendet werden? Block-Hashes können nur als Entropiequelle für zukünftige Blöcke dienen; Der Versuch, den Hash des aktuellen Blocks zu verwenden, führt zu Vorhersehbarkeit, da Miner den Blockinhalt kontrollieren. Selbst dann bieten sie eine begrenzte Entropie und sind in Umgebungen mit geringem Einsatz anfällig für Manipulationen.

Wie tragen Orakel zum Determinismus bei? Orakel fungieren als Brücken zwischen Blockchains und externen Systemen und liefern Daten auf eine Weise, die kryptografisch gesichert und einheitlich in der Kette aufgezeichnet wird. Durch die Standardisierung der Art und Weise, wie externe Informationen in das System gelangen, verhindern sie Unstimmigkeiten bei der Vertragsabwicklung.

Warum ist Determinismus für den Blockchain-Konsens unerlässlich? Der Konsens erfordert, dass jeder Knoten Transaktionen unabhängig validiert und zu genau demselben aktualisierten Status gelangt. Wenn die Vertragsausführung divergieren würde, würden sich die Knoten über die Gültigkeit des Hauptbuchs nicht einig sein, was die vertrauenswürdige Koordination zerstören und möglicherweise das Netzwerk spalten würde.