Was ist eine formelle Verifizierung und wie kann sie beweisen, dass ein Smart Contract fehlerfrei ist?

Grundlegendes zur formalen Verifizierung in Smart Contracts

1. Formale Verifizierung ist ein mathematischer Ansatz, der verwendet wird, um die Korrektheit von Algorithmen innerhalb eines Systems, wie beispielsweise Smart Contracts in Blockchain-Netzwerken, zu beweisen oder zu widerlegen. Anstatt sich ausschließlich auf Tests oder Audits zu verlassen, nutzt die formale Verifizierung Logik und Beweise, um sicherzustellen, dass sich ein Vertrag unter allen möglichen Bedingungen genau wie spezifiziert verhält.

2. Der Prozess beinhaltet die Übersetzung des Codes des Smart Contracts und seines beabsichtigten Verhaltens in formale mathematische Modelle. Diese Modelle werden dann mithilfe automatisierter Theorembeweiser oder Modellprüfer analysiert, um zu überprüfen, ob der Code vordefinierte Eigenschaften einhält, z. B. „Gelder können nur vom Eigentümer abgehoben werden“ oder „Der gesamte Token-Vorrat bleibt konstant“.

3. Im Gegensatz zu herkömmlichen Testmethoden, bei denen ein Vertrag mit Stichprobeneingaben ausgeführt wird, um die Ausgaben zu beobachten, untersucht die formale Verifizierung jeden möglichen Ausführungspfad. Diese umfassende Analyse hilft dabei, Grenzfälle und Schwachstellen aufzudecken, die bei manuellen oder automatisierten Tests möglicherweise übersehen werden.

4. Im Kontext der Blockchain, wo unveränderlicher Code Finanztransaktionen im Wert von Millionen regelt, können selbst kleine Fehler zu katastrophalen Verlusten führen. Aufsehen erregende Vorfälle wie der DAO-Hack oder mehrere DeFi-Exploits verdeutlichen die Notwendigkeit stärkerer Sicherungsmechanismen – hier wird eine formelle Verifizierung unerlässlich.

5. Projekte, die auf Plattformen wie Ethereum, Cardano und Tezos basieren, haben begonnen, während der Entwicklung formale Methoden zu übernehmen. Cardano verwendet beispielsweise Haskell-basierte Tools, die formale Spezifikationen unterstützen und es Entwicklern ermöglichen, die Korrektheit vor der Bereitstellung mathematisch nachzuweisen.

Formale Methoden können das Fehlen bestimmter Fehlerklassen nachweisen

1. Bei richtiger Anwendung kann die formale Verifizierung mathematisch nachweisen, dass keine bestimmten Arten von Fehlern vorliegen , wie z. B. Ganzzahlüberläufe, unbefugter Zugriff, Wiedereintrittsangriffe und falsche Zustandsübergänge. Diese Beweise basieren auf logischen Aussagen, die direkt mit dem Code verknüpft sind.

2. Entwickler definieren Sicherheitseigenschaften (z. B. „Kein Benutzer kann mehr als sein Guthaben abheben“) und Lebendigkeitseigenschaften (z. B. „Eine gültige Transaktion wird schließlich verarbeitet“). Die Tools überprüfen dann, ob diese Eigenschaften für alle möglichen Eingaben und Zustände gelten.

3. Ein weit verbreitetes Framework ist KEVM, das eine formale Semantik für die Ethereum Virtual Machine bereitstellt. Mit KEVM können Teams Beweise für Solidity- oder Vyper-Verträge durchführen, um zu bestätigen, dass sie kritische Sicherheitsinvarianten erfüllen.

4. Ein anderes Tool, Certora, nutzt statische Analyse in Kombination mit formaler Verifizierung, um die Einhaltung von Regeln zu überprüfen, die in einer speziellen Sprache verfasst sind. Es wurde verwendet, um wichtige Protokolle wie Aave und ENS zu prüfen und subtile Fehler zu identifizieren, die mit herkömmlichen Mitteln nicht sichtbar sind.

5. Während keine Methode aufgrund möglicher Lücken in der Spezifikation oder von Tool-Einschränkungen 100 % fehlerfreien Code garantiert, erhöht die formale Verifizierung das Sicherheitsniveau im Vergleich zu Standardpraktiken erheblich. Es verschiebt das Vertrauen von „Wir haben viele Szenarien getestet“ zu „Wir haben bewiesen, dass es für alle Szenarien funktioniert“.

Herausforderungen und Einschränkungen bei der Anwendung der formalen Verifizierung

1. Die Implementierung einer formalen Verifizierung erfordert Fachkenntnisse sowohl in der Programmierung als auch in der mathematischen Logik. Das Verfassen genauer Spezifikationen erfordert Präzision; Eine falsch definierte Eigenschaft kann zu einem falschen Sicherheitsgefühl führen.

2. Die Komplexität intelligenter Verträge erhöht die Schwierigkeit, sie formal zu modellieren. Verträge, die mit externen Systemen, Orakeln oder anderen Verträgen interagieren, führen zu Abhängigkeiten, die eine vollständige Überprüfung erschweren.

3. Es bestehen auch Leistungseinschränkungen. Die Modellüberprüfung großer Zustandsräume kann rechenintensiv werden, sodass eine vollständige Verifizierung ohne Abstraktion oder Vereinfachung manchmal unpraktisch ist.

4. Der Reifegrad der Werkzeuge variiert je nach Ökosystem. Während bei Ethereum und akademischen Projekten Fortschritte gemacht werden, stößt die breite Akzeptanz immer noch auf Hürden im Zusammenhang mit der Benutzerfreundlichkeit, der Integration in Entwicklungsabläufe und der Entwicklerausbildung.

5. Selbst wenn ein Vertrag die formelle Verifizierung besteht, bleiben Risiken bestehen, wenn die zugrunde liegenden Annahmen – wie etwa die Korrektheit des Compilers oder das Netzwerkverhalten – fehlerhaft sind. Die Überprüfung bezieht sich auf das Modell und nicht unbedingt auf den endgültig bereitgestellten Bytecode, es sei denn, der gesamte Stapel wird ebenfalls überprüft.

Häufig gestellte Fragen

Welche Tools werden üblicherweise zur formellen Überprüfung von Smart Contracts verwendet? Zu den beliebten Tools gehören Certora Prover, KEVM, Isabelle/HOL, Coq und der Manticore-Analysator. Jedes dient unterschiedlichen Zwecken – von der symbolischen Ausführung bis zum vollständigen Beweis des Theorems – und lässt sich variabel in bestehende Entwicklungsumgebungen integrieren.

Können formale Verifizierungen wirtschaftliche Designfehler aufdecken? Nein. Die formale Verifizierung konzentriert sich auf die technische Korrektheit – ob der Code seinen Spezifikationen entspricht. Wirtschaftliche Schwachstellen wie Anreizfehlausrichtungen oder Marktmanipulationsvektoren erfordern eher eine spieltheoretische Analyse als Beweise auf Codeebene.

Ist eine formelle Verifizierung für sichere Smart Contracts obligatorisch? Dies ist zwar nicht verpflichtend, wird jedoch zunehmend als Best Practice für hochwertige Anwendungen angesehen. Viele dezentralisierte Finanzprojekte (DeFi) kombinieren mittlerweile formelle Verifizierung mit Prüfungen durch Dritte und Fehlerprämien, um die Sicherheit zu maximieren.