Was ist eine überprüfbare Zufallsfunktion (VRF)?

Definition und Kernmechanismus

1. Eine überprüfbare Zufallsfunktion ist ein kryptografisches Grundelement, das pseudozufällige Ausgaben erzeugt, die an eine bestimmte Eingabe und einen geheimen Schlüssel gebunden sind.

2. Die Ausgabe ist für eine gegebene Eingabe und einen bestimmten privaten Schlüssel deterministisch, erscheint jedoch für jeden, der den geheimen Schlüssel nicht kennt, statistisch zufällig.

3. Neben jeder Ausgabe generiert die Funktion einen kryptografischen Beweis, der nur mit dem entsprechenden öffentlichen Schlüssel und der entsprechenden Eingabe öffentlich verifiziert werden kann.

4. Dieser Beweis bestätigt, dass die Ausgabe korrekt berechnet wurde, ohne den privaten Schlüssel preiszugeben oder eine Vorhersage zukünftiger Ausgaben zu ermöglichen.

5. Im Gegensatz zu Standard-Hash-Funktionen bieten VRFs Eindeutigkeitsgarantien: Keine zwei unterschiedlichen Eingaben erzeugen die gleiche Ausgabe unter demselben Schlüssel, sofern Annahmen zur kryptografischen Härte zutreffen.

Rolle in Blockchain-Konsensprotokollen

1. VRFs sind in Konsensmechanismen wie Ouroboros Praos und Cardanos Shelley-Ära eingebettet, um Blockproduzenten dezentral und vorurteilsresistent auszuwählen.

2. Validatoren berechnen VRF-Bewertungen über ihren Einsatz, ihre Epochennummer und den Hash eines vorherigen Blocks, um die Eignung für den Vorschlag des nächsten Blocks zu bestimmen.

3. Die resultierende Ausgabe und der Beweis werden in den Blockheader aufgenommen, sodass Peers die Fairness der Auswahl überprüfen können, ohne dem Antragsteller zu vertrauen.

4. Dadurch werden zentralisierte Zufallsquellen eliminiert und Grinding-Angriffe verhindert, bei denen Teilnehmer Eingaben manipulieren, um sich unfaire Vorteile zu verschaffen.

5. In den kommenden PBS-Erweiterungen (Proposer-Builder Separation) von Ethereum kann die von VRF abgeleitete Zufälligkeit eine faire Slot-Zuweisung unter verteilten Antragstellern unterstützen.

Integration mit Layer-2-Zufalls-Orakeln

1. Rollup-Protokolle wie Arbitrum und Optimism basieren auf der Zufälligkeit in der Kette, um eine faire Reihenfolge, den Zeitpunkt der Streitbeilegung und die Reihenfolge der NFT-Prägung zu gewährleisten.

2. VRF-basierte Orakel – wie Chainlink VRF – liefern kryptografisch sichere Zufälligkeit, indem sie Ausgaben außerhalb der Kette generieren und Beweise zur Überprüfung in der Kette veröffentlichen.

3. Jede Anfrage löst eine VRF-Bewertung unter Verwendung eines Block-Hashs und des Anforderer-Seeds aus und sorgt so für Unvorhersehbarkeit, bis der Block finalisiert ist.

4. Smart Contracts nutzen die verifizierte Ausgabe, um vom Zufall abhängige Logik auszuführen, einschließlich Lotterieziehungen, Spielergebnissen und gewichteter Token-Verteilung.

5. Die Nachweisgröße bleibt unabhängig von der Eingabekomplexität konstant und ermöglicht so eine Low-Gas-Verifizierung auch bei hoher Netzwerküberlastung.

Sicherheitseigenschaften und Angriffsresistenz

1. Eindeutigkeit stellt sicher, dass für jede Eingabe und jeden privaten Schlüssel nur ein gültiges Ausgabe-Proof-Paar existiert, wodurch Zweideutigkeiten während der Konsensteilnahme vermieden werden.

2. Pseudozufälligkeit garantiert, dass die Ausgaben rechnerisch nicht von einheitlichen Zufallszeichenfolgen für Angreifer ohne privaten Schlüssel zu unterscheiden sind.

3. Durch die Verifizierbarkeit kann jeder Beobachter die Richtigkeit nur mithilfe des öffentlichen Schlüssels, der Eingabe, der Ausgabe und des Beweises bestätigen – es ist keine vertrauenswürdige Einrichtung oder Interaktion erforderlich.

4. Kollisionsresistenz verhindert, dass Gegner zwei unterschiedliche Eingaben finden, die derselben Ausgabe unter demselben Schlüssel zugeordnet sind, wodurch die Fairness bei der einsatzgewichteten Auswahl gewahrt bleibt.

5. Schlüsselexpositionsresistenz bedeutet, dass ein Angreifer, selbst wenn er viele Input-Output-Proof-Tripel beobachtet, den privaten Schlüssel nicht ableiten oder zukünftige Ausgaben vorhersagen kann.

Häufig gestellte Fragen

Q1. Wie unterscheidet sich eine VRF von einer standardmäßigen digitalen Signatur? Eine digitale Signatur beweist die Authentizität und Integrität einer Nachricht; Ein VRF beweist sowohl die Korrektheit einer pseudozufälligen Ausgabe als auch ihre Einzigartigkeit für eine bestimmte Eingabe und einen bestimmten Schlüssel – Signaturen garantieren keine Zufälligkeit oder Eindeutigkeit über Eingaben hinweg.

Q2. Können VRF-Ausgaben über verschiedene Ketten hinweg wiederverwendet werden? Ja, vorausgesetzt, dass derselbe private Schlüssel und die gleiche Eingabe verwendet werden, aber die kettenübergreifende Wiederverwendung erfordert eine unabhängige Überprüfung in jeder Kette, da öffentliche Schlüssel und Überprüfungslogik separat bereitgestellt werden müssen.

Q3. Warum können Bergleute VRF-Eingaben nicht manipulieren, um die Ergebnisse zu beeinflussen? Da VRF-Eingaben häufig aktuelle Block-Hashes enthalten, die erst nach der Endgültigkeit des Blocks bekannt werden; Jeder Versuch, Eingaben zu zerkleinern, würde das Umschreiben vorheriger Blöcke erfordern, was gegen Konsensregeln verstoßen würde und unerschwingliche Kosten verursachen würde.

Q4. Liegt der Prozess der VRF-Beweiserstellung in der Kette oder außerhalb der Kette? Die Beweiserstellung wird in der Regel vom Schlüsselinhaber außerhalb der Kette durchgeführt, während die Beweisüberprüfung immer in der Kette mithilfe einfacher Paarungsoperationen mit elliptischen Kurven erfolgt, die von EVM-kompatiblen Umgebungen unterstützt werden.