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Deterministische Ausführung: Warum ist das wichtig für Smart Contracts

Kaisar

5 Min. Lesezeit

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Gerade eben

Wenn wir über Smart Contracts sprechen, selbst ausführbare Programme, die das Herzstück von Blockchains wie Ethereum bilden, konzentrieren wir uns oft darauf, was sie tun. Sie automatisieren Transaktionen, beseitigen Zwischenhändler und senken die Kosten. Aber wie sie funktionieren, ist ebenso wichtig, und im Zentrum ihrer zuverlässigen Operationen liegt ein grundlegendes Prinzip: deterministische Ausführung.

In diesem Artikel werden wir erläutern, was deterministische Ausführung wirklich bedeutet, warum sie eine nicht verhandelbare Voraussetzung für Smart Contracts ist, wie sie den Blockchain-Konsens unterstützt und was schiefgehen kann, wenn der Determinismus gestört wird. Egal, ob Sie ein Entwickler, ein Blockchain-Enthusiast oder ein Unternehmensleiter sind, der dezentrale Anwendungen erkundet, das Verständnis dieses Konzepts ist entscheidend.

Was ist deterministische Ausführung?

In der Informatik wird ein Betrieb als deterministisch bezeichnet, wenn er immer die gleiche Ausgabe mit den gleichen Eingaben erzeugt. Zum Beispiel wird 2 + 2 immer gleich 4 sein. Dies gilt unabhängig davon, wer es berechnet oder wo.

Smart Contracts müssen sich auf die gleiche Weise verhalten. Wenn ein Smart Contract in der Blockchain ausgeführt wird, verifizieren Tausende von Knoten im Netzwerk unabhängig den Code. Sie müssen alle zu genau demselben Ergebnis kommen, bis zum letzten Bit. Wenn auch nur ein Knoten ein anderes Ergebnis sieht, wird der Konsens gestört und die Integrität des Netzwerks ist gefährdet.

Ohne Determinismus würde die dezentralisierte Natur der Blockchain, die ihre größte Stärke ist, zur größten Schwäche werden.

Warum Smart Contracts deterministisch sein müssen

Deterministische Ausführung ist es, die den dezentralen Konsens ermöglicht. In der Blockchain speichert jeder Knoten eine Kopie des Hauptbuchs und führt die gleichen Anweisungen aus. Damit das Netzwerk sich auf die "Wahrheit" einer Transaktion einigen kann, müssen alle Knoten denselben Zustand erreichen.

Stellen Sie sich einen Smart Contract vor, der die Auszahlung von Versicherungsansprüchen berechnet. Wenn ein Knoten $1.000 berechnet und ein anderer Knoten $1.200, kann das Netzwerk nicht zustimmen, welcher Wert aufgezeichnet werden soll. Das Ergebnis ist ein Fork, eine Spaltung in der Blockchain, die Verwirrung stiftet und das Netzwerk gegenüber doppelten Ausgaben oder anderen Ausbeutungen gefährdet.

Deshalb beschränkt Plattformen wie Ethereum den Code von Smart Contracts streng auf deterministische Operationen. Aufrufe an externe Datenquellen, nicht-deterministische Funktionen wie random() oder variablen, die vom System abhängen, sind eingeschränkt oder werden durch deterministische Alternativen ersetzt.

Wie deterministische Ausführung den Blockchain-Konsens unterstützt

Blockchains verlassen sich auf verteilte Konsensmechanismen, sei es Proof of Work (PoW) oder Proof of Stake (PoS). Diese Mechanismen basieren darauf, dass jeder Validator oder Miner die Blöcke unabhängig verifiziert, indem er alle Transaktionen erneut ausführt. Wenn die Ausführung nicht deterministisch ist, wird der Block von einem Teil des Netzwerks abgelehnt, was den Konsens gefährdet.

Deterministische Smart Contracts garantieren, dass:

• Die Eingaben sind vorhersagbar: Die in den Vertrag eingegebenen Daten sind transparent und können nach dem Hinzufügen zur Blockchain nicht mehr geändert werden.

• Die Logik ist transparent: Der Code des Vertrags ist für alle sichtbar und verhält sich für alle gleich.

• Die Ergebnisse sind endgültig: Nach der Ausführung kann das Ergebnis des Vertrags nicht widerrufen werden und ist konsistent über alle Knoten hinweg.

Dies ist der einzige Weg, wie ein dezentrales Netzwerk den Status des Hauptbuchs ohne gegenseitiges Vertrauen abgleichen kann.

Was passiert, wenn der Determinismus versagt?

Wenn die Ausführung von Smart Contracts nicht deterministisch ist, besteht das Risiko von Inkonsistenzen im gesamten System. Hier ist ein Beispiel für die praktische Umsetzung:

Forking der Blockchain:

Nicht-deterministische Ausführung kann dazu führen, dass Knoten sich über das Ergebnis eines Blocks nicht einig sind. Wenn die Mehrheit der Knoten ein Ergebnis sieht und die Minderheit ein anderes, tritt ein Fork auf. Dies bricht die Kette und verwirrt die Teilnehmer darüber, welche Version des Hauptbuchs "richtig" ist.

Sicherheitsanfälligkeiten:

Angreifer können nicht-deterministisches Verhalten ausnutzen, um Ergebnisse zu manipulieren. Wenn beispielsweise Zufälligkeit in der Blockchain nicht richtig implementiert wird, kann jemand vorhersagen oder die Ergebnisse von Lotterien oder Spielen beeinflussen.

Vertrauensverlust:

Die Glaubwürdigkeit der Blockchain hängt von ihrer Unveränderlichkeit und Vorhersagbarkeit ab. Wenn ein Vertrag unterschiedliche Ergebnisse für verschiedene Benutzer liefert, wird das Vertrauen in das System untergraben. Unternehmen, Regulierungsbehörden und Benutzer werden zögern, Lösungen zu übernehmen, die keine gleichen Ergebnisse für alle garantieren können.

Allgemeine Quellen von Nondeterminismus - und wie man sie vermeidet

Blockchain-Entwickler müssen auf einige Fallen achten, die Nondeterminismus verursachen können:

Externe Aufrufe:

Smart Contracts sollten direkte Abhängigkeiten von Daten außerhalb der Kette (off-chain) vermeiden, da diese zwischen den Ausführungen variieren können. Um dies zu handhaben, verwendet die Blockchain Orakel wie Chainlink, die überprüfte und konsistente Daten deterministisch in die Blockchain einspeisen.

Zufälligkeit:

Die Erzeugung von Zufälligkeit innerhalb der Blockchain ist sehr schwierig, da die Blockchain transparent ist. Wenn sie nicht richtig implementiert wird, können Angreifer die Ergebnisse vorhersagen. Sichere Ansätze umfassen die Verwendung von verifizierbaren Zufallsfunktionen (VRF) oder das Generieren von Zufälligkeit außerhalb der Blockchain und das Verifizieren innerhalb der Blockchain auf eine Weise, die von den Knoten akzeptiert werden kann.

Zeitabhängigkeit:

Verträge, die vom Systemzeit abhängen, müssen vorsichtig sein. Blockzeitstempel können zwischen Knoten leicht variieren, sodass die Verwendung für kritische Logik Inkonsistenzen verursachen kann. Stattdessen verwenden Entwickler Blocknummern oder verlassen sich auf Zeitstempel, die durch Konsens genehmigt wurden.

Fließkomma-Arithmetik:

Viele Blockchains verbieten die Verwendung von Fließkommazahlen, da verschiedene Maschinen die Präzision möglicherweise leicht unterschiedlich handhaben. Smart Contracts verlassen sich stattdessen auf feste Punktarithmetik oder Ganzzahlen, um Konsistenz zu gewährleisten.

Wie Blockchain-Netzwerke deterministische Ausführung implementieren

Da Determinismus von großer Bedeutung ist, wird er durch das Design der Blockchain implementiert. Zum Beispiel:

• Virtuelle Maschinen (VM): Netzwerke wie Ethereum führen Smart Contracts auf virtuellen Maschinen (Ethereum Virtual Machine, oder EVM) aus. Die EVM beschränkt die Operationen auf eine isolierte Umgebung (Sandbox) mit deterministischem Verhalten.

• Gasgebühren: Durch die Festlegung von Gasgebühren für jede Operation verhindert das Netzwerk ressourcenintensive oder potenziell nicht-deterministische Schleifen, die die Ausführung unvorhersehbar oder unbegrenzt machen könnten.

• Sprachbeschränkungen: Programmiersprachen für Smart Contracts wie Solidity oder Vyper fördern keine nicht-deterministischen Konstrukte und setzen strenge Kompilierungsregeln durch.

Diese Beschränkungen stellen sicher, dass Entwickler sich an vorhersehbare Muster halten und nicht versehentlich Chaos im System verursachen.

Deterministische Ausführung außerhalb von Ethereum

Obwohl Ethereum Smart Contracts populär gemacht hat, priorisieren auch neuere Blockchains die deterministische Ausführung, aber einige von ihnen innovieren, wie sie damit umgehen.

Solana verwendet beispielsweise eine parallele Laufzeit, um Transaktionen gleichzeitig zu verarbeiten, stellt aber dennoch sicher, dass die Ergebnisse der Ausführung durch sorgfältiges Design deterministisch bleiben.

Cosmos und Polkadot, mit ihrer modularen Architektur und Interoperabilität, sind stark auf deterministische Module angewiesen, um sicherzustellen, dass Ketten bei der gemeinsamen Nutzung von Status oder Daten vertrauenswürdig sind.

Der Fokus auf Determinismus ist universell - jedes dezentrale Netzwerk mit Smart Contracts muss sicherstellen, dass die gleichen Regeln für alle Teilnehmer gelten.

Determinismus und Zukunft der Innovation von Smart Contracts

Mit der Entwicklung von Smart Contracts zur Handhabung komplexerer Logik, wie dezentralen Finanzen (DeFi), dezentralen autonomen Organisationen (DAO) und plattformübergreifenden Anwendungen, wird es immer wichtiger, den Determinismus aufrechtzuerhalten.

Neue Lösungen wie Zero-Knowledge-Proofs (ZKP) fügen der Blockchain Privatsphäre hinzu und bewahren gleichzeitig den Determinismus, indem sie die Wahrheit außerhalb der Kette (off-chain) beweisen und deterministisch innerhalb der Kette (on-chain) verifizieren. Ebenso trennt die modulare Blockchain-Architektur die Ausführungs- und Konsensschichten, bindet sie jedoch mit strengen deterministischen Protokollen, um Statusinkonsistenzen zu verhindern.

In der Zukunft werden wir wahrscheinlich robustere Frameworks, bessere Orakel und fortschrittliche kryptografische Werkzeuge sehen, um sicherzustellen, dass die Ausführung von Smart Contracts, während sie komplexer werden, vorhersagbar bleibt.

Schlussfolgerung

Deterministische Ausführung ist der unsichtbare Held in der Welt der Blockchain. Obwohl sie für die meisten Benutzer unsichtbar ist, bildet sie die Grundlage für Sicherheit, Zuverlässigkeit und das vertrauenslose Wesen dezentraler Netzwerke. Für Entwickler ist es ein Leitprinzip; für Unternehmen ist es das Versprechen, dass Smart Contracts immer das tun werden, was programmiert wurde, ohne Überraschungen.

Mit dem Wachstum von Blockchain, der Implementierung von Modularität und der zunehmenden Bedeutung der Infrastruktur wird die Sicherstellung einer deterministischen Ausführung nicht nur eine bewährte Praxis sein - sie wird auch absolut notwendig sein.