Поиск

Написать

Уведомления

Детерминированное выполнение: почему это важно для смарт-контрактов

Кайсар

5 мин чтения

·

Только что

Когда мы говорим о смарт-контрактах, самовыполняющихся программах, которые лежат в основе блокчейна, такого как Ethereum, мы часто сосредотачиваемся на том, что они делают. Они автоматизируют транзакции, устраняют посредников и снижают затраты. Но то, как они работают, не менее важно, и в центре их надежной работы лежит один основной принцип: детерминированное выполнение.

В этой статье мы разберем, что на самом деле означает детерминированное выполнение, почему это является обязательным условием для смарт-контрактов, как это поддерживает консенсус блокчейна и что может пойти не так, когда детерминизм нарушается. Независимо от того, являетесь ли вы разработчиком, энтузиастом блокчейна или руководителем компании, исследующим децентрализованные приложения, понимание этой концепции крайне важно.

Что такое детерминированное выполнение?

В информатике операция считается детерминированной, если она всегда выдает один и тот же результат для одного и того же ввода. Например, 2 + 2 всегда будет равно 4. Это верно независимо от того, кто это считает или где.

Смарт-контракты должны вести себя одинаково. Когда смарт-контракт выполняется в блокчейне, тысячи узлов сети независимо проверяют его код. Все они должны прийти к точно такому же результату, до последнего бита. Если даже один узел видит другой результат, консенсус будет нарушен, и целостность сети окажется под угрозой.

Без детерминизма децентрализованный характер блокчейна, который является его наибольшей силой, станет его наибольшей слабостью.

Почему смарт-контракты должны быть детерминированными

Детерминированное выполнение позволяет децентрализованный консенсус. В блокчейне каждый узел хранит копию книги учета и выполняет одни и те же инструкции. Чтобы сеть согласовала «истину» какой-либо транзакции, каждый узел должен достичь одного и того же состояния.

Представьте себе смарт-контракт, который вычисляет выплаты по страховым требованиям. Если один узел рассчитывает $1,000, а другой узел — $1,200, сеть не сможет согласовать, какое значение должно быть зафиксировано. Результатом станет разветвление, раскол в блокчейне, который создаст путаницу и подвергнет сеть риску двойных расходов или других эксплойтов.

Вот почему платформы, такие как Ethereum, строго ограничивают код смарт-контрактов детерминированными операциями. Вызовы к внешним источникам данных, недетерминированные функции, такие как random(), или переменные, зависящие от системы, ограничены или заменяются детерминированными альтернативами.

Как детерминированное выполнение поддерживает консенсус блокчейна

Блокчейн полагается на распределенные механизмы консенсуса, будь то Proof of Work (PoW) или Proof of Stake (PoS). Эти механизмы полагаются на каждого валидатора или майнера, который независимо проверяет блоки, повторно выполняя все транзакции. Если выполнение не детерминировано, блок будет отклонен частью сети, что подорвет консенсус.

Детерминированные смарт-контракты гарантируют, что:

  • Ввод предсказуем: Данные, введенные в контракт, прозрачны и не могут быть изменены после попадания в блокчейн.

  • Логика прозрачна: Код контракта виден всем и ведет себя одинаково для всех.

  • Результаты окончательны: После выполнения результаты контракта не могут быть отменены и согласованы во всех узлах.

Вот единственный способ, которым децентрализованная сеть может согласовать состояние книги учета без необходимости доверять друг другу.

Что происходит, если детерминизм терпит неудачу?

Если выполнение смарт-контракта недетерминировано, вся система рискует столкнуться с несоответствием. Вот пример его применения на практике:

Разветвление блокчейна:

Недетерминированное выполнение может привести к тому, что узлы не согласны в отношении результатов блока. Если большинство узлов видят один результат, а меньшинство — другой, происходит разветвление. Это разрывает цепь и сбивает участников с толку относительно того, какая версия книги учета является «правильной».

Уязвимости безопасности:

Злоумышленники могут эксплуатировать недетерминированное поведение для манипуляции результатами. Например, если случайность реализована неправильно в блокчейне, кто-то может предсказать или повлиять на результаты лотереи или игры.

Утрата доверия:

Кредибильность блокчейна зависит от его неизменяемых и предсказуемых свойств. Если контракт дает разные результаты для разных пользователей, доверие к системе будет подорвано. Компании, регуляторы и пользователи будут сомневаться в принятии решений, которые не могут гарантировать одинаковые результаты для всех.

Общие источники недетерминизма — и как их избежать

Разработчики блокчейна должны остерегаться нескольких ловушек, которые могут привести к недетерминизму:

Внешние вызовы:

Смарт-контракты должны избегать прямой зависимости от данных вне сети (off-chain), поскольку эти данные могут изменяться между выполнениями. Чтобы управлять этим, блокчейн использует оракулы, такие как Chainlink, которые вводят проверенные и согласованные данные в блокчейн детерминированным образом.

Случайность:

Генерация случайности в блокчейне чрезвычайно сложна, поскольку блокчейн является прозрачным. Если это не реализовано должным образом, злоумышленники могут предсказать результат. Безопасные подходы включают использование проверяемых случайных функций (VRF) или генерацию случайности вне блокчейна и ее проверку внутри блокчейна способом, согласованным узлами.

Зависимость от времени:

Контракты, зависящие от системного времени, должны быть осторожными. Метки времени блоков могут незначительно отличаться между узлами, поэтому использование их для критической логики может вызвать несоответствия. Вместо этого разработчики используют номера блоков или полагаются на метки времени, согласованные консенсусом.

Арифметика с плавающей точкой:

Многие блокчейны запрещают использование чисел с плавающей точкой, поскольку разные машины могут обрабатывать точность немного по-разному. Смарт-контракты вместо этого полагаются на арифметику с фиксированной точкой или целочисленную математику для обеспечения согласованности.

Как сеть блокчейна реализует детерминированное выполнение

Поскольку детерминизм имеет решающее значение, блокчейны реализуют его через свой дизайн. Например:

  • Виртуальная машина (VM): Сети, подобные Ethereum, выполняют смарт-контракты на виртуальной машине (Ethereum Virtual Machine, или EVM). EVM ограничивает операции изолированной средой (песочницей) с детерминированным поведением.

  • Стоимость газа: Устанавливая стоимость газа для каждой операции, сеть предотвращает ресурсоемкие или потенциально недетерминированные циклы, которые могут привести к непредсказуемому или бесконечному выполнению.

  • Ограничения языка: Языки смарт-контрактов, такие как Solidity или Vyper, не поощряют недетерминированные конструкции и вводят строгие правила компиляции.

Эти ограничения гарантируют, что разработчики остаются в пределах предсказуемых паттернов и не создают случайным образом хаос в системе.

Детерминированное выполнение вне Ethereum

Хотя Ethereum популяризировал смарт-контракты, более новые блокчейны также придают приоритет детерминированному выполнению, но некоторые из них внедряют инновации в том, как они с этим справляются.

Solana, например, использует параллельный runtime для обработки транзакций одновременно, но при этом сохраняет детерминированность результатов выполнения за счет тщательного дизайна.

Cosmos и Polkadot, с их модульной архитектурой и взаимной совместимостью, сильно зависят от детерминированных модулей для обеспечения доверия между цепями при совместном использовании состояния или данных.

Упор на детерминизм универсален — каждая децентрализованная сеть со смарт-контрактами должна обеспечить, чтобы одни и те же правила применялись ко всем участникам.

Детерминизм и будущее инноваций смарт-контрактов

С усложнением смарт-контрактов, чтобы справляться с более сложной логикой, такой как децентрализованные финансы (DeFi), децентрализованные автономные организации (DAO) и межсетевые приложения, поддержание детерминизма становится все более важным.

Новые решения, такие как доказательства без знания (zero-knowledge proofs/ZKP), добавляют конфиденциальность в блокчейн, сохраняя при этом детерминизм, доказывая истинность вне сети (off-chain) и проверяя ее детерминированным образом внутри сети (on-chain). Аналогично, модульная архитектура блокчейна разделяет слои выполнения и консенсуса, но связывает их строгими детерминированными протоколами, чтобы предотвратить несоответствия статуса.

В будущем мы, вероятно, увидим более мощные фреймворки, лучшие оракулы и продвинутые криптографические инструменты, чтобы гарантировать, что по мере усложнения смарт-контрактов их выполнение останется предсказуемым.

Окончательный вывод

Детерминированное выполнение — это незаметный герой мира блокчейна. Несмотря на то, что большинство пользователей этого не видят, оно лежит в основе безопасности, надежности и бездоверительной природы децентрализованных сетей. Для разработчиков это принцип, который направляет их; для компаний это обещание, что смарт-контракты всегда будут выполнять то, что было запрограммировано, без сюрпризов.

С развитием блокчейна, реализации модульности и все более важной инфраструктуры, обеспечение детерминированного выполнения станет не только хорошей практикой — но и абсолютной необходимостью.