Inhaltsverzeichnis
1. Absicherung von Berechnungen durch Wirtschaftlichkeit
Auf Nakamoto-Konsens basierende Kryptowährungen wie Bitcoin und Ethereum bieten ein verbindliches öffentliches Hauptbuch für Finanztransaktionen, bekannt als Blockchain. Diese Konsenstecnologie ermöglicht grundlegende Bitcoin-Transaktionen, während Ethereum-Transaktionen über Smart Contracts komplexere Berechnungsskripte ausführen.
Anonyme Miner bestimmen die Transaktionsgültigkeit ohne zentrale Autorität, aber die Blockchain-Integrität hängt von einer minimalen Verifikationslast ab. Trotz der leistungsstärksten Rechenressource der Geschichte bieten Bitcoin und Ethereum aufgrund des Verifikator-Dilemmas nicht mehr Verifikationsleistung als ein typisches Smartphone.
1.1 Outsourcing von Berechnungen
Das System ermöglicht sicheres Outsourcing von Berechnungen an das Ethereum-Netzwerk, sodass Benutzer korrekte Antworten für komplexe Berechnungen erhalten und gleichzeitig die Blockchain-Sicherheit gewährleistet bleibt.
1.2 Praktische Auswirkungen
Unmittelbare Anwendungen umfassen dezentrale Mining-Pools, die von Ethereum-Smart-Contracts betrieben werden, Kryptowährungen mit skalierbarem Transaktionsdurchsatz und vertrauenslose Geldtransfers zwischen getrennten Kryptowährungssystemen.
1.3 Smart Contracts
Ethereum-Smart-Contracts ermöglichen komplexe Finanz- und Datenbankoperationen, die von der Auswertung von Berechnungsskripten abhängen, und bilden die Grundlage für TrueBits Verifikationssystem.
2. Funktionsweise von TrueBit
TrueBit besteht aus einer finanziellen Anreizschicht über einer Streitbeilegungsschicht, die die Form eines vielseitigen "Verifikationsspiels" annimmt. Diese zweischichtige Architektur ermöglicht skalierbare Berechnungen auf Ethereum bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung von Sicherheitsgarantien.
2.1 Systemeigenschaften
Das System bietet Berechnungsintegrität, Liveness und Anreizkompatibilität durch sorgfältig gestaltete wirtschaftliche Mechanismen.
2.2 Annahmen
TrueBit geht von rationalen Wirtschaftsakteuren und der Existenz mindestens eines ehrlichen Verifikators im System aus, um die Sicherheit zu gewährleisten.
2.3 Angreifermodell
Das Protokoll verteidigt sich gegen verschiedene Angriffsvektoren, einschließlich Sybil-Angriffen, Kollusionspools und wirtschaftlichen Ausnutzungen durch ausgeklügelte Anreizstrukturen.
3. Streitbeilegungsschicht
Die Kerninnovation von TrueBit ist das Verifikationsspiel, das eine effiziente Streitbeilegung für Berechnungsergebnisse ermöglicht.
3.1 Engpass: Das Verifikator-Dilemma
Das Verifikator-Dilemma tritt auf, wenn Miner unzureichende Anreize haben, komplexe Berechnungen zu verifizieren, was möglicherweise ungültige Transaktionen in die Blockchain lässt. Dies manifestierte sich im Bitcoin-Fork vom 4. Juli und in den Denial-of-Service-Angriffen auf Ethereum im Jahr 2016.
3.2 Lösung: Das Verifikationsspiel
Das Verifikationsspiel verwendet interaktive Proof-Systeme und Bisektionsprotokolle, um Rechenfehler effizient zu lokalisieren und gleichzeitig On-Chain-Ressourcen zu minimieren.
3.3 Detailliertes Protokoll
Das Protokoll umfasst mehrere Runden, in denen Verifikatoren die Berechnungen der Lösern herausfordern, wobei Streitigkeiten durch schrittweise Ausführungsverifikation gelöst werden.
3.4 Laufzeit- und Sicherheitsanalyse
Das System erreicht logarithmische Komplexität bei der Streitbeilegung in Bezug auf die Berechnungsgröße, was es für groß angelegte Berechnungen praktikabel macht.
4. Anreizschicht
Die wirtschaftliche Schicht gewährleistet ehrliche Teilnahme durch sorgfältig kalibrierte Belohnungen und Strafen.
4.1 Jackpots
Randomisierte Jackpot-Belohnungen bieten wirtschaftliche Anreize für Verifikatoren, aktiv am Verifikationsprozess teilzunehmen.
4.2 Steuern
Transaktionssteuern finanzieren den Anreizpool und gewährleisten den nachhaltigen Betrieb des Verifikationsökosystems.
4.3 Kautionen
Sicherheitskautionen von Lösern und Verifikatoren schaffen wirtschaftliche Einsätze, die böswilliges Verhalten verhindern.
4.4 Erzeugung erzwungener Fehler
Das System führt absichtlich erzwungene Fehler ein, um die Wachsamkeit der Verifikatoren zu testen und aktive Teilnahme zu gewährleisten.
4.5 Auswahl von Lösern und Verifikatoren
Teilnehmer werden durch Zufallsstichprobenmechanismen ausgewählt, die das Manipulieren des Systems verhindern.
4.6 Protokollübersicht
Das vollständige Protokoll integriert Streitbeilegung mit wirtschaftlichen Anreizen in einem kohärenten System.
4.7 Plausibilitätsprüfung
Mehrere Verifikationsmechanismen gewährleisten die Systemintegrität und verhindern Ausnutzung.
5. Abwehrmaßnahmen
TrueBit umfasst ausgeklügelte Abwehrmaßnahmen gegen verschiedene Angriffsvektoren.
5.1 Paarweise Sybil-Angriffe
Das System verhindert Sybil-Angriffe durch wirtschaftliche Barrieren und Identitätsverifikationsmechanismen.
5.2 Die Dreierkombination
Drei komplementäre Abwehrmechanismen arbeiten zusammen, um robuste Sicherheitsgarantien zu bieten.
5.3 Kollusionspools
Wirtschaftliche Abschreckung und Zufallsstichproben verhindern Kollusion zwischen Teilnehmern.
5.4 Zu niedrig hängenden Früchten
Das System adressiert häufige Angriffsvektoren, die typischerweise Verifikationssysteme ausnutzen.
5.5 Ein Bargeldäquivalenzproblem
Wirtschaftliche Mechanismen stellen sicher, dass Anreize mit der Systemsicherheit im Einklang bleiben.
6. Implementierung
Die TrueBit-Implementierung umfasst die TrueBit Virtual Machine und Integration mit Ethereum-Smart-Contracts für nahtlosen Betrieb.
7. Anwendungen
Das Protokoll ermöglicht zahlreiche praktische Anwendungen über die grundlegende Berechnungsverifikation hinaus.
7.1 Praktisches dezentrales Pool-Mining
Dezentrale Mining-Pools, die von Smart Contracts betrieben werden, eliminieren zentrale Ausfallpunkte.
7.2 Dogecoin-Ethereum-Brücke
Vertrauenslose Brücken zwischen Kryptowährungssystemen ermöglichen nahtlosen Werttransfer.
7.3 Skalierbare Transaktionsdurchsatzrate
TrueBit ermöglicht Kryptowährungen mit deutlich höherer Transaktionskapazität.
7.4 Auf dem Weg zu einem Big-Data-System
Die Architektur unterstützt groß angelegte Datenverarbeitung auf Blockchain-Netzwerken.
Originalanalyse
TrueBit stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Blockchain-Skalierbarkeit dar, indem es das grundlegende Verifikator-Dilemma angeht, das dezentrale Systeme seit ihrer Entstehung eingeschränkt hat. Die innovative zweischichtige Architektur des Protokolls – die Kombination einer Streitbeilegungsschicht basierend auf interaktiven Verifikationsspielen mit einer wirtschaftlichen Anreizschicht – schafft einen robusten Rahmen für vertrauenslose Berechnungen, der die Sicherheit aufrechterhält und gleichzeitig den Durchsatz dramatisch erhöht.
Im Vergleich zu traditionellen Blockchain-Skalierungsansätzen wie Sharding (wie in Ethereum 2.0 implementiert) oder Layer-2-Lösungen wie Optimistic Rollups verfolgt TrueBit einen grundlegend anderen Ansatz, indem es sich auf die Berechnungsverifikation konzentriert anstatt auf die Optimierung der Transaktionsverarbeitung. Diese Unterscheidung ist entscheidend: Während Lösungen wie zk-Rollups (wie in der grundlegenden Arbeit von Buterin et al. beschrieben) auf kryptografischen Beweisen für die Gültigkeit basieren, verwendet TrueBit wirtschaftliche Anreize und spieltheoretische Mechanismen, um Korrektheit zu gewährleisten. Der erzwungene Fehlermechanismus des Protokolls ist besonders genial, da er aktiv die Integrität des Verifikationssystems testet, ähnlich wie Continuous-Integration-Systeme die Softwarezuverlässigkeit im traditionellen Computing testen.
Das TrueBit-Verifikationsspiel ähnelt interaktiven Proof-Systemen in der theoretischen Informatik, insbesondere der Arbeit von Goldwasser, Micali und Rackoff zu interaktiven Beweisen, jedoch mit dem entscheidenden Zusatz von blockchain-basierten wirtschaftlichen Anreizen. Diese Kombination schafft das, was die Autoren als "Konsenscomputer" bezeichnen, der in der Lage ist, beliebige Berechnungen mit überprüfbarer Korrektheit auszuführen. Die Sicherheit des Systems beruht auf der Annahme, dass mindestens ein ehrlicher Verifikator existiert – eine Annahme, die mit vielen byzantinischen Fehlertoleranzsystemen geteilt wird, aber hier durch neuartige wirtschaftliche Mechanismen implementiert wird.
Aus Implementierungsperspektive ist TrueBits Ansatz zur Streitbeilegung durch schrittweise Bisektion sowohl elegant als auch effizient und reduziert die Verifikationskomplexität von O(n) auf O(log n) für Berechnungen der Größe n. Diese logarithmische Skalierung ist für praktische Anwendungen entscheidend, da sie die Verifikation großer Berechnungen ohne prohibitive Kosten ermöglicht. Das Design des Protokolls zeigt tiefes Verständnis sowohl der Informatik-Grundlagen als auch der wirtschaftlichen Spieltheorie und schafft ein System, das sowohl technisch solide als auch wirtschaftlich nachhaltig ist.
In die Zukunft blickend hat TrueBits Architektur Implikationen über die Blockchain-Berechnung hinaus. Die Kernprinzipien könnten breiter auf verteilte Systeme angewendet werden, insbesondere in Szenarien, in denen vertrauenslose Verifikation von Berechnungsergebnissen erforderlich ist. Wie in der Forschung der Ethereum Foundation zu Layer-2-Skalierung festgestellt, repräsentieren Lösungen wie TrueBit eine wichtige Richtung für die Blockchain-Skalierbarkeit, die andere Ansätze ergänzt anstatt mit ihnen zu konkurrieren.
Technische Details
Mathematische Grundlage
Das Verifikationsspiel verwendet interaktive Proof-Systeme mit folgenden Eigenschaften:
- Vollständigkeit: Wenn die Aussage wahr ist, wird ein ehrlicher Verifikator überzeugt
- Korrektheit: Wenn falsch, kann kein Beweisführer einen ehrlichen Verifikator außer mit geringer Wahrscheinlichkeit überzeugen
Die Streitbeilegung verwendet ein Bisektionsprotokoll mit Komplexität $O(\\log n)$, wobei $n$ die Berechnungsgröße ist:
$$T_{verify} = O(\\log n) \\cdot T_{step}$$
Der Anreizmechanismus gewährleistet wirtschaftliche Sicherheit durch:
$$E[belohnung_{ehrlich}] > E[belohnung_{böswillig}] + kosten_{angriff}$$
Systemarchitektur
Die TrueBit Virtual Machine (TVM) führt Berechnungen in einer deterministischen Umgebung aus, die mit Ethereums EVM kompatibel, aber für Verifikationsspiele optimiert ist.
Experimentelle Ergebnisse
Leistungskennzahlen
Verifikationszeit
Logarithmische Skalierung mit Berechnungsgröße
Sicherheitsgarantien
Wirtschaftliche Sicherheit durch Anreize
Durchsatzsteigerung
Im Vergleich zu nativem Ethereum
Technische Diagramme
Verifikationsspiel-Ablauf: Das Protokoll umfasst mehrere Runden von Herausforderung-Antwort zwischen Lösern und Verifikatoren, wobei Streitigkeiten durch binäre Suche gelöst werden, bis der fehlerhafte Berechnungsschritt identifiziert ist. Jede Runde halbiert die Problemgröße und gewährleistet so eine effiziente Lösung.
Wirtschaftliche Anreizstruktur: Das System hält das Gleichgewicht zwischen Lösungsbelohnungen, Verifikatoranreizen und Sicherheitskautionen aufrecht, um ehrliche Teilnahme zu gewährleisten und gleichzeitig verschiedene Angriffsvektoren zu verhindern.
Codebeispiele
TrueBit-Aufgabenerstellung
// Lösender reicht Aufgabe ein
function submitTask(bytes memory code, bytes memory input) public payable {
require(msg.value >= MIN_DEPOSIT);
Task memory newTask = Task({
solver: msg.sender,
code: code,
input: input,
deposit: msg.value,
status: TaskStatus.Pending
});
tasks[taskCounter] = newTask;
emit TaskSubmitted(taskCounter, msg.sender);
taskCounter++;
}
// Verifikator fordert Ergebnis heraus
function challengeResult(uint taskId, bytes memory claimedOutput) public {
require(tasks[taskId].status == TaskStatus.Pending);
challenges[taskId] = Challenge({
verifier: msg.sender,
claimedOutput: claimedOutput,
round: 0
});
initiateVerificationGame(taskId);
}Verifikationsspiel-Protokoll
// Bisektionsprotokoll für Streitbeilegung
function performBisection(uint taskId, uint step) public {
Challenge storage challenge = challenges[taskId];
// Führe einzelnen Schritt aus und liefere Merkle-Beweis
(bytes32 stateHash, bytes32 proof) = executeStep(
tasks[taskId].code,
tasks[taskId].input,
step
);
// Reiche Schrittexekution zur Verifikation ein
emit StepExecuted(taskId, step, stateHash, proof);
// Setze Bisektion fort, bis Fehler lokalisiert ist
if (challenge.round < MAX_ROUNDS) {
challenge.round++;
} else {
resolveFinalStep(taskId, step);
}
}Zukünftige Anwendungen
Kurzfristige Anwendungen (1-2 Jahre)
- Dezentrales Cloud Computing: Vertrauenslose Ausführung komplexer Berechnungen
- Cross-Chain-Brücken: Sichere Asset-Übertragung zwischen Blockchain-Netzwerken
- Skalierbares DeFi: Komplexe Finanzinstrumente auf der Blockchain
Mittelfristige Anwendungen (3-5 Jahre)
- KI-Modellverifikation: Vertrauenslose Ausführung und Verifikation von Machine-Learning-Modellen
- Wissenschaftliches Computing: Reproduzierbare Forschung durch überprüfbare Berechnungen
- Enterprise-Blockchain: Skalierbare private Blockchain-Lösungen
Langfristige Vision (5+ Jahre)
- Weltcomputer: Wirklich dezentrale globale Rechenplattform
- Verifizierbare Internetdienste: Vertrauenslose Webdienste mit garantierter Ausführung
- Autonome Organisationen: Komplexe DAOs mit überprüfbaren Operationen
Referenzen
- Teutsch, J., & Reitwießner, C. (2017). A scalable verification solution for blockchains. arXiv:1908.04756
- Buterin, V., et al. (2021). Combining GHOST and Casper. Ethereum Foundation.
- Goldwasser, S., Micali, S., & Rackoff, C. (1989). The knowledge complexity of interactive proof systems. SIAM Journal on computing.
- Ethereum Foundation. (2020). Ethereum 2.0 Phase 1--Shard Chains.
- Luu, L., et al. (2016). A secure sharding protocol for open blockchains. ACM CCS.
- Ben-Sasson, E., et al. (2014). Zerocash: Decentralized anonymous payments from bitcoin. IEEE Security & Privacy.
- Szabo, N. (1997). Formalizing and securing relationships on public networks. First Monday.
- Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A peer-to-peer electronic cash system.
- Wood, G. (2014). Ethereum: A secure decentralised generalised transaction ledger.
- Buterin, V. (2013). Ethereum white paper: A next-generation smart contract and decentralized application platform.