Start Krypto-Währung Die Bedeutung der Zufälligkeit auf Blockchains ⋆ Neue Kryptomedien

Die Bedeutung der Zufälligkeit auf Blockchains ⋆ Neue Kryptomedien

In der physischen Welt ist es leicht, Zufälligkeit zu erreichen, weil die Natur an sich so zufällig ist. Aber in der digitalen Welt sind die Dinge ein wenig anders und erfordern normalerweise eine Form des vom Menschen verursachten Zufalls, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen.

Der Zufallszahlengenerator (RNG) ist eine solche Software oder Hardware, die bei der Berechnung von Zufallszahlen verwendet wird. Dieses Tool strebt nach Fairness in Anwendungen, deren Kernfunktionalität auf der Generierung von Zufallszahlen beruht. Einige Beispiele sind Spiele und Lotterien.

Insbesondere Blockchains haben eine einzigartige Beziehung zu dieser Art von Technologie, da die Blockchain auf der Idee einer fairen Verteilung von Chancen auf einem dezentralen Rahmen basiert. Von den blühenden dezentralen Anwendungen (dApps) auf Ethereum bis hin zu den immer beliebter werdenden On-Chain-NFT-Blindboxen sind RNGs ein Muss, um unvoreingenommene Zufallseingaben zu erzielen, die die Glaubwürdigkeit und das Benutzererlebnis verbessern.

Die Herausforderung, vertrauenswürdigen Zufall zu erzeugen

Die Erzeugung künstlicher zufälliger, sicherer und robuster Zahlen, die auf Situationen angewendet werden können, die eine einzigartige und vertrauenswürdige Zufälligkeit in dezentralen Netzwerken erfordern, ist jedoch leichter gesagt als getan.

Während es sowohl in der physischen Welt als auch im Cyberspace mehrere Methoden zur Erzeugung von Zufälligkeit gibt, wird die Qualität der erreichten Zufälligkeit meist in zwei Arten eingeteilt, dh wirklich zufällige Ergebnisse und pseudo-zufällige Ergebnisse.

Echte Zufallszahlen (TRN) nutzen physikalische Prozesse der realen Welt. Diese Zufallszahlengeneratoren basieren oft auf mikroskopischen Ereignissen, die zufällige Pulssignale mit niedrigem Pegel erzeugen. Dies macht die Verwendung von TRNs auf Blockchains unpraktisch, da es schwierig ist, diese mikroskopischen Ereignisse in den Code eines dezentralisierten Netzwerks zu implementieren.

Pseudo-Zufallszahlen (PRN) andererseits werden unter Verwendung mathematischer Algorithmen wie dem Public Keyed Hash Message Authentication Code (HMAC) sowie der Schwellenwertsignatur erzeugt.

Insgesamt sollte ein idealer Zufallszahlengenerator auf einem dezentralen Framework die folgenden grundlegenden Eigenschaften aufweisen:

Zufällige Einzigartigkeit

Die Ausgabe eines RNG sollte unvorhersehbar, einzigartig und unabhängig von jeder Ausgabe sein. Andernfalls können Angreifer die Zufallszahlen sorgfältig auswählen und das System ausnutzen. Einfach ausgedrückt bedeutet dies, dass nach der Produktion von „Output A“ die Produktion des folgenden „Outputs B“ nur von der Wahrscheinlichkeit seines Auftretens (B) abhängen sollte, nicht von früheren Outputs (A) oder zukünftigen (C, D, E..). In einem dezentralisierten Rahmen sollte diese Eindeutigkeitsebene auf den gesamten Satz von Knoten zur Generierung von Zufallszahlen angewendet werden und nicht nur auf einen Teil der Knoten im Netzwerk.

Nicht-interaktiv

Auf der Blockchain ist die dezentrale Generierung von Zufallszahlen möglich. Der Kommunikations-Overhead wird jedoch zu einer Einschränkung oder einem „Single Point of Failure“ für das gesamte System. Ein RNG-Algorithmus muss die Ausgabe einer „Trapdoor-Funktion“ eliminieren, die eine geheime Auffindbarkeit mit der richtigen Eingabe ermöglicht. Insgesamt stellen nicht interaktive RNGs eine Null-Exportierbarkeit sicher, wodurch eine sichere Einwegkommunikation für jeden RNG-Knoten erreicht wird.

Verfügbarkeit

Für dezentrale Netze ist die durchgängige Verfügbarkeit von Basis-RNG-Diensten wichtig. Die Verfügbarkeit aktueller dezentraler Systemknoten ist jedoch unvorhersehbar. Daher sollte der RNG-Algorithmus Verfügbarkeit basierend auf unvorhersehbaren Knoten bereitstellen. Beispielsweise funktionieren Methoden wie Schwellensignatur oder Multisignaturen besser in dezentralen Systemen, in denen mehr als die Hälfte der benötigten Knoten zu einem bestimmten Zeitpunkt verfügbar sind. Dieser Anteil reicht von 50 % bis 90 %. Bei einem System mit weniger als der Hälfte der verfügbaren Knoten ist es wichtig, mehr alternative Pfade zu erstellen, wenn einige Knoten nicht erreichbar sind. Wenn beispielsweise 5 erforderliche Signaturen vorhanden sind, sollten auch 3 Backups verwendet werden. Jede Methode der Ausfallsicherheit hängt jedoch von der Verfügbarkeit von RNG-Knoten im Netzwerk ab.

Schwelle BLS-Signatur: Ist dies eine praktikable Lösung?

Die Schwellen-BLS-Signatur (Boneh Lyn Shacham) ist ein kryptografisches digitales Signaturschema, das für jedes dezentrale Netzwerk bahnbrechend ist. Dieses digitale Signaturschema kann Zufall erzeugen, ohne auf TRN-Generatoren angewiesen zu sein, und schneidet im Vergleich zu anderen Algorithmen wie dem beliebten ECDSA günstig ab.

BLS-Schwellensignaturen gelten als schneller und skalierbar, daher haben die Entwickler von Ethereum 2.0 auf den BLS12-381-Standard als primäres Signaturschema des Netzwerks umgestellt. Die Anwendung eines BLS-Schwellensignaturstandards ermöglicht die Ausführung von BLS-basierten Anwendungen auf Ethereum.

Darüber hinaus ist die Schwellenwertversion von BLS-Signaturen auf dezentralen Systemen robust, sodass höchstens die Hälfte der Gruppenknoten in einem dezentralen Netzwerk für die Generierung von Zufälligkeit verantwortlich ist. Dies ermöglicht eine ausreichende Anzahl von teilnehmenden Knoten und ermöglicht so eine konsistente Verfügbarkeit von RNG-Knoten sowie die Netzwerksicherheit.

Mögliche bestehende Lösungen

Eine der besten existierenden Implementierungen der Schwellenwert-BLS-Signatur ist die RNG-Architektur von ARPA. Es ermöglicht nicht nur jedem, einen RNG-Rechenknoten in einem dezentralen Netzwerk zu betreiben, sondern geht auch noch einen Schritt weiter, um eine überprüfbare Berechnung selbst unter böswilligen Mehrheitsbedingungen in einem Netzwerk zu gewährleisten. Protokolle müssen alle drei erforderlichen Funktionen eines vertrauenswürdigen, dynamischen und dezentralisierten Zufallszahlengenerators erfüllen, da er im Laufe der Zeit lernen kann, um die Ergebnisse zu verbessern.

Gastbeitrag von Felix Xu von ARPA

Felix Xu, Mitbegründer und CEO von ARPA & Bella Protocol. Felix hat einen Abschluss in Finanzen, Wirtschaftsinformatik an der New York University. Felix arbeitet seit 6 Jahren an Venture-Capital-Investitionen in Fintech-, Big-Data- und KI-Startups. Zuletzt leitete Felix die Blockchain-Sektorforschung und Frühphaseninvestitionen bei der Fosun Group, einem der größten Mischkonzerne in China. Felix investierte in Suishou Technology, Datebao Insurance, Huike Group in China und MakeMyTrip (NYSE: MMYT) in Indien.

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Veröffentlicht in: Gastbeitrag, Technologie

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