SKALE-Ketten

SKALE Chains sind ein wichtiger Bestandteil des SKALE-Netzwerks und bieten einen anderen Ansatz zur Skalierbarkeit und Leistungsfähigkeit von Blockchains, indem sie als unabhängige Blockchain fungieren, die speziell für bestimmte Anwendungen zugeschnitten ist und Container-Validatorknoten verwendet. Jede Kette fungiert als elastische Sidechain, die horizontal skalieren kann, um steigende Transaktionsvolumina zu bewältigen. Dies wird durch die dynamische Zuteilung von Netzwerkressourcen über einen Satz von 16 Knoten erreicht, die periodisch rotieren und zufällig ausgewählt werden, um Sicherheit und Dezentralisierung zu erhöhen.

Die Architektur von SKALE Chains ist so konzipiert, dass sie hohe Durchsatzraten und geringe Latenzzeiten unterstützt. Jede Kette arbeitet autonom, verarbeitet Transaktionen und führt Smart Contracts unabhängig aus, was sicherstellt, dass sie komplexe dApp-Anforderungen bewältigen können, ohne durch die Beschränkungen einer einzigen, monolithischen Blockchain eingeschränkt zu werden. Der Einsatz von containerisierten Validatorknoten ermöglicht eine effiziente Ressourcenverwaltung, wodurch Chains eine effektive Umgebung für dezentrale Anwendungen bieten können.

Die hybride Architektur von SKALE integriert sowohl Layer-1- als auch Layer-2-Merkmale: Als Layer-1-Lösung verwaltet jede Kette ihre eigene Transaktionsverarbeitung, Konsens und Datenspeicherung und profitiert von der Sicherheit und Orchestrierung, die das Ethereum-Mainnet bietet, während es auch als Layer-2-Erweiterung fungiert.

Konsensmechanismus

Das SKALE-Netzwerk verwendet das Asynchronous Binary Byzantine Agreement (ABBA)-Protokoll für seinen Konsensmechanismus, das speziell entwickelt wurde, um mit den Herausforderungen dezentraler Umgebungen wie Netzwerklatenz und Knotenausfällen umzugehen. Dieses Protokoll stellt sicher, dass Transaktionen schnell und sicher verarbeitet werden, wobei die Endgültigkeit erreicht wird, sobald ein Block in die Kette aufgenommen wird. Das ABBA-Protokoll unterstützt auch die Byzantine Fault Tolerance (BFT), was dem Netzwerk ermöglicht, auch dann betriebsbereit zu bleiben, wenn einige Knoten bösartig handeln oder Ausfallzeiten haben.

Wie ABBA funktioniert

Das ABBA-Protokoll erzielt Konsens in dezentralen Systemen mit bis zu einem Drittel byzantinischen (fehlerhaften oder bösartigen) Knoten. Es gewährleistet die Einigung auf einen binären Wert (0 oder 1) trotz beliebiger Nachrichtenverzögerungen. Es funktioniert nach den unten aufgeführten Schritten:

1. Erstellung von Blockvorschlägen:

• Knoten erstellen Vorschläge für Blöcke mit Transaktionen.
• Wenn es genügend ausstehende Transaktionen gibt, wird ein Block vorgeschlagen.
• Wenn es keine Transaktionen gibt, wird ein leerer Block vorgeschlagen.

2. Zuverlässige Kommunikation:

• Vorschläge werden mit einem Datenverfügbarkeitsprotokoll an andere Knoten gesendet.
• Dies stellt sicher, dass Vorschläge eine überwältigende Mehrheit (mehr als zwei Drittel) der Knoten erreichen.

3. Abstimmung und Signaturaggregation:

• Nach Erhalt eines Vorschlags fügen Knoten ihn ihrer Datenbank hinzu und senden eine teilweise Signatur zurück.
• Wenn ein Knoten genug teilweise Signaturen sammelt, um eine überwältigende Mehrheit zu bilden, aggregiert er diese zu einer einzigen Schwellenwertsignatur und sendet sie aus.

4. Konsensentscheidung:

• Knoten verwenden die aggreGate.iod-Signaturen, um über den vorgeschlagenen Block abzustimmen.
• Mehrere Instanzen des ABBA-Protokolls laufen, um über verschiedene Vorschläge abzustimmen.
• Ein Block mit einer überwältigenden Mehrheit wird akzeptiert und der Blockchain hinzugefügt.

5. Zufallsgenerierung:

• Zufällige Werte (Münzen) beeinflussen Entscheidungen, um trotz byzantinischer Knoten Fortschritte zu gewährleisten.
• Gemeinsame Münzmechanismen helfen ehrlichen Knoten, die gleiche Entscheidung zu treffen.

6. Sicherheit und Endgültigkeit:

• Verwendet Schwellenwertsigaturen und BFT-Eigenschaften zur Sicherheit.
• Garantiert, dass wenn alle ehrlichen Knoten mit dem gleichen Wert starten, sie sich in einer endlichen Anzahl von Runden darauf einigen werden.
• Sobald ein Wert festgelegt ist, ist er endgültig.

BLS-Kryptographie

BLS (Boneh–Lynn–Shacham) Schwellenkryptographie ist Teil des Konsensprozesses von SKALE. Sie ermöglicht einer Gruppe von Teilnehmern, gemeinsam eine Signatur zu generieren. Dies ist besonders nützlich in dezentralen Systemen, um einen sicheren und überprüfbaren Konsens zu gewährleisten.

Im BLS , jeder Teilnehmer im Netzwerk hat einen privaten Schlüssel und einen öffentlichen Schlüssel. Der private Schlüssel wird verwendet, um Nachrichten zu signieren, während der öffentliche Schlüssel verwendet wird, um Signaturen zu überprüfen. Um eine Nachricht zu signieren, verwendet ein Teilnehmer seinen privaten Schlüssel, um eine Signatur zu erstellen, die eine kurze Zeichenfolge ist, die an die Nachricht angehängt werden kann. Dann kann jede interessierte Partei mit dem öffentlichen Schlüssel überprüfen, ob die Signatur gültig ist und ob sie von dem Inhaber des entsprechenden privaten Schlüssels erstellt wurde.

Bei der Schwellenwertkryptografie ist eine Mindestanzahl von Teilnehmern (t von n) erforderlich, um zusammenzuarbeiten, um eine gültige Signatur zu erstellen. Dieser Parameter stellt sicher, dass das System auch dann sicher bleibt, wenn einige Teilnehmer kompromittiert werden. Der private Schlüssel wird mithilfe einer Technik namens Shamir's Secret Sharing in mehrere Freigaben aufgeteilt, durch die jeder Teilnehmer einen Anteil des privaten Schlüssels erhält.

Um eine Signatur zu generieren, müssen mindestens T Teilnehmer ihre Anteile kombinieren und jeweils eine Teilsignatur unter Verwendung ihres Anteils am privaten Schlüssel erstellen. Diese werden dann kombiniert, um eine vollständige Signatur zu bilden, die mit dem öffentlichen Schlüssel überprüft werden kann. Anschließend kann die kombinierte Signatur mithilfe des öffentlichen Schlüssels überprüft werden, genau wie eine normale BLS-Signatur.

In der Praxis umfasst der Konsensprozess mehrere Phasen. Zu Beginn schlagen die Nodes neue Blöcke vor und teilen sie mit anderen Validatoren im Netzwerk. Jeder Validator verifiziert dann die Transaktionen des Blocks und signiert ihn mit einer BLS-Signatur. Diese Signaturen werden aggreGate.iod in eine einzelne Gruppensignatur umgewandelt, die an das Netzwerk gesendet wird. Sobald eine überwältigende Mehrheit der Validatoren einen Block abgesegnet hat, wird er der Kette hinzugefügt, wodurch die Endgültigkeit erreicht wird. Dieser Prozess stellt sicher, dass Transaktionen schnell bestätigt werden und gleichzeitig ein hohes Maß an Sicherheit gewährleistet ist.

Knoten-Betrieb

Jeder Knoten betreibt mehrere virtualisierte Subknoten, die containerisierte Instanzen sind, die am Konsensprozess teilnehmen und Smart Contracts ausführen können. Diese Virtualisierung ermöglicht es den Knoten, gleichzeitig mehrere Ketten zu unterstützen und bietet eine flexible und skalierbare Infrastruktur für das Netzwerk.

Der Betrieb der Knoten wird durch eine Reihe von Smart Contracts gesteuert, die im Ethereum-Mainnet bereitgestellt werden und zusammen als SKALE Manager bezeichnet werden. Diese Verträge übernehmen wesentliche Funktionen wie Node-Registrierung, -Rotation und -Staking. Validatoren, die die Nodes betreiben, müssen strenge Leistungs- und Sicherheitsanforderungen erfüllen, einschließlich der Aufrechterhaltung einer hohen Betriebszeit und einer geringen Latenz. Die Leistungskennzahlen werden kontinuierlich überwacht, wobei die Knoten bewertet und je nach Einhaltung der Netzwerkstandards belohnt oder bestraft werden.

Die dynamische Natur des Knotenbetriebs ist ein wichtiges Merkmal der Architektur von SKALE. Knoten werden regelmäßig auf verschiedene SKALE Chains rotiert, um zu verhindern, dass ein einzelner Knoten zu einem zentralen Fehlerpunkt wird. Diese Rotation wird von den SKALE Manager-Verträgen verwaltet, die Zufallsauswahlalgorithmen verwenden, um Knoten an Chains zuzuweisen. Dieser Ansatz verbessert die Dezentralisierung und Sicherheit des Netzwerks, indem sichergestellt wird, dass die Kontrolle über eine bestimmte Chain auf eine vielfältige Gruppe von Validatoren verteilt ist.

Sicherheitsfunktionen

Die Sicherheit in SKALE Network verwendet einen vielschichtigen Ansatz, um den Betrieb zu schützen. Die hybride Architektur des Netzwerks bezieht ihre Sicherheit sowohl aus den nativen Protokollen als auch aus dem Ethereum-Mainnet. Die BLS-Schwellenwertsignaturen und die verteilte Schlüsselgenerierung (DKG) werden verwendet, um Interchain-Messaging zu sichern und die Integrität von Cross-Chain-Transaktionen sicherzustellen. Dieser kryptografische Ansatz verhindert den unbefugten Zugriff und die Manipulation von Daten und erhält die Vertrauenswürdigkeit des Netzwerks.

SKALE verwendet auch das Proof-of-Stake (PoS)-Modell, bei dem Validator:innen SKL-Token setzen, um am Netzwerk teilzunehmen und wirtschaftliche Gewinne als Anreiz für ehrliches Handeln und die Aufrechterhaltung der Netzwerksicherheit zu erhalten. Sie werden regelmäßig ausgetauscht, um das Risiko von Kollusion zu minimieren und ein hohes Maß an Dezentralisierung zu gewährleisten. Ein Element, das SKALE von anderen Blockchains unterscheidet, ist die Einbeziehung von Strafmechanismen zur Bestrafung von bösartigem oder fahrlässigem Verhalten, um die Integrität des Ökosystems weiter zu schützen.

Node-Überwachung und Leistung

Jeder Knoten ist mit einem Node Monitoring Service (NMS) ausgestattet, der die Leistung anderer Knoten im Netzwerk überwacht. Dieser Service misst die Betriebszeit und Latenz, pingt regelmäßig Peer-Knoten an und protokolliert diese Metriken in einer lokalen Datenbank. Am Ende jeder Epoche werden diese Metriken gemittelt und an die Hauptnetz-Smart Contracts übermittelt, die sie zur Bestimmung der Auszahlungsverteilung an Knoten und zur Markierung unterperformanter Knoten zur Überprüfung verwenden.

Durch die Überwachung und Bewertung der Knotenleistung kann das SKALE-Netzwerk Probleme schnell identifizieren und beheben und so ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und Sicherheit aufrechterhalten. Das NMS trägt auch zur dezentralen Governance des Netzwerks bei, da Knoten von ihren Peers und nicht von einer zentralen Autorität zur Rechenschaft gezogen werden.

Die Leistung des Knotens wird auch durch die dynamische Zuweisung von Ressourcen beeinflusst, da jeder Knoten im SKALE-Netzwerk containerisiert ist, was eine effiziente Verwaltung von CPU-, Speicher- und Speicherressourcen ermöglicht und es den Knoten ermöglicht, gleichzeitig mehrere Ketten zu unterstützen und eine skalierbare und flexible Infrastruktur bereitzustellen. Die dynamische Natur der Ressourcenzuweisung gewährleistet, dass sich Knoten an unterschiedliche Arbeitslasten anpassen können und eine optimale Leistung im gesamten Netzwerk gewährleisten.

Interchain-Nachrichten und Interoperabilität

Die Interchain-Nachrichtenübermittlung ermöglicht eine effektive Kommunikation zwischen SKALE Chains und dem Ethereum-Hauptnetz, erleichtert den Transfer von Tokens und Nachrichten über Ketten hinweg und verwendet BLS-Schwellwertschrypografie, um diese Interaktionen zu sichern. Diese Fähigkeit ermöglicht es Entwicklern, komplexe dApps zu erstellen, die mit mehreren Ketten interagieren können, was ihre Funktionalität und Reichweite erhöht.

Die IMA unterstützt verschiedene Token-Standards, einschließlich ERC-20, ERC-721 und ERC-1155, und bietet Flexibilität für Entwickler. Durch die Übertragung von Vermögenswerten und Daten zwischen Ketten stellt die IMA sicher, dass SKALE Chains die von der Ethereum-Ökosystem angebotene Technologie nutzen können, während sie ihren eigenen individuellen Betrieb aufrechterhalten. Dadurch kann es als Erweiterung von Ethereum fungieren und gleichzeitig eine verbesserte Leistung und Skalierbarkeit bieten.

Entwicklerwerkzeuge und Kompatibilität

Das SKALE-Netzwerk ist von Natur aus entwicklerfreundlich. Es bietet Tools und Kompatibilität mit bestehenden Ethereum-Entwicklungsumgebungen. SKALE Chains sind vollständig kompatibel mit der Ethereum Virtual Machine (EVM), was es Entwicklern ermöglicht, ihre vorhandenen Smart Contracts ohne Änderungen bereitzustellen.

Das Netzwerk bietet auch eine Vielzahl von Entwicklertools zur Unterstützung der dApp-Entwicklung an. Dazu gehören SDKs, APIs und Dokumentationen, um Entwicklern beim Aufbau, der Bereitstellung und Verwaltung ihrer Anwendungen auf SKALE zu helfen. Die Unterstützung des Netzwerks für Solidity, die Programmiersprache, die für Ethereum-Smart Contracts verwendet wird, vereinfacht den Entwicklungsprozess weiter. Durch Bereitstellung einer umfassenden Suite von Tools und Aufrechterhaltung der Kompatibilität mit Ethereum senkt SKALE die Einstiegshürde für Entwickler und fördert die Schaffung innovativer dApps.

Höhepunkte

• SKALE Chains bieten eine skalierbare und flexible Blockchain-Umgebung mit containerisierten Validatorknoten und dynamischem Lastenausgleich.
• Das Netzwerk verwendet das Asynchronous Binary Byzantine Agreement (ABBA) Protokoll für den Konsens, unterstützt von BLS-Schwellwertkryptographie.
• Nodes betreiben mehrere virtualisierte Subnodes, die von SKALE Manager Smart Contracts auf Ethereum verwaltet werden.
• Sicherheitsfunktionen umfassen BLS-Signaturen, DKG und ein Proof-of-Stake-Modell mit wirtschaftlichen Anreizen und Strafen für Validatoren.
• Die Hybridarchitektur nutzt sowohl die Merkmale von Layer 1 als auch von Layer 2 und kombiniert die Sicherheit von Ethereum mit der Skalierbarkeit von SKALE.