Od czasu DeFi Summer 2020, napędzanego ciągłym rozwojem infrastruktury blockchain, protokoły DeFi ewoluowały od Swap do Lend, przez Yield Farming, do coraz bardziej zaawansowanych protokołów, obejmujących strategie AMM (zautomatyzowane tworzenie rynku) Yield Farming oparte na derywatach blockchain, strukturyzowane platformy pożyczkowe zbudowane na infrastrukturze pożyczkowej oraz protokoły pożyczkowe on-chain łączące zabezpieczenia ze świata rzeczywistego.

Jednym z kluczowych czynników stojących za rozkwitem innowacji DeFi jest koncepcja zwana kompozycyjnością. Najczęściej, gdy wydawany jest nowy protokół DeFi, większość jego kodu źródłowego jest również udostępniana publicznie. Oznacza to, że kody źródłowe inteligentnych kontraktów z jednego lub więcej protokołów DeFi można łatwo połączyć, aby stworzyć nowy. Działają jak klocki Lego — bloki o różnych kształtach można wykorzystać do budowy unikalnych projektów, znacznie obniżając koszty innowacji.

Zaskakujące jest to, że pomimo tak masowych innowacji, liczba użytkowników DeFi nie odnotowała znaczącego wzrostu od 2020 roku. Jednocześnie tradycyjne instytucje nie wprowadziły płynności do przestrzeni blockchain. Jedną z głównych przyczyn tego stanu rzeczy są obawy dotyczące bezpieczeństwa DeFi.

Tradycyjne finanse posiadają dobrze ugruntowany, bezpieczny system. Na przykład, podczas przenoszenia środków z Banku A do Banku B, konwoje i uzbrojeni funkcjonariusze policji są obecni, aby chronić środki, co daje poczucie bezpieczeństwa. Ponadto banki są odpowiedzialne za mienie klienta i oferują rekompensatę za wszelkie straty podczas tego procesu. DeFi różni się jednak od tradycyjnego systemu finansowego. Inteligentne kontrakty są z założenia niezmienne. Są zasadniczo czarnymi skrzynkami, które nie wysyłają czytelnych logów, więc ludzie nie mogą uzyskać jasnego wglądu w wewnętrzne procesy. Większość audytów inteligentnych kontraktów nie pomaga, ponieważ koncentrują się tylko na znanych formach ataków, a nie na nowych rodzajach luk, które mogą wystąpić. Jednocześnie wiele protokołów DeFi określa się jako produkt "używany na własne ryzyko". Może to być przerażające dla zwykłych użytkowników i sprawić, że nie będą mieli zaufania, aby umieścić większość swoich depozytów bankowych w ekosystemie DeFi. DeFi nie zawiodło tych, którzy mu nie ufali. Do tej pory w DeFi doszło do 82 naruszeń bezpieczeństwa, z początkową zhakowaną kwotą przekraczającą 1,8 miliarda dolarów. W szczególności flash loan jest najczęstszym atakiem, stanowiącym 33 przypadki. Jednym z powodów bezpieczeństwa stojących za atakiem flash loan jest brak koncepcji dokładnego czasu i mechanizmu potwierdzania w blockchainach . Przeanalizujemy szczegółowe powody w kolejnych rozdziałach.

I. Czas i Sieć Czasowa Komputerów

Przyjrzyjmy się najpierw, jak działa czas w konwencjonalnych programach komputerowych.

Czas jest istotnym konceptem dla programów komputerowych. Bez koncepcji czasu niemożliwe jest uzyskanie dostępu do stron internetowych z włączonym TLS, tworzenie entropii dla określonych algorytmów, wymiana sekretów czy uwierzytelnianie licencji Windows. Traktujemy pomiar czasu na komputerach jako coś oczywistego, ale wymiana i śledzenie czasu to niezwykle trudny problem do rozwiązania w praktyce.

Czas jest zasadniczo reprezentacją aktualnego stanu globalnego wszechświata. Oznacza to, że w danym momencie każdy podmiot musi dzielić dokładnie tę samą wartość. Jest to oczywiście ogromny problem dla komputerów: Załóżmy, że w centrum wszechświata znajduje się ogromny, bardzo dokładny zegar atomowy, przesyłający dane czasowe przez Internet. Problemem w tym procesie jest to, że sama transmisja danych zajmuje czas. Kiedy urządzenie otrzymuje dane czasowe przez Internet i stosuje je do własnych systemów, globalny stan wszechświata (czas) już by się zmienił. Innymi słowy, niemożliwe jest, aby urządzenie sieciowe było idealnie zsynchronizowane z rzeczywistą globalną wartością czasu.

Innym problemem z sieciowym pomiarem czasu jest to, że nie możemy dokładnie przewidzieć czasu potrzebnego na transmisję danych — warunki sieciowe stale się zmieniają i nikt nie może zagwarantować idealnej niezawodności w rzeczywistym środowisku. W połączeniu z pierwszym problemem oznacza to, że odbiorca nie może idealnie odtworzyć wartości czasu, co prowadzi do niespójności.

Network Time Protocol (NTP) rozwiązuje ten problem poprzez strukturę wzajemnej weryfikacji serwerów czasowych rozproszonych na całym świecie (do 15 warstw) i poprzez konstruowanie drzewa rozpinającego najkrótszej ścieżki Bellmana-Forda (co zmniejsza zarówno opóźnienia, jak i niespójności czasu transferu). Działa to doskonale dla komputerów osobistych i usług scentralizowanych, szczególnie w przypadku aplikacji, które polegają na dokładnym pomiarze czasu (np. programy szyfrujące). Mimo że znaczniki czasu uzyskane przez NTP są jedynie szacunkami, są wystarczająco dokładne i dojrzałe, aby aplikacje wrażliwe na czas mogły na nich polegać.

Źródło: https://medium.com/@gokhansengun/bilgisayarlar-zaman%C4%B1-nas%C4%B1l-do%C4%9Fru-tutar-78c1203397f0

II. Mechanizm Czasu w Sieciach Blockchain

Koncepcja czasu istnieje również w blockchainach. Chociaż niektórzy twierdzą, że blockchain sam w sobie jest pochodną koncepcji czasu, przetwarzanie czasu w sieci blockchain jest niezwykle nieprecyzyjne w porównaniu z 64-bitową dokładnością systemu NTP. Ostatecznie wynika to również z faktu, że cele usługowe czasu blockchain nie są wrażliwymi na czas aplikacjami inteligentnych kontraktów, takimi jak aplikacje DeFi. Ponadto ma na celu umożliwienie bezpiecznego, efektywnego wykonania mechanizmu konsensusu. Taki odmienny cel sprawia również, że sieci blockchain są bardziej tolerancyjne na niedokładności czasowe. W kolejnych akapitach omówimy niektóre popularne mechanizmy konsensusu i sposób, w jaki określają czas. Należy jednak zauważyć, że potwierdzenie czasu w blockchainach jest tak ogólnie nieprecyzyjne, że nie mogą one obsługiwać operacji finansowych i kontroli bezpieczeństwa dla aktywów on-chain wartych dziesiątki miliardów dolarów.

1. Bitcoin

Bitcoin zawiera koncepcję czasu, ponieważ jest ona wymagana dla jego mechanizmu konsensusu Proof-of-Work. Bez prawidłowego znacznika czasu sieć nie może zweryfikować, czy dana transakcja będąca w trakcie wydobycia nie próbuje zmanipulować poprzedniej. Chociaż każdy blok Bitcoin zawiera znacznik czasu UNIX, czas bloku nie jest dokładną reprezentacją znacznika czasu UNIX. Wynika to z faktu, że konsensus Bitcoin traktuje znaczniki czasu jedynie jako część systemu bezpieczeństwa PoW, a nie jako rzeczywiste narzędzie do pomiaru czasu w blockchainie.

Cytując Bitcoin Wiki, każdy blok zawiera znacznik czasu Unix dostarczany przez górników i zostanie zaakceptowany jako ważny, jeśli jest 1) większy niż mediana znacznika czasu poprzednich 11 bloków i 2) mniejszy niż czas dostosowany do sieci plus 2 godziny. W związku z tym różnica między czasami bloków a czasami rzeczywistymi waha się od jednej do dwóch godzin.

Źródło: https://en.bitcoin.it/wiki/Block_timestamp

2. Ethereum

W sieci Ethereum znaczniki czasu są również bezpośrednio przesyłane przez górników z dużą elastycznością. Mówiąc prościej, znacznik czasu Ethereum może być prawdziwy lub fałszywy, a mechanizm konsensusu nie ma sposobu na potwierdzenie jego dokładności. Według postu na forum Ethereum (źródło: https://ethereum.stackexchange.com/questions/413/can-a-contract-safely-rely-on-block-timestamp/428#428), można wykorzystać kilka mechanizmów, aby zapobiec nadmiernemu odchyleniu znaczników czasu Ethereum: 1) Jeśli znacznik czasu bloku znacznie odbiega od czasu rzeczywistego, nikt nie będzie chciał generować kolejnych bloków z tym blokiem jako blokiem nadrzędnym; 2) Znacznik czasu najnowszego bloku nie może być wcześniejszy niż blok nadrzędny; 3) Trudność bloku będzie najniższa, gdy blok nie jest oznaczony wcześniej niż wymagano. Mechanizmy te mogłyby pozwolić górnikom na dobrowolne przesyłanie znaczników czasu, które uważają za poprawne. Jednak gdy istnieją inne zewnętrzne zachęty, sieć Ethereum nie ma żadnego rygorystycznego mechanizmu zapewniającego, że górnicy nadal przesyłają prawidłowy znacznik czasu. Dlatego sieć nie może zapewnić prawidłowego działania protokołów wrażliwych na czas (np. yield farming, pożyczki). W związku z tym duże instytucje nie powierzą Ethereum swoich pieniędzy.

3. Polkadot

Zgodnie z dokumentacją Substrate, Polkadot również oznacza bloki znacznikami czasu, które są bezpośrednio dostarczane przez górników. Jednocześnie nie ma rygorystycznych mechanizmów, które potwierdzałyby lub synchronizowały takie znaczniki czasu. Dokument stwierdza również, że chociaż czasu bloku nie można udowodnić, walidatorzy mogą się zgodzić, że mieści się on w pewnej delcie ich zegara systemowego.

Źródło: https://wiki.polkadot.network/docs/build-protocol-info

4. Cosmos

Tendermint w Cosmos jest jedynym algorytmem konsensusu, który zapisuje czas w mechanizmie konsensusu, co wyposaża go w najbardziej solidną koncepcję czasu. Dokładniej mówiąc, węzły bloku będą głosować nad czasem, który został przesłany, aby osiągnąć konsensus, a tylko znacznik czasowy, na który węzły się zgodzą, zostanie włączony do bloku.

Źródło: https://docs.tendermint.com/master/spec/consensus/bft-time.html

III. Brak systemu znakowania czasowego w blokach

Blockchainy są nie tylko nieprecyzyjne pod względem generowania znaczników czasowych, ale także brakuje im systemu lub mechanizmu znakowania czasowego w blokach. Transakcje w świecie rzeczywistym są wysyłane i potwierdzane jedna po drugiej, każda z wyraźnym czasem i sekwencją. W ten sposób wiele fałszywych transakcji nie może wystąpić ani zostać potwierdzonych. W sieci blockchain natomiast transakcje w każdym bloku są pakowane razem i nie są oznaczane dokładnymi znacznikami czasowymi pojedynczo.

Chociaż wszystkie transakcje można zweryfikować po wygenerowaniu bloku, niemożliwe jest określenie konkretnego czasu przesłania i sekwencji każdej transakcji. To częściowo wyjaśnia, dlaczego można przeprowadzić wiele ataków (np. pożyczki błyskawiczne lub wymiany błyskawiczne). Gdyby w blokach dostępne były dokładne oznaczenia czasu jako dowód do weryfikacji, protokoły aplikacji mogłyby opracować bezpieczniejsze i stabilniejsze algorytmy. Jednocześnie, ze względu na swoje wewnętrzne cechy, czas jest wysoce bezpieczną siecią konsensusu, która jest nieodwracalna i niezmienna.

IV. Potencjalne rozwiązania

Brak czasu w blockchainach można rozwiązać wewnętrznie lub zewnętrznie.

Rozwiązanie wewnętrzne: Należy wprowadzić mechanizm potwierdzania na poziomie konsensusu, który sprawdza czas bloku w porównaniu z czasem rzeczywistym, lub ustanowić niezależny system czasowy o większej dokładności.

Rozwiązanie zewnętrzne: Blockchainy potrzebują zdecentralizowanej sieci, która wykorzystuje sieć wyroczni czasowej podobną do NTP, aby dodawać precyzyjne znaczniki czasowe do bloków sieciowych i transakcji w blokach.

W świetle współpracy między wieloma łańcuchami, rozwiązanie zewnętrzne może być bardziej odpowiednie. Zakładając na przykład, że Ethereum i Terra mają własne zegary, jeśli znaczniki czasowe dostarczane przez te zegary są różne, trudno będzie nam określić, który jest prawidłowy podczas interakcji między nimi. Na przykład w konwencjonalnej sieci komputerowej ostatecznie tylko jeden zegar główny mówi wszystkim, która jest godzina. Blockchainy również potrzebują zegara głównego.

W przyszłym multiwersum umożliwionym przez wiele łańcuchów staniemy przed kolejnym wyzwaniem — liczba zegarów na wszystkich różnych komputerach jest znacznie wyższa niż oczekiwano. Na przykład istnieją zegary do gier, zegary naliczania odsetek DeFi, zegary blockchain itp. Ponieważ te zegary będą zakłócać czas w węzłach meta, potrzebne będzie jedno wiarygodne źródło czasu, aby ujednolicić i zsynchronizować wszystkie transakcje. Kiedy taka sieć wyroczni czasowej zostanie ostatecznie szeroko przyjęta, zapewni dodatkową warstwę bezpieczeństwa, oferując dodatkowe potwierdzenia czasowe dla każdej transakcji, podobnie jak ma to miejsce w świecie rzeczywistym. Czas stanie się również dodatkową warstwą bezpieczeństwa dla sieci blockchain.

Bibliografia:

CoinEx Research: Dylemat Bezpieczeństwa Aktywów Blockchain: Dlaczego Czas Rzeczywisty Jest Wymagany Jako Dodatkowa Warstwa Zabezpieczeń