Машина состояний

Что такое машина состояний в криптовалюте?

Машина состояний — это система, которая переходит из одного допустимого состояния в другое при получении входных данных и применении фиксированного набора правил.

В криптовалюте машина состояний — это базовая модель, объясняющая, как блокчейн обновляет балансы, аккаунты, смарт-контракты, UTXO, записи валидаторов и другие ончейн-данные.

Состояние — это текущее состояние блокчейна.

Входными данными обычно выступают транзакция, блок, сообщение или вызов смарт-контракта.

Функция перехода — это логика протокола, определяющая, являются ли входные данные допустимыми и каким образом должно измениться состояние.

Если к одному и тому же исходному состоянию применяются одинаковые допустимые входные данные, каждый честный узел должен прийти к одинаковому конечному состоянию.

Именно такое детерминированное поведение позволяет тысячам независимых компьютеров согласовывать единый общий блокчейн, не доверяя централизованной базе данных.

В официальном whitepaper Ethereum состояние Ethereum описывается как состоящее из аккаунтов, а переходы состояний — как передача стоимости и информации между аккаунтами.

Проще говоря, машина состояний блокчейна — это механизм правил, который преобразует старые данные блокчейна и новые транзакции в новое состояние блокчейна.

Почему машины состояний важны для блокчейна

Машины состояний важны, поскольку блокчейны — это общие системы, которые должны давать одинаковый результат на множестве разных компьютеров.

Блокчейн не может полагаться на сервер одной компании, который определяет правильный баланс или значение контракта.

Вместо этого сети необходимы правила, которые каждый узел может выполнять независимо.

Когда предлагается блок, узлы проверяют содержащиеся в нем транзакции и применяют правила протокола.

Если транзакции блока приводят к допустимому новому состоянию, блок может быть принят.

Если транзакции нарушают правила, честные узлы отклоняют блок.

Так блокчейны сохраняют целостность, даже если многие участники не знают и не доверяют друг другу.

Машина состояний также помогает понять, почему одной лишь истории блокчейна недостаточно.

Транзакции фиксируют действия, которые пользователи пытались совершить, однако машина состояний определяет, что именно изменили эти транзакции.

Итогом становится новое состояние, которое может воспроизвести каждый честный узел.

Состояние, входные данные и функция перехода

Каждая машина состояний блокчейна состоит из трех базовых элементов: состояния, входных данных и функции перехода.

Состояние — это текущий набор данных, необходимый блокчейну для обработки новых действий.

В блокчейне на основе аккаунтов состояние может включать балансы аккаунтов, nonce, код контрактов и хранилище контрактов.

В блокчейне на основе UTXO состояние может включать набор неизрасходованных выходов транзакций, которые еще можно потратить.

Входные данные — это новое действие, отправленное в систему.

В большинстве криптосетей наиболее распространенным типом входных данных является подписанная транзакция.

Функция перехода — это набор правил, который проверяет входные данные и обновляет состояние.

Например, транзакция может считаться допустимой только при корректной подписи, достаточном балансе отправителя, правильном nonce и уплате комиссии.

Если все правила соблюдены, машина состояний применяет транзакцию и создает новое состояние.

Если хотя бы одно обязательное правило не выполнено, переход состояния отклоняется либо выполнение транзакции завершается неуспешно в соответствии с правилами протокола.

Блокчейн как реплицированная машина состояний

Блокчейн часто называют реплицированной машиной состояний, поскольку множество узлов поддерживают копии одного состояния и применяют одинаковые транзакции в одинаковом порядке.

Репликация означает, что систему хранят и обновляют множество компьютеров, а не один центральный сервер.

Машина состояний означает, что эти компьютеры следуют одинаковым детерминированным правилам перехода.

Порядок транзакций важен, поскольку применение одинаковых транзакций в разном порядке может дать разный результат.

Механизмы консенсуса помогают сети согласовать порядок блоков и транзакций.

После согласования порядка каждый узел может выполнить транзакции и рассчитать новое состояние.

В официальной документации CometBFT CometBFT описывается как программное обеспечение, выполняющее репликацию машин состояний с византийской отказоустойчивостью для детерминированных конечных автоматов.

Это описание отражает общую идею, лежащую в основе многих блокчейн-систем.

Консенсус согласует упорядоченные входные данные, а машина состояний применяет их для создания следующего состояния.

Блокчейн работает только при корректности обеих частей.

Детерминизм в криптовалютных машинах состояний

Детерминизм означает, что одинаковые входные данные, примененные к одинаковому состоянию, всегда создают одинаковый результат.

Криптовалютные машины состояний должны быть детерминированными, поскольку независимым узлам необходимо получать один результат.

Если один узел рассчитывает результат, отличающийся от результата другого честного узла, сеть может разделиться или отклонять блоки.

Поэтому смарт-контракты не могут зависеть от обычных случайных чисел с локального компьютера.

По этой же причине блокчейны устанавливают точные правила учета газа, подписей, арифметики, обновления хранилища и упорядочивания транзакций.

Даже небольшие различия в выполнении могут быть опасными, если они изменяют итоговый корень состояния или результат реестра.

Детерминизм особенно важен для платформ смарт-контрактов, поскольку код контрактов может обрабатывать значительные объемы стоимости.

Функция контракта должна давать одинаковый результат для каждого валидатора, выполняющего ее в одинаковых условиях.

Это делает программирование для блокчейна более строгим, чем обычная веб-разработка.

Машина состояний надежна только тогда, когда ее правила перехода предсказуемы и воспроизводимы.

Ethereum как машина состояний

Ethereum — один из наиболее наглядных примеров блокчейн-машины состояний.

В whitepaper Ethereum говорится, что состояние Ethereum состоит из аккаунтов, каждый из которых содержит nonce, баланс, код контракта и хранилище.

Транзакции запускают переходы состояния посредством передачи стоимости, создания контрактов, вызова контрактов или изменения хранилища контрактов.

Ethereum Virtual Machine, или EVM, — это среда выполнения, которая обрабатывает код смарт-контрактов.

В официальной документации Ethereum EVM EVM описывается как децентрализованная виртуальная среда, которая последовательно и безопасно выполняет код на всех узлах Ethereum.

Это означает, что EVM является частью механизма перехода состояний Ethereum.

Когда транзакция вызывает смарт-контракт, EVM выполняет инструкции контракта и рассчитывает итоговые изменения состояния.

Эти изменения могут включать обновление балансов, запись в хранилище, логи, создание контрактов и расход газа.

Если каждый узел выполняет одну и ту же транзакцию из одинакового исходного состояния, каждый честный узел должен прийти к одинаковому конечному состоянию.

Именно поэтому Ethereum может поддерживать программируемые приложения без центрального сервера приложений.

Глобальное состояние Ethereum

Глобальное состояние Ethereum — это текущее общее состояние всех аккаунтов Ethereum.

Оно включает внешние аккаунты, контролируемые приватными ключами, и аккаунты контрактов, контролируемые кодом.

В официальной документации Ethereum Merkle Patricia Trie поясняется, что Ethereum имеет одно глобальное дерево состояния, которое обновляется каждый раз, когда клиент обрабатывает блок.

Это дерево состояния создает корень состояния, фиксирующий текущее глобальное состояние.

Корень состояния хранится в заголовке блока.

Если меняется баланс одного аккаунта или значение хранилища контракта, итоговый корень состояния также должен измениться.

Это дает Ethereum компактный криптографический отпечаток всего состояния после каждого блока.

Машина состояний обновляет глобальное состояние, а корень состояния позволяет узлам убедиться, что они согласны с результатом.

Такая архитектура связывает выполнение, хранилище и консенсус.

Без общего глобального состояния смарт-контракты Ethereum не имели бы единой среды, из которой можно читать данные и в которую можно их записывать.

Bitcoin как машина состояний

Bitcoin также является машиной состояний, однако использует модель состояния, отличающуюся от Ethereum.

Bitcoin не использует глобальную систему аккаунтов, как Ethereum.

Вместо этого Bitcoin использует модель UTXO, в которой текущее доступное для расходования состояние представляет собой набор неизрасходованных выходов транзакций.

В официальном руководстве для разработчиков Bitcoin по транзакциям поясняется, что транзакции расходуют неизрасходованные выходы транзакций и создают новые выходы.

Транзакция Bitcoin действительна только в том случае, если она расходует существующие UTXO, которые еще не были потрачены.

Когда действительная транзакция принимается, использованные UTXO удаляются из набора доступных для расходования.

Новые выходы, созданные транзакцией, становятся новыми UTXO.

Это означает, что функция перехода состояния Bitcoin обновляет набор UTXO.

Машина состояний Bitcoin менее универсальна, чем модель смарт-контрактов Ethereum, но все равно представляет собой детерминированную систему обновления состояния владения.

Ключевая идея остается той же: действительные транзакции переводят систему из одного допустимого состояния в следующее.

Модель аккаунтов и машина состояний UTXO

Модель аккаунтов и модель UTXO — это два разных подхода к проектированию машины состояний блокчейна.

В модели аккаунтов состояние содержит аккаунты и балансы.

Транзакция от одного пользователя другому обычно уменьшает баланс отправителя и увеличивает баланс получателя.

Платформы смарт-контрактов часто используют архитектуру на основе аккаунтов, поскольку контрактам нужны постоянное хранилище и прямое обновление состояния.

В модели UTXO состояние содержит неизрасходованные выходы, а не балансы аккаунтов.

Транзакция расходует старые выходы и создает новые.

Кошельки могут отображать простой баланс, но обычно он рассчитывается на основе доступных пользователю выходов.

Модель аккаунтов может быть более интуитивной для разработчиков приложений.

Модель UTXO может делать некоторые формы параллельной проверки и отслеживания монет более естественными.

Обе модели являются машинами состояний, поскольку обе определяют допустимые состояния и допустимые переходы между ними.

Смарт-контракты и машины состояний

Смарт-контракты — это программы, работающие внутри машины состояний блокчейна.

Смарт-контракт может хранить данные, применять правила, получать активы, отправлять активы и взаимодействовать с другими контрактами.

Когда пользователь вызывает смарт-контракт, блокчейн не просто записывает сообщение.

Сеть выполняет код контракта и обновляет состояние в соответствии с результатом.

Например, контракт перевода токенов может уменьшить баланс токенов одного пользователя и увеличить баланс другого пользователя внутри хранилища контракта.

Кредитный контракт может обновлять балансы обеспечения и долга, индексы процентов и состояния ликвидации.

Контракт децентрализованной биржи может обновлять резервы пула ликвидности и позиции пользователей.

Все эти действия являются переходами состояния.

Поскольку смарт-контракты могут хранить реальную стоимость, их логика перехода состояния должна быть детерминированной, безопасной и тщательно протестированной.

Ошибка в правилах перехода состояния контракта может привести к потере средств или некорректной работе приложения.

Машина состояний и консенсус

Машина состояний — это не то же самое, что механизм консенсуса.

Машина состояний определяет, как меняется состояние при применении транзакций.

Консенсус определяет, как сеть согласует, какие транзакции и блоки должны быть применены.

Блокчейну необходимы оба компонента.

Если сеть имеет корректную машину состояний, но не имеет консенсуса, узлы могут применять транзакции в разном порядке и получать разные состояния.

Если сеть имеет консенсус, но неисправную машину состояний, узлы могут согласовать блоки, создающие небезопасные или неверные результаты.

Консенсус выбирает упорядоченный поток входных данных.

Машина состояний выполняет этот поток входных данных.

Итоговое состояние корректно только тогда, когда верны и правила упорядочивания, и правила выполнения.

Это различие помогает понять, почему в блокчейнах существуют как правила для валидаторов, так и правила выполнения.

Функция перехода состояния

Функция перехода состояния — это формальное правило, сопоставляющее старому состоянию и входным данным новое состояние.

В простой записи ее можно описать так: новое состояние равно функции перехода, примененной к старому состоянию и транзакции.

В криптосети эта функция проверяет подписи, балансы, nonce, комиссии, лимиты газа, код контрактов и правила, специфичные для протокола.

Если входные данные допустимы, функция создает допустимое новое состояние.

Если входные данные недопустимы, функция отклоняет их или отмечает выполнение как неуспешное в соответствии с правилами сети.

Функция перехода состояния Ethereum может включать выполнение EVM, учет газа, обновление хранилища и журналы событий.

Функция перехода состояния Bitcoin проверяет, что входы расходуют допустимые UTXO, а выходы соответствуют правилам скриптов и стоимости.

Другие блокчейны могут определять переходы состояний через модули, паллеты, объекты Move, ресурсы или логику, специфичную для приложений.

Функция перехода — это сердце машины состояний.

Именно она позволяет блокчейну развиваться без ручного обновления балансов операторами.

Репликация машины состояний

Репликация машины состояний — это процесс запуска одной и той же детерминированной машины состояний на множестве компьютеров, чтобы они оставались синхронизированными.

В блокчейн-системах это означает, что множество узлов обрабатывают одинаковые упорядоченные транзакции и рассчитывают одинаковые результаты.

Эта модель полезна, поскольку обеспечивает отказоустойчивость.

Если один узел отключается, другие узлы продолжают хранить и обновлять состояние.

Если один узел сообщает ложные данные, другие узлы могут отклонить недопустимые результаты.

Если пользователь хочет проверить систему, он может запустить узел и самостоятельно проверить переходы состояний.

CometBFT — наглядный пример этой идеи, поскольку в его документации прямо описана BFT-репликация машин состояний для детерминированных конечных автоматов.

Многие архитектуры appchain и модульных блокчейнов разделяют консенсус и логику приложений, используя эту идею.

Уровень консенсуса упорядочивает транзакции, а машина состояний приложения определяет значение этих транзакций.

Такое разделение позволяет разработчикам создавать специализированные блокчейн-приложения, полагаясь на механизм консенсуса для репликации.

Машины состояний для конкретных приложений

Блокчейн для конкретного приложения — это блокчейн, созданный для определенного приложения или сценария использования.

В такой архитектуре машину состояний блокчейна можно настроить под правила приложения.

Платежная сеть может определять простые балансы и переводы.

Сеть децентрализованной биржи может определять книги ордеров, пулы ликвидности и правила сопоставления.

Игровая сеть может определять игроков, предметы, матчи и вознаграждения.

Сеть управления может определять предложения, голоса, делегирование и правила казначейства.

Это отличается от универсальной платформы смарт-контрактов, где множество приложений используют одну среду выполнения.

Машины состояний для конкретных приложений могут быть эффективнее, поскольку им не нужно поддерживать все возможные сценарии.

Их также может быть проще анализировать, поскольку их правила сфокусированы.

Компромисс заключается в том, что они могут иметь меньшую общую компонуемость, чем единая платформа смарт-контрактов.

Машины состояний и виртуальные машины

Виртуальная машина блокчейна — это среда выполнения, которая запускает код внутри машины состояний.

EVM — наиболее известный пример.

Другие экосистемы блокчейнов используют иные виртуальные машины или среды выполнения.

Виртуальная машина определяет, как интерпретируются инструкции, как работает память, как осуществляется доступ к хранилищу, как взимается газ и как обрабатываются ошибки.

Машина состояний использует виртуальную машину для обработки программируемых транзакций.

Например, когда Ethereum выполняет вызов смарт-контракта, EVM запускает байт-код и создает изменения состояния.

Виртуальная машина должна быть детерминированной, чтобы все узлы рассчитывали одинаковый результат.

Виртуальная машина — это не весь блокчейн, но важная часть уровня выполнения.

Машина состояний блокчейна включает виртуальную машину, правила аккаунтов, комиссии, транзакции и обновление состояния.

Понимание этой взаимосвязи помогает разработчикам увидеть, почему среды выполнения критически важны для консенсуса.

Машина состояний и газ

Газ — это система расчета стоимости, используемая многими блокчейнами со смарт-контрактами для ограничения и оплаты выполнения операций.

В официальной документации Ethereum о газе поясняется, что газ — это единица измерения объема вычислительных усилий, необходимых для выполнения операций в Ethereum.

Газ является частью машины состояний, поскольку выполнение транзакций потребляет ресурсы.

Без лимитов газа транзакция могла бы выполняться бесконечно или потреблять чрезмерный объем вычислительных ресурсов.

Газ делает вычисления измеримыми и не позволяет пользователям бесплатно заставлять каждый узел выполнять неограниченную работу.

Газ также влияет на переходы состояний, поскольку транзакция может завершиться неуспешно при нехватке газа.

Даже при неуспешном выполнении комиссия может быть уплачена, поскольку узлы затратили ресурсы на попытку выполнения.

Разработчики смарт-контрактов должны понимать газ, поскольку неэффективные переходы состояний могут быть дорогостоящими для пользователей.

Пользователи должны понимать газ, поскольку комиссии за транзакции входят в стоимость изменения состояния блокчейна.

Газ показывает, что машины состояний должны управлять как корректностью, так и использованием ресурсов.

Машина состояний и корни состояния

Многие блокчейны используют криптографические обязательства для обобщения состояния после каждого блока.

В Ethereum корень состояния фиксирует глобальное состояние после выполнения транзакций.

Корень состояния — это не само состояние.

Это компактное обязательство состояния на основе хеша.

Если узлы обрабатывают один блок и рассчитывают одинаковый корень состояния, это подтверждает, что они согласны с получившимся состоянием.

Если узел рассчитывает иной корень состояния, проблема заключается в блоке, выполнении или реализации клиента.

Корни состояния также поддерживают доказательства того, что определенные значения существовали в зафиксированном состоянии.

Это важно для легких клиентов, мостов, аудиторов и кроссчейн-систем.

Машина состояний обновляет данные, а корень состояния помогает доказать, какими стали эти обновленные данные.

Так блокчейны связывают результаты выполнения с криптографической проверкой.

Машина состояний и узлы

Узлы — это реальные компьютеры, на которых запущено блокчейн-программное обеспечение и которые поддерживают машину состояний.

В официальном техническом введении Ethereum поясняется, что узлы хранят состояние EVM и обмениваются данными друг с другом для распространения изменений состояния.

Полный узел проверяет блоки, выполняя транзакции и удостоверяясь, что итоговое состояние допустимо.

Валидатор или производитель блоков может предлагать новые блоки, но другие узлы все равно должны их проверять.

Эта независимая проверка — одна из главных причин, по которым блокчейны могут минимизировать необходимость доверия.

Пользователям, запускающим собственные узлы, не нужно доверять стороннему серверу в вопросе текущего состояния.

Они могут самостоятельно рассчитать состояние на основе принятых блоков.

Однако запуск узла требует оборудования, пропускной способности, хранилища и обслуживания.

Рост состояния со временем может усложнять запуск узлов.

Поэтому проектирование машины состояний влияет не только на выполнение, но и на децентрализацию.

Машина состояний и финализация

Финализация означает, что переход состояния считается окончательно подтвержденным и его очень трудно или невозможно отменить в рамках предположений протокола.

До финализации транзакция может быть включена в блок, но все еще подвергаться риску реорганизации.

После финализации пользователи могут с большей уверенностью считать, что переход состояния останется частью канонической цепочки.

Разные блокчейны по-разному определяют финализацию.

Некоторые сети имеют вероятностную финализацию, при которой уверенность растет по мере добавления блоков.

Некоторые сети имеют экономическую финализацию или финализацию в стиле BFT, когда валидаторы подтверждают блоки в соответствии с правилами слешинга или консенсуса.

Финализация важна, поскольку машина состояний во время форков может временно иметь несколько конкурирующих возможных историй.

Консенсус определяет, какая история становится канонической.

Пользователям обычно важно не только то, что переход состояния произошел, но и то, что он останется принятым.

Машина состояний блокчейна становится полезной для финансов только тогда, когда пользователи могут полагаться на окончательность изменений состояния.

Машина состояний и форки

Форк может возникнуть, когда разные узлы временно или постоянно следуют разным историям блоков.

Если две истории включают разные транзакции, они могут создавать разные состояния.

Правила консенсуса определяют, какая цепочка является канонической в соответствии с протоколом.

Временные форки могут естественным образом возникать в децентрализованных сетях.

Постоянные форки могут возникать, когда сообщества или программные клиенты намеренно следуют разным правилам протокола.

Форк машины состояний серьезен, поскольку он может создать две отдельные версии балансов, контрактов и истории реестра.

Если две сети имеют общую историю до точки форка, в этой точке они имеют одинаковое исходное состояние.

После форка разные порядки транзакций или разные правила могут создавать разные состояния.

Поэтому обновления протокола необходимо тщательно координировать.

Все честные участники, желающие оставаться в одной сети, должны использовать совместимые правила перехода состояний.

Машина состояний и ошибки смарт-контрактов

Ошибки смарт-контрактов опасны, поскольку контракты являются частью машины состояний блокчейна.

Ошибка может определить непредусмотренный переход состояния.

Например, контракт может позволить злоумышленнику вывести больше средств, чем предполагалось.

Контракт может обновлять балансы в неправильном порядке.

Контракт может не проверять полномочия перед изменением состояния.

Контракт может допускать повторный вход, арифметические ошибки или небезопасное поведение при обновлении.

После принятия транзакции итоговое изменение состояния может быть трудно или невозможно отменить без исключительной социальной координации.

Поэтому важны аудит смарт-контрактов, тестирование, формальная верификация и тщательное проектирование.

Машина состояний блокчейна будет точно выполнять допустимую логику контракта, даже если эта логика экономически вредна.

Следовательно, корректность кода является частью безопасности состояния.

Машина состояний и оракулы

Оракулы предоставляют внешние данные блокчейн-приложениям.

Они важны, поскольку машина состояний блокчейна сама по себе не может напрямую знать факты вне блокчейна.

Например, кредитному контракту может понадобиться цена токена.

Рынку прогнозов может понадобиться результат события.

Системе синтетических активов может понадобиться эталонный индекс.

Оракул отправляет данные, которые становятся входными данными машины состояний.

Если данные оракула неверны, задержаны, подвержены манипуляциям или недоступны, итоговый переход состояния может быть неверным.

Это означает, что архитектура оракула критически важна для приложений, зависящих от информации из реального мира.

Детерминированная машина состояний может детерминированно обрабатывать только полученные данные.

Она не может гарантировать истинность офчейн-данных, если система оракула не является надежной и защищенной.

Машина состояний и разрастание состояния

Разрастание состояния происходит, когда активное состояние блокчейна становится слишком большим.

Каждый аккаунт, слот хранилища, контракт, ордер, позиция и запись данных могут увеличивать состояние, которое узлы должны поддерживать.

Большее состояние может повысить требования к хранилищу узлов, время синхронизации, нагрузку на базу данных и стоимость оборудования.

Если запускать узлы смогут меньше людей, децентрализация может пострадать.

Поэтому многие блокчейны взимают комиссии или депозиты за постоянное хранение данных.

Разрастание состояния — это проблема машины состояний, поскольку каждый переход может добавлять, изменять или удалять данные.

Хорошо спроектированная машина состояний должна препятствовать бесполезному росту состояния, одновременно поддерживая полезные приложения.

Комиссии за газ, арендная плата за хранилище, истечение срока хранения состояния, отсечение данных и улучшения обязательств состояния связаны с этой проблемой.

Чем мощнее становится машина состояний блокчейна, тем тщательнее она должна управлять долгосрочным состоянием.

Масштабирование связано не только с количеством транзакций в секунду, но и с устойчивым ростом состояния.

Машина состояний и сети Layer 2

Сети Layer 2 также используют машины состояний.

Например, роллап имеет собственное состояние, которое меняется по мере отправки пользователями транзакций.

Роллап может публиковать данные транзакций, корни состояния, доказательства валидности или данные fraud proof на базовом уровне.

Базовый уровень не обязательно напрямую выполняет каждую транзакцию Layer 2.

Вместо этого он помогает проводить расчеты или проверять состояние Layer 2 в соответствии с архитектурой роллапа.

Это означает, что Layer 2 можно рассматривать как еще одну машину состояний, связанную с машиной состояний Layer 1.

Межуровневая архитектура сложна, поскольку пользователям необходима уверенность в допустимости переходов состояния Layer 2 и возможности вывода средств.

Важны доступность данных, системы доказательств, мосты, секвенсоры и правила расчетов.

Масштабирование Layer 2 не устраняет машины состояний.

Оно добавляет более специализированные машины состояний, которые по-разному опираются на безопасность базового уровня.

Машина состояний и мосты

Мосты связывают машины состояний между сетями или уровнями.

Мосту может потребоваться доказать, что событие, сообщение или переход состояния произошел в одной сети, прежде чем разблокировать или выпустить активы в другой сети.

Это сложно, поскольку у каждого блокчейна есть собственные консенсус, правила финализации, модель состояния и система доказательств.

Мост, неверно интерпретирующий состояние, может стать небезопасным.

Например, мост может принять сообщение до его финализации.

Он может полагаться на слабый набор валидаторов.

Он может не проверить правильный корень состояния или доказательство.

Он может содержать ошибки смарт-контрактов в принимающей машине состояний.

Поэтому мосты являются одной из наиболее рискованных областей взаимодействия машин состояний.

Пользователям не следует считать, что активы одинаково защищены после перехода между машинами состояний.

Машина состояний и управление

Управление может изменять правила машины состояний блокчейна.

Обновление протокола может добавить новые типы транзакций, изменить стоимость газа, скорректировать правила стейкинга, ввести новые опкоды или изменить стоимость хранения.

Эти изменения влияют на работу будущих переходов состояния.

Таким образом, решения по управлению являются не только политическими или социальными решениями.

Это изменения механизма правил, который определяет допустимое поведение блокчейна.

Если процесс управления слабый, поспешный или захваченный, он может навредить безопасности машины состояний.

Если процесс управления понятен и хорошо протестирован, он может помочь сети развиваться.

Обновления необходимо тщательно внедрять во всем клиентском программном обеспечении.

Если клиенты расходятся в правилах перехода, сеть может разделиться в результате форка.

Надлежащее управление защищает непрерывность общей машины состояний.

Машина состояний и кошельки

Кошельки — это пользовательские интерфейсы для взаимодействия с машинами состояний блокчейна.

Когда кошелек отображает баланс, он считывает состояние или индексированные данные, полученные из состояния.

Когда кошелек просит пользователя подписать транзакцию, он подготавливает входные данные для машины состояний.

Когда пользователь одобряет токен, обменивает актив или выпускает NFT, кошелек помогает отправить действие, изменяющее состояние.

Именно поэтому запросы кошелька настолько важны.

Перед подписанием пользователь должен понимать, какое изменение состояния он авторизует.

Вредоносная транзакция может изменить разрешения, перевести активы, вызвать контракты или предоставить права.

Блокчейн выполнит допустимые подписанные инструкции, даже если пользователь не понял интерфейс.

Таким образом, безопасность кошелька заключается в том, чтобы помогать пользователям безопасно создавать входные данные для машины состояний.

Хороший кошелек делает переходы состояний понятными до их выполнения.

Машина состояний и балансы токенов

Балансы токенов часто являются значениями состояния внутри смарт-контрактов.

На платформе смарт-контрактов на основе аккаунтов контракт токена может хранить сопоставление адресов пользователей с балансами.

При переводе токенов контракт обновляет это внутреннее сопоставление балансов.

Пользователь может видеть результат как простое изменение баланса в кошельке.

На техническом уровне это переход состояния на уровне контракта.

Это означает, что балансы токенов не всегда относятся к тому же типу состояния, что и балансы нативных монет.

Баланс нативной монеты может быть частью базового состояния аккаунта.

Баланс токена может быть частью состояния хранилища контракта.

Это различие важно для доказательств, индексации, отображения в кошельке и рисков смарт-контрактов.

Если контракт токена содержит небезопасную логику, машина состояний токена может вести себя непредсказуемо.

Машина состояний и NFT

NFT также зависят от машин состояний.

Контракт NFT хранит информацию о владении уникальными ID токенов.

При передаче NFT контракт обновляет адрес, владеющий ID токена.

При выпуске NFT контракт создает новую запись о владении.

При сжигании NFT контракт удаляет токен или помечает его в соответствии со своими правилами.

Метаданные могут храниться ончейн или указываться через внешние системы.

Машина состояний определяет, допустима ли передача, кто может ее одобрить и как меняется владение.

Поэтому безопасность NFT зависит как от логики контракта, так и от хранения в кошельке.

NFT — это не только изображение или предмет коллекционирования.

Это также запись состояния, контролируемая правилами смарт-контракта.

Понимание машин состояний помогает пользователям понять, что на практике означает ончейн-владение NFT.

Преимущества машин состояний в криптовалюте

Первое преимущество машины состояний блокчейна — общая проверка.

Любой пользователь, запускающий совместимое программное обеспечение узла, может проверить допустимость переходов состояний.

Второе преимущество — детерминированное выполнение.

Все честные узлы могут получить одинаковый результат из одного исходного состояния и упорядоченных входных данных.

Третье преимущество — программируемость.

Платформы смарт-контрактов позволяют разработчикам определять переходы состояний на уровне приложений.

Четвертое преимущество — прозрачность.

Публичные блокчейны позволяют пользователям проверять транзакции, корни состояния, хранилище контрактов и результаты выполнения в зависимости от сети и используемых инструментов.

Пятое преимущество — отказоустойчивость.

Множество узлов могут реплицировать машину состояний, снижая зависимость от одного сервера.

Шестое преимущество — компонуемость.

Приложения могут взаимодействовать с общим состоянием, если платформа безопасно поддерживает это.

Именно эти преимущества делают машины состояний основой архитектуры публичных блокчейнов.

Ограничения машин состояний в криптовалюте

Первое ограничение — сложность.

Пользователи часто не понимают переходы состояний, которые они подписывают.

Второе ограничение — рост состояния.

Постоянное состояние может быть дорогостоящим для хранения и проверки узлами.

Третье ограничение — стоимость выполнения.

Во многих блокчейнах каждому узлу может потребоваться обрабатывать одну и ту же транзакцию, изменяющую состояние.

Четвертое ограничение — риск обновлений.

Изменение правил перехода может создавать ошибки или форки, если проводить его неосторожно.

Пятое ограничение — риск приложений.

Машины состояний смарт-контрактов могут содержать ошибочную логику, даже если базовая сеть работает корректно.

Шестое ограничение — риск внешних данных.

Оракулы могут передавать неверную информацию в системы, которые в остальном являются детерминированными.

Эти ограничения показывают, почему проектирование машин состояний требует инженерной дисциплины, аудита безопасности и понятных пользовательских интерфейсов.

Распространенные заблуждения о машинах состояний

Одно из распространенных заблуждений состоит в том, что блокчейн — это лишь база данных.

Блокчейн также является машиной состояний, поскольку определяет правила допустимых изменений состояния.

Другое заблуждение заключается в том, что консенсус и выполнение — это одно и то же.

Консенсус упорядочивает блоки и транзакции, а выполнение применяет правила перехода состояний.

Третье заблуждение состоит в том, что смарт-контракты работают на одном центральном сервере.

Смарт-контракты выполняются узлами в соответствии с детерминированными правилами машины состояний блокчейна.

Четвертое заблуждение заключается в том, что история транзакций и текущее состояние — это одно и то же.

История транзакций фиксирует входные данные, а состояние отражает текущий результат после обработки этих входных данных.

Пятое заблуждение состоит в том, что детерминированное выполнение гарантирует хороший результат.

Детерминизм гарантирует согласованность результатов, но результат все равно может быть вредным, если логика контракта или входные данные содержат ошибки.

Рекомендации для разработчиков

Проектируйте смарт-контракты как явные машины состояний с четкими состояниями, переходами и условиями сбоя.

Тестируйте каждый переход состояния в обычных и враждебных условиях.

Тщательно используйте контроль доступа, поскольку несанкционированные переходы состояния могут иметь катастрофические последствия.

Не полагайтесь на недетерминированное поведение при выполнении операций в блокчейне.

Минимизируйте ненужное постоянное хранилище, поскольку рост состояния увеличивает затраты пользователей и узлов.

Используйте события для исторических сигналов, когда активное состояние не требуется.

Моделируйте пограничные случаи: неуспешные вызовы, повторный вход, частичное выполнение, сбои оракулов и пути обновления.

Документируйте, какие изменения состояния вносит каждая функция.

Проверяйте стоимость газа, поскольку переходы состояний, записывающие данные в хранилище, могут быть дорогостоящими.

Относитесь к логике машины состояний как к критически важному для безопасности коду.

Рекомендации для пользователей

Внимательно читайте запросы кошелька перед подписанием транзакций.

Помните, что подписание транзакции может навсегда изменить состояние блокчейна.

Проверяйте, какие разрешения дает контракту одобрение токена.

Используйте надежные интерфейсы при взаимодействии со смарт-контрактами.

Начинайте с небольших транзакций при тестировании нового приложения.

Проверяйте адреса контрактов и не подписывайте неизвестные сообщения.

Помните, что в некоторых сетях неуспешные транзакции все равно могут требовать уплаты комиссий.

Помните, что состояние блокчейна может быть прозрачным, однако прозрачность не гарантирует безопасность.

Будьте осторожны с мостами, поскольку они связывают разные машины состояний с разными предположениями.

Используйте инструменты безопасности и при необходимости отзывайте ненужные разрешения.

FAQ

Что означает машина состояний в криптовалюте?

В криптовалюте машина состояний — это система правил, которая принимает текущее состояние блокчейна и допустимые транзакции в качестве входных данных, а затем создает новое состояние блокчейна.

Почему блокчейн называют машиной состояний?

Блокчейн называют машиной состояний, поскольку он многократно переходит из одного допустимого состояния в следующее, применяя упорядоченные транзакции в соответствии с фиксированными правилами протокола.

Что такое состояние блокчейна?

Состояние блокчейна — это текущий набор данных, необходимых для обработки новых транзакций, например балансы, аккаунты, хранилище контрактов, UTXO и записи валидаторов.

Что такое переход состояния?

Переход состояния — это изменение одного состояния блокчейна на другое после обработки допустимой транзакции, блока или сообщения.

Является ли Ethereum машиной состояний?

Да, Ethereum можно рассматривать как машину состояний на основе транзакций, в которой транзакции и вызовы смарт-контрактов обновляют глобальное состояние.

Является ли Bitcoin машиной состояний?

Да, Bitcoin можно рассматривать как машину состояний на основе UTXO, в которой допустимые транзакции расходуют неизрасходованные выходы и создают новые неизрасходованные выходы.

Что такое репликация машины состояний?

Репликация машины состояний означает запуск одной и той же детерминированной машины состояний на множестве компьютеров, чтобы они обрабатывали одинаковые упорядоченные входные данные и поддерживали одинаковое состояние.

В чем разница между консенсусом и машиной состояний?

Консенсус согласует порядок транзакций, а машина состояний применяет упорядоченные транзакции для обновления состояния блокчейна.

Почему машины состояний блокчейна должны быть детерминированными?

Они должны быть детерминированными, чтобы все честные узлы могли рассчитать одинаковый результат из одинакового исходного состояния и порядка транзакций.

Как смарт-контракты связаны с машинами состояний?

Смарт-контракты определяют правила на уровне приложений, обновляющие состояние блокчейна, когда пользователи отправляют допустимые транзакции или вызовы контрактов.

Заключение

Машина состояний — одна из важнейших концепций, лежащих в основе криптовалютных сетей.

Она объясняет, как блокчейны переходят из одного допустимого состояния в другое, применяя транзакции по детерминированным правилам.

Bitcoin использует машину состояний на основе UTXO, в которой допустимые транзакции расходуют старые выходы и создают новые.

Ethereum использует машину состояний на основе аккаунтов, в которой аккаунты, балансы, код контрактов и хранилище обновляются посредством транзакций и выполнения EVM.

Механизмы консенсуса и машины состояний работают вместе, но выполняют разные задачи.

Консенсус упорядочивает входные данные, а машина состояний выполняет правила и создает новое состояние.

Эта модель делает публичные блокчейны проверяемыми, поскольку множество независимых узлов могут обрабатывать одинаковые упорядоченные данные и удостоверяться, что получают одинаковый результат.

Машины состояний также делают возможными смарт-контракты, поскольку приложения могут определять программируемые правила изменения ончейн-данных.

Однако машины состояний создают реальные риски, когда логика смарт-контракта ошибочна, данные оракула плохого качества, состояние становится слишком большим или пользователи подписывают непонятные им транзакции.

Разработчикам подход, основанный на машине состояний, помогает создавать более безопасные контракты, более понятные правила и более качественные тесты.

Пользователям он помогает понять, почему каждая подписанная транзакция — это инструкция, которая может изменить балансы, разрешения, владение или состояние приложения.

В контексте криптоглоссария State Machine означает детерминированную систему правил, которая обрабатывает транзакции блокчейна и переводит сеть из одного допустимого состояния в следующее.

Главный вывод: блокчейн — это не только запись прошлых транзакций, но и реплицированная машина состояний, позволяющая множеству независимых узлов согласовывать текущую истину цифровой экономики.