تحليل هجمات إجماع البلوكشين: هجمات الإنفاق المزدوج وحجب الشبكة

جدول المحتويات

1. المقدمة

حققت العملات الرقمية القائمة على البلوكشين مثل البيتكوين انتشاراً واسعاً، إلا أن هناك توجيهاً محدوداً حول القيمة الفعلية للسلع أو الخدمات التي يمكن تأمينها ضد هجمات الإنفاق المزدوج باستخدام معاملات البلوكشين. إن فهم هذا الخطر أمر بالغ الأهمية للتجار والخدمات التي تستخدم معاملات البلوكشين للتسوية، بما في ذلك السلاسل الجانبية وشبكة البرق.

تفتقر الدراسات السابقة لاقتصاديات هجوم الإنفاق المزدوج بسبب النماذج المبسطة التي لا تستطيع التقاط التعقيد الكامل للمشكلة. يقدم هذا العمل نموذجاً جديداً في الزمن المستمر لهجمات الإنفاق المزدوج ويقيم كلاً من الهجمات التقليدية وتلك التي تُنفذ مع هجمات حجب الشبكة المتزامنة.

2. النموذج الرياضي لتعدين البلوكشين

2.1 عملية التعدين في الزمن المستمر

نشتق نموذجاً في الزمن المستمر يلتقط الطبيعة العشوائية لتعدين البلوكشين. يأخذ النموذج في الاعتبار أوقات وصول الكتل بطريقة بواسون واحتمالية تعدين الكتلة بنجاح بناءً على توزيع القوة الحسابية.

احتمالية أن يلحق المهاجم الذي يمتلك جزءاً $q$ من إجمالي قوة التعدين بالسلسلة الأمينة عندما يكون متأخراً بمقدار $z$ كتلة تُعطى بالعلاقة:

$$P(z) = \begin{cases} 1 & \text{if } q \leq 0.5 \\ \left(\frac{q}{p}\right)^z & \text{if } q > 0.5 \end{cases}$$

حيث $p = 1 - q$ تمثل قوة التعدين الأمينة.

2.2 احتمالية هجوم الإنفاق المزدوج

تعتمد احتمالية نجاح هجوم الإنفاق المزدوج على عمق التأكيد $z$، وقوة تعدين المهاجم $q$، وقيمة السلع المعرضة للخطر $V$. الربح المتوقع للمهاجم هو:

$$E[\text{profit}] = V \cdot P_{\text{success}}(z, q) - C_{\text{mining}}(q, z)$$

حيث $C_{\text{mining}}$ تمثل تكلفة التعدين خلال فترة الهجوم.

3. التحليل الاقتصادي لهجمات الإنفاق المزدوج

3.1 أمان التأكيد الفردي

بالنسبة للتجار الذين يتطلبون تأكيداً فردياً فقط، يُظهر تحليلنا الحماية ضد المهاجمين الذين يمتلكون حتى 25% من قوة التعدين، ولكن فقط عندما تكون القيمة الإجمالية للسلع المعرضة للخطر أقل من 100 بيتكوين. بعد هذا الحد، يجعل الحافز الاقتصادي الهجمات مربحة.

3.2 تحليل التأكيدات المتعددة

يزيد التجار الذين يتطلبون 55 تأكيداً (حوالي 9 ساعات في البيتكوين) من الأمان بشكل كبير. لا يستطيع المهاجم تحقيق التعادل ما لم يمتلك أكثر من 35% من قوة التعدين الحالية، أو عندما تتجاوز قيمة السلع المعرضة للخطر 1,000,000 بيتكوين.

4. دمج هجوم حجب الشبكة

عند الجمع مع هجمات حجب الشبكة، حيث يحجب الخصوم رؤية النظير المستهدف لغالبية سلسلة الكتل، تصبح هجمات الإنفاق المزدوج أكثر فعالية بشكل كبير. يحدد نموذجنا كيف تقلل هجمات حجب الشبكة من عتبة الأمان من خلال عزل التجار عن الشبكة الأمينة.

تصبح احتمالية النجاح المعدلة تحت هجوم حجب الشبكة:

$$P_{\text{eclipse}}(z, q) = P(z, q) \cdot P_{\text{eclipse-success}}$$

حيث تعتمد $P_{\text{eclipse-success}}$ على اتصالية الشبكة وقدرة المهاجم على الحفاظ على الحجب.

5. النتائج التجريبية

يُظهر التحقق التجريبي لدينا أن أمان المعاملات ضد هجمات الإنفاق المزدوج يزداد تقريباً بشكل لوغاريتمي مع عمق الكتلة. توازن هذه العلاقة بين الأرباح المحتملة المتزايدة مقابل عمل الإثبات المطلوب المتزايد.

وصف الرسم البياني: يُظهر مخطط تحليل الأمان ثلاث منحنيات تمثل مستويات مختلفة من قوة تعدين المهاجم (10%، 25%، 40%). يمثل المحور السيني عمق التأكيد (1-100 كتلة)، بينما يُظهر المحور الصادي أقصى قيمة آمنة للمعاملة بالبيتكوين. تظهر جميع المنحنيات نمواً لوغاريتمياً، مع منحنى المهاجم بنسبة 40% الذي يُظهر نقاط تعادل أعلى بشكل ملحوظ عبر جميع أعماق التأكيد.

تشير النتائج إلى أنه بالنسبة للتطبيقات التجارية العملية، توفر 6 تأكيدات أماناً معقولاً للمعاملات التي تصل إلى 10,000 بيتكوين ضد المهاجمين الذين يمتلكون أقل من 30% من قوة التعدين.

6. التنفيذ التقني

يوجد أدناه تنفيذ مبسط بلغة بايثون لحساب احتمالية نجاح هجوم الإنفاق المزدوج:

import math

def double_spend_success_probability(q, z):
    """
    حساب احتمالية نجاح هجوم الإنفاق المزدوج
    
    المعاملات:
    q: جزء المهاجم من قوة التعدين
    z: عمق التأكيد
    
    المخرجات:
    احتمالية نجاح الهجوم
    """
    p = 1 - q  # قوة التعدين الأمينة
    
    if q <= 0.5:
        # حالة المهاجم الصغير
        lambda_val = z * (q / p)
        sum_term = 1
        for k in range(0, z+1):
            term = (math.exp(-lambda_val) * (lambda_val ** k)) / math.factorial(k)
            sum_term -= term * (1 - ((q / p) ** (z - k)))
        return sum_term
    else:
        # حالة المهاجم الكبير
        return 1.0

def break_even_analysis(q, z, mining_cost_per_block):
    """
    حساب قيمة المعاملة التعادلية لهجوم الإنفاق المزدوج
    """
    success_prob = double_spend_success_probability(q, z)
    total_mining_cost = z * mining_cost_per_block
    
    if success_prob > 0:
        return total_mining_cost / success_prob
    else:
        return float('inf')

# مثال على الاستخدام
q = 0.25  # 25% من قوة التعدين
z = 6     # 6 تأكيدات
mining_cost = 0.1  # بيتكوين لكل كتلة
break_even_value = break_even_analysis(q, z, mining_cost)
print(f"قيمة المعاملة التعادلية: {break_even_value:.2f} بيتكوين")

7. التطبيقات المستقبلية والاتجاهات

لرؤى من هذا التحليل آثار كبيرة على تقنيات البلوكشين الناشئة. تعتمد السلاسل الجانبية، كما اقترحها باحثو بلوكستريم، وحلول الطبقة الثانية مثل شبكة البرق بشكل أساسي على أمان معاملات البلوكشين الأساسية. يوفر نموذجنا توجيهاً كمياً لتصميم بروتوكولات التشغيل البيني الآمنة.

تشمل اتجاهات البحث المستقبلية:

• توسيع النموذج ليشمل آليات إجماع إثبات الحصة
• تحليل استراتيجيات تحسين الهجوم متعدد التجار
• تطوير أدوات تقييم المخاطر في الوقت الفعلي للتجار
• دمج زمن انتقال الشبكة وتأخيرات الانتشار في النموذج
• تطبيق الإطار على أنظمة البلوكشين الناشئة مثل إيثيريوم 2.0

التحليل الأصلي

8. المراجع

1. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System
2. Back, A., et al. (2014). Enabling Blockchain Innovations with Pegged Sidechains
3. Poon, J., & Dryja, T. (2016). The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments
4. Heilman, E., et al. (2015). Eclipse Attacks on Bitcoin's Peer-to-Peer Network
5. Fischer, M. J., Lynch, N. A., & Paterson, M. S. (1985). Impossibility of Distributed Consensus with One Faulty Process
6. Litecoin Project (2011). Litecoin: Open Source P2P Digital Currency
7. Sasson, E. B., et al. (2014). Zerocash: Decentralized Anonymous Payments from Bitcoin
8. Buterin, V. (2014). Ethereum: A Next-Generation Smart Contract and Decentralized Application Platform
9. MIT Digital Currency Initiative (2016). Blockchain Security Research Overview
10. European Blockchain Partnership (2020). Towards a European Blockchain Ecosystem