ADESS: بروتوكول إثبات العمل لردع هجمات الإنفاق المزدوج

جدول المحتويات

1 المقدمة

تكمن الثغرة الرئيسية لسلاسل الكتل القائمة على إثبات العمل (PoW) في إمكانية قيام المهاجمين بإعادة كتابة سجل المعاملات من خلال تفرعة الكتل المنشورة سابقاً وبناء مقاطع سلسلة بديلة بتسلسلات معاملات مختلفة. عندما تتراكم صعوبة أحجية التعدين في سلسلة المهاجم أكثر من السلسلة الأساسية القائمة، تعترف العقد بها كسلسلة أساسية، مما يمكن من هجمات الإنفاق المزدوج حيث يلغي المهاجمون تحويلات الرموز المسجلة على السلسلة الأصلية.

تُظهر الحوادث الواقعية، مثل هجمات إيثريوم كلاسيك وبيتكوين جولد بين عامي 2020-2018، التهديد العملي للإنفاق المزدوج. يتناول تعديل بروتوكول ADESS هذه الثغرة من خلال إدخال آليات جديدة لتحديد سلاسل المهاجمين وفرض عقوبات اقتصادية.

1.1 تعديلا ADESS الرئيسيان

يقدم ADESS تعديلين رئيسيين على بروتوكولات إثبات العمل الحالية:

1.1.1 تحديد سلسلة المهاجم

يحدد البروتوكول سلاسل المهاجمين المحتملة من خلال تحليل أنماط التسلسل الزمني. عند مقارنة السلاسل ذات كتلة السلف المشتركة ("كتلة التفرع")، يفرض ADESS عقوبات على السلاسل التي كانت آخر من بث الحد الأدنى من الكتل المتتالية من كتلة التفرع. وهذا يستفيد من النمط السلوكي حيث يؤخر المهاجمون بث سلسلتهم حتى بعد استلام البضائع أو الخدمات.

1.1.2 آلية العقاب الأسية

بمجرد تحديد سلسلة المهاجم، يطبق ADESS متطلبات قوة تجزئة متزايدة بشكل أسي لجعل سلسلة المهاجم أساسية. وهذا يزيد بشكل كبير من التكلفة الاقتصادية للهجمات الناجحة.

2 الإطار التقني

يعمل ADESS كتعديل على بروتوكول إجماع ناكاموتو، محافظاً على التوافق مع الإصدارات السابقة مع تعزيز الأمان ضد هجمات الإنفاق المزدوج.

2.1 الأساس الرياضي

يمكن تمثيل آلية العقاب في ADESS رياضياً على النحو التالي:

$P_A = D_A \times e^{\lambda \times \Delta t}$

حيث:

• $P_A$ = صعوبة سلسلة المهاجم الفعالة المعدلة بالعقاب
• $D_A$ = صعوبة التعدين الفعلية لسلسلة المهاجم
• $\lambda$ = معلمة معدل نمو العقاب
• $\Delta t$ = التأخير الزمني بين بث السلاسل

التكلفة المتوقعة لهجوم الإنفاق المزدوج تحت ADESS تصبح:

$E[Cost_{ADESS}] = \int_0^T h(t) \times e^{\lambda t} \times c \, dt$

حيث $h(t)$ هي دالة قوة التجزئة و $c$ هي التكلفة لكل وحدة قوة تجزئة.

2.2 تنفيذ البروتوكول

يعدل ADESS خوارزمية اختيار السلسلة لدمج التحليل الزمني. تحتفظ العقد ببيانات وصفية إضافية حول أوقات نشر الكتلة وتستخدم هذه المعلومات أثناء أحداث إعادة تنظيم السلسلة.

3 النتائج التجريبية

أجرى الباحثون محاكيات مقارنة بين ADESS وبروتوكولات إثبات العمل التقليدية تحت سيناريوهات هجوم مختلفة.

3.1.1 احتمالية نجاح الهجوم

تُظهر النتائج التجريبية أن ADESS يقلل من احتمالية نجاح هجوم الإنفاق المزدوج بنسبة 68%-45 مقارنة ببروتوكولات إثبات العمل القياسية، اعتماداً على معلمات الشبكة ونسبة قوة التجزئة للمهاجم.

3.1.2 تحليل التكلفة الاقتصادية

تُظهر الدراسة أنه لأي قيمة معاملة، يوجد إعداد عقاب في ADESS يجعل الربح المتوقع لهجمات الإنفاق المزدوج سلبياً، مما يردع المهاجمين العقلانيين بشكل فعال.

3.1 تحليل الأمان

يحافظ ADESS على نفس ضمانات الأمان مثل إثبات العمل التقليدي للمشاركين الصادقين مع زيادة تكاليف الهجوم بشكل كبير. يكون البروتوكول أكثر فعالية عندما تضبط صعوبة التعدين بشكل متكرر بين فترات الكتل القصيرة.

4 التنفيذ البرمجي

فيما يلي تنفيذ شبه برمجي مبسط لخوارزمية اختيار السلسلة في ADESS:

function selectCanonicalChain(chains):
    // تصفية السلاسل ذات العمل الكافي
    valid_chains = filter(lambda c: c.total_difficulty > THRESHOLD, chains)
    
    // إيجاد السلف المشترك وحساب التأخيرات الزمنية
    fork_block = findCommonAncestor(valid_chains)
    time_delays = calculateBroadcastDelays(valid_chains, fork_block)
    
    // تطبيق عقاب ADESS
    for chain in valid_chains:
        if isPotentialAttacker(chain, time_delays):
            penalty = exp(PENALTY_RATE * time_delays[chain])
            chain.effective_difficulty = chain.total_difficulty / penalty
        else:
            chain.effective_difficulty = chain.total_difficulty
    
    // اختيار السلسلة ذات الصعوبة الفعالة الأعلى
    return max(valid_chains, key=lambda c: c.effective_difficulty)

function isPotentialAttacker(chain, delays):
    return delays[chain] > ATTACKER_THRESHOLD

5 التحليل الأصلي

يمثل بروتوكول ADESS تقدماً كبيراً في أمان سلسلة الكتل القائمة على إثبات العمل، معالجا الثغرات الأساسية التي استمرت منذ بداية البيتكوين. على عكس النهج التقليدية التي تركز فقط على العمل التراكمي، يقدم ADESS التحليل الزمني كبعد أمني، مخلقاً آلية دفاع متعددة الجوانب. يتماشى هذا النهج مع الاتجاهات الناشئة في أمان سلسلة الكتل التي تدمج الاقتصاد السلوكي ونظرية الألعاب، على غرار كيفية تحول إيثريوم إلى إثبات الحصة الذي أدخل شروط القص بناءً على سلوك المدقق.

من منظور تقني، تخلق آلية العقاب الأسية في ADESS عوامل ثني اقتصادية عقلانية للمهاجمين. يضمن الصياغة الرياضية $P_A = D_A \times e^{\lambda \times \Delta t}$ أن تكاليف الهجوم تنمو بشكل فائق الخطية مع الوقت، مما يجعل الهجمات المستدامة غير مجدية اقتصادياً. يشترك هذا النهج في أوجه تشابه مفهومية مع خوارزمية تعديل الصعوبة في البيتكوين لكنه يطبق المفهوم الأسي على الأمان بدلاً من تنظيم التعدين.

مقارنة بآليات منع الإنفاق المزدوج الأخرى مثل وضع النقاط الفاصلة أو إجماع أفالانش، يحافظ ADESS على الطبيعة اللامركزية لإثبات العمل مع إضافة الحد الأدنى من النفقات الحسابية. تظهر فعالية البروتوكول في المحاكيات - التي أظهرت انخفاضاً بنسبة 68%-45 في احتمالية نجاح الهجوم - الجدوى العملية. ومع ذلك، فإن الاعتماد على مزامنة الوقت الدقيقة بين العقد يطرح تحديات تنفيذية تتطلب تصميم شبكة دقيق، مما يذكر بمشاكل موثوقية الطابع الزمني التي نوقشت في الورقة البيضاء للبيتكوين نفسها.

يساهم البحث في المشهد الأوسع لأمان سلسلة الكتل من خلال إظهار أن تعديلات البروتوكول لا يجب أن تكون ثورية لتكون فعالة. كما لوحظ في ورقة CycleGAN (Zhu et al., 2017)، فإن الابتكارات الأكثر تأثيراً تأتي أحياناً من إعادة التركيب الإبداعي للمفاهيم الحالية بدلاً من النهج الجديدة تماماً. يتبع ADESS هذا النمط من خلال الجمع بين التحليل الزمني والحوافز الاقتصادية بطريقة جديدة يمكن أن تؤثر على تصميمات بروتوكولات سلسلة الكتل المستقبلية beyond مجرد أنظمة إثبات العمل.

6 التطبيقات المستقبلية

يحتوي بروتوكول ADESS على عدة تطبيقات مستقبلية واعدة واتجاهات تطوير:

6.1 الأمان عبر السلاسل

يمكن تكييف مبادئ ADESS للجسور بين السلاسل وبروتوكولات التشغيل البيني، حيث يمكن أن يساعد التحليل الزمني في منع هجمات الجسور وضمان الذرية في المعاملات عبر السلاسل.

6.2 آليات الإجماع الهجينة

يمكن للتكامل مع إثبات الحصة وخوارزميات الإجماع الأخرى إنشاء أنظمة هجينة تستفيد من ميزات الأمان الزمني في ADESS مع الاستفادة من كفاءة الطاقة لآليات الإجماع البديلة.

6.3 أنظمة الدفع الفوري

لمعالجات الدفع بالعملات المشفرة والتبادلات، يمكن لـ ADESS تمكين الإنهاء الأسرع للمعاملات بضمانات أمان أعلى، مما قد يقلل أوقات التأكيد للمعاملات عالية القيمة.

6.4 تحسينات العقود الذكية

يمكن للعمل المستقبلي دمج مفاهيم ADESS في منصات العقود الذكية، مما يسمح للعقود بضبط معلمات الأمان ديناميكياً بناءً على خصائص السلسلة الزمنية.

7 المراجع

1. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System
2. Wood, G. (2021). Ethereum: A Secure Decentralised Generalised Transaction Ledger
3. Zhu, J. Y., Park, T., Isola, P., & Efros, A. A. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks. IEEE International Conference on Computer Vision
4. Buterin, V. (2014). A Next-Generation Smart Contract and Decentralized Application Platform
5. Garay, J., Kiayias, A., & Leonardos, N. (2015). The Bitcoin Backbone Protocol: Analysis and Applications
6. MIT Digital Currency Initiative (2020). 51% Reorganization Tracker
7. Singer, A. (2019). Ethereum Classic 51% Attacks: A Post-Mortem
8. Lovejoy, J. (2020). Understanding and Mitigating 51% Attacks on Proof-of-Work Blockchains