ADESS: پروتکل اثبات کار برای جلوگیری از حملات دوبار خرج کردن

فهرست مطالب

1 مقدمه

آسیب‌پذیری اساسی در بلاک‌چین‌های اثبات کار، در توانایی مهاجمان برای بازنویسی تاریخچه تراکنش‌ها با فورک کردن بلاک‌های منتشر شده قبلی و ساخت بخش‌های زنجیره جایگزین با ترتیب‌های تراکنش متفاوت نهفته است. هنگامی که زنجیره مهاجم مشکل معادلی پیچیده‌تری نسبت به زنجیره متعارف فعلی جمع‌آوری می‌کند، گره‌ها مجبور می‌شوند آن را به عنوان قانونی به رسمیت بشناسند. این آسیب‌پذیری، حملات دوبار خرج کردن را ممکن می‌سازد، جایی که مهاجمان می‌توانند انتقال توکن‌های ثبت شده در زنجیره اصلی را باطل کنند.

1.1 دو اصلاحیه ADESS

ADESS دو اصلاحیه حیاتی را در پروتکل‌های اثبات کار موجود معرفی می‌کند. اصلاحیه اول، شناسایی زنجیره‌های مهاجم را با تحلیل ترتیب‌های زمانی بلاک‌ها ممکن می‌سازد. اصلاحیه دوم، جریمه‌های نمایی بر مهاجمان شناسایی شده اعمال می‌کند که به طور قابل توجهی هزینه محاسباتی مورد نیاز برای متعارف کردن زنجیره‌های فورک شده را افزایش می‌دهد.

2 چارچوب فنی

2.1 شناسایی زنجیره مهاجم

مکانیسم شناسایی از الگوی رفتاری مهاجمان دوبار خرج کردن استفاده می‌کند. هنگامی که باب توکن‌ها را از آلیس دریافت می‌کند، قبل از تحویل کالا یا خدمات، منتظر تأیید تراکنش از طریق چندین بلاک می‌ماند. در همین حال، آلیس به طور مخفیانه یک زنجیره جایگزین می‌سازد اما پخش آن را تا پس از دریافت کالای مبادله‌ای باب به تأخیر می‌اندازد. ADESS از این الگوی تأخیر در پخش برای شناسایی زنجیره‌های مهاجم بالقوه استفاده می‌کند.

2.2 مکانیسم جریمه نمایی

هنگامی که یک زنجیره مهاجم شناسایی شد، ADESS جریمه‌های نمایی اعمال می‌کند که از مهاجم می‌خواهد نرخ هش بالاتری را برای متعارف کردن زنجیره خود اعمال کند. جریمه با عمق فورک افزایش می‌یابد و حملات مداوم را از نظر اقتصادی غیرممکن می‌سازد.

3 فرمول‌بندی ریاضی

پروتکل ADESS یک تابع جریمه $P(d) = \alpha \cdot \beta^d$ معرفی می‌کند که در آن:

• $P(d)$ نشان‌دهنده جریمه در عمق فورک $d$ است
• $\alpha$ ضریب پایه جریمه است
• $\beta$ عامل رشد نمایی است ($\beta > 1$)
• $d$ تعداد بلاک‌ها از نقطه فورک است

مشکل معادلی مؤثر برای مهاجم به $D_{eff} = D \cdot P(d)$ تبدیل می‌شود، که در آن $D$ مشکل معادلی اسمی است.

4 نتایج تجربی

محققان دو نتیجه کلیدی را از طریق شبیه‌سازی و تحلیل ریاضی نشان دادند:

1. هزینه مورد انتظار حملات دوبار خرج کردن تحت ADESS در مقایسه با پروتکل‌های اثبات کار سنتی به طور ضعیفی بالاتر است
2. برای هر مقدار تراکنش، یک تنظیم جریمه وجود دارد که سود مورد انتظار حملات دوبار خرج کردن را منفی می‌کند

5 پیاده‌سازی کد

در زیر یک پیاده‌سازی شبه‌کد ساده‌شده از الگوریتم انتخاب زنجیره ADESS آمده است:

function selectCanonicalChain(chains):
    // یافتن بلاک اجداد مشترک
    common_ancestor = findCommonAncestor(chains)
    
    // شناسایی زنجیره‌های مهاجم بالقوه بر اساس زمان‌بندی پخش
    potential_attackers = identifyLateBroadcastChains(chains, common_ancestor)
    
    // اعمال جریمه‌های نمایی بر زنجیره‌های شناسایی شده
    for chain in chains:
        if chain in potential_attackers:
            fork_depth = current_block_height - common_ancestor.height
            penalty = base_penalty * (growth_factor ^ fork_depth)
            chain.score = calculateCumulativeDifficulty(chain) / penalty
        else:
            chain.score = calculateCumulativeDifficulty(chain)
    
    // انتخاب زنجیره با بالاترین امتیاز تنظیم شده
    return chain with maximum score

6 تحلیل و بحث

پروتکل ADESS نشان‌دهنده پیشرفت قابل توجهی در امنیت بلاک‌چین اثبات کار با پرداختن به آسیب‌پذیری اساسی دوبار خرج کردن است که از زمان آغاز به کار بیت‌کوین، ارزهای دیجیتال را آزار داده است. برخلاف رویکردهای سنتی که تنها به مشکل معادلی تجمعی متکی هستند، ADESS تحلیل زمانی ترتیب بلاک‌ها را معرفی می‌کند و یک مدل امنیتی ظریف‌تر ایجاد می‌کند. این رویکرد با تحقیقات اخیر در امنیت بلاک‌چین، مانند کار ژرویس و همکاران (2016) در مورد کمّی‌سازی عدم تمرکز پروتکل‌های اجماع، که بر اهمیت گنجاندن ابعاد امنیتی چندگانه تأکید می‌کند، همسو است.

مکانیسم جریمه نمایی در ADESS به ویژه نوآورانه است زیرا یک سیستم دفاعی تنظیم‌شونده پویا ایجاد می‌کند. همانطور که در وایت‌پیپر بیت‌کوین (ناکاموتو، 2008) اشاره شده، امنیت سیستم‌های اثبات کار به کنترل گره‌های صادق بر اکثریت قدرت CPU بستگی دارد. ADESS این اصل را با دشوارتر کردن نمایی حفظ زنجیره‌های متقلبانه توسط مهاجمان در طول زمان تقویت می‌کند. این رویکرد از نظر مفهومی با مکانیسم بمب مشکل اتریوم اشتراک دارد اما آن را به طور خاص برای بازدارندگی حمله به جای ارتقای پروتکل اعمال می‌کند.

در مقایسه با سایر مکانیسم‌های جلوگیری از دوبار خرج کردن مانند چک‌پوینتینگ (مورد استفاده در بیت‌کوین کش) یا اجماع آوالانچ (همانطور که در وایت‌پیپر آوالانچ توصیف شده است)، ADESS ماهیت بدون مجوز اثبات کار سنتی را حفظ می‌کند در حالی که تشخیص حمله پیشرفته را اضافه می‌کند. اثربخشی پروتکل در شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد که می‌توانست از حملات واقعی مانند دوبار خرج کردن اتریوم کلاسیک در سال 2019 جلوگیری کند، که به گفته ابتکار ارز دیجیتال MIT منجر به ضررهای میلیون‌دلاری شد.

از دیدگاه پیاده‌سازی، ADESS نشان می‌دهد که چگونه اصلاحات ظریف پروتکل می‌تواند بهبودهای امنیتی قابل توجهی بدون نیاز به تغییرات اساسی معماری به همراه داشته باشد. این رویکرد با انحرافات رادیکال‌تر مانند اثبات سهام (همانطور که در اتریوم 2.0 پیاده‌سازی شده) یا ساختارهای گراف غیرمدور جهت‌دار (همانطور که در IOTA استفاده می‌شود) تضاد دارد و نشان می‌دهد که تکامل تدریجی پروتکل‌های موجود همچنان یک مسیر قابل دوام برای افزایش امنیت بلاک‌چین است.

7 کاربردهای آینده

پروتکل ADESS کاربردهای امیدوارکننده‌ای فراتر از امنیت ارز دیجیتال دارد:

• بلاک‌چین سازمانی: امنیت تقویت شده برای برنامه‌های کاربردی زنجیره تأمین و مالی
• پل‌های بین زنجیره‌ای: امنیت بهبود یافته برای پروتکل‌های قابلیت همکاری
• مالی غیرمتمرکز: محافظت اضافی برای تراکنش‌های با ارزش بالای DeFi
• شبکه‌های اینترنت اشیاء: هماهنگی ایمن دستگاه در سیستم‌های اینترنت اشیاء توزیع شده

جهت‌های تحقیقاتی آینده شامل:

• ادغام با معماری‌های بلاک‌چین تکه‌تکه شده
• سازگاری برای مکانیسم‌های اجماع اثبات سهام
• بهبودهای یادگیری ماشین برای تشخیص الگوی حمله
• تأیید رسمی تضمین‌های امنیتی

8 مراجع

1. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System
2. Wood, G. (2021). Ethereum: A Secure Decentralized Generalized Transaction Ledger
3. Gervais, A., et al. (2016). On the Security and Performance of Proof of Work Blockchains
4. Rocket, T., et al. (2020). Avalanche: A Novel Consensus Protocol
5. MIT Digital Currency Initiative (2020). 51% Reorg Tracker
6. Lovejoy, J. (2021). Ethereum Classic 51% Attacks: Technical Post-Mortem
7. Singer, A. (2019). Analysis of Double-Spend Attacks on Ethereum Classic