تقدم هذه الورقة أول مقارنة تجريبية لثغرات بروتوكولات الاتصال عبر خمس سلاسل كتل حديثة (ألغوراند، وأبتوس، وأفالانش، وريدبلي، وسولانا) تحت خمس ظروف عدائية متميزة، حيث تحدد نقاط ضعف محددة مثل الحساسية لفقدان الحزم في ألغوراند وريدبلي، وثغرات الحمل المستهدف وعزل القائد في أبتوس وسولانا، والقابلية للتأثر بالفشل العابر في أفالانش، ومخاطر هجوم الإيقاف في سولانا.
تخيل عالم البلوكشين كأنه ساحة بلدة رقمية ضخمة وعالية المخاطر، حيث يتبادل الناس (العقد/Nodes) الصياح باستمرار لتحديث بعضهم البعض والاتفاق على من يملك ماذا. لكي تعمل هذه البلدة، يحتاج الجميع لسماع بعضهم البعض بوضوح وسرعة.
هذه الورقة البحثية تشبه اختبار جهد لخمس ساحات بلدة مختلفة (بلوكشين): Algorand، وAptos، وAvalanche، وRedbelly، وSolana. لم يكتفِ الباحثون بفحص ما إذا كانت الجدران قوية فحسب؛ بل ألقوا عليها أنواعاً مختلفة من "الفوضى" ليروا أي بلدة ستنهار، وأيها ستصاب بالارتباك، وأيها ستستمر في الرقص.
إليك تفصيل لنتائجهم باستخدام تشبيهات بسيطة:
تجارب "الفوضى" الخمس
ابتكر الباحثون خمس طرق لإرباك اتصالات البلدة:
هجوم الحمل المستهدف (Targeted Load Attack): الصياح فقط في وجه شخص معين حتى لا يعود قادراً على سماع أي شيء آخر.
الفشل العابر (Transient Failure): جعل بعض الأشخاص يغمى عليهم لدقيقة واحدة ثم يستيقظون.
فقدان الحزم (Packet Loss): إلقاء ضباب كثيف فوق البلدة بحيث تضيع بعض الصيحات في الهواء.
هجوم الإيقاف (Stopping Attack): إسقاط جزء كبير من سكان البلدة لمعرفة ما إذا كان الباقون يمكنهم مواصلة الحفلة.
عزل القائد (Leader Isolation): وضع عمدة البلدة في كبينة عازلة للصوت بحيث لا يستطيع أحد سماعه أو التحدث إليه.
النتائج: من نجا مماذا؟
1. Aptos: "المدير المرهق"
نقطة الضعف:الحمل المستهدف.
التشبيه: تخيل أن Aptos هو مطعم لديه مدير صارم جداً. إذا أرسلت كل الطلبات إلى نادل واحد فقط، فسيصبح هذا النادل مثقلاً بمحاولة كتابة كل طلب، والحصول على توقيعات من المطبخ، وتسليم الطلبات. عندها سيتوقف المطعم بأكمله.
النتيجة: عندما صرخ الباحثون في وجه عقدة واحدة من Aptos، تباطأ النظام بأكمله بشكل هائل (من ثوانٍ إلى دقائق). وحتى لو وزعوا الصراخ حول النظام، ظل النظام يعاني لأن "المدير" (المُصدّق/Validator) كان عليه القيام بالكثير من العمليات الحسابية لكل طلب.
2. Avalanche: "الحارس المفرط في الحماية"
نقطة الضعف:الفشل العابر (الإغماء).
التشبيه: لدى Avalanche حارس بوابة يؤدي عمله ببراعة مفرطة. إذا أغمي على عدد قليل من الناس (فشل عابر)، سيعتقد الحارس أنها أعمال شغب. سيبدأ بحظر الجميع للحفاظ على النظام. وحتى بعد استيقاظ الأشخاص الذين أغمي عليهم، سيستمر الحارس في إبقاء الأبواب مغلقة، ولن تعود الحفلة للعمل حقاً.
النتيجة: عندما تعطلت مجموعة صغيرة من العقد لفترة وجيزة، أصيبت آلية الأمان في Avalanche (التي تسمى التقييد/Throttling) بالذعر. اعتقدت أن الشبكة تتعرض لهجوم وتوقفت عن معالجة المعاملات بشكل دائم، حتى بعد انتهاء العطل.
3. Solana: "القطار فائق السرعة ذو المفتاح"
نقطة الضعف:هجمات الإيقاف وعزل القائد.
التشبيه: Solana هو قطار فائق السرعة. لديه قائد يوجه حركة المرور. إذا تعرض القائد للإصابة أو وُضع في كبينة عازلة للصوت، سيتوقف القطار تماماً. وأيضاً، إذا أغمي على الكثير من الركاب في وقت واحد، سيعلق القطار في حلقة "غرفة الانتظار" ويرفض التحرك حتى يتم استيفاء شرط معين لا يمكن استيفاؤه.
النتيجة: Solana سريع للغاية ويتعامل مع الضباب (فقدان الحزم) بشكل أفضل من أي شخص آخر (بفضل "شريط سحري" خاص يسمى ترميز المحو/Erasure Coding يسمح له بإعادة بناء الرسائل المفقودة). ومع ذلك، إذا تم عزل القائد أو تعطلت الكثير من العقد في وقت واحد، فإن النظام بأكمله يتوقف عن العمل إلى أجل غير مسمى.
4. Algorand وRedbelly: "بلدات الضباب"
نقطة الضعف:فقدان الحزم (الضباب).
التشبيه: تعتمد هذه البلدات على أجهزة اللاسلكي القياسية (TCP). إذا ألقيت ضباباً كثيفاً (فقدان الحزم) فوق البلدة، فستعلق الرسائل في "صندوق الصادر" لأن جهاز اللاسلكي يستمر في محاولة إعادة إرسال نفس الرسالة حتى يتلقى إشارة "تم الاستلام". في النهاية، يمتلئ صندوق الصادر، ولا يمكن لأي رسائل جديدة الخروج.
النتيجة: عندما أدخل الباحثون فقدان الحزم، واجهت هذه البلوكشينات صعوبة في التعافي. لقد علقت مع تراكم من المعاملات غير المعالجة.
5. الفائز بـ "الشريط السحري": Solana (مرة أخرى)
القوة الخارقة:فقدان الحزم.
التشبيه: بينما كان الجميع يستخدم أجهزة اللاسلكي، كانت Solana تستخدم "شريطاً سحرياً" خاصاً (QUIC + Erasure Coding). حتى لو فُقدت 50% من قطع الرسالة في الضباب، يمكن لـ Solana رياضياً إعادة بناء الرسالة الكاملة من القطع المتبقية. كانت الوحيدة التي لم تتباطأ بشكل ملحوظ عندما هجم الضباب.
الخلاصة الكبرى
القادة هم نقطة فشل وحيدة: إذا اعتمد البلوكشين على شخص واحد (قائد) لاتخاذ القرارات، وتم عزل هذا الشخص، سيتوقف النظام بأكمله. Aptos وSolana كلاهما عانى من هذا.
آليات الأمان قد تأتي بنتائج عكسية: "حارس البوابة" في Avalanche (التقييد) صُمم لمنع الهجمات، لكنه تسبب في الواقع في تجميد النظام عندما ساءت الأمور مؤقتاً.
وسيلة النقل مهمة: استخدام أدوات اتصال حديثة ومرنة (مثل QUIC في Solana) يشبه امتلاك خدمة بريد موثوقة للغاية، بينما الأدوات القديمة (TCP) تشبه البريد العادي الذي يضيع بسهولة في الطقس السيئ.
لا يوجد نظام مثالي: كل بلوكشين له نقاط ضعف مختلفة. بعضها بارع في التعامل مع الضباب (Solana)، لكنه سيء في التعامل مع سقوط القائد. وبعضها بارع في التعامل مع القادة لكنه يصاب بالذعر عندما يغمى على عدد قليل من الناس (Avalanche).
ما هو الحل؟
لم يكتفِ الباحثون بالإشارة إلى المشكلات؛ بل قدموا حلولاً بسيطة:
بالنسبة لـ Avalanche: أخبروا الحارس أن يسترخي قليلاً وألا يصاب بالذعر عندما يغمى على عدد قليل من الناس.
بالنسبة لـ Solana: أوقفوا وضع "التحمية" (Warm-up) المحدد الذي يسبب الأعطال عند إعادة تشغيل النظام بعد انقطاع كبير.
باختاً: بناء البلوكشين يشبه بناء مدينة. يجب أن تتأكد من أن الطرق لا تنسد (Aptos)، وأن رجال المرور لا يصابون بالذعر (Avalanche)، وأن العمدة لا يُحبس في خزانة (Solana/Aptos). لقد أظهرت لنا هذه الورقة بالضبط أين توجد الحفر حتى نتمكن من رصفها.
إليك ملخص تقني مفصل للورقة البحثية "ثغرات اتصالات البلوكشين" (Blockchain Communication Vulnerabilities) من إعداد أندريه ليبيديف وفينسنت جرامولي.
1. بيان المشكلة
بينما توثق الثغرات الأمنية في البلوكشين بشكل جيد، إلا أنها عادة ما تكون مرتبطة ببروتوكولات معينة (مثل هجمات الرصيد في إيثيريوم أو ناقلات حرمان الخدمة - DoS - المحددة في بيتكوين). هناك نقص في التحليل التجريبي المقارن لكيفية أداء بروتوكولات اتصالات البلوكشين الحديثة المختلفة تحت ظروف معادية موحدة.
تعالج الورقة الفجوة في فهم كيفية تعامل بنيات الاتصال المتنوعة (الهرمية، القائمة على التوزيع العشوائي "Gossip"، اللامركزية "Leaderless"، إلخ) مع ضغط الشبكة. وتحديداً، تبحث الورقة فيما إذا كانت افتراضات التزامن الضمني لهذه البلوكشينات تصمد عند تعرضها لفقدان الحزم، وعزل العقد، وتشبع الأحمال في بيئة شبكة مفتوحة.
2. المنهجية
2.1 الإعداد التجريبي
نشر المؤلفون بيئة اختبار محكومة باستخدام 25 آلة افتراضية (4 معالجات vCPU، و8 جيجابايت رام) تعمل بنظام Ubuntu 24.04 على عنقود Proxmox. قاموا بتقييم خمسة بلوكشينات حديثة قيد التشغيل الفعلي:
Algorand: تعتمد على نظام التوزيع العشوائي (Gossip)، وهي متزامنة جزئياً.
Aptos: تعتمد على القائد (Leader-based)، وهي هرمية (المصادق ← المصادق الكامل ← العام)، وتستخدم مخزن الكويروم (Quorum Store).
Avalanche: توافق احتمالي، يستخدم نظام الخنق (Throttling) واختيار المقترح الديناميكي.
Redbelly: لا مركزية (Leaderless)، محدودة المعدل، وتستخدم بروتوكول DBFT.
Solana: تعتمد على القائد، وهي هرمية (بروتوكول Turbine)، وتستخدم QUIC وتشفير التكرار (Erasure Coding).
2.2 ناقلات الهجوم
استخلصت الدراسة خمسة هجمات محايدة للبلوكشين لاختبار مرونة الاتصال:
هجوم الحمل المستهدف: إرسال تدفق مستمر من الطلبات الصالحة (200 معاملة في الثانية) إلى عقدة واحدة لإحداث ازدحام.
هجوم الفشل العابر: إيقاف مجموعة فرعية من العقد (10%–35%) لفترة قصيرة ثم استعادتها، لمحاكاة تقلبات الشبكة.
هجوم فقدان الحزم: إسقاط 25%–75% من الحزم بين قطاعات شبكية محددة لمحاكاة تقسيم الشبكة.
هجوم الإيقاف: إيقاف أغلبية كبيرة من العقد (تصل إلى 95%) لاختبار قدرة الشبكة على استعادة حيوية العمل (Liveness) بعد انتهاء الهجوم.
هجوم عزل القائد: عزل القائد الحالي للإجماع (عبر فقدان 75% من الحزم) لمعرفة ما إذا كان التقدم سيتوقف.
2.3 أدوات القياس
حقن حركة المرور: تم استخدام tc (التحكم في حركة المرور) و netem لحقن فقدان الحزم والفشل العابر.
كشف القائد: نظام مراقبة سجلات في الوقت الفعلي حدد القادة لتفعيل هجمات العزل ديناميكياً.
مراقبة عرض النطاق الترددي: تم استخدام محاسبة سلاسل iptables لقياس إنتاجية الند للند (TX/RX) بدقة عالية.
3. المساهمات الرئيسية
أول دراسة مقارنة: تقدم أول مقارنة تجريبية لثغرات الاتصال عبر خمس بنيات بلوكشين حديثة متميزة تحت ظروف معادية متطابقة.
إطار هجوم محايد للبروتوكول: يحدد مجموعة معيارية من خمسة هجمات قابلة للتطبيق على أي بلوكشين، متجاوزاً تحليل الثغرات الخاص بالبروتوكول الواحد.
تحديد الاختناقات الحرجة: كشفت عن عيوب بنيوية محددة، مثل "اختناق المصادق" في Aptos و"تضخيم الخنق" في Avalanche.
تحليل بروتوكول النقل: يوضح التأثير الحاسم لبروتوكولات النقل (TCP مقابل QUIC) ومخططات التشفيد (Erasure Coding) على المرونة تجاه فقدان الحزم.
الإجراءات المضادة: تقترح وتتحقق من تغييرات تكوين محددة للتخفيف من الانقطاعات المكتشفة (مثل تعطيل مرحلة الإحماء "Warmup" في Solana، وتحديد سقف تصاعد الرسوم في Avalanche).
4. النتائج الرئيسية
4.1 هجمات الحمل المستهدف
Aptos: عانت من تدهور شديد في الأداء (ارتفع زمن الاستجابة من ثوانٍ إلى 4 دقائق و15 ثانية). بروتوكول Quorum Store، المصمم لتخفيف العبء عن القائد، خلق اختناقاً جديداً حيث تعين على مصادق واحد استقبال جميع المعاملات، وتكوين الدفعات، وجمع التواقيع (تعقيد O(n2) في جمع التواقيع)، مما أدى إلى توقف تام للخدمة.
الآخرون: تعاملت Algorand وAvalanche وRedbelly وSolana مع الحمل بزمن استجابة أقل بكثير (أقل من 30 ثانية).
4.2 هجمات الفشل العابر
Avalanche: معرضة بشدة. تسبب فشل عابر بنسبة 10% في فقدان دائم لحوالي 60% من المعاملات. السبب الجذري كان حلقة تغذية راجعة: تولد أخذ عينات التوافق الفاشل طفرات حركة مرور غير منتجة، مما أدى لتفعيل آلية الخنق. ومن ثم قام الخنق بكبح حركة المرور المشروعة حتى بعد استعادة العقد، مما منع استئناف التوافق.
Solana: معرضة للفشل بنسب عالية. إذا فشلت أكثر من 85% من العقد عابراً، تدخل الشبكة في حالة جمود (Deadlock) حيث يرفض القادة الجدد إنتاج الكتل لأنهم لا يستطيعون تلقي "تصويت متجذر" (Rooted Vote) من أغلبية ساحقة (التي تكون خارج الخدمة).
Aptos: أظهرت مرونة ولكنها عانت من فقدان المعاملات (11%) بسبب مشاكل الازدحام المحددة في اختبارات الحمل.
4.3 هجمات فقدان الحزم
البروتوكولات القائمة على TCP (Algand, Aptos, Avalanche, Redbelly): حساسة للغاية. تحت فقدان 50% من الحزم، انهار عرض النطاق الترددي بنسبة >95%. تسبب حظر رأس السطر (Head-of-line blocking) في TCP وعدم وجود وفرة مدمجة في امتلاء طوابير البث وإسقاط الرسائل.
Solana (QUIC + Erasure Coding): مرنة للغاية. حافظت على معدلات نقل كاملة حتى تحت فقدان 50% من الحزم. سمح بروتوكول Turbine باستخدام تشفير التكرار للمصادقين بإعادة بناء الكتل من الأجزاء، ومنع QUIC حدوث حظر رأس السطر.
4.4 هجمات الإيقاف
Solana: تسبب انهيار 90% من العقد في توقف غير محدد. حتى بعد التعافي، لم تستطع الشبكة إعادة التشغيل لأن آلية الحيوية تتطلب تصويتاً متجذراً من أغلبية ساحقة لا تزال خارج الخدمة.
Avalanche: شهدت حالة "شبه توقف" حيث لم تتمكن من استعادة الإنتاجية بسبب فجوات الـ Nonce وآثار الخنق، رغم أنها لم تتوقف تماماً.
Algorand, Aptos, Redbelly: أظهرت مرونة، واستعادت حيوية العمل بعد إيقاف وتشغيل 95% من العقد.
4.5 هجمات عزل القائد
Aptos وSolana: كلاهما توقف تماماً عند عزل قائدهما.
Aptos: أصبح انتخاب القائد القائم على السمعة فخاً؛ حيث أدى عزل القائد إلى زيادة معدل فشله، مما قلل من سمعته ومنع إعادة انتخابه، بينما سمح الجدول الزمني الحتمي للمهاجمين باستهداف القائد التالي فوراً.
Solana: منع العزل بروتوكول Turbine من نشر الكتل وجمع الأصوات، مما أدى لتوقف السلسلة. ومع ذلك، تعافت Solana بسرعة بمجرد انتهاء الهجوم.
Avalanche: لم تتوقف. سمحت آلية المقترح "الناعمة" للمصادقين غير المعينين باقتراح الكتل في حال فشل المقترح المعين، مما ضمن استمرار التقدم (وإن كان بزمن استجابة أعلى).
5. الأهمية والآثار المترتبة
المقايضات البنيوية: توضح الورقة أنه لا يوجد بروتوكول "مثالي". الأنظمة القائمة على القائد (Aptos, Solana) فعالة ولكنها معرضة لعزل القائد. الأنظمة اللامركزية (Redbelly) قوية ولكنها قد تواجه تحديات أخرى في القابلية للتوسع.
طبقة النقل أمر جوهري: اختيار TCP مقابل QUIC أمر حاسم. البروتوكولات القائمة على TCP هشة أمام فقدان الحزم، بينما يوفر QUIC مع تشفير التكرار (كما في Solana) مرونة فائقة.
مخاطر التكوين: العديد من الثغرات (مثل خنق Avalanche، وإحماء Solana) ليست عيوباً جوهرية في منطق التوافق، بل هي نتاج إعدادات افتراضية أو آليات رسوم.
الإفصاح المسؤول: قام المؤلفون بإخطار جميع فرق البلوكشين. أكدت شركة Anza (التابعة لـ Solana) صحة الثغرات. تقترح الورقة أن تعطيل الإحماء (Warmup) في Solana وتحديد سقف تصاعد الرسوم الأساسية في Avalanche هي إجراءات تخفيف فورية.
الخاتمة
تخلص الدراسة إلى أنه بينما تدعي معظم البلوكشينات الحديثة امتلاك قدرة عالية على تحمل الأخطاء، فإن بروتوكولات الاتصال الخاصة بها تقدم ثغرات كبيرة تحت ظروف شبكية معينة. Aptos معرضة لاختناقات ناتجة عن الحمل؛ Avalanche هشة ضد الفشل العابر بسبب الخنق؛ Solana قوية ضد فقدان الحزم ولكنها معرضة لهجمات الإيقاف الجماعي؛ والأنظمة القائمة على TCP تعاني عموماً من فقدان الحزم مقارنة بالبدائل القائمة على QUIC. وتشدد الورقة على الحاجة إلى طبقات نقل أكثر متانة وتحسين التعامل مع تقسيمات الشبكة العابرة في تصميم البلوكشين.