ملخص تقني: التفاعلات المتسلسلة في استخراج القيمة القصوى (MEV) على شبكة Polygon

بيان المشكلة

تحدد الورقة البحثية ثغرة أمنية حرجة داخل منظومة الـ MEV (استخراج القيمة القصوى) في شبكة Polygon: وهي إعادة الاستخدام المنهجي للقيم العشوائية (nonces - $k$) في توقيعات ECDSA. وبينما يعتمد أمان ECDSA على افتراض أن كل قيمة عشوائية هي سر جديد وغير قابل للتنبؤ، فإن ضغوط زمن الاستجابة (latency) الشديدة في المزادات ذات العروض المغلقة (وتحديداً مزادات FastLane في Polygon التي تتطلب استجابة في أقل من 250 مللي ثانية) قد دفعت باحثي الـ MEV إلى اعتماد أنماط توليد قيم عشوائية يمكن التنبؤ بها.

هذا السلوك يخلق ثغرة "تفاعل متسلسل" حيث:

1. إعادة استخدام القيم العشوائية: يعيد الباحثون استخدام القيم العشوائية لتقليل العبء الحسابي وزمن الاستجابة.
2. تصادم المحافظ المتعددة: تقوم مفاتيح خاصة متميزة (تعود لباحثين أو محافظ مختلفة) بالتوقيع على معاملات باستخدام نفس القيمة العشوائية دون قصد.
3. الفشل الكارثي: تسم هذه التصادمات المهاجمين السلبيين من استعادة المفاتيح الخاصة باستخدام الجبر الخطي البسيط، مما يؤدي إلى خسارة مالية غير قابلة للاسترداد.

المنهجية

يستخدم المؤلفون نهجاً رياضياً وتجريبياً لإثبات والتحقق من الثغرة الأمنية:

1. الصياغة الرياضية

تقوم الورقة بنمذجة معادلة توقيع ECDSA $s \equiv k^{-1}(e + xr) \pmod n$ لاشتقاق العلاقات الخطية بين التوقيعات. وهم يصنفون التهديد إلى ثلاث حالات تصاعدية:

• C1 (إعادة الاستخدام في محفظة واحدة): يقوم الموقع بإعادة استخدام $k$ لرسائل متعددة. وهذا يسمح بالحساب المباشر لـ $k$ وبالتالي المفتاح الخاص $x$.
• C2 (العلاقات الخطية): تتبع القيم العشوائية نمطاً خطياً يمكن التنبؤ به ($k_i = \alpha_i k_0 + \beta_i$). ويقوم المؤلفون بصياغة نظام من المعادلات الخطية لحل المجاهيل $x$ و $k_0$.
• C3 (تصادم المحافظ المتعددة): يوقع مفتاحان خاصان مختلفان ($d_A, d_B$) باستخدام نفس القيمة العشوائية $k$. وتوضح الورقة أن تصادمين اثنين يوفران بالضبط ما يكفي من المعادلات الخطية المستقلة لحل كلا المفتاحين الخاصين في آن واحد. وقد تمت صياغة ذلك كمسألة مصفوفة:
  $$\begin{bmatrix} s_{B1}r_1 & -s_{A1}r_1 \\ s_{B2}r_2 & -s_{A2}r_2 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} d_A \\ d_B \end{bmatrix} \equiv \begin{bmatrix} s_{A1}e_{B1} - s_{B1}e_{A1} \\ s_{A2}e_{B2} - s_{B2}e_{A2} \end{bmatrix} \pmod n$$

2. التحليل التجريبي

قام المؤلفون بتطوير أدوات مخصصة بلغة Python لمسح البيانات المسجلة على السلسلة (on-chain) من كتل Polygon. وقد استهدفوا تحديداً سجلات المعاملات المرتبطة بنشاط MEV للكشف عن:

• قيم $k$ الثابتة.
• أنماط إعادة الاستخدام المتسلسلة.
• تصادمات القيم العشوائية بين المحافظ المختلفة.

النتائج الرئيسية

• دليل على الاستغلال: أكد التحليل وجود "التصادم 1" و"التصادم 2" على شبكة Polygon، حيث تشاركت عناوين محافظ متميزة في قيم عشوائية متطابقة.
• استعادة المفاتيح: نجح المؤلفون في استخدام صياغة النظام الخطي الخاصة بهم لاستعادة المفاتيح الخاصة للمحافظ المخترقة من بيانات البلوكشين العامة.
• خطر متتالي: تؤكد الدراسة أن اختراق محفظة واحدة عبر تصادم القيمة العشوائية يعرض كل المحافظ الأخرى التي شاركتها نفس القيمة للخطر، مما يخلق سلسلة مخاطر على مستوى المنظومة بأكملها.
• السبب الجذري: تُعزى الثغرة مباشرة إلى المقايضة بين الأمان التشفيري ومتطلبات زمن الاستجابة (latency) التي تقل عن الثانية في المزادات ذات العروض المغلقة، مما دفع الباحثين للتضحية بالإنتروبيا (entropy) مقابل السرعة.

الأهمية والادعاءات

تضع الورقة نفسها كتحذير وكأداة تشخيصية في آن واحد. وتتمثل مساهماتها الرئيسية في:

1. إثبات "التفاعل المتسلسل": تسلط الضوء على كيفية قيام خطأ واحد في التنفيذ (إعادة استخدام القيمة العشوائية) في بيئة تنافسية بتقويض حسابات متعددة في وقت واحد، مما يوسع سطح الهجوم إلى ما هو أبعد من تحليل المفتاح الواحد.
2. الأداة الرياضية: توفر صياغة مدمجة للنظام الخطي تقلل من مشكلة استعادة المفاتيح المعقدة إلى حل أنظمة صغيرة من المعادلات الخطية، مما يجعل الهجوم متاحاً للمراقبين السلبيين.
3. التحقق من الواقع: على عكس الدراسات النظرية، تقدم هذه الورقة دليلاً ملموساً على حدوث هذه الأنماط في بلوكشين إنتاجي (Polygon)، مما يثبت أن ضغوط زمن الاستجماء الناتية عن البروتوكول يمكن أن تؤدي إلى فشل تشفيري كارثي.

يخلص المؤلفون إلى أنه بينما تعد الثغرة مفهومة جيداً في الأدبيات التشفيرية، إلا أنها مستمرة في بيئات الإنتاج بسبب أخطاء التنفيذ المدفوعة بمتطلبات الأداء. وهم يدعون إلى استخدام توليد القيم العشوائية الحتمي (RFC 6979)، والمراقبة المستمرة لقيم $r$ المتكررة، والتحول في معايير الصناعة لإعطاء الأولوية لأمن القيم العشوائية على مكاسب زمن الاستجابة بميكرو-ثانية. وتذكر الورقة صراحةً أن نصوص التحليل الخاصة بهم ستُتاح للجمهور لتسهيل المزيد من البحث وتطوير الأدوات.