Redactable blockchains and polynomial equations
تقدم هذه الورقة بناءً آمناً لما بعد الكوانتوم لهياكل البيانات الموثقة والقابلة للتنقيح عبر الاستفادة من الصعوبة الحسابية لعكس دالة أحادية الاتجاه من خلال حل معادلات متعددة الحدود متعددة المتغيرات.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في العصر الرقمي، يزداد عالمنا ترابطاً عبر شبكات من الأجهزة الذكية، من السيارات التي نقودها إلى أجهزة تنظيم الحرارة في منازلنا. وتعتمد هذه الأنظمة، التي تُسمى غالباً "إنترنت الأشياء"، على سجل مشترك للأحداث لتعمل بشكل آمن. ولسنوات طويلة، كان المعيار الذهبي للحفاظ على سلامة مثل هذه السجلات هو تقنية تُعرف باسم "البلوكشين" (سلسلة الكتل). فكر في البلوكشين كسجل رقمي منسوخ عبر آلاف الحواسيب، حيث يتم قفل كل إدخال جديد بواسطة الإدخال الذي سبقه. وبمجرد كتابة السجل، يجعل تصميم هذا النظام من المستحيل تقريباً تعديله أو حذفه، مما يضمن عدم قدرة أي شخص على التلاعب بالتاريخ. وهذا الثبات يعد نقطة قوة، لكنه أصبح نقطة ضعف في عالم تفرض فيه قوانين الخصوصية الآن حق الناس في أن يُنسوا، أو حيث تحتاج الأخطاء البشرية البسيطة إلى تصحيح دون تدمير السلسلة بأكملها.
لقد تمثل التحدي للعلماء في ابتكار نظام يحافظ على أمن السجل غير القابل للتغيير مع السماح لسلطة موثوقة بتعديل أو مسح مدخلات معينة عند الضرورة. وهذا هو تحدي إنشاء بلوكشين "قابل للتعديل". وقد اعتمدت المحاولات السابقة لحل هذه المعضلة على ألغاز رياضية سهلة الحل باستخدام حواسيب اليوم، ولكن يمكن كسرها فوراً بواسطة الحواسيب الكمومية المستقبلية، المتوقع وصولها خلال العقد القادم. وقد اقترح فريق من الباحثين الآن حلاً جديداً يتجنب هذه الألغاز الضعيفة تماماً؛ فبدلاً من ذلك، بنوا نظامهم على نوع مختلف من الصعوبة الرياضية: حل معادلات معقدة ذات متغيرات عديدة، وهي مهمة لا يُعرف عن الحواسيب الكمومية الحالية قدرتها على حلها بكفاءة.
قام الباحثون، ألكسندر ديمين، وأليكسي أوفيتشينيكوف، وفلاديمير شبيلراين، بتطوير طريقة تعتمد فيها أمن البلوكشين على صعوبة إيجاد حل لنوع معين من المعادلات متعددة الحدود. وفي نظامهم هذا، يتم التعامل مع البيانات في كل كتلة كتعبير رياضي يتضمن متغيراً، تماماً مثل صيغة تحتوي على عدد مجهول. ويتم الحفاظ على سلامة السلسلة من خلال قاعدة عامة تربط كتلة بالأخرى. ومع ذلك، تمتلك سلطة مركزية مفتاحاً سرياً، وهو في الأساس طريقة محددة لترتيب هذه الصيغ. ومن خلال هذا السر، يمكن للسلطة تغيير محتوى كتلة ما وحساب قطعة نهاية جديدة لا تزال تستوفي القاعدة العامة، مما يؤدي فعلياً إلى تحرير السجل دون كسر السلسلة. وبالنسبة لأي شخص لا يملك المفتاح السري، فإن محاولة تزوير مثل هذا التغيير تعادل حل نظام ضخم من المعادلات مع عشرات المجاهيل، وهي مهمة مرهقة حسابياً.
ولضمان أن يكون نظامهم الجديد آمناً حقاً، قام الفريق أولاً ببناء نسخة أساسية ثم أخضعها لسلسلة من الهجمات المحاكية لمعرفة مواطن الفشل فيها. لقد اختبروا أربعة طرق مختلفة قد يحاول بها المهاجم كسر الشفرة. تضمنت إحدى الطرق محاولة حل المعادلات مباشرة لإيجاد قطعة نهاية جديدة؛ وتضمنت أخرى محاولة الهندسة العكسية للصيغة السرية من البيانات العامة؛ بينما بحثت طريقة ثالثة عن أنماط في كيفية بناء الصيغ؛ واعتمدت الرابعة على مراقبة تغير النظام بمرور الوقت لاستنتاج السر. وفي نسختهم الأولية والأبسط، وجد الباحثون أن النظام كان عرضة لكل هذه الهجمات؛ إذ يمكن لمهاجم يمتلك قوة حوسبة كافية أن يحل المعادلات أو يستنتج الصيغة السرية في نهاية المطاف، خاصة إذا استطاع مراقبة عملية تعديل النظام عدة مرات.
وإدراكاً لهذه الثغرات، قام الفريق بتطوير تصميمهم إلى نسخة متقدمة تغلق هذه الثغرات. في هذا البناء المحسن، لم تعد القاعدة العامة التي تربط الكتل مجرد صيغة واحدة معروفة، بل أصبحت القاعدة عبارة عن نظام معادلات مخفي لا يتم الكشف عنه إلا جزئياً. وأصبح المفتاح السري يتضمن الآن النقاط المحددة التي يتم فيها تقييم هذه المعادلات، والتي تُحفظ في السر. ويعني هذا التغيير أن المهاجم لا يمكنه ببساء النظر إلى البيانات العامة ومحاولة الحل للوصول إلى السر، لأن المعادلة الكاملة التي يحتاج لحلها لا تُعرض أبداً. وعندما اختبر الباحثون هذه النسخة المتقدمة ضد الهجمات الأربعة نفسها، كانت النتائج مختلفة تماماً. فقد فشلت محاولات حل المعادلات لأن النظام كان شديد التعقيد والمعلومات اللازمة كانت مفقودة، كما فشلت محاولات استنتاج الصيغة السرية لأن المهاجم لم يستطع رؤية الصورة الكاملة لكيفية تحويل البيانات.
أجرى الفريق هذه الاختبارات على حواسيب قوية باستخدام برامج متخصصة مصممة لحل المشكلات الرياضية المعقدة. وقد قاموا بمحاكاة هجمات بمستويات صعوبة متفاوتة، مع زيادة حجم المعادلات لمعرفة مقدار القوة الحوسبية المطلوبة لكسر النظام. وأظهرت تجاربهم أنه مع زيادة تعقيد المعادلات، تنمو كمية الذاكرة المطلوبة لحلها بشكل أسّي. وبالنسبة للمعايير التي أوصوا بها، والتي تتضمن معادلات من الدرجة العشرين ومعاملات تعتمد على عدد أولي يبلغ حوالي عشرين بت، فإن الذاكرة المطلوبة لكسر النظام ستتجاوز قدرة أي حاسوب موجود، لتصل إلى نطاق البيتابايت. وهذا يشير إلى أنه بينما كانت النسخة الأساسية من فكرتهم معيبة، فإن النسخة المتقدمة توفر دفاعاً قوياً ضد التهديدات الكمومية الحالية والمستقبلية.
تكمن أهمية هذا العمل في التوازن بين المرونة والأمن. فهو يقدم وسيلة للحفاظ على موثوقية السجل الرقمي مع احترام الحاجة إلى الخصوصية والتصحيح. ومن خلال الابتعاد عن الهياكل الرياضية التي يُتوقع أن تستغلها الحواسيب الكمومية، والتوجه نحو تعقيد المعادلات متعددة الحدود متعددة المتغيرات، قدم الباحثون مخططاً لبلوكشين يمكنه التطور. وتشير نتائجهم إلى أنه مع الاختيار الصحيح للمعايير، يمكن لهذا النظام أن يظل آمناً حتى مع تقدم التكنولوجيا الحوسبية، مما يوفر مساراً محتملاً للإدارة الآمنة للبيانات في عالم مترابط ومنظم بشكل متزايد.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.