Enabling Threshold Custody for the Lightning Network with Nested Threshold Multi-Signatures
تقدم هذه الورقة "Iceberg"، وهي بنية تشفيرية مبتكرة لتوقيعات MuSig2 ذات العتبة المتداخلة، تتيح لأحد جانبي قناة شبكة Lightning لبيتكوين العمل كمجموعة عتبة آمنة بنظام -of- دون الحاجة إلى أي تعديلات على البروتوكول الأساسي، أو بيتكوين، أو الأطراف المقابلة، مع الحفاظ على إنتاجية عالية للمدفوعات.
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 عالم البيتكوين الرقمي، تتحرك الأموال عبر طبقتين متميزتين. الطبقة الرئيسية، المعروفة باسم "البلوكشين"، هي سجل عام تُسجل فيه المعاملات بشكل دائم. وفوق هذه الطبقة، تبرز "شبكة لايتنينج" (Lightning Network)، وهي نظام أسرع وأكثر خصوصية صُمم للتعامل مع آلاف المدفوعات في الثانية دون إثقال كاهل السجل الرئيسي. لاستخدام هذا النظام، يفتح شخصان قناة خاصة بينهما، حيث يتم قفل أموالهما تحت قفل رقمي خاص يتطلب موافقة كليهما لإنفاقها. وقد أصبح هذا الإعداد حيوياً للمؤسسات المالية الكبرى، حيث يتعامل مع مئات الملايين من الدولارات من القيمة. ومع ذلك، ظل ثغرة حرجة قائمة منذ نشأة الشبكة: المفاتيح الرقمية التي تتحكم في هذه الأموال على كل جانب من جوانب القناة مملوكة لجهاز واحد. فإذا سُرق ذلك الجهاز، أو تم اختراقه، أو فُقد ببساطة، تضيع الأموال للأبد؛ إذ لا يوجد نسخة احتياطية، ولا طريقة للاسترداد، ولا سبيل لتقسيم السلطة بين عدة أشخاص أو أجهزة.
لسنوات، أدرك الخبراء أن الحل يكمن في "الحيازة العتبية" (threshold custody)، وهي طريقة تتطلب موافقة مجموعة من الأشخاص لتوقيع معاملة ما، ولكن ليس بالضرورة حضور كل عضو فيها. هذا إجراء قياسي لتأمين المبالغ الضخمة على البلوكشين الرئيسي، ولكن كان من المستحيل تطبيقه على شبكة لايتنينج. والسبب هو مأزق تقني: تتطلب شبكة لايتنينج مصافحة محددة وصارمة بين طرفين لتحديث الأرصدة، وهذه المصافحة لا تسمح لأحد الطرفين بأن يكشف فجأة أنه في الواقع مجموعة من الأشخاص. فإذا حاول أحد الجانبين استخدام مفتاح جماعي، فسيؤدي ذلك إلى كسر البروتوكول، مما يجبر الطرف الآخر على تغيير برمجياته أو يتطلب من الشبكة بأكملها التكيف. وقد ترك هذا شبكة لايتنينج عرضة للخطر، معتمدة على نقاط فشل فردية هشة، بينما يتحرك بقية العالم المالي نحو أمن أكثر قوة وتوزعاً.
لقد نجح فريق من الباحثين الآن في حل هذه المشكلة عبر ابتكار طريقة تشفيرية جديدة تسمى "آيسبرج" (Iceberg). يسمح عملهم لأحد جوانب قناة لايتنينج بالعمل كمجموعة آمنة من الموقعين، بينما يظهر للطرف الآخر كمستخدم عادي واحد. تخيل خزنة بنك تتطلب ثلاثة مديرين لفتحها، ولكن بالنسبة للعالم الخارري، تبدو وكأن شخصاً واحداً يدير المفتاح. لقد حقق الباحثون ذلك من خلال إنشاء نظام تتم فيه الاتفاقية الداخلية للمجموعة بشكل غير مرئي، خلف الكواليس، دون تغيير الرسائل المرسلة إلى الطرف المقابل أبداً. والنتيجة هي وسيلة لتوزيع المخاطر ومنع الخسارة الكلية دون الحاجة إلى إجراء أي تغييرات على شبكة بيتكوين، أو بروتوكول لايتنينج، أو البرمجيات التي يستخدمها الشخص الآخر في القناة.
يكمن جوهر الابتصاف في كيفية تعامل المجموعة مع "النونسات" (nonces) الرقمية، وهي أرقام عشوائية تُستخدم لإنشاء التوقيع. في شبكة لايتنينج، يجب الاتفاق على هذه الأرقام قبل معرفة تفاصيل المعاملة المحددة حتى. وهذا يخلق تحدياً فريداً: إذا قامت المجموعة بتغيير أعضائها في الفترة ما بين اختيار الرقم ووقت توقيع المعاملة، فقد يفشل التوقيع أو يصبح غير آمن. وقد تطلبت المحاولات السابقة لحل هذا الأمر إما أن يكون جميع الأعضاء متصلين بالإنترنت في نفس الوقت أو إجبار المجموعة على الكشف عن هيكلها الداخلي. يتغلب نظام "آيسبرج" على هذا باستخدام تقنية تسمى "المشاركة السرية المكررة" (replicated secret sharing). في هذا الإعداد، يمتلك كل عضو في المجموعة قطعة من المفتاح السري، ولكن القطع مرتبة بحيث يمكن لأي أغلبية صغيرة من المجموعة إعادة بناء الأرقام اللازمة، بغض النظر عمن هو متصل بالإنترنت حالياً. والأهم من ذلك، أن النظام يشتق هذه الأرقام بطريقة تعتمد فقط على حالة القناة، وليس على الأعضاء الموجودين تحديداً. وهذا يعني أنه إذا خرج بعض الأعضاء عن الاتصال أو إذا تغير تكوين المجموعة، فلا يزال بإمكان الأعضاء المتبقين إنتاج نفس التوقيع الذي تم الوعد به سابقاً، مما يحافظ على أمان القناة وفعاليتها.
لإثبات أن هذا المفهوم يعمل في العالم الحقيقي، قام الباحثون ببناء نموذج أولي عامل ودمجه في عقدة لايتنينج إنتاجية، وهي قطعة برمجية تُستخدم لتوجيه المدفوعات. واختبروا النظام تحت ظروف مختلفة، محاكيين مجموعات بأحجام مختلفة ومتسامحة مع أعداد مختلفة من الأعضاء المعيبين أو المفقودين. وأظهرت النتائج أن الطريقة الجديدة تضيف وقتاً ضئيلاً جداً إلى عملية الدفع. فبالنسبة لمجموعة مصممة لتحمل عضو واحد فاسد، كان الوقت الإضافي المطلوب هو 3.8 ميلي ثانية فقط لكل عملية دفع. ويمثل هذا زيادة طفيفة قدرها 6.7 بالمائة فقط في العمل الحسابي المطلوب بالفعل لمعاملة قياسية. وحتى مع المجموعات الأكبر المصممة للتعامل مع عدد أكبر من حالات الفشل، حافظ النظام على سرعة عالية، حيث حافظ على أكثر من 93 بالمائة من قدرة معالجة المدفوعات لقناة قياسية غير معدلة. وهذا يثبت أن الأمن العتدي يمكن إضافته إلى شبكة لايتنينج اليوم دون التضحية بالسرعة التي تجعل الشبكة مفيدة.
كما تم إثبات أمن هذا النظام الجديد بصرامة. فقد أظهر الباحثون أنه طالما تمتلك المجموعة أغلبية من الأعضاء الصادقين، فمن المستحيل رياضياً أن يقوم مهاجم بتزوير توقيع أو سرقة الأموال، حتى لو سيطروا على بعض أجهزة المجموعة. ويأخذ هذا الإثبات في الاعتبار الواقع المعقد لشبكة لايتنينج، حيث قد يخرج الأعضاء عن الاتصال، أو قد تتأخر الرسائل، وقد تحتاج المجموعة إلى الاتفاق على الحالة الحالية للقناة قبل التوقيع. ومن خلال صياغة نوع جديد من البدائيات التشفيرية يسمى "التواقيع المتعددة العتبية المتداخلة" (nested threshold multi-signatures)، قدم الفريق ضماناً رياضياً بأن المجموعة تعمل ككيان واحد آمن. وهذا يعني أنه يمكن للمؤسسات والأفراد الآن نشر هذه الحماية من جانب واحد؛ حيث يمكنهم ترقية أمنهم الخاص دون مطالبة أي شخص آخر بتغيير برمجياته أو انتظار ترقية على مستوى الشبكة.
إن آثار هذا العمل تمتد إلى ما هو أبعد من مجرد إصلاح ثغرة؛ فهي تغير طريقة تفكيرنا في تأمين الأصول الرقمية في نظام موزع. لسنوات، كانت شبكة لايتنينج تُعتبر مقايضة: السرعة والخصوصية تأتي على حساب الاعتماد على مفاتيح فردية هشة. يزيل "آيسبرج" تلك المقايضة، مما يسمح للشبكة بالتوسع بنفس مستوى الأمان الذي تطلبه المؤسسات الكبيرة لأصولها على السلسلة (on-chain). وقد تحقق الباحثون من أن نظامهم يعمل بسلاسة مع الأجهزة والبرمجيات الحالية، مما يعني أن الانتقال إلى هذا النموذج الأكثر أماناً يمكن أن يحدث فوراً. ومن خلال دمج الحل في عقدة حقيقية وقياس أدائه، نقلوا المفهوم من إمكانية نظرية إلى أداة عملية. وتؤكد النتائج أن شبكة لايتنينج يمكنها الآن دعم نوع الحيازة متعددة الأطراف القوي الذي يحمي من السرقة والخسارة العرضية على حد سواء.
لا يعتمد هذا الاختراق على تغيير القواعد الأساسية لبيتكوين أو شبكة لايتنينج. بدلاً من ذلك، يعمل من خلال وضع نظام أمني معقد متعدد الأشخاص داخل خانة الشخص الواحد البسيطة التي تتوقعها الشبكة. إنه تذكير بأن الحلول الأكثر فعالية أحياناً لا تتعلق ببناء شيء جديد من الصفر، بل بإيجاد طريقة تجعل الهياكل القائمة تتحمل المزيد من الثقل. لقد أظهر الباحثون أنه باستخدام النهج الرياضي الصحيح، من الممكن إخفاء مجموعة من الحراس خلف وجه واحد، مما يضمن أن الأموال الرقمية التي تتحرك بسرعة البرق آمنة بقدر أمان الأشخاص الذين يستخدمونها. لقد أصبح المسار نحو المستقبل واضحاً الآن: التكنولوجيا موجودة لحماية هذه الأموال، والعائق الوحيد المتبقي هو قرار اعتمادها.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.