ZBA-SU: A Novel Zero-Knowledge-Proof and Blockchain Integrated Methodology for Secure IoT Software Updates

في الشبكة الواسعة وغير المرئية لإنترنت الأشياء، تعتمد مليارات الأجهزة الصغيرة — من مستشعرات المرور إلى وحدات التحكم في المصانع — على تحديثات البرامج لتبقى آمنة وفعالة. هذه التحديثات هي المعادل الرقمي لتغيير قفل أو رتق ثقب في سد؛ فبدونها، تصبح الأجهزة عرضة للمخترقين الذين يمكنهم السيطرة عليها أو إيقاف تشغيلها. ومع ذلك، فإن تقديم هذه التحديثات هو عملية توازن دقيقة. فإذا طلب الجهاز تحديثاً ببساطة، فغالباً ما يتعين عليه الكشف عن هويته، وموقعه، وقدراته المحددة للخادم الذي يرسل الرقعة البرمجية. وهذا يخلق مخاطرة تتعلق بالخصوصية، حيث يمكن استخدام سجل لماهية الجهاز ومكانه لتتبعه أو استهدافه. وعلى العكس من ذلك، إذا حاول النظام إخفاء هوية الجهاز بشكل مبالغ فيه، فسيصبح من الصعب التحقق مما إذا كان الجهاز مسموحاً له بالفعل باستلام التحديث، مما قد يسمح للجهات الخبيثة بالتسلل. التحدي الذي يواجه المهندسين هو إنشاء نظام يؤكد أن الجهاز مؤهل لإصدار برنامج جديد دون إجباره على إظهار بطاقة هويته الخاصة، مع ضمان عدم التلاعب بالتحديث نفسه أثناء النقل.

قام باحثون في "هونان كوميونيكيشن بوليتكنيك" بتطوير نهج جديد يسمى ZBA-SU لحل هذه المعضلة المحددة. يجمع أسلوبهم بين ثلاث تقنيات متميزة لإنشاء عملية تحديث آمنة وخاصة وغير قابلة للتلاعب. أولاً، يستخدمون تقنية تشفير تُعرف باسم "إثبات المعرفة الصفرية"، والتي تسمح للجهاز بإثبات استيفائه لمتطلبات التحديث رياضياً دون الكشف عن التفاصيل الفعلية لهويته أو إصدار برنامجه الحالي. ثانياً، يوظفون تقنية "البلوكشين" (سلسلة الكتل)، وهي دفتر حسابات رقمي يسجل كل خطوة من خطوات المعاملة بطريقة لا يمكن تعديلها أو حذفها، مما يضمن أن تاريخ من استلم التحديث ومتى تم ذلك هو تاريخ دائم وشفاف. ثالثاً، يستخدمون شكلاً متخصصاً من التشفير يقفل ملف التحديث بإحكام شديد بحيث لا يمكن إلا لجهاز يمتلك مجموعة محددة من السمات فك قفله وتثبيته. ومن خلال نسج هذه الخيوط الثلاثة معاً، أنشأ الفريق نظاماً يمكن للجهاز من خلاله أن يقول: "أنا مسموح لي بالتحديث"، دون أن يقول أبداً: "أنا مستشعر في المبنى (أ) يعمل بالإصدار 2.1".

ولاختبار ما إذا كان هذا النظام المعقد يمكن أن يعمل فعلياً على الرقائق الصغيرة ومنخفضة الطاقة الموجودة في الأجهزة الواقعية، بنى الفريق محاكاة باستخدام مجموعة متنوعة من الأجهزة، بما في ذلك حواسيب "راسبيري باي" (Raspberry Pi) ووحدات تحكم دقيقة من نوع "ESP32". وقد أنشأوا نسخة خاصة من شبكة البلوكشين لتعمل كدفتر حسابات آمن، وأقاموا نظام تخزين موزع لحفظ ملفات التحديث. وفي تجاربهم، قاموا بمحاكاة آلاف طلبات التحديث، حيث طُلب من الأجهزة إثبات أهليتها باستخدام طريقة المعرفة الصفرية. وأظهرت النتائج أن النظام عمل كما هو مخطط له؛ حيث استطاع الجهاز إنشاء إثبات لأهليته في حوالي 1.8 ثانية، واستطاعت الشبكة التحقق من هذا الإثبات في أقل من ثلاث ثوانٍ. والأهم من ذلك، أن النظام قلل من تسرب المعلومات الحساسة للجهاز بنسبة 97 بالمائة مقارنة بالطرق التقليدية. وبينما كانت العملية أبطأ قليلاً من التحديثات القياسية غير المشفرة، إلا أن المقايضة كانت مكسباً هائلاً في الخصوصية والأمان، حيث نجح النظام في حظر محاولات تزوير الهويات أو إعادة تشغيل طلبات التحديث القديمة.

كما فحص الباحثون كيف سيتعامل النظام مع التكلفة والسرعة عند تشغيله على شبكة عامة حقيقية. فقد قاموا بمحاكاة سيناريوهات حيث تكون حركة مرور الشبكة كثيفة ورسوم المعاملات متذبذبة، ووجدوا أنه على الرغم من زيادة الوقت اللازم لتأكيد التحديث، إلا أن النظام ظل قوياً. وفي اختبار واسع النطاق شمل ألف جهاز، حافظ النظام على معدل نجاح بلغ 97.9 بالمائة، مما أثبت قدرته على التعامل مع الحجم المطلوب لمدينة ذكية أو مصنع صناعي. وتسلط الدراسة الضوء على أنه على الرغم من أن الجهد الحسابي المطلوب لإنشاء إثباتات الخصوصية هذه أعلى من الفحوصات القياسية، إلا أنه أمر يمكن إدارته للأجهزة التي لا تحتاج إلى التحديث كل ثانية ولكنها تحتاج إلى أن تكون آمنة عندما تقوم بذلك. وأشار الفريق إلى أنه بالنسبة للأجهزة الأصغر والأكثر تقييداً، يمكن للنظام نقل العمليات الحسابية الثقيلة إلى بوابة (Gateway) قريبة، مما يضمن قدرة حتى أصغر المستشعرات على المشاركة دون استنزاف بطارياتها.

في نهاية المطاف، يوضح هذا العمل أنه من الممكن الحصول على كل من الخصوصية والأمان في عالم الأجهزة المتصلة الفوضوي. إن إطار عمل ZBA-SU لا يعتمد على خادم واحد موثوق به لتقرير من يحصل على التحديث، ولا يجبر الأجهزة على بث أسرارها للعالم. بدلاً من ذلك، فإنه يخلق مصافحة رقمية حيث يتم التحقق من الأهلية من خلال الرياضيات، ويُكتب سجل هذه المصافحة في الحجر عبر البلوكشين، ويُقفل التحديث نفسه خلف مفتاح لا يملكه إلا الجهاز الصحيح. ويخلص الباحثون إلى أنه على الرغم من أن هذه التكنولوجيا ليست مثالية بعد وتتطلب مزيداً من التطوير للتعامل مع الشبكات الأسرع والرقائق الأصغر، إلا أنها تقدم مساراً قابلاً للتطبيق لتأمين البنية التحتية للمستقبل. ومن خلال إثبات أن التحديثات التي تحافظ على الخصوصية هي أمر ممكن، تشير الدراسة إلى أن الجيل القادم من المدن الذكية والأنظمة الصناعية يمكن تحديثه دون المساس بسرية أو سلامة الأجهزة التي تشغلها.