Implementation and Evaluation of a Dilithium-Based Post-Quantum Blockchain Prototype

يعتمد العالم الرقمي على نظام من الأقفال والمفاتيح للحفاظ على أموالنا وأصواتنا وأسرارنا آمنة. ولعقود من الزمن، بُنيت هذه الأقفال على ألغاز رياضية كان من السهل على البشر حلها، ولكن كان من المستحيل تقريبًا على حتى أقوى الحواسيب فك شفرتها. ومع ذلك، يعلم العلماء منذ فترة طويلة أن نوعًا جديدًا من الحواسيب، وهو الذي يستخدم القواعد الغريبة للفيزياء الكمومية، يمكنه في النهاية كسر هذه الأقفال في ثوانٍ معدودة. وللاستعداد لهذا المستقبل، يصمم الباحثون أقفالًا جديدة تعتمد على تحديات رياضية مختلفة لا تستطيع حتى الحواسيب الكمومية حلها. وتسمى هذه العملية بالتشفير ما بعد الكم (post-quantum cryptography). لكن مجرد استبدال القفل ليس كافيًا؛ فالقفل لا يكون جيدًا إلا بجودة الباب الذي يوضع فيه، والمفصلات التي تثبته، والأشخاص الذين يقررون متى يفتحونه. فإذا كان إطار الباب ضعيفًا أو كان الأشخاص مشوشين، فلن يحمي أقوى قفل في العالم أحدًا.

قرر فريق من الباحثين في جامعة مصر للعلوم والتكنولوجيا اختبار هذه الفكرة عبر بناء نموذج عامل لسجل رقمي، وهو نظام يُطلق عليه غالبًا اسم "سلسلة الكتل" (blockchain)، والذي يُستخدم لتسجيل الأصوات والمعاملات. بدأوا بنموذج أولي استخدم نسخة مبكرة من قفل جديد مقاوم للكم، ثم استبدلوه بالنسخة المعتمدة رسميًا. لم يكن هدفهم مجرد معرفة ما إذا كان القفل الجديد يعمل، بل مراقبة كيفية سلوك النظام بأكم، وكيف يتصرف عند إجراء هذا التغيير. أرادوا معرفة ما إذا كان بقية الآلة — الأجزاء التي تتحقق من الهويات، وتعد الأصوات، وتخزن البيانات — يمكنها التعامل مع عملية الانتقال دون أن تتعطل. وما وجدوه هو أن القفل الجديد كان يعمل بنفس كفاءة القفل القديم تقريبًا، لكن المشكلات الحقيقية كانت تختبئ في زوايا البرمجيات، وفي كيفية كتابة البيانات، وفي كيفية تواصل الأجزاء المختلفة من النظام مع بعضها البعض.

بدأ الباحثون بقياس السرعة الخام للقفل الجديد، المعروف باسم ML-DSA-44، مقابل النسخة القديمة التي كانوا يستخدمونها. أجروا آلاف الاختبارات لمعرفة مدى سرعة النظام في توقيع رسالة والتحقق من أن التوقيع أصلي. أظهرت النتائج أن القفل الجديد لم يكن تحسنًا هائلاً ولا كارثة؛ فقد كان أبطأ قليلاً، بنسبة تتراوح بين خمسة إلى ثمانية بالمائة، لكن الفرق كان صغيرًا بما يكفي لعدم إبطاء نظام في العالم الحقيقي. كان هذا أمرًا مطمئنًا، لأنه يعني أن التغيير التشفيري الجوهري كان قابلاً للإدارة. ومع ذلك، أدرك الفريق سريعًا أن سرعة القفل هي الجزء الأقل أهمية في القصة؛ إذ جاءت النتائج الأكثر أهمية من مراقبة كيفية تعامل النظام مع الرسائل التي تمر عبر القفل.

في نموذجهم، صُمم النظام لاتخاذ قرار نهائي، مثل الموافقة على كتلة من الأصوات، بمجرد جمع قدر معين من الثقة من مجموعة من المصدقين (validators). وضع الباحثون سيناريو حيث وافق ثمانون بالمائة من المصدقين الموثوقين على الموافقة على كتلة تالفة وغير صالحة. ولأن النظام صُمم ليثق في التوقيعات، فقد قبل الموافقة واعتمد الكتلة السيئة. حدث هذا في كل اختبار من الاختبارات العشرين ألفًا التي أجروها. كانت التوقيعات سليمة رياضيًا، مما يثبت أن المصدقين قد أرسلوا الرسالة بالفعل، لكن النظام فشل في التحقق مما إذا كانت الرسالة نفسها منطقية. كان الأمر يشبه حارس أمن يتحقق من بطاقة هوية الزائر بدقة، لكنه يفشل في ملاحظة أن الزائر يحاول دخول غرفة لا علاقة له بها. لقد عمل القفل، لكن القاعدة الخاصة بفتح الباب كانت معيبة.

اكتشف الفريق أيضًا خطأً دقيقًا وخطيرًا في كيفية تحقق النظام من هوية مرسل الرسالة. في جزء من الكود القديم، يسأل النظام الشخص الذي يرسل رسالة: "من أنت؟"، ثم يستخدم تلك الإجابة للعثور على المفتاح الصحيح للتحقق من التوقيع. لم يتحقق النظام أبدًا مما إذا كان الاسم الذي قدمه الشخص يطابق الاسم المكتوب داخل الرسالة المختومة التي أرسلها. في اختبار محكوم، أرسل الباحثون عشرين ألف رسالة ادعى فيها المرسل أنه شخص ما، بينما كانت الرسالة موقعة كما لو كانت من شخص آخر. قبل النظام القديم جميعها. ولم يبدأ النظام في رفض الرسائل التي بها عدم تطابق إلا عندما أضاف الباحثون فحصًا بسيطًا لمقارنة الاسمين. أظهر هذا أن النظام يمكن أن يكون آمنًا رياضيًا ولكنه يظل عرضة للخطر إذا وثق في المعلومات الخاطئة لاتخاذ قراراته.

تضمن اكتشاف رئيسي آخر كيفية تخزين البيانات. قارن الباحثون بين ثلاث طرق مختلفة لتدوين السجلات الرقمية. استخدمت إحدى الطرق تنسيقًا نصيًا شائعًا يحول البيانات الثنائية (binary) إلى سلاسل طويلة من الحروف والأرقام، مما يجعل الملفات أكبر بكثير. واستخدمت طريقة أخرى تنسيقًا أكثر كفاءة ولكنها حافظت على نفس السلاسل الطويلة. أما الطريقة الثالثة، فقد استخدمت التنسيق الأكثر كفاءة ولكنها خزنت البيانات كبايتات خام (raw bytes)، بالطريقة التي تراها الحاسبات طبيعيًا. كانت النتائج مذهلة: أدى الانتقال إلى تنسيق البايتات الخام إلى تقليل حجم السجلات بنسبة تقارب النصف مقارنة بالنسخة المعتمدة على النصوص الكثيفة. وهذا يعني أن النظام الذي يستخدم الطريقة الجديدة سيحتاج إلى مساحة تخزين أقل بكثير ويمكنه نقل البيانات بشكل أسرع، ليس لأن القفل أفضل، بل لأن طريقة تعليب البيانات كانت أذكى.

أخيرًا، اختبر الفريق كيفية سلوك النظام عندما تعمل الأجزاء المختلفة من الشبكة في عمليات حاسوبية منفصلة، لمحاكاة شبكة موزعة حقيقية. أدخلوا تأخيرات صغيرة لمحاكاة الوقت الذي تستغرقه الرسالة للانتقال عبر الشبكة. في اختبار محدد، وصلت رسالة بعد جزء ضئيل من الثانية من اتخاذ النظام لقراره. حدد النظام الرسالة على أنها متأخرة، لكنه لا يزال يحتسبها ضمن النتيجة النهائية. أدى هذا إلى خلق حالة تسابق (race condition) حيث يمكن أن تتغير النتيجة بناءً على التوقيت الدقيق للشبكة. قام الباحثون بإصلاح هذا المنطق وأعادوا إجراء الاختبارات، مؤكدين أن النظام سيقوم الآن بتجاهل الرسائل المتأخرة بشكل صحيح. سلط هذا الضد الضوء على أن التوقيت الذي يتوقف فيه النظام عن الاستماع يمكن أن يكون بنفس أهمية أمن الرسائل التي يسمعها.

خلصت الدراسة إلى أن الانتقال إلى مستقبل مقاوم للكم ليس مجرد استبدال خوارزمية رياضية. إنها رحلة معقدة تتطلب فحص كل طبقة من طبقات النظام، بدءًا من طريقة كتابة البيانات وصولًا إلى القواعد التي تحكم كيفية اتخاذ القرارات. لقد كان أداء القفل الجديد جيدًا، لكن الباحثين وجدوا أن المخاطر الحقيقية كانت في منطق التطبيق، وفحوصات الهوية، والتنسيق بين الأجزاء المختلفة من النظام. بالنسبة لهذا النموذج الأولي، اعتمد نجاح عملية الانتقال على إصلاح هذه المشكلات المحيطة بقدر اعتماده على أداء مخطط التوقيع الجديد. ويعمل هذا العمل كتذكير بأنه في العالم الرقمي، القفل القوي هو جزء واحد فقط من باب آمن، ويجب أن يكون بقية الإطار قويًا بنفس القدر.