Enabling Threshold Custody for the Lightning Network with Nested Threshold Multi-Signatures
यह शोध पत्र "Iceberg" को प्रस्तुत करता है, जो नेस्टेड थ्रेशोल्ड MuSig2 हस्ताक्षरों के लिए एक नवीन क्रिप्टोग्राफिक निर्माण है जो बिटकॉइन लाइटनिंग नेटवर्क चैनल के एक पक्ष को अंतर्निहित प्रोटोकॉल, बिटकॉइन, या प्रतिपक्षों में बिना किसी संशोधन की आवश्यकता के, उच्च भुगतान थ्रूपुट बनाए रखते हुए, एक सुरक्षित -of- थ्रेशोल्ड समूह के रूप में संचालित करने में सक्षम बनाता है।
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बिटकॉइन की डिजिटल दुनिया में, पैसा दो अलग-अलग परतों के माध्यम से चलता है। मुख्य परत, जिसे ब्लॉकचेन के रूप में जाना जाता है, एक सार्वजनिक लेजर है जहाँ लेनदेन स्थायी रूप से दर्ज किए जाते हैं। इसके ऊपर लाइटनिंग नेटवर्क स्थित है, जो एक तेज़, निजी प्रणाली है जिसे मुख्य लेजर को बाधित किए बिना प्रति सेकंड हजारों भुगतान संभालने के लिए डिज़ाइन किया गया है। इस प्रणाली का उपयोग करने के लिए, दो लोग आपस में एक निजी चैनल खोलते हैं, और अपने फंड को एक विशेष डिजिटल लॉक के तहत सुरक्षित करते हैं जिसे खर्च करने के लिए दोनों की स्वीकृति की आवश्यकता होती है। यह सेटअप प्रमुख वित्तीय संस्थानों के लिए महत्वपूर्ण बन गया है, जो करोड़ों डॉलर के मूल्य को संभाल रहा है। हालाँकि, नेटवर्क की शुरुआत से ही एक गंभीर कमजोरी बनी हुई है: वे डिजिटल कुंजियाँ (keys) जो इस चैनल के प्रत्येक पक्ष पर इन फंडों को नियंत्रित करती हैं, एक ही डिवाइस में रखी जाती हैं। यदि वह एक डिवाइस चोरी हो जाता है, हैक हो जाता है, या बस खो जाता है, तो फंड हमेशा के लिए चला जाता है। कोई बैकअप नहीं है, कोई रिकवरी नहीं है, और न ही अधिकार को कई लोगों या मशीनों के बीच विभाजित करने का कोई तरीका है।
वर्षों से, विशेषज्ञों ने जाना है कि इसका समाधान "थ्रेशोल्ड कस्टडी" (threshold custody) में निहित है, एक ऐसी विधि जहाँ लेनदेन पर हस्ताक्षर करने के लिए लोगों के एक समूह को सहमत होना पड़ता है, लेकिन हर एक सदस्य का उपस्थित होना आवश्यक नहीं है। यह मुख्य ब्लॉकचेन पर बड़ी राशियों को सुरक्षित करने के लिए एक मानक अभ्यास है, लेकिन इसे लाइटनिंग नेटवर्क पर लागू करना असंभव रहा है। इसका कारण एक तकनीकी गतिरोध है: लाइटनिंग नेटवर्क को शेष राशि को अपडेट करने के लिए दो पक्षों के बीच एक विशिष्ट, कठोर हैंडशेक (handshake) की आवश्यकता होती है, और यह हैंडशर्क अनुमति नहीं देता कि एक पक्ष अचानक यह प्रकट कर दे कि वह वास्तव में लोगों का एक समूह है। यदि एक पक्ष समूह की कुंजी (group key) का उपयोग करने का प्रयास करता है, तो यह प्रोटोकॉल को तोड़ देगा, जिससे दूसरे व्यक्ति को अपना सॉफ़्टवेयर बदलना पड़ेगा या पूरे नेटवर्क को अनुकूलित होना पड़ेगा। इसने लाइटनिंग नेटवर्क को असुरक्षित छोड़ दिया है, जो एकल बिंदुओं की विफलता (single points of failure) पर निर्भर है, जबकि शेष वित्तीय दुनिया अधिक मजबूत, वितरित सुरक्षा की ओर बढ़ रही है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस समस्या को हल करने के लिए 'आइसबर्ग' (Iceberg) नामक एक नई क्रिप्टोग्राफिक विधि का आविष्कार करके इस समस्या को सुलझा लिया है। उनका कार्य यह अनुमति देता है कि लाइटनिंग चैनल का एक पक्ष सुरक्षित हस्ताक्षरकर्ता समूह के रूप में कार्य कर सके जबकि दूसरे पक्ष के सामने वह एक साधारण एकल उपयोगकर्ता के रूप में दिखाई दे। कल्पना कीजिए कि एक बैंक वॉल्ट है जिसे खोलने के लिए तीन प्रबंधकों की आवश्यकता होती है, लेकिन बाहरी दुनिया के लिए, यह एक अकेले व्यक्ति के चाबी घुमाने जैसा दिखता है। शोधकर्ताओं ने इस बात से सफलता प्राप्त की है कि समूह की आंतरिक सहमति अदृश्य रूप से, पर्दे के पीछे होती है, बिना काउंटरपार्टी को भेजे जाने वाले संदेशों को बदले। परिणाम एक ऐसा तरीका है जिससे जोखिम को वितरित किया जा सकता है और कुल नुकसान को रोका जा सकता है, बिना बिटकॉइन नेटवर्क, लाइटनिंग प्रोटोकॉल, या चैनल में उपयोग किए जाने वाले दूसरे व्यक्ति के सॉफ़्टवेयर में किसी भी बदलाव की आवश्यकता के।
इस नवाचार का मूल यह है कि समूह डिजिटल "नॉन्स" (nonces) को कैसे संभालता है, जो कि रैंडम नंबर हैं जिनका उपयोग सिग्नेचर बनाने के लिए किया जाता है। लाइटनिंग नेटवर्क में, इन नंबरों पर विशिष्ट लेनदेन विवरणों के ज्ञात होने से पहले ही सहमति होनी चाहिए। यह एक अनूठी चुनौती पैदा करता है: यदि समूह नंबर चुने जाने और लेनदेन पर हस्ताक्षर करने के बीच के समय में अपने सदस्यों को बदल देता है, तो सिग्नेचर विफल हो सकता है या असुरक्षित हो सकता है। इसे हल करने के पिछले प्रयासों में या तो सभी सदस्यों का एक ही समय में ऑनलाइन होना आवश्यक था या समूह को अपनी आंतरिक संरचना प्रकट करने के लिए मजबूर होना पड़ता था। आइसबर्ग प्रणाली 'रेप्लिकेटेड सीक्रेट शेयरिंग' (replicated secret sharing) नामक तकनीक का उपयोग करके इस बाधा को पार करती है। इस सेटअप में, समूह का प्रत्येक सदस्य गुप्त कुंजी (secret key) का एक हिस्सा रखता है, लेकिन हिस्सों को इस तरह व्यवस्थित किया जाता है कि समूह का कोई भी छोटा बहुमत आवश्यक नंबरों का पुनर्निर्माण कर सके, चाहे वर्तमान में कौन भी ऑनलाइन हो। महत्वपूर्ण रूप से, यह प्रणाली इन नंबरों को इस तरह से व्युत्पन्न करती है जो केवल चैनल की स्थिति पर निर्भर करता है, न कि इस पर कि कौन से विशिष्ट सदस्य मौजूद हैं। इसका मतलब है कि यदि कुछ सदस्य ऑफलाइन हो जाते हैं या यदि समूह की संरचना बदल जाती है, तो शेष सदस्य पहले से किए गए वादे के अनुसार सटीक सिग्नेचर उत्पन्न कर सकते हैं, जिससे चैनल सुरक्षित और कार्यात्मक रहता है।
इस अवधारणा को वास्तविक दुनिया में काम करने के लिए सिद्ध करने हेतु, शोधकर्ताओं ने एक वर्किंग प्रोटोटाइप बनाया और इसे एक प्रोडक्शन लाइटनिंग नोड (एक सॉफ़्टवेयर जिसका उपयोग भुगतान रूट करने के लिए किया जाता है) में एकीकृत किया। उन्होंने विभिन्न स्थितियों के तहत सिस्टम का परीक्षण किया, जिसमें अलग-अलग आकार के समूहों का अनुकरण किया गया और विभिन्न संख्या में दोषपूर्ण या गायब सदस्यों को सहन किया गया। परिणामों ने दिखाया कि यह नई विधि भुगतान प्रक्रिया में केवल बहुत कम समय जोड़ती है। एक समूह के लिए जिसे एक भ्रष्ट सदस्य को सहन करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, अतिरिक्त समय प्रति भुगतान केवल 3.8 मिलीसेकंड था। यह एक मानक लेनदेन के लिए पहले से आवश्यक कम्प्यूटेशनल कार्य में केवल 6.7 प्रतिशत की वृद्धि है। बड़े समूहों के साथ भी, जिन्हें अधिक विफलताओं को संभालने के लिए डिज़ाइन किया गया है, सिस्टम ने उच्च गति बनाए रखी, जो एक मानक, बिना संशोधित चैनल के भुगतान थ्रूपुट का 93 प्रतिशत से अधिक बनाए रखता है। यह प्रदर्शित करता है कि लाइटनिंग नेटवर्क की उपयोगिता के लिए आवश्यक गति से समझौता किए बिना आज ही लाइटनिंग नेटवर्क में थ्रेशोल्ड कस्टडी को जोड़ा जा सकता है।
इस नए सिस्टम की सुरक्षा को भी कड़ाई से सिद्ध किया गया था। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि जब तक समूह में ईमानदार सदस्यों का बहुमत है, तब तक हमलावर के लिए सिग्नेचर बनाना या फंड चुराना गणितीय रूप से असंभव है, भले ही वे समूह के कुछ उपकरणों को नियंत्रित करते हों। यह प्रमाण लाइटनिंग नेटवर्क की जटिल वास्तविकता को ध्यान में रखता है, जहाँ सदस्य ऑफलाइन हो सकते हैं, संदेशों में देरी हो सकती है, और समूह को हस्ताक्षर करने से पहले चैनल की वर्तमान स्थिति पर सहमत होने की आवश्यकता हो सकती है। "नेस्टेड थ्रेशोल्ड मल्टी-सिग्नेचर" (nested threshold multi-signatures) नामक एक नए प्रकार के क्रिप्टोग्राफिक प्रिमिटिव को औपचारिक रूप देकर, टीम ने गणितीय गारंटी प्रदान की कि समूह एक एकल, सुरक्षित इकाई के रूप में कार्य करता है। इसका मतलब है कि संस्थान और व्यक्ति अब इस सुरक्षा को एकपक्षीय रूप से तैनात कर सकते हैं; वे किसी और को अपना सॉफ़्टवेयर बदलने के लिए कहे बिना या नेटवर्क-व्यापी अपग्रेड की प्रतीक्षा किए बिना अपने स्वयं के सुरक्षा स्तर को अपग्रेड कर सकते हैं।
इस कार्य के निहितार्थ केवल एक भेद्यता को ठीक करने से परे हैं; यह डिजिटल संपत्तियों को सुरक्षित करने के बारे में हमारे सोचने के तरीके को बदल देता है। वर्षों से, लाइटनिंग नेटवर्क को एक समझौते के रूप में देखा जाता था: गति और गोपनीयता की कीमत एकल, नाजुक कुंजियों पर निर्भरता के रूप में चुकानी पड़ती थी। आइसबर्ग उस समझौते को समाप्त करता है, जिससे नेटवर्क उसी स्तर की सुरक्षा के साथ स्केल करने की अनुमति मिलती है जो बड़े संस्थान पहले से ही अपनी ऑन-चेन संपत्तियों के लिए मांगते हैं। शोधकर्ताओं ने सत्यापित किया कि उनका सिस्टम मौजूदा हार्डवेयर और सॉफ़्टवेयर के साथ सहजता से काम करता है, जिसका अर्थ है कि इस सुरक्षित मॉडल में संक्रमण तुरंत हो सकता है। एक वास्तविक दुनिया के नोड में समाधान को एकीकृत करके और इसके प्रदर्शन को मापकर, उन्होंने अवधारणा को एक सैद्धांतिक संभावना से एक व्यावहारिक उपकरण में बदल दिया। निष्कर्ष पुष्टि करते हैं कि लाइटनिंग नेटवर्क अब उस प्रकार की बहु-पक्षीय कस्टडी का समर्थन कर सकता है जो चोरी और आकस्मिक हानि दोनों से सुरक्षा प्रदान करती है, जिससे इसके माध्यम से बहने वाले करोड़ों डॉलर सुरक्षित होते हैं।
यह सफलता बिटकॉइन या लाइटनिंग नेटवर्क के मौलिक नियमों को बदलने पर निर्भर नहीं करती है। इसके बजाय, यह एक जटिल, बहु-व्यक्ति सुरक्षा प्रणाली को उस सरल, एकल-व्यक्ति स्लॉट के भीतर फिट करके काम करती है जिसकी नेटवर्क अपेक्षा करता है। यह एक अनुस्मारक है कि कभी-कभी सबसे प्रभावी समाधान कुछ नया शुरू से बनाने के बारे में नहीं होते, बल्कि यह खोजने के बारे में होते हैं कि मौजूदा संरचनाओं को अधिक भार कैसे सहने योग्य बनाया जाए। शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि सही गणितीय दृष्टिकोण के साथ, एक समूह के संरक्षकों को एक एकल चेहरे के पीछे छिपाना संभव है, यह सुनिश्चित करते हुए कि बिजली की गति से चलने वाला डिजिटल पैसा उतना ही सुरक्षित है जितने कि उसे उपयोग करने वाले लोग। आगे का रास्ता अब स्पष्ट है: इन फंडों की रक्षा करने के लिए तकनीक मौजूद है, और एकमात्र बाधा इसे अपनाने का निर्णय है।
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