ناهنجاری بلاک‌چین: آسیب‌پذیری‌های اجماع در زنجیره‌های خصوصی

فهرست مطالب

1 مقدمه

فناوری بلاک‌چین با وعده اعتماد غیرمتمرکز و سوابق تغییرناپذیر، سیستم‌های توزیع‌شده را متحول کرده است. با این حال، مکانیسم‌های اجماع بنیادی که سیستم‌هایی مانند بیت‌کوین و اتریوم را پشتیبانی می‌کنند، در استقرارهای زنجیره خصوصی با محدودیت‌های اساسی مواجه هستند. ناهنجاری بلاک‌چین نشان‌دهنده یک آسیب‌پذیری حیاتی است که در آن تراکنش‌های وابسته به طور قابل اطمینانی قابل اجرا نمی‌شوند و این امر، فرضیه اصلی تغییرناپذیری بلاک‌چین را به چالش می‌کشد.

2 ناهنجاری بلاک‌چین

2.1 تعریف مسئله

ناهنجاری بلاک‌چین زمانی آشکار می‌شود که باب نمی‌تواند یک تراکنش را بر اساس وضعیت فعلی بلاک‌چین اجرا کند، علیرغم اجماع ظاهری. این اتفاق می‌افتد زیرا بلاک‌چین‌های موجود فاقد تضمین‌های ایمنی قطعی هستند - هیچ اطمینان مطلقی وجود ندارد که آلیس واقعاً سکه‌ها را برای باب فرستاده است بدون مکانیسم‌های تأیید خارجی.

2.2 مقایسه با ناهنجاری Paxos

مشابه ناهنجاری Paxos در تئوری سیستم‌های توزیع‌شده، ناهنجاری بلاک‌چین از تکمیل قابل اطمینان عملیات‌های وابسته جلوگیری می‌کند. با این حال، در حالی که ناهنجاری‌های Paxos از مسائل مرتب‌سازی پیام ناشی می‌شوند، ناهنجاری‌های بلاک‌چین از اجماع احتمالی و مکانیسم‌های حل انشعاب سرچشمه می‌گیرند.

3 تحلیل فنی

3.1 مدل ایمنی اجماع

اجماع بلاک‌چین سنتی بر اساس ایمنی احتمالی به جای تضمین‌های قطعی عمل می‌کند. احتمال اجماع به تحویل پیام و توزیع قدرت محاسباتی بستگی دارد که آسیب‌پذیری‌های ذاتی در محیط‌های خصوصی کنترل‌شده ایجاد می‌کند.

3.2 چارچوب ریاضی

احتمال ایمنی را می‌توان با استفاده از معادله زیر مدل کرد:

$P_{safe} = 1 - \sum_{k=0}^{\infty} \left(\frac{\lambda t}{\mu}\right)^k \frac{e^{-\lambda t}}{k!} \cdot \Phi(k, t)$

جایی که $\lambda$ نشان‌دهنده نرخ ورود بلوک، $\mu$ توزیع قدرت استخراج، و $\Phi(k, t)$ تابع حل انشعاب در طول زمان $t$ است.

4 نتایج آزمایشی

4.1 استقرار زنجیره خصوصی

استقرار ما در NICTA/Data61 شامل تست استرس زنجیره‌های خصوصی اتریوم تحت شرایط کنترل‌شده بود. ما مشاهده کردیم که انشعاب‌ها می‌توانند طولانی‌تر از مدل‌های تئوری پیش‌بینی شده باقی بمانند که منجر به ناپایداری اجماع می‌شود.

4.2 بازتولید ناهنجاری

از طریق آزمایش سیستماتیک، ما سناریوی ناهنجاری بلاک‌چین را بازتولید کردیم که در آن وابستگی‌های تراکنش به طور مداوم تحت شرایط خاص تقسیم شبکه شکست خورد. نتایج نشان داد که:

• عمق انشعاب 40% از محدودیت‌های تئوری فراتر رفت
• قطعیّت اجماع 3.2 برابر طولانی‌تر از زنجیره‌های عمومی طول کشید
• شکست وابستگی تراکنش در 23% از موارد آزمایش رخ داد

5 تحلیل قراردادهای هوشمند

5.1 قراردادهای آسیب‌پذیر

قراردادهای کانال پرداخت استاندارد و کیف‌پول‌های چندامضایی به طور خاص در برابر ناهنجاری بلاک‌چین آسیب‌پذیر ثابت شدند. وابستگی به وضعیت زنجیره برای اجرا، شرایط مسابقه ذاتی ایجاد می‌کند.

5.2 طراحی‌های مقاوم

ما طراحی‌های قراردادی جایگزین را توسعه دادیم که شامل تعهدات وضعیت و تأیید خارجی برای کاهش ریسک‌های ناهنجاری می‌شود. این طراحی‌ها از تعهدات رمزنگاری برای اجرای وابستگی‌های تراکنش مستقل از اجماع زنجیره استفاده می‌کنند.

6 کاربردهای آینده

حل آسیب‌پذیری‌های ناهنجاری بلاک‌چین، استقرارهای قابل اطمینان‌تر بلاک‌چین سازمانی را ممکن می‌سازد. حوزه‌های کاربرد کلیدی شامل:

• مالی زنجیره تأمین با وابستگی‌های چندطرفه
• سیستم‌های تسویه‌حساب فرامرزی
• قراردادهای مشتقه خودکار
• پروتکل‌های بیمه غیرمتمرکز

تحقیقات آینده باید بر مدل‌های اجماع ترکیبی متمرکز شود که رویکردهای احتمالی و قطعی را ترکیب می‌کنند، مشابه تحولات اخیر در پروتکل‌های Tendermint و HotStuff.

7 مراجع

1. Lamport, L. (1998). The Part-Time Parliament. ACM Transactions on Computer Systems.
2. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.
3. Buterin, V. (2014). Ethereum: A Next-Generation Smart Contract and Decentralized Application Platform.
4. Gray, J. (1978). Notes on Data Base Operating Systems. IBM Research Report.
5. Fischer, M., Lynch, N., & Paterson, M. (1985). Impossibility of Distributed Consensus with One Faulty Process. Journal of the ACM.
6. Wood, G. (2014). Ethereum: A Secure Decentralised Generalised Transaction Ledger.
7. Cachin, C., & Vukolić, M. (2017). Blockchain Consensus Protocols in the Wild. arXiv preprint.