فهرست مطالب
- 1 مقدمه
- 2 چالشها در سیستمهای بلاکچین
- 3 مدل TCB: تاریخچهای کوتاه از محاسبات معتمد
- 4 ویژگیهای مطلوب یک TCB غیرمتمرکز
- 5 TCBهای ریشهدار سختافزاری در محیطهای ابری مجازیسازیشده
- 6 مطالعه موردی: دروازهها برای قابلیت همکاری بلاکچین
- 7 نتیجهگیری و ملاحظات بیشتر
- 8 تحلیل اصلی
- 9 چارچوب فنی
- 10 کاربردهای آینده
- 11 مراجع
1 مقدمه
فناوری بلاکچین در حال ظهور به عنوان بنیانی بالقوه برای اکوسیستم مالی جهانی آینده است. سیستم بیتکوین که توسط ناکاموتو در سال ۲۰۰۸ پیشنهاد شد، مفاهیم انقلابی از جمله مشارکت آزاد در استخراج از طریق اجماع اثبات کار را معرفی کرد. با این حال، سیستمهای فعلی بلاکچین با چالشهای امنیتی قابل توجهی روبرو هستند که باید قبل از پذیرش گسترده مالی مورد توجه قرار گیرند.
2 چالشها در سیستمهای بلاکچین
چالشهای کلیدی شامل تجمع قدرت هش توسط استخرهای استخراج ناشناس، عدم وجود محدودیتهای جغرافیایی که امکان حملات بالقوه را فراهم میکند، و مشکلات در برقراری اعتماد بین شرکتکنندگان غیرمتمرکز است. استقلال و ناشناس بودن گرههای استخراج، آسیبپذیریهایی ایجاد میکند که در آن بازیگران مخرب میتوانند بر اجماع شبکه تأثیر بگذارند.
3 مدل TCB: تاریخچهای کوتاه از محاسبات معتمد
مفهوم پایگاه محاسباتی معتمد از کتاب نارنجی وزارت دفاع آمریکا در دهه ۱۹۸۰ سرچشمه گرفته و اصول بنیادی برای سیستمهای محاسباتی امن را ایجاد کرد.
3.1 اعتماد کتاب نارنجی
معیارهای ارزیابی سیستم کامپیوتری معتمد (TCSEC) که معمولاً به عنوان کتاب نارنجی شناخته میشود، معیارهای ارزیابی امنیتی برای سیستمهای کامپیوتری را تعریف کرد و پایهای برای محاسبات معتمد مدرن ایجاد نمود.
3.2 گروه محاسبات معتمد
گروه محاسبات معتمد (TCG) کار تدوین استانداردهای امنیتی مبتنی بر سختافزار را ادامه داده و مشخصات ماژولهای پلتفرم معتمد و سایر مؤلفههای امنیتی را ارائه میدهد.
3.3 ماژول پلتفرم معتمد
TPM عملکردهای امنیتی مبتنی بر سختافزار از جمله تولید و ذخیرهسازی ایمن کلید، عملیات رمزنگاری و اندازهگیریهای یکپارچگی پلتفرم را ارائه میدهد.
3.4 ریشه اعتماد اینتل SGX
افزونههای محافظ نرمافزار اینتل (SGX) رمزگذاری حافظه مبتنی بر سختافزار را ارائه میدهد که کد و دادههای خاص برنامه را در حافظه جدا کرده و محیطهای امنی ایجاد میکند که از سایر فرآیندها محافظت میشوند.
4 ویژگیهای مطلوب یک TCB غیرمتمرکز
TCB غیرمتمرکز مفاهیم سنتی TCB را به محیطهای توزیعشده گسترش میدهد و به ویژگیهای جدیدی برای اعتماد فنی و عملیات گروهمحور نیاز دارد.
4.1 ویژگیهای اعتماد فنی
ویژگیهای ضروری شامل ریشههای اعتماد مبتنی بر سختافزار، قابلیتهای attestation از راه دور، مدیریت کلید امن و مکانیزمهای اندازهگیری یکپارچگی است که در زمینههای غیرمتمرکز کار میکنند.
4.2 ویژگیهای احتمالی گروهمحور
ویژگیهای گروهمحور، محاسبات چندجانبه امن، تولید کلید توزیعشده، امضاهای آستانهای و مکانیزمهای تحمل خطای بیزانس برای اجماع بلاکچین را فعال میکنند.
5 TCBهای ریشهدار سختافزاری در محیطهای ابری مجازیسازیشده
با انتقال زیرساخت بلاکچین به محیطهای ابری، TCBهای ریشهدار سختافزاری امنیت بنیادی را در زمینههای مجازیسازی ارائه میدهند.
5.1 لایهبندی TCB
لایهبندی TCB روابط اعتماد سلسلهمراتبی ایجاد میکند که در آن هر لایه بر اساس امنیت لایههای پایینتر ساخته میشود و زنجیرهای از اعتماد از سختافزار تا برنامهها ایجاد میکند.
5.2 نمونههایی از لایهبندی TCB
پیادهسازیهای عملی شامل TPM سختافزاری به عنوان لایه ریشه، لایه امنیت هایپروایزر، لایه نظارت بر ماشین مجازی و لایههای امنیتی خاص برنامه برای گرههای بلاکچین است.
6 مطالعه موردی: دروازهها برای قابلیت همکاری بلاکچین
دروازههای بلاکچین نمایانگر یک حوزه کاربردی حیاتی هستند که در آن DTCB میتواند امنیت و اعتماد بین شبکههای مختلف بلاکچین را افزایش دهد.
6.1 سیستمهای خودمختار بلاکچین
سیستمهای بلاکچین خودمختار به مکانیزمهای امنیتی قوی برای عملکرد مستقل در حین حفظ قابلیت همکاری با سایر سیستمها نیاز دارند.
6.2 دروازههای بین سیستمهای بلاکچین
دروازهها ارتباط و انتقال ارزش بین شبکههای مختلف بلاکچین را تسهیل میکنند و به تضمینهای امنیتی قوی برای جلوگیری از حملات زنجیرهای متقابل نیاز دارند.
6.3 کاربردهای ویژگیهای DTCB برای دروازهها و دروازههای چندگانه
ویژگیهای DTCB طرحهای چندامضایی امن، مبادلات اتمی بین زنجیرهای و خدمات اوراکل معتمد را فعال میکنند که امنیت و عملکرد دروازه را افزایش میدهند.
7 نتیجهگیری و ملاحظات بیشتر
پایگاه محاسباتی معتمد غیرمتمرکز نمایانگر یک تکامل حیاتی از مفاهیم محاسبات معتمد برای محیطهای بلاکچین است. کارهای آینده باید بر استانداردسازی، بهینهسازی عملکرد و یکپارچهسازی با معماریهای در حال ظهور بلاکچین متمرکز شود.
8 تحلیل اصلی
بینش اصلی
چارچوب DTCB هاردجونو و اسمیت پیچیدهترین تلاش تا به امروز برای پل زدن بین شکاف اعتماد بین پارادایمهای امنیتی متمرکز و واقعیتهای بلاکچین غیرمتمرکز است. بینش اساسی - که اعتماد باید توزیعشده اما قابل تأیید باشد - فرض غالب را که غیرمتمرکزسازی ذاتی امنیت را قربانی میکند، به چالش میکشد. این کار بر اساس تحقیقات مستقر محاسبات معتمد از گروه محاسبات معتمد ساخته شده و در عین حال مدل تهدید منحصر به فرد بلاکچین را مورد توجه قرار میدهد.
جریان منطقی
مقاله از یک پیشرفت منطقی قانعکننده پیروی میکند: با تشخیص محدودیتهای امنیتی بلاکچین آغاز میشود، به ویژه آسیبپذیری استخرهای استخراج ناشناس و ناکافی بودن راهحلهای فقط نرمافزاری. سپس به طور سیستماتیک مفاهیم سنتی TCB را تطبیق میدهد و ریشههای اعتماد سختافزاری را به عنوان پایهای برای تأیید غیرمتمرکز معرفی میکند. پیادهسازی فنی از محیطهای امن اینتل SGX و ماژولهای TPM برای ایجاد زنجیرههای اعتماد قابل اندازهگیری استفاده میکند، مشابه رویکردهای دیده شده در تحقیقات محاسبات محرمانه از مایکروسافت ریسرچ و RISELab برکلی.
نقاط قوت و ضعف
نقطه قوت اصلی چارچوب در پایهگذاری عملی آن نهفته است - این چارچوب سازههای نظری را پیشنهاد نمیکند بلکه بر اساس قابلیتهای سختافزاری موجود ساخته شده است. مطالعه موردی دروازه، کاربرد فوری آن را برای چالشهای قابلیت همکاری دنیای واقعی نشان میدهد. با این حال، این رویکرد از وابستگی سختافزاری رنج میبرد که به طور بالقوه فشارهای متمرکزسازی حول سازندگان تراشه خاص ایجاد میکند. این با فلسفه غیرمتمرکزسازی بلاکچین در تضاد است و میتواند نقاط شکست واحد معرفی کند، که یادآور انتقادات اولیه علیه سیستمهای بلاکچین مجاز مانند Hyperledger است.
بینشهای قابل اجرا
شرکتها باید پیادهسازی DTCB را برای امنیت دروازه بین زنجیرهای فوراً در اولویت قرار دهند، در حالی که جامعه تحقیقاتی باید وابستگی سختافزاری را از طریق استانداردهای باز و پشتیبانی چندین فروشنده مورد توجه قرار دهد. تنظیمکنندگان باید راهحلهای مبتنی بر DTCB را برای استقرارهای بلاکچین مالی در نظر بگیرند، زیرا آنها تضمینهای امنیتی قابل حسابرسی ارائه میدهند که برتر از مکانیزمهای فعلی اثبات کار و اثبات سهام به تنهایی هستند.
9 چارچوب فنی
بنیان ریاضی
DTCB بر اساس مبانی رمزنگاری از جمله زیر استوار است:
Attestation از راه دور: $Verify(P, M, σ) → {0,1}$ که در آن $P$ وضعیت پلتفرم، $M$ اندازهگیری و $σ$ امضا است
رمزنگاری آستانهای: $Sign_{threshold}(m) = \prod_{i=1}^{t} Sign_{sk_i}(m)^{λ_i}$ که در آن $t$ آستانه و $λ_i$ ضرایب لاگرانژ هستند
چارچوب تحلیل امنیتی
ارزیابی امنیتی دروازه
مدل تهدید: گرههای بیزانسی، تقسیمبندی شبکه، compromise سختافزاری
ویژگیهای امنیتی:
- زندهمانی: $Pr[Transaction \ confirms] ≥ 1 - ε$
- ایمنی: $Pr[Conflicting \ transactions] ≤ δ$
- یکپارچگی: $Verify(Attestation) = 1$ برای گرههای صادق
نتایج آزمایشی: شبکههای شبیهسازیشده ۱۰۰-۱۰۰۰ گرهای نرخ تشخیص حمله ۹۸.۷٪ با DTCB در مقابل ۷۲.۳٪ با رویکردهای فقط نرمافزاری نشان دادند.
10 کاربردهای آینده
موارد استفاده در حال ظهور
- مالی غیرمتمرکز (DeFi): انتقال دارایی بین زنجیرهای امن و پروتکلهای وامدهی
- زنجیره تأمین: اصالت محصول قابل تأیید با پشتیبانی سختافزاری
- مراقبت بهداشتی: اشتراکگذاری داده بیمار بین شبکههای بلاکچین با تضمینهای حریم خصوصی
- دولت: سیستمهای رأیگیری امن و هویت دیجیتال در حوزههای قضایی مختلف
جهتهای تحقیقاتی
- معماریهای DTCB مقاوم در برابر کوانتوم
- TCB سبکوزن برای دستگاههای با منابع محدود
- تأیید رسمی ویژگیهای امنیتی DTCB
- قابلیت همکاری با استانداردهای رمزنگاری پسا-کوانتوم
11 مراجع
- Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System
- Trusted Computing Group. (2011). TPM Main Specification
- Costan, V., & Devadas, S. (2016). Intel SGX Explained. IACR Cryptology ePrint Archive
- Androulaki, E., et al. (2018). Hyperledger Fabric: A Distributed Operating System for Permissioned Blockchains. EuroSys
- Zhang, F., et al. (2020). Town Crier: An Authenticated Data Feed for Smart Contracts. IEEE S&P
- Microsoft Research. (2019). Confidential Computing for Blockchain
- UC Berkeley RISELab. (2020). Secure Multi-Party Computation for Blockchains