الآليات التشفيرية لإثبات الحصة

يؤمّن إثبات العمل (PoW) سلاسل الكتل من خلال إنفاق القدرة الحاسوبية: يتسابق المُعدّنون للعثور على قيمة تجزئة أقل من هدف محدد، ويضيف الفائز الكتلة التالية. ويؤدي ذلك إلى استهلاك كهرباء يتناسب مع أمان الشبكة. ويستبدل إثبات الحصة (PoS) القدرة الحاسوبية بحصة اقتصادية؛ إذ يحجز المدققون عملة مشفّرة كضمان، ويختار البروتوكول مقترحي الكتل بما يتناسب مع حصصهم. وقد أدى انتقال Ethereum من PoW إلى PoS (The Merge في سبتمبر 2022) إلى خفض استهلاك الطاقة بأكثر من 99.9%.

في PoS الخاص بـ Ethereum (إجماع Gasper)، يراهن المدققون بمقدار 32 ETH عبر إرسال معاملة إيداع إلى عقد ذكي في طبقة التنفيذ. ويتضمن هذا الإيداع مفتاح BLS عامًا (هوية المدقق)، وبيانات اعتماد السحب، وتوقيعًا يثبت ملكية المفتاح. ويصدر عقد الإيداع حدث سجل؛ ثم تقرأ طبقة الإجماع هذه السجلات وتضع المدققين في قائمة انتظار التفعيل بعد تأخير (نحو 12-24 ساعة في الظروف العادية). ويظل ضمان 32 ETH مقفلًا حتى يُسمح بالسحب.

يستخدم مدققو Ethereum زوجي مفاتيح: مفتاح توقيع BLS12-381 لمهام الإجماع (التصديقات، ومقترحات الكتل، ولجنة المزامنة)، ومفتاح سحب منفصل لنقل الأموال. وتدعم توقيعات BLS (Boneh-Lynn-Shacham) على منحنيات BN-254 أو BLS12-381 التجميع الفعال؛ إذ يمكن دمج توقيعات مئات الآلاف من المدققين في توقيع واحد حجمه 96 بايت. ويُعد هذا التجميع أساسيًا لقابلية التوسع، إذ سيتطلب كل نطاق زمني لولا ذلك جيجابايتات من بيانات التوقيعات.

ينقسم الخط الزمني لإجماع Ethereum إلى نطاقات زمنية (مدة كل منها 12 ثانية) وعصور (32 نطاقًا زمنيًا = 6.4 دقائق). وفي كل نطاق زمني، يُختار مدقق واحد شبه عشوائي ليكون مقترح الكتلة. ويُقسَّم جميع المدققين النشطين إلى لجان (تضم عادةً 512 مدققًا لكل لجنة) تصدّق على رأس السلسلة. وتتبدل تعيينات اللجان كل عصر باستخدام خوارزمية خلط قائمة على RANDAO (خوارزمية Fisher-Yates مع RANDAO مصدرًا للإنتروبيا) لمنع التلاعب بتكوين اللجان.

يتطلب اختيار المدققين في PoS عشوائية غير قابلة للتنبؤ أو التلاعب. ويستخدم Ethereum بروتوكول RANDAO، وهو مخطط التزام-كشف مدمج في البروتوكول. ويجب على كل مقترح كتلة تضمين توقيع BLS على رقم العصر الحالي؛ ويسهم هذا التوقيع في إنتروبيا جديدة عبر إجراء XOR مع قيمة RANDAO المتراكمة. ويُستخدم ناتج RANDAO لاختيار مقترح النطاق الزمني التالي وخلط اللجان. ويمكن لمهاجم يتحكم في آخر كاشف في عصر ما أن ي偏ّز RANDAO قليلًا عبر حجب كتلته، لكن ذلك لا يحدث إلا على حساب مكافأة كتلته.

يعتمد أمان PoS على تصرف المدققين بنزاهة. وتعاقب آلية الحذف نوعين محددين من السلوك غير السليم: التوقيع المتناقض (توقيع كتلتين مختلفتين للنطاق الزمني نفسه) والتصويت المحيط (إصدار تصديقات متعارضة). ويُرسل دليل الحذف على السلسلة في صورة معاملة تحتوي على رسالتين موقعتين بمحتوى متعارض، لكن بالمفتاح نفسه للمدقق. ويفقد المدقق المخالف جزءًا من حصته (حده الأدنى 1/32، وقد يشمل الحصة كاملة إذا حُذف عدد كبير من المدققين في الوقت نفسه)، كما يُخرج قسرًا من النظام.

آلية النهائية في Ethereum هي Casper the Friendly Finality Gadget (FFG)، وهي مبنية فوق قاعدة اختيار التشعب LMD-GHOST. في كل حقبة، يدلي المدقّقون بأصوات لنقاط التحقق (source, target)، حيث تشير source إلى آخر نقطة تحقق حُقِّقت، وتشير target إلى كتلة حدود الحقبة الحالية. تُعَدّ نقطة التحقق محقَّقة عندما تشهد عليها ثلثا الحصة المرهونة، وتصبح نقطة التحقق المحقَّقة نهائية عندما تُحقَّق نقطة التحقق التالية أيضًا. بعد الوصول إلى النهائية، لا يمكن التراجع عن الكتلة من دون حرق ما لا يقل عن ثلث إجمالي ETH المرهون، ما يجعل التراجع كارثيًا من الناحية الاقتصادية.

بين نقاط التحقق النهائية، يجب أن يتفق المدقّقون على رأس السلسلة المعتمد. يستخدم Ethereum خوارزمية LMD-GHOST (Latest Message Driven Greedy Heaviest Observed SubTree). يُحتسب أحدث تصديق لكل مدقّق بوصفه صوتًا؛ وتتبع خوارزمية اختيار التشعب الفرع الذي يملك أكبر وزن متراكم من الحصة عند كل نقطة تشعب، مع احتساب أحدث رسالة لكل مدقّق فقط. ويشكّل الجمع بين LMD-GHOST (الحيوية) وCasper FFG (النهائية) بروتوكول الإجماع الكامل في Ethereum، المعروف باسم Gasper.

تستخدم مفاتيح مدقّقي Ethereum فصلًا تشفيريًا مقصودًا. يكون مفتاح توقيع BLS ساخنًا (ويُستخدم في كل فترة زمنية للتصديقات)، ولذلك تكون مخاطره أعلى. وبيانات اعتماد السحب هي تجزئة لمفتاح منفصل (أو عنوان تنفيذ في Ethereum بعد EIP-4895). ويعني هذا الفصل أن اختراق مفتاح التوقيع لا يمكّن المهاجم من سرقة ETH المرهون؛ إذ لا يستطيع المهاجم سوى التعرّض للاقتطاع العقابي، وخسارة حصة المدقّق. ولا يمكن بدء تحويل الأموال إلا باستخدام مفتاح السحب، ويمكن حفظه في وضع بارد داخل جهاز مادي.

تعالج تقنية المدقّق الموزّع (DVT) خطر نقطة الفشل الوحيدة في التخزين الفردي. وباستخدام توقيعات BLS ذات العتبة، يُقسَّم مفتاح مدقّق واحد بين عدة مشغّلين (مثلًا 3 من 5). ويتطلب اقتراح كتلة أو إرسال تصديق اتفاقًا من عدد العتبة قبل إنتاج توقيع BLS مركّب. ولا يملك أي مشغّل المفتاح الكامل. وتطبّق مشاريع مثل Obol Network وSSV Network تقنية DVT، مما يحسّن تحمّل الأعطال ويمكّن المؤسسات من التخزين دون حفظ المفاتيح مركزيًا.

تطبّق سلاسل PoS المختلفة الآليات التشفيرية بطرق مختلفة. تستخدم Solana إصدارًا من Tower BFT مع طوابع زمنية شبيهة بـ VDF (Proof of History) لترسيخ الترتيب قبل الإجماع. وتستخدم Cardano بروتوكول Ouroboros، وهو بروتوكول PoS مثبت الأمان، مع براهين تشفيرية رسمية للأمان ضمن نموذج universal composability. وتستخدم سلاسل Cosmos بروتوكول Tendermint BFT، وهو بروتوكول BFT كلاسيكي يحقق النهائية بنصاب يبلغ 2/3 خلال جولة واحدة. ويجري كل تصميم مقايضات مختلفة بين الأمان والحيوية واللامركزية ومعدل الإنتاجية.

ما الدليل التشفيري الأساسي المستخدم لتطبيق الاقتطاع العقابي على مدقّق في Ethereum؟

يستبدل إثبات الحصة (PoS) الحسابَ في إثبات العمل (PoW) بضمان اقتصادي. ويستخدم مدقّقو Ethereum مفاتيح BLS12-381 لإنتاج تصديقات قابلة للتجميع. ويوفّر RANDAO عشوائية داخلية للبروتوكول لاختيار المقترحين وخلط اللجان. ويوفّر Casper FFG النهائية عبر تصويتات نقاط التحقق بأغلبية فائقة تبلغ 2/3. وتحدّد LMD-GHOST اختيار التشعب بين نقاط التحقق. ويعاقب الاقتطاع العقابي السلوك المتناقض والتصويت المحيط باستخدام أدلة على السلسلة على رسائل موقعة متناقضة. وتحسّن DVT المرونة عبر تقسيم مفاتيح BLS باستخدام العتبة.