التوقيعات القائمة على التجزئة

ما التوقيعات القائمة على التجزئة؟

التوقيعات القائمة على التجزئة هي أنظمة للتوقيع الرقمي يعتمد أمنها أساسًا على دوال التجزئة المشفرة، بدلًا من المنحنيات الإهليلجية أو تحليل الأعداد إلى عواملها أو اللوغاريتمات المتقطعة.

تتيح هذه الأنظمة لحامل مفتاح توقيع خاص إثبات أن معاملة عملة مشفرة أو رسالة على البلوكشين أو تحديثًا برمجيًا أو أي بيانات أخرى قد فُوِّضت باستخدام ذلك المفتاح.

يمكن لأداة التحقق استخدام المفتاح العام المقابل للتأكد من أن البيانات الموقعة لم تتغير وأن التوقيع أنشأه موقّع مخوّل.

تكتسب التوقيعات القائمة على التجزئة أهمية خاصة في العملات المشفرة لأنها تُعد من أبرز أنواع تقنيات التوقيع الرقمي المقاومة لما بعد عصر الحوسبة الكمية.

تعتمد التوقيعات المستخدمة حاليًا في البلوكشين عادةً على مسائل رياضية قد تهددها حواسيب كمية قوية بما يكفي.

أما الأنظمة القائمة على التجزئة فتعتمد بدلًا من ذلك على الخصائص الأمنية لدوال التجزئة المشفرة، ويُعتقد عمومًا أن استخدامها سيظل ممكنًا عند اختيار معايير أمنية كبيرة بما يكفي في بيئة الحوسبة الكمية.

وحّد المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتقنية الخوارزمية عديمة الحالة للتوقيع الرقمي القائمة على التجزئة، المعروفة باسم SLH-DSA، في FIPS 205.

وتغطي المنشورة الخاصة لـ NIST رقم 800-208 المخططات ذات الحالة مثل XMSS وLMS.

التوقيعات القائمة على التجزئة ليست تجزئات تعدين العملات المشفرة أو عناوين المحافظ أو معرفات المعاملات أو تجزئات الرسائل العادية.

بل هي أنظمة توقيع كاملة بالمفتاح العام، مبنية على مكونات قائمة على التجزئة.

أهمية التوقيعات الرقمية للعملات المشفرة

التوقيعات الرقمية ضرورية للعملات المشفرة لأنها تتيح للمستخدمين تفويض المعاملات دون كشف مفاتيحهم الخاصة.

عندما ترسل المحفظة عملة مشفرة، فإنها تنشئ عادةً توقيعًا على بيانات المعاملة باستخدام مفتاح خاص.

يتحقق المشاركون في الشبكة من التوقيع باستخدام المعلومات العامة قبل قبول المعاملة على أنها صحيحة.

يثبت التوقيع الصحيح أن شخصًا يسيطر على مفتاح التوقيع المطلوب قد فوّض المعاملة.

كما يحمي التوقيع سلامة المعاملة، إذ ينبغي أن يؤدي تغيير البيانات الموقعة إلى فشل التحقق.

ويمكن للتوقيعات الرقمية أيضًا تفويض رسائل المدققين وأصوات الحوكمة وإجراءات العقود الذكية والرسائل عبر السلاسل وتحديثات أوراكل وإصدارات البرامج وموافقات التوقيع المتعدد.

يوضح التوثيق العام لـ Bitcoin أن أصالة المعاملات تُحمى عبر التوقيعات الرقمية المرتبطة بعناوين الإرسال في نظرة عامة على شبكة Bitcoin.

وقد تؤدي التوقيعات القائمة على التجزئة في نهاية المطاف وظائف التفويض نفسها مع توفير حماية أقوى من الهجمات الكمية المستقبلية.

آلية عمل التوقيعات القائمة على التجزئة

يبدأ نظام التوقيع القائم على التجزئة بقيم سرية عشوائية تشكل جزءًا من مادة التوقيع الخاصة.

يطبق الموقّع دالة تجزئة مشفرة على تلك القيم لإنشاء قيم عامة مرتبطة بها.

ولتوقيع رسالة، يكشف النظام عن قيم خاصة مختارة أو يعالجها وفقًا لخلاصة الرسالة.

ويحسب المدقق تجزئة القيم المكشوفة ويتحقق من تطابق النتائج مع المعلومات العامة المتوقعة.

لا تستطيع أنظمة التوقيع الأساسية أحادية الاستخدام توثيق أكثر من رسالة واحدة بأمان لكل مفتاح خاص.

وتتيح أشجار Merkle تمثيل العديد من المفاتيح العامة أحادية الاستخدام بقيمة جذرية واحدة مدمجة.

ويمكن لجذر شجرة Merkle أن يعمل بوصفه المفتاح العام الرئيسي.

يتضمن التوقيع عندئذٍ توقيعًا أحادي الاستخدام ومسار توثيق يثبت انتماء المفتاح العام أحادي الاستخدام إلى شجرة Merkle الملتزم بها.

تجمع الأنظمة الأكثر تقدمًا بين عدة أشجار وتوقيعات أحادية الاستخدام وتوقيعات قليلة الاستخدام وتوليد المفاتيح شبه العشوائي والبنى الهرمية لدعم إنشاء توقيعات كثيرة.

ما دالة التجزئة المشفرة؟

تحوّل دالة التجزئة المشفرة بيانات بأي طول تقريبًا إلى مخرجات ذات طول ثابت.

يُطلق عادةً على المخرجات اسم هاش أو خلاصة أو خلاصة الرسالة.

ينبغي أن تجعل دالة التجزئة الآمنة استعادة المدخل الأصلي من المخرجات أمرًا صعبًا.

وينبغي كذلك أن تجعل العثور على مدخلين مختلفين ينتجان المخرجات نفسها أمرًا صعبًا.

وينبغي أن يؤدي أي تغيير صغير في المدخل إلى إنتاج خلاصة مختلفة بدرجة كبيرة.

تستخدم شبكات العملات المشفرة دوال التجزئة لمعرفات المعاملات والتزامات الكتل وأشجار Merkle وأنظمة إثبات العمل وإنشاء العناوين وأغراض أخرى كثيرة.

وتستخدم مخططات التوقيع القائمة على التجزئة تلك الدوال أساسًا للمصادقة بالمفتاح العام.

يعتمد أمن التوقيع على دالة التجزئة المختارة وأحجام المعايير والفصل بين المجالات وجودة التنفيذ وقواعد إدارة المفاتيح.

التوقيعات القائمة على التجزئة ليست مجرد تجزئة

إن تجزئة معاملة ليست مثل توقيعها.

يمكن لأي شخص عادةً حساب تجزئة بيانات عامة.

أما التوقيع الرقمي فيتطلب معلومات سرية لا ينبغي أن يمتلكها إلا الموقّع المخوّل.

قد توضح تجزئة رسالة عادية أن البيانات تغيرت، لكنها لا تثبت هوية من وافق على البيانات.

يجمع التوقيع القائم على التجزئة بين مادة توقيع سرية وبيانات تحقق عامة وعمليات تجزئة آمنة لتوفير المصادقة.

وهذا التمييز مهم لأن أنظمة العملات المشفرة تستخدم التجزئات والتوقيعات لأغراض أمنية مختلفة.

التوقيعات القائمة على التجزئة أحادية الاستخدام

صُمم مخطط التوقيع أحادي الاستخدام بحيث يوقّع المفتاح الخاص رسالة واحدة فقط بأمان.

ومن أقدم أمثلته مخطط Lamport للتوقيع أحادي الاستخدام.

يحتوي مفتاح Lamport الخاص على قيم سرية عشوائية عديدة.

ويتضمن المفتاح العام تجزئات تلك القيم السرية.

وتحدد خلاصة الرسالة القيم السرية التي يُكشف عنها في التوقيع.

ويحسب المدقق تجزئة القيم المكشوفة ويقارنها بالمفتاح العام.

ويتمثل القيد الرئيسي في أن إعادة استخدام المفتاح الخاص نفسه لتوقيع رسائل متعددة تكشف معلومات سرية إضافية.

وقد يتيح تكرار الاستخدام بما يكفي للمهاجم إنشاء توقيع مزور.

لذلك تُعد التوقيعات أحادية الاستخدام مكونات تشفيرية قوية، لكنها تتطلب نظامًا لإنشاء العديد من المفاتيح المنفصلة أحادية الاستخدام وتوثيقها.

توقيعات Winternitz أحادية الاستخدام

تقلل توقيعات Winternitz أحادية الاستخدام حجم التوقيع عبر استخدام سلاسل التجزئة بدلًا من البنية الأكبر لتوقيع Lamport الأساسي.

تنشئ قيمة معامل Winternitz مفاضلة بين حجم التوقيع والحوسبة.

قد تقلل خيارات المعامل الأكبر عدد عناصر التوقيع، لكنها تتطلب عمليات تجزئة أكثر.

WOTS+ هو إنشاء محسن من Winternitz يُستخدم في أنظمة حديثة قائمة على التجزئة مثل XMSS وSLH-DSA.

يحدد مواصفات XMSS في RFC 8391 أن WOTS+ مكوّن أساسي في XMSS ونسخته متعددة الأشجار.

يظل WOTS+ مخطط توقيع أحادي الاستخدام، ولذلك يُدرج عادةً ضمن بنية أكبر من أشجار Merkle لإدارة فرص توقيع متعددة.

أشجار Merkle في التوقيعات القائمة على التجزئة

شجرة Merkle هي شجرة من التجزئات تتيح الالتزام بالعديد من عناصر البيانات عبر تجزئة جذر واحدة.

ويمكن أن تمثل كل ورقة المفتاح العام لتوقيع أحادي الاستخدام.

تُجمع تجزئات الأوراق في أزواج وتُجزأ لإنشاء عُقد أصلية.

وتستمر العملية حتى يتبقى جذر Merkle واحد.

يمثل جذر Merkle التزامًا مدمجًا بجميع المفاتيح العامة أحادية الاستخدام في الشجرة.

عندما يستخدم الموقّع ورقة، يتضمن التوقيع مسار توثيق Merkle.

ويحتوي المسار على التجزئات المجاورة اللازمة لإعادة إنشاء الجذر انطلاقًا من الورقة المحددة.

يتحقق المدقق من التوقيع أحادي الاستخدام، ثم يحسب مسار Merkle حتى يصل إلى الجذر المعروف.

يتيح هذا التصميم استخدام التزام عام موجز واحد لتوثيق عدد كبير من المفاتيح أحادية الاستخدام.

التوقيعات القائمة على التجزئة ذات الحالة

تتطلب التوقيعات القائمة على التجزئة ذات الحالة أن يتذكر الموقّع مفاتيح التوقيع أحادية الاستخدام أو مؤشرات الأوراق التي سبق استخدامها.

ويجب تحديث الحالة بصورة موثوقة بعد كل توقيع.

إذا أُعيد استخدام المفتاح أحادي الاستخدام نفسه، فقد يتعرض أمن المخطط لخلل خطير.

يجعل هذا الشرط استخدام المخططات ذات الحالة صعبًا في الأنظمة التي تتضمن نسخًا احتياطية أو أجهزة متعددة أو موقّعين يعملون بالتوازي أو خوادم احتياطية أو تخزينًا غير موثوق.

فقد تحتوي نسخة احتياطية مستعادة على حالة أقدم، ما يؤدي عن غير قصد إلى إعادة استخدام مادة توقيع استُهلكت بالفعل.

وقد يختار جهازا توقيع يستخدمان نسخًا من المفتاح الخاص نفسه المؤشر نفسه.

لذلك تحذر NIST من أن المخططات ذات الحالة تتطلب إدارة دقيقة للحالة، ولا تناسب الاستخدام العام غير المقيد.

وهي أنسب للبيئات الخاضعة للضبط، حيث يمكن حماية حالة التوقيع ومزامنتها على نحو موثوق.

التوقيعات القائمة على التجزئة عديمة الحالة

لا تتطلب التوقيعات القائمة على التجزئة عديمة الحالة من الموقّع الاحتفاظ بعدّاد يحدد المفتاح أحادي الاستخدام التالي.

وهذا يسهل استخدامها عبر النسخ الاحتياطية والأنظمة الموزعة وجلسات التوقيع المتعددة.

تُعد SLH-DSA الخوارزمية الرئيسية الموحدة للتوقيعات القائمة على التجزئة عديمة الحالة.

وقد اشتُقت من المقترح SPHINCS+ المقدم إلى عملية التشفير المقاوم للحوسبة الكمية لدى NIST.

تستخدم SLH-DSA اختيارًا شبه عشوائي وبنى طبقية من أشجار التجزئة لتجنب مشكلة إعادة استخدام المفتاح أحادي الاستخدام الكارثية الموجودة في الأنظمة ذات الحالة.

يوفر التصميم عديم الحالة أمانًا تشغيليًا أسهل، مقابل توقيعات أكبر وحاجة أكبر إلى العمليات الحسابية.

وقد يظل أمنها أضعف إذا أسيء التعامل مع عشوائية التوقيع أو قواعد التنفيذ، لكن التراجع العرضي عن الحالة لا يؤدي إلى الانهيار الفوري نفسه المرتبط بإعادة استخدام المفاتيح في الأنظمة ذات الحالة.

التوقيعات القائمة على التجزئة ذات الحالة مقابل عديمة الحالة

يتمثل أهم فرق بين التوقيعات القائمة على التجزئة ذات الحالة وعديمة الحالة في حاجة الموقّع إلى تتبع مؤشرات التوقيع المستهلكة من عدمها.

قد توفر الأنظمة ذات الحالة توقيعات فعالة ومدروسة جيدًا عندما تكون إدارة الحالة مثالية.

أما الأنظمة عديمة الحالة فهي أكثر أمانًا من الناحية التشغيلية، لأنها لا تتطلب عدّادًا دائمًا ومتزامنًا.

قد تلائم الأنظمة ذات الحالة توقيع البرامج الثابتة أو سلطات الشهادات أو البنية التحتية الخاضعة للضبط ذات معدلات التوقيع المحدودة.

وقد تكون الأنظمة عديمة الحالة أنسب للتطبيقات الموزعة والبرمجيات العامة والبيئات التي يصعب فيها الحفاظ على مزامنة موثوقة للحالة.

ينبغي لشبكات مدققي البلوكشين مراعاة التوقيع الموزع والتبديل إلى الأنظمة الاحتياطية واستعادة النسخ الاحتياطية وإنشاء الرسائل بوتيرة متكررة.

وقد تجعل هذه الظروف إدارة الحالة من أهم مسائل التصميم.

XMSS

يرمز XMSS إلى eXtended Merkle Signature Scheme.

وهو نظام توقيع رقمي قائم على التجزئة وذو حالة، وُحّد في RFC 8391 واعتمدته NIST ضمن SP 800-208.

يستخدم XMSS توقيعات WOTS+ أحادية الاستخدام وشجرة Merkle لإنشاء نظام توقيع أوسع.

يستهلك كل توقيع ورقة محددة في الشجرة.

ويجب على الموقّع ضمان عدم استخدام الورقة نفسها مرتين.

لدى XMSS أسس أمنية قوية، لأن برهان خفض الأمن يعتمد أساسًا على خصائص محددة لدوال التجزئة المشفرة.

المفاتيح العامة لـ XMSS مدمجة نسبيًا، لكن توقيعاته أكبر بكثير من التوقيعات الشائعة الاستخدام حاليًا في حسابات العملات المشفرة.

قد يكون XMSS مفيدًا عندما تكون مقاومة الحوسبة الكمية على المدى الطويل أهم من تقليل حجم التوقيع إلى أدنى حد، وحين يمكن إدارة حالة الموقّع بأمان.

XMSS متعدد الأشجار

ينظم XMSS متعدد الأشجار، الذي يُكتب عادةً XMSSMT، عدة أشجار XMSS ضمن بنية هرمية.

توقّع شجرة المستوى الأعلى جذور الأشجار الأدنى مستوى.

يتيح هذا التصميم للنظام دعم عدد أكبر من التوقيعات من دون الحاجة إلى شجرة واحدة هائلة الحجم.

كما قد يوزع العمليات الحسابية بكفاءة أكبر على امتداد عمر المفتاح.

مع ذلك، يجب على الموقّع تتبع الحالة، إذ لا يمكن إعادة استخدام المفاتيح أحادية الاستخدام ذات المستوى الأدنى بأمان.

يتضمن RFC 8391 و توصيات NIST للتوقيعات القائمة على التجزئة ذات الحالة XMSSMT.

LMS

يرمز LMS إلى Leighton-Micali Signature.

وهو نظام توقيع آخر ذو حالة، يعتمد على شجرة Merkle واعتمدته NIST.

تحدد المواصفة RFC 8554 هذا المخطط.

يستخدم LMS بنية توقيع أحادية الاستخدام تُسمى LM-OTS، ويوثق العديد من المفاتيح العامة لـ LM-OTS عبر شجرة Merkle.

وكما في XMSS، يتطلب LMS من الموقّع منع إعادة استخدام مؤشرات التوقيع أحادية الاستخدام.

ويعتمد أمنه على دوال التجزئة المشفرة، لا على الافتراضات النظرية العددية التي تستخدمها أنظمة كثيرة تقليدية بالمفتاح العام.

غالبًا ما يُنظر في استخدام LMS لتطبيقات مثل توقيع الأكواد وتوثيق البرامج الثابتة، حيث يمكن التحكم مركزيًا في عمليات التوقيع.

نظام التوقيع الهرمي

يجمع نظام التوقيع الهرمي، المعروف اختصارًا باسم HSS، عدة أشجار LMS ضمن بنية هرمية.

ويوقّع مفتاح LMS في أعلى الهرم المفاتيح العامة لأشجار LMS ذات المستوى الأدنى.

ثم توقّع الأشجار الأدنى الرسائل العادية.

تدعم هذه البنية عددًا أكبر من التوقيعات وتتيح استبدال المفاتيح ذات المستوى الأدنى عند استهلاك أوراقها أحادية الاستخدام.

لكن HSS لا يلغي شرط الحالة.

إذ يظل كل مرّبع LMS نشط بحاجة إلى تتبع صحيح لمؤشرات التوقيع المستخدمة.

وقد جرى توحيد HSS وLMS معًا في RFC 8554 واعتمادهما بموجب NIST SP 800-208.

SLH-DSA

يرمز SLH-DSA إلى خوارزمية التوقيع الرقمي عديمة الحالة القائمة على التجزئة.

نشرت NIST المعيار النهائي FIPS 205 في 13 أغسطس 2024.

اشتُقت الخوارزمية من SPHINCS+، الذي خضع للتقييم ضمن عملية NIST لتوحيد معايير التشفير المقاوم للحوسبة الكمية.

تستخدم SLH-DSA شجرة Merkle فائقة وبنية WOTS+ ومكوّن توقيع قليل الاستخدام يُسمى FORS.

يتجنب النظام الاحتفاظ بحالة دائمة للموقّع، ما يجعل النسخ الاحتياطي والتشغيل الموزع أسهل من XMSS أو LMS.

تدعم SLH-DSA مجموعات مختلفة من المعايير تستند إلى دوال التجزئة SHA-2 أو SHAKE، وتلبي مستويات مختلفة من الأمن والأداء.

تنتج مجموعات المعايير الأسرع عمومًا توقيعات أكبر، بينما تتطلب مجموعات المعايير ذات التوقيعات الأصغر وقت معالجة أطول.

توفر SLH-DSA مستوى محافظًا من الأمن المقاوم للحوسبة الكمية، لكن توقيعاتها أكبر بكثير من كثير من التوقيعات المستخدمة حاليًا في أنظمة البلوكشين.

SPHINCS+ وSLH-DSA

كان SPHINCS+ الخوارزمية المقدمة إلى مسابقة NIST للتشفير المقاوم للحوسبة الكمية.

أما SLH-DSA فهي النسخة الموحدة المشتقة من ذلك المقترح.

يرتبط الاسمان أحدهما بالآخر، لكن لا ينبغي دائمًا اعتبارهما متطابقين تمامًا في التطبيقات التقنية.

يجب على النظام الذي يدعي الامتثال لمعيار FIPS 205 تنفيذ متطلبات SLH-DSA الموحدة ومجموعات المعايير المعتمدة.

وينبغي للمطورين استخدام المعيار الرسمي بدلًا من افتراض أن أي تطبيق سابق لـ SPHINCS+ يطابق SLH-DSA تلقائيًا.

FORS

يرمز FORS إلى Forest of Random Subsets.

وهو مكوّن توقيع قليل الاستخدام يُستخدم ضمن SLH-DSA.

يحوّل FORS خلاصة الرسالة إلى اختيارات من عدة أشجار صغيرة.

وتصبح القيم السرية المختارة ومسارات التوثيق جزءًا من التوقيع.

ثم يُوثق المفتاح العام الناتج عن FORS عبر الشجرة الفائقة الأكبر في SLH-DSA.

يساعد FORS النظام عديم الحالة على توقيع رسائل كثيرة من دون الاحتفاظ بعدّاد بسيط للمفاتيح أحادية الاستخدام.

وهو أحد أسباب احتواء توقيعات SLH-DSA على بيانات أكثر بكثير من توقيعات المنحنيات الإهليلجية العادية.

لماذا تُعد التوقيعات القائمة على التجزئة مقاومة للحوسبة الكمية؟

تعتمد كثير من التوقيعات الحالية بالمفتاح العام على صعوبة حل مسائل اللوغاريتم المتقطع أو مسائل نظرية الأعداد المرتبطة بها.

يمكن لخوارزمية Shor حل عدة مسائل من هذه المسائل بكفاءة على حاسوب كمي متحمل للأخطاء وقوي بما يكفي.

ولا تعتمد التوقيعات القائمة على التجزئة على هذه المسائل نفسها.

بل يرتبط أمنها أساسًا بمقاومة استعادة المدخل الأصلي ومقاومة استعادة مدخل ثانٍ والمقاومة للتصادمات والتوليد شبه العشوائي وخصائص أخرى لدوال التجزئة.

ومع ذلك، يمكن للخوارزميات الكمية أن تقلل مستوى الأمن الفعلي لعمليات البحث عن التجزئات.

وقد توفر خوارزمية Grover تسريعًا بمقدار الجذر التربيعي لبعض عمليات البحث الشامل.

ويمكن معالجة هذا الأثر باستخدام مخرجات تجزئة كبيرة بما يكفي ومعايير أمنية محافظة.

لذلك توصف التوقيعات القائمة على التجزئة بأنها مقاومة للحوسبة الكمية أو لما بعد عصر الحوسبة الكمية، لا بأنها مستحيلة الاختراق رياضيًا.

مخاطر الحوسبة الكمية على توقيعات العملات المشفرة

قد يهدد حاسوب كمي كبير ومتحمل للأخطاء عدة خوارزميات توقيع تستخدمها شبكات العملات المشفرة حاليًا.

إذا استطاع مهاجم استعادة مفتاح خاص من معلومات المفتاح العام المكشوفة، فقد يتمكن من تفويض معاملات غير مصرح بها.

وقد تصبح أيضًا توقيعات المدققين وموقّعو الجسور وأنظمة التوقيع المتعدد وحسابات الحوكمة ومفاتيح الخزائن طويلة الأجل أهدافًا للهجوم.

ولا يقتصر التهديد على العملات المحفوظة في المحافظ العادية.

فقد تعتمد بروتوكولات الإجماع وأنظمة الاتصال عبر السلاسل على مخططات توقيع معرضة لخوارزميات كمية مشابهة.

لا يوجد حاليًا حاسوب كمي أُثبت علنًا امتلاكه الحجم وتصحيح الأخطاء اللازمين لتنفيذ هذه الهجمات على المفاتيح الرئيسية للبلوكشين.

لكن قد تستغرق عمليات الانتقال في البلوكشين سنوات، لأن تحديث برامج المحافظ وقواعد الإجماع والأجهزة والتطبيقات وإجراءات الحفظ وأموال المستخدمين يتطلب تنسيقًا.

تنصح NIST المؤسسات بالبدء في تحديد التشفير المعرض للخطر والتخطيط للانتقال عبر برنامجها للتشفير المقاوم للحوسبة الكمية.

التوقيعات القائمة على التجزئة وEthereum

تستخدم Ethereum حاليًا أنظمة توقيع لم تُصمم لمقاومة حاسوب كمي يتمتع بقدرات كافية.

تعتمد طبقة الإجماع فيها على توقيعات BLS، بينما تستخدم الحسابات الخارجية المملوكة عادةً توقيعات المنحنيات الإهليلجية.

يناقش مسار Ethereum الحالي نحو مقاومة الحوسبة الكمية لدى مؤسسة Ethereum استبدال توقيعات المدققين بتصميم قائم على التجزئة يُسمى leanXMSS.

ويتعامل المسار مع leanXMSS بوصفه توجهًا بحثيًا، لا انتقالًا مكتملًا إلى الشبكة الرئيسية.

تشكل توقيعات المدققين القائمة على التجزئة تحديًا كبيرًا للتوسع، لأن أحجامها أكبر بكثير من توقيعات BLS الحالية.

يبحث باحثو Ethereum في تجميع البراهين ليتم التحقق من توقيعات كبيرة كثيرة عبر برهان أصغر.

ويصف بوابة أبحاث Ethereum لما بعد الحوسبة الكمية أعمالًا تتعلق بالتوقيعات القائمة على التجزئة والمرونة التشفيرية ومصادقة المدققين والتجميع القائم على البراهين.

وسيتطلب أي تغيير نهائي في Ethereum البحث والتنفيذ والاختبار ومراجعة المجتمع وتنسيق ترقية البروتوكول.

توقيعات المدققين القائمة على التجزئة

يوقّع المدققون رسائل متكررة تتعلق باقتراح الكتل والتصديقات والنهائية والمشاركة في الإجماع.

ويجب أن يدعم أي مخطط توقيع بديل حجمًا كبيرًا من الرسائل من دون إرهاق عرض نطاق الشبكة أو التخزين.

تنشئ التوقيعات ذات الحالة مخاطر إضافية لأن المدقق قد يشغل أنظمة احتياطية أو ينتقل بين الأجهزة.

وقد تؤدي المزامنة غير الصحيحة للحالة إلى إعادة استخدام مفتاح توقيع أحادي الاستخدام.

تتجنب التوقيعات عديمة الحالة هذا النوع المحدد من الإخفاق، لكنها تنتج توقيعات أكبر وتتطلب جهدًا أكبر للتحقق.

لذلك يدرس باحثو البلوكشين التجميع والبراهين العودية والأجهزة المتخصصة وإعادة تصميم البروتوكولات لجعل توقيعات المدققين القائمة على التجزئة عملية.

التوقيعات القائمة على التجزئة ومحافظ العملات المشفرة

يمكن لمحفظة عملات مشفرة استخدام مفتاح توقيع قائم على التجزئة لتفويض المعاملات إذا كان البلوكشين يدعم قواعد التحقق المطلوبة.

وسيتعين على المحفظة إنشاء المفتاح الخاص المناسب وحساب التوقيعات وتتبع أي حالة لازمة وإنشاء معاملات متوافقة.

وقد تنشئ توقيعات المحافظ ذات الحالة تحديات خطيرة تتعلق بالنسخ الاحتياطي واستخدام أجهزة متعددة.

فقد يعيد مستخدم يسترجع نسخة احتياطية قديمة استخدام مؤشر توقيع مستهلك.

وقد تنشأ حالة متعارضة أيضًا إذا استخدمت محفظة الهاتف المحمول ومحفظة الأجهزة المفتاح ذا الحالة نفسه.

يسهل نسخ التوقيعات القائمة على التجزئة عديمة الحالة احتياطيًا، لكنها قد تنتج معاملات أكبر بكثير وأكثر تكلفة في المعالجة.

ويجب على مطوري المحافظ أيضًا مراعاة إنشاء عبارات الاسترداد وتدوير المفاتيح وتصميم العناوين ودعم الأجهزة واستعادة المستخدمين والانتقال من أنظمة التوقيع الأقدم.

التوقيعات القائمة على التجزئة ومحافظ العقود الذكية

قد تدعم محافظ العقود الذكية أحيانًا خوارزميات توقيع جديدة من دون استبدال قاعدة التوقيع الأساسية لكل حساب على البلوكشين.

فقد يتضمن العقد منطق تحقق مخصصًا لمفتاح عام قائم على التجزئة.

ويمكن للمستخدم إرسال توقيع قائم على التجزئة، ليتحقق منه العقد وفق القواعد المبرمجة.

وقد يتيح هذا النهج استخدام حسابات تجريبية مقاومة للحوسبة الكمية قبل تطبيق الانتقال على مستوى الشبكة.

لكن التحقق على السلسلة قد يتطلب عمليات تجزئة كثيرة ويستهلك قدرًا كبيرًا من مساحة الكتل أو موارد التنفيذ.

ويجب على المطورين موازنة المنافع الأمنية بتكلفة المعاملة وتعقيد العقد ومخاطر حجب الخدمة.

وقد تتيح أنظمة البراهين مستقبلًا للعقد التحقق من برهان مدمج يثبت صحة توقيع أكبر قائم على التجزئة.

التوقيعات القائمة على التجزئة وتجريد الحسابات

يتيح تجريد الحسابات للحساب استخدام قواعد تفويض قابلة للبرمجة بدلًا من الاعتماد بالكامل على خوارزمية توقيع ثابتة واحدة.

وقد يقبل الحساب المجرّد توقيعًا تقليديًا أو توقيعًا قائمًا على التجزئة أو سياسة توقيع متعدد أو برهانًا تنتجه آلية مصادقة أخرى.

وقد تسهّل هذه المرونة الانتقال إلى ما بعد عصر الحوسبة الكمية، إذ يمكن للمستخدمين تحديث منطق التحقق في الحساب قبل أن تصبح التوقيعات المقاومة للحوسبة الكمية إلزامية على مستوى البروتوكول.

كما ينشئ تجريد الحسابات مسؤوليات أمنية، لأن مفاتيح الترقية ووحدات الاسترداد وعقود التحقق قد تفتح مسارات هجوم جديدة.

ولا يحمي التوقيع المقاوم للحوسبة الكمية الحساب إذا استطاع المهاجم تجاوزه عبر وحدة استرداد ضعيفة أو مفتاح إداري.

التوقيعات القائمة على التجزئة وأمن التوقيع المتعدد

يتطلب نظام التوقيع المتعدد موافقة عدة مفاتيح مخوّلة على إجراء ما.

ويمكن إدراج التوقيعات القائمة على التجزئة في ترتيبات التوقيع المتعدد بوصفها طرق توقيع مستقلة.

وقد تشترط سياسة هجينة توقيعًا تقليديًا وتوقيعًا قائمًا على التجزئة معًا.

وقد يحمي هذا النهج من فشل إحدى العائلتين التشفيريتين إذا ظلت الأخرى آمنة.

لكن الأنظمة الهجينة تنشئ معاملات أكبر وتحققًا أكثر تعقيدًا وإجراءات استرداد أصعب.

ويجب أن يحدد النظام بوضوح ما إذا كان يلزم كل توقيع أم يكفي أي توقيع منها.

وقد تؤدي قاعدة احتياطية سيئة التصميم إلى إلغاء فائدة التوقيع الأقوى.

التوقيعات الهجينة

يجمع التوقيع الهجين بين توقيعات صادرة عن خوارزميتين تشفيريتين أو أكثر.

وقد يستخدم أحد المكونات خوارزمية حالية قائمة على المنحنيات الإهليلجية، بينما يستخدم الآخر SLH-DSA أو نظامًا آخر لما بعد عصر الحوسبة الكمية.

والهدف هو الحفاظ على الأمن إذا ثبت لاحقًا ضعف إحدى الخوارزميات.

يناقش الأسئلة الشائعة حول التشفير المقاوم للحوسبة الكمية لدى NIST أساليب التوقيع المزدوج للبيانات والشهادات الرقمية.

وقد يقلل الانتقال الهجين الاعتماد على خوارزمية جديدة قبل أن تكتسب عقودًا من الخبرة في الاستخدام.

لكنه يزيد أيضًا تعقيد التنفيذ، ويتطلب قاعدة تحدد كيفية الجمع بين نتيجتي التحقق.

إذا كانت المعاملة صحيحة عند التحقق من أي توقيع، فقد يظل اختراق النظام الأضعف كافيًا لمهاجمة الحساب.

أما إذا كان كلا التوقيعين مطلوبًا، فيظل الحساب معتمدًا على توفر النظامين وعملهما الصحيح.

التوقيعات القائمة على التجزئة ومساحة الكتل

قد تستهلك التوقيعات القائمة على التجزئة مساحة كتل أكبر بكثير من توقيعات المنحنيات الإهليلجية المدمجة.

تقلل المعاملات الأكبر عدد إجراءات المستخدمين التي يمكن إدراجها في كتلة، إلا إذا تغيرت السعة أو أساليب التجميع.

وقد تزيد البيانات الإضافية أيضًا متطلبات عرض النطاق والتخزين وزمن نشر الكتل ومزامنة السجل التاريخي.

وتكتسب هذه التكاليف أهمية خاصة في البلوكشينات الأساسية، حيث تعالج كل عقدة تحقق البيانات نفسها.

قد يقلل تجميع التوقيعات عبر براهين المعرفة الصفرية أو البروتوكولات المتخصصة حجم البيانات التي يتعين على كل عقدة التحقق منها مباشرةً.

لكن التجميع نفسه يضيف افتراضات تشفيرية وتكاليف إنشاء البراهين وزمن استجابة وتعقيدًا في التنفيذ.

حجم التوقيع

يُعد الحجم الكبير للتوقيعات أحد أهم العيوب العملية للتوقيعات القائمة على التجزئة.

قد تحتوي توقيعات SLH-DSA على آلاف البايتات أو عشرات آلافها، بحسب مجموعة المعايير.

كما أن توقيعات XMSS وLMS أكبر بكثير من توقيعات المنحنيات الإهليلجية الشائعة.

قد يكون حجم التوقيعات الكبير مقبولًا لتحديثات البرامج المتباعدة أو الشهادات الجذرية.

لكنه يجعل استخدامها أصعب في معاملات البلوكشين عالية الحجم، حيث قد يؤدي كل بايت إلى تكاليف على الشبكة ورسوم.

ويجب أن تحقق معايير الاختيار توازنًا بين حجم التوقيع وسرعة التوقيع وسرعة التحقق والحد الأقصى لعدد التوقيعات ومستوى الأمن.

حجم المفتاح العام

قد تكون المفاتيح العامة للتوقيعات القائمة على التجزئة مدمجة نسبيًا، لأن جذر Merkle يمكنه الالتزام بالعديد من المفاتيح أحادية الاستخدام.

وهذه ميزة مهمة مقارنةً بتخزين كل مفتاح عام أحادي الاستخدام على حدة.

لكن المفتاح العام المدمج لا يلغي تكلفة التوقيع، إذ لا يزال يتعين توفير مسار التوثيق وبيانات التوقيع أحادي الاستخدام.

وفي أنظمة البلوكشين، يؤثر حجم المفتاح العام في إنشاء الحسابات وتخزين الحالة وشواهد المعاملات وإنشاء البراهين.

حجم المفتاح الخاص

قد يحتوي المفتاح الخاص الأساسي القائم على التجزئة على مجموعة كبيرة من القيم السرية العشوائية.

وتولد المخططات الحديثة عادةً كثيرًا من هذه القيم شبه عشوائي انطلاقًا من بذرة رئيسية أصغر.

وقد يقلل ذلك متطلبات التخزين، لكنه يجعل البذرة شديدة الحساسية.

إذ قد يؤدي اختراق البذرة الرئيسية إلى كشف كل مفاتيح التوقيع أحادية الاستخدام المشتقة منها.

ويجب على الأنظمة ذات الحالة الاحتفاظ بالبذرة السرية ومؤشر التوقيع الحالي معًا.

وقد يكون الاحتفاظ بنسخة احتياطية من البذرة وحدها دون أحدث حالة خطرًا، إذ قد تؤدي استعادتها إلى إعادة استخدام المفاتيح.

سرعة التوقيع

يتطلب التوقيع القائم على التجزئة حساب عدد كبير من قيم التجزئة وإجراء عمليات على الأشجار.

وصُممت بعض مجموعات المعايير لتسريع التوقيع مقابل إنتاج توقيعات أكبر.

وتقلل مجموعات أخرى حجم التوقيع لكنها تتطلب عمليات حسابية أكثر.

قد تحسب الأنظمة ذات الحالة عُقد الأشجار أو مسارات التوثيق مسبقًا لتحسين سرعة التوقيع.

لكن الحساب المسبق يضيف متطلبات تخزين وإدارة للحالة.

ويجب على محافظ البلوكشين والمدققين تقييم القدرة على إنشاء التوقيعات ضمن الحدود الزمنية الصارمة.

سرعة التحقق

يتطلب التحقق أيضًا حساب عدة قيم تجزئة.

عمليات التجزئة بسيطة عمومًا، ومستخدمة على نطاق واسع، وتناسب تسريع الأجهزة.

لكن التحقق من آلاف التوقيعات الكبيرة في كل كتلة قد يظل مكلفًا بدرجة كبيرة في المجمل.

ويجب على البلوكشين مراعاة عبء التحقق في أسوأ الحالات، لأن المهاجمين قد يرسلون معاملات كثيرة سليمة البنية لكنها مرتفعة التكلفة في المعالجة.

وقد يلزم أن تعكس قواعد الرسوم وحدود المعاملات التكلفة الفعلية للتحقق.

مخاطر إدارة الحالة

إدارة الحالة هي الخطر التشغيلي المحدد لأنظمة XMSS وLMS وXMSSMT وHSS.

يجب على الموقّع تسجيل كل مؤشر أحادي الاستخدام استُهلك قبل التوقيع أو أثناءه، بطريقة تصمد أمام الأعطال وانقطاع الطاقة.

ويجب أن يكون التحديث ذريًا حتى لا يتمكن النظام من إنشاء توقيع مع الإخفاق في حفظ الحالة الجديدة.

كما يجب منع النسخ الاحتياطية من التوقيع باستخدام مؤشر قديم.

وينبغي لأنظمة التوافر العالي تنسيق عمل عدة أجهزة من دون استخدام متكرر للمفتاح.

وقد تُستخدم أجهزة آمنة لفرض عدادات متزايدة رتيبًا أو لعزل حالة التوقيع.

تقصر توصيات NIST بشأن الأنظمة ذات الحالة استخدامها على البيئات القادرة على توفير ضوابط صارمة للمفاتيح والحالة.

أمن القنوات الجانبية

قد تكون التوقيعات القائمة على التجزئة جذابة لأن دوال التجزئة بسيطة نسبيًا ويمكن تنفيذها باستخدام عمليات اعتيادية.

وقد يجعل ذلك مقاومة بعض القنوات الجانبية القائمة على التوقيت أو تحليل الطاقة أو المجالات الكهرومغناطيسية أسهل مقارنةً ببعض الخوارزميات المعقدة في نظرية الأعداد.

لكنها ليست محصنة تلقائيًا من هجمات القنوات الجانبية.

فقد تظل الفروع البرمجية والوصول إلى الذاكرة وتوليد الأعداد العشوائية وحقن الأعطال وكود التعامل مع المفاتيح تسرب المعلومات.

ويجب أن تستخدم تطبيقات محافظ الأجهزة والمدققين تقنيات مدروسة بزمن تنفيذ ثابت عند الاقتضاء.

متطلبات العشوائية

العشوائية الآمنة ضرورية عند إنشاء المفاتيح الخاصة والبذور القائمة على التجزئة.

وقد تتيح القيم السرية المتوقعة للمهاجم إعادة إنشاء مفتاح التوقيع.

تستخدم بعض المخططات أيضًا عشوائية لكل توقيع للحماية من هجمات الأهداف المتعددة أو لإخفاء العلاقات الحتمية.

وقد يضعف مولد الأعداد العشوائية المعطوب خوارزمية آمنة رياضيًا.

ينبغي للمحافظ إنشاء مادة المفاتيح باستخدام مصادر موثوقة للأعداد العشوائية المشفرة، لا الطوابع الزمنية أو العبارات التي يختارها المستخدم أو دوال العشوائية العادية في التطبيقات.

نفاد المفاتيح

تدعم المفاتيح القائمة على التجزئة ذات الحالة عددًا محدودًا من التوقيعات الآمنة.

ويعتمد الحد على ارتفاع أشجار Merkle المختارة وبنيتها الهرمية.

وعند استخدام كل المفاتيح أحادية الاستخدام المسموح بها، يجب إيقاف زوج المفاتيح عن العمل.

وقد يؤدي استخدام المفتاح بعد تجاوز سعته المصممة إلى إعادة الاستخدام أو إلى توقيعات غير صحيحة.

ويجب على الأنظمة مراقبة السعة المتبقية وتدوير المفاتيح قبل نفادها.

تحتاج مدققو البلوكشين الذين يوقعون رسائل كثيرة إلى تخطيط دقيق جدًا للسعة.

تدوير المفاتيح

يستبدل تدوير المفاتيح مفتاح توقيع قديمًا بمفتاح جديد.

وقد تتطلب الأنظمة القائمة على التجزئة تدوير المفاتيح عندما تكون شجرة ذات حالة على وشك النفاد أو تتغير المعايير أو يُحتمل انكشاف المفتاح.

وينبغي للمفتاح القديم توثيق المفتاح العام الجديد حيثما أمكن.

يجب أن تحدد بروتوكولات البلوكشين كيفية تحديث الحسابات والمدققين والجسور وأنظمة الحوكمة للمفاتيح المصرح بها.

وينبغي أن تمنع عملية الانتقال المهاجمين من استبدال المفتاح الجديد بمفتاحهم.

كما يحتاج المستخدمون إلى إجراءات استرداد واضحة إذا فُقد المفتاح القديم قبل إتمام التدوير.

التحقق طويل الأجل

قد تفيد التوقيعات القائمة على التجزئة في السجلات التي يجب أن تظل قابلة للتحقق لسنوات كثيرة.

ومن أمثلتها إصدارات البروتوكولات ونقاط التحقق التاريخية وصور البرامج الثابتة وملفات التكوين الأولي وقرارات الحوكمة.

ومع ذلك، يظل التحقق طويل الأجل معتمدًا على الاحتفاظ بالبيانات الموقعة والمفتاح العام ومعرّف الخوارزمية ومجموعة المعايير ودوال التجزئة المطلوبة.

وإذا ضعفت دالة التجزئة لاحقًا، فقد تحتاج الأنظمة إلى الطوابع الزمنية أو إعادة التوقيع أو إجراءات الانتقال.

ولا تعني مقاومة الحوسبة الكمية بقاء التوقيع آمنًا إلى الأبد من دون صيانة.

التوقيعات القائمة على التجزئة لإصدارات البرامج

كثيرًا ما يثبت مستخدمو العملات المشفرة تطبيقات المحافظ وبرامج عُقد الشبكات وبرامج المدققين والبرامج الثابتة وأدوات المطورين.

تساعد توقيعات الإصدارات المستخدمين على التأكد من أن البرامج التي نزلوها صادرة عن فريق تطوير مخوّل ولم يجر تعديلها بعد توقيعها.

قد تكون التوقيعات المعتمدة على التجزئة وذات الحالة مناسبة لهذا الغرض، لأن إصدارات البرامج تحدث بوتيرة أقل من معاملات البلوكشين.

يمكن لفريق الإصدارات التحكم في جهاز التوقيع وإدارة مؤشر التوقيع بعناية.

قد تحمي توقيعات الإصدارات ما بعد الكم سلاسل توريد البرامج طويلة الأمد من الهجمات المستقبلية على خوارزميات التوقيع التقليدية.

ومع ذلك، يجب على المستخدمين التحقق من المفتاح العام عبر مصدر موثوق.

التوقيعات المعتمدة على التجزئة للبرامج الثابتة للمحافظ المادية

تثبّت المحافظ المادية برامج ثابتة تتحكم في إنشاء المفاتيح وعرض المعاملات وسلوك التوقيع.

قد يؤدي تحديث ضار للبرامج الثابتة إلى سرقة المفاتيح الخاصة أو عرض معلومات معاملات زائفة.

يمكن للمصنّعين توقيع البرامج الثابتة كي لا يقبل الجهاز إلا التحديثات المصرح بها.

قد تكون التوقيعات المعتمدة على التجزئة خيارًا مناسبًا لمصادقة البرامج الثابتة طويلة الأمد، لأن وتيرة التحديث محدودة ولأن مقاومة الحوسبة الكمومية قد تكون ذات قيمة.

كما يجب أن تمنع آلية التحديث الرجوع إلى إصدارات أقدم معرضة للثغرات.

وتظل عناصر مثل الإقلاع الآمن، وجذور الثقة في الأجهزة، وعدادات الإصدارات، والمفاتيح العامة المحمية ضرورية.

التوقيعات المعتمدة على التجزئة للجسور وOracle

تعتمد الجسور وOracle غالبًا على توقيعات تصدرها لجان أو مشغّلون أو عُقد موزعة.

وقد تصرح هذه التوقيعات بتحويل الأصول أو تقدم معلومات تتحكم في قيمة كبيرة من أصول الكريبتو.

قد تصبح المفاتيح العامة طويلة الأمد أهدافًا للحوسبة الكمومية إذا أصبحت الخوارزمية الأساسية معرضة للخطر.

يمكن أن توفر التوقيعات المعتمدة على التجزئة حماية أقوى ما بعد الكم لرسائل اللجان.

لكن كبر حجم التوقيعات ومتطلبات الحالة قد يفرضان تكاليف على التحقق على السلسلة.

يظل الجسر معرضًا للخطر إذا صُممت عقوده الذكية أو حوكمته أو افتراضاته الاقتصادية أو حدود المدققين فيه على نحو سيئ.

ولا يؤدي استبدال خوارزمية التوقيع إلى حل جميع مخاطر الجسور أو Oracle.

التوقيعات المعتمدة على التجزئة لشبكات Layer 2

تستخدم شبكات Layer 2 أدوات تسلسل أو أنظمة إثبات أو مدققين أو لجانًا أو أنظمة أخرى لمعالجة المعاملات خارج بلوكشين أساسي.

وقد يوقّع هؤلاء المشاركون دفعات المعاملات أو جذور الحالة أو بيانات توافر البيانات أو الرسائل بين الطبقات.

يمكن أن تحمي التوقيعات المعتمدة على التجزئة هذه الرسائل من الهجمات الكمومية المستقبلية.

قد تجمع شبكة Layer 2 عددًا كبيرًا من التوقيعات في إثبات واحد قبل إرسال البيانات إلى الطبقة الأساسية.

يمكن أن يقلل ذلك تكلفة التحقق على السلسلة مع الحفاظ على سياسة توقيعات ما بعد الكم خارج السلسلة.

يعتمد أمان التصميم الكامل على نظام الإثبات، وتوافر البيانات، ومفاتيح الترقية، وعقود الجسر، وقواعد النزاع.

التوقيعات المعتمدة على التجزئة وإثباتات المعرفة الصفرية

يمكن لأنظمة إثباتات المعرفة الصفرية المساعدة في ضغط عملية التحقق من التوقيعات الكبيرة المعتمدة على التجزئة.

يمكن للمُثبت التحقق من توقيعات كثيرة داخل دائرة وإنتاج إثبات أصغر لصحة التحقق.

يتحقق البلوكشين من الإثبات بدلًا من معالجة كل توقيع على حدة.

يمكن لهذا النهج تقليل مساحة الكتل وتكلفة التحقق.

لكنه يضيف افتراضات نظام الإثبات المختار ومخاطر تنفيذه.

ويجب أيضًا أن يكون إنشاء الإثبات سريعًا بما يكفي لتلبية متطلبات توقيت الشبكة.

تبحث أبحاث Ethereum الحالية في مرحلة ما بعد الكم هذا النهج لتجميع توقيعات المدققين الكبيرة.

المرونة التشفيرية

المرونة التشفيرية هي القدرة على استبدال الخوارزميات التشفيرية أو إضافة خوارزميات جديدة دون إعادة تصميم نظام كامل.

وهي مهمة للبلوكشين، إذ لا ينبغي افتراض بقاء أي خوارزمية توقيع آمنة إلى الأبد.

قد تدعم محفظة مرنة تشفيريًا أنواعًا متعددة من التوقيعات وتنقل الأصول عبر عملية ترقية موثّقة.

وقد يستخدم بروتوكول مرن تشفيريًا مفاتيح عامة ذات إصدارات، أو التحقق القابل للبرمجة من الحسابات، أو التحقق القابل للترقية من الإجماع.

ويجب ألا تتيح المرونة مسارًا سهلًا للرجوع إلى خوارزمية ضعيفة.

وتصبح كل خوارزمية مدعومة وقاعدة احتياطية ومفتاح ترحيل جزءًا من سطح الهجوم.

الترحيل من توقيعات الكريبتو الحالية

يتطلب نقل بلوكشين من التوقيعات التقليدية إلى التوقيعات المعتمدة على التجزئة أكثر من نشر برامج محفظة جديدة.

ستحتاج الشبكة إلى وسيلة للتعرف على صيغ المفاتيح العامة والتوقيعات الجديدة.

وستحتاج العُقد إلى قواعد تحقق محدّثة.

كما ستحتاج المحافظ إلى إنشاء المفاتيح الجديدة وتخزينها ونسخها احتياطيًا وتدويرها.

وسيحتاج المستخدمون إلى نقل الأصول من الحسابات القديمة إلى حسابات محمية.

كما ستحتاج المدققات والجسور والعقود الذكية وأنظمة الحوكمة وسياسات الحفظ إلى ترقيات.

تمثل الأموال الخاملة مشكلة صعبة، إذ قد لا ينقل أصحابها أصولهم قبل أن يصبح التهديد الكمومي ملحًا.

وقد يحتاج مصممو البروتوكولات إلى قواعد طارئة للمفاتيح العامة المكشوفة وأنواع الحسابات القديمة والأصول المتروكة منذ زمن طويل.

خزّن الآن، وهاجم لاحقًا

تشير عبارة «خزّن الآن، وهاجم لاحقًا» عادةً إلى جمع بيانات مشفرة اليوم لفك تشفيرها بعد تطور الحواسيب الكمومية.

وتثير توقيعات العملات المشفرة مصدر قلق مرتبطًا بذلك لكنه مختلف عنه.

بيانات البلوكشين عامة على نحو دائم، لذا يمكن دراسة المفاتيح العامة المكشوفة والتوقيعات التاريخية مستقبلًا.

لا يستطيع المهاجم عادةً تغيير معاملة أُنهِيت بالفعل لمجرد اكتشاف مفتاحها الخاص لاحقًا.

لكن قد يتمكن من سرقة الأموال التي لا يزال المفتاح الضعيف نفسه يتحكم فيها، أو مهاجمة الأنظمة التي تواصل الوثوق بذلك المفتاح.

لذلك تتطلب حسابات الخزينة طويلة الأمد والعناوين المعاد استخدامها وهويات المدققين ومفاتيح الجسور التخطيط المبكر للترحيل.

مزايا التوقيعات المعتمدة على التجزئة

تتمثل الميزة الرئيسية للتوقيعات المعتمدة على التجزئة في مكانتها القوية ضمن خوارزميات التوقيع المرشحة لمقاومة الحوسبة الكمومية.

تعتمد هذه البنى أساسًا على دوال تجزئة تشفيرية مدروسة جيدًا.

ولا تعتمد على مسائل اللوغاريتم المتقطع التي يهددها خوارزم Shor.

وقد حصلت عدة مخططات على معايير رسمية من NIST وIETF.

تُنفّذ عمليات التجزئة على نطاق واسع، ويمكن أن تحقق أداءً جيدًا في الأجهزة والبرامج.

وتتيح أشجار Merkle تمثيل العديد من المفاتيح العامة أحادية الاستخدام بجذر واحد.

تقلل التصاميم عديمة الحالة المخاطر التشغيلية الناجمة عن إعادة استخدام مؤشر التوقيع.

وقد تكون التصاميم ذات الحالة مفيدة في بيئات توقيع مضبوطة ومنخفضة التواتر.

عيوب التوقيعات المعتمدة على التجزئة

أكبر عيوبها هو حجم التوقيع.

قد تزيد التوقيعات الكبيرة رسوم معاملات العملات المشفرة ووقت نشر الكتل ومتطلبات التخزين وعرض النطاق الترددي للتحقق.

تتطلب المخططات ذات الحالة إدارة صارمة للمؤشر، وقد تتعرض لفشل خطير إذا أعادت النسخ الاحتياطية أو الموقّعات المتوازية استخدام الحالة.

تتجنب المخططات عديمة الحالة الاحتفاظ بحالة دائمة، لكنها تتطلب عمومًا بيانات وحوسبة أكثر.

لا تدعم كثير من شرائح المحافظ الحالية والعقود الذكية وبرامج العُقد وبروتوكولات البلوكشين هذه الخوارزميات حاليًا.

كما تفتقر التوقيعات المعتمدة على التجزئة إلى خصائص التجميع الأصلية والمدمجة التي توفرها بعض أنظمة التوقيع الحالية.

قد يحل التجميع القائم على الإثبات جزءًا من هذه المشكلة، لكنه يضيف طبقة تشفيرية أخرى معقدة.

هل التوقيعات المعتمدة على التجزئة غير قابلة للكسر؟

التوقيعات المعتمدة على التجزئة ليست غير قابلة للكسر.

يعتمد أمانها على قوة دالة التجزئة الأساسية وصحة البنية الكاملة.

قد يكشف مولّد أرقام عشوائية ضعيف مواد التوقيع الخاصة.

وقد يحسب خطأ برمجي مسار المصادقة بطريقة غير صحيحة.

يمكن لإعادة استخدام الحالة أن تدمر مخططًا ذا حالة.

وقد يؤدي هجوم القنوات الجانبية إلى تسريب بيانات سرية.

وقد يستبدل تحديث ضار المفتاح العام المستخدم للتحقق.

وقد تضعف اكتشافات تحليل تشفيري مستقبلية دالة تجزئة أو مجموعة معلمات مختارة.

تعالج مقاومة الحوسبة الكمومية فئة معينة من الهجمات، لا جميع الإخفاقات الأمنية.

مفاهيم خاطئة شائعة عن التوقيعات المعتمدة على التجزئة

من المفاهيم الخاطئة الشائعة أن كل تجزئة في البلوكشين توفر أصلًا تفويضًا لمعاملات مقاومًا للحوسبة الكمومية.

يحدد هاش المعاملة البيانات، لكنه لا يحل محل التوقيع الرقمي المستخدم للتصريح بالإنفاق.

ومن المفاهيم الخاطئة أيضًا أن التوقيعات المعتمدة على التجزئة صغيرة تلقائيًا لأن مخرجات التجزئة صغيرة.

يتضمن التوقيع الكامل بيانات توقيع أحادية الاستخدام ومسارات مصادقة ومعلومات هيكلية أخرى.

وثمة مفهوم خاطئ ثالث، وهو أن التوقيعات ذات الحالة آمنة ما دامت البذرة الخاصة محمية.

فهي تتطلب أيضًا حماية مثالية لحالة التوقيع الحالية.

أما المفهوم الخاطئ الرابع فهو أن مقاومة الحوسبة الكمومية تعني الحصانة من جميع الهجمات.

تظل الأخطاء البرمجية والتصيد الاحتيالي والبرمجيات الخبيثة وإخفاقات الحوكمة واستغلال العقود الذكية ممكنة.

والمفهوم الخاطئ الخامس هو أن البلوكشين يستطيع اعتماد صيغة توقيع جديدة فورًا.

يتطلب الترحيل تنسيقًا بين البروتوكول والمحافظ والأجهزة والحفظ والتطبيقات والمستخدمين.

قائمة التحقق الأمنية لأنظمة التوقيعات المعتمدة على التجزئة

استخدم الخوارزميات التي خضعت للمراجعة ومجموعات المعلمات المحددة بوضوح فقط.

أنشئ البذور الخاصة باستخدام مولّد أرقام عشوائية آمن تشفيريًا.

احمِ البذور الرئيسية باستخدام أجهزة آمنة أو أنظمة مصممة بعناية لإدارة المفاتيح.

لا تنسخ أبدًا مفتاحًا خاصًا ذا حالة إلى موقّعين مستقلين من دون تصميم آمن لتنسيق الحالة.

اجعل تحديثات الحالة ذرية ومقاومة لانقطاع الطاقة أو التراجع.

راقب سعة التوقيع المتبقية لمفاتيح XMSS أو LMS أو XMSSMT أو HSS.

وثّق عمليات تدوير المفاتيح لمنع المهاجمين من استبدال المفاتيح العامة البديلة.

استخدم فصل النطاقات بالطريقة المحددة في المعيار تمامًا.

اختبر قابلية التشغيل البيني باستخدام المتجهات الرسمية والتنفيذات المستقلة.

خطط لترحيل الخوارزمية قبل أن يصبح المخطط الحالي غير آمن.

الأسئلة الشائعة

ما التوقيع المعتمد على التجزئة؟

التوقيع المعتمد على التجزئة هو توقيع رقمي يعتمد أمانه أساسًا على دوال التجزئة التشفيرية وبنى أشجار التجزئة.

لماذا تكتسب التوقيعات المعتمدة على التجزئة أهمية للعملات المشفرة؟

قد توفر تفويضًا مقاومًا للحوسبة الكمومية للمحافظ والمدققين والجسور وأنظمة الحوكمة وإصدارات البرامج وغيرها من بنى البلوكشين التحتية.

هل التوقيعات المعتمدة على التجزئة مقاومة للحوسبة الكمومية؟

تُعد مقاومة للحوسبة الكمومية عند استخدام دوال تجزئة آمنة ومعلمات قوية بما يكفي، مع أن الخوارزميات الكمومية لا تزال تقلل بعض هوامش أمان القوة الغاشمة.

ما SLH-DSA؟

SLH-DSA هي خوارزمية توقيع رقمي عديمة الحالة ومعتمدة على التجزئة، وقد وحّدتها NIST في FIPS 205.

هل SLH-DSA هي نفسها SPHINCS+؟

SLH-DSA هي الخوارزمية الموحدة من NIST والمشتقة من SPHINCS+، لكن ينبغي أن تتبع التنفيذات معيار FIPS 205 بدل افتراض تطابق كل إصدار سابق من SPHINCS+ معها.

ما XMSS؟

XMSS نظام توقيع قائم على شجرة Merkle وذو حالة، يستخدم توقيعات WOTS+ أحادية الاستخدام ويتطلب تتبع فهارس التوقيع المستخدمة بعناية.

ما LMS؟

LMS مخطط توقيع معتمد على التجزئة وذو حالة، يجمع بين توقيعات LM-OTS أحادية الاستخدام ومصادقة شجرة Merkle.

ما HSS؟

HSS نظام هرمي يربط عدة أشجار LMS كي تتمكن بنية المفتاح من دعم عدد أكبر من التوقيعات.

ما الفرق بين التوقيعات ذات الحالة والتوقيعات عديمة الحالة؟

تتطلب التوقيعات ذات الحالة أن يتتبع الموقّع المفاتيح أحادية الاستخدام التي استُخدمت، بينما لا تتطلب التوقيعات عديمة الحالة الاحتفاظ بعدّاد توقيع دائم.

لماذا تُعد إعادة استخدام الحالة خطرة؟

قد تكشف إعادة استخدام مفتاح توقيع أحادي الاستخدام قدرًا كافيًا من المعلومات السرية لإضعاف أمان مخطط توقيع معتمد على التجزئة وذي حالة أو تدميره.

ما توقيع شجرة Merkle؟

يستخدم توقيع شجرة Merkle جذر Merkle لمصادقة العديد من المفاتيح العامة أحادية الاستخدام عبر مسارات مصادقة مدمجة معتمدة على التجزئة.

ما WOTS+؟

WOTS+ بنية توقيع Winternitz أحادية الاستخدام، وتُستخدم عنصرًا أساسيًا في XMSS وSLH-DSA.

ما FORS؟

FORS بنية توقيع محدودة الاستخدام، تُستخدم داخل SLH-DSA لتوقيع ملخصات الرسائل قبل مصادقة النتيجة عبر شجرة فائقة.

هل تستخدم البلوكشينات الكبرى التوقيعات المعتمدة على التجزئة بالفعل؟

لم تصبح هذه التوقيعات بعد التوقيع المعتاد لمعاملات معظم شبكات البلوكشين الكبرى، رغم توسع الأبحاث الجارية وحالات النشر المتخصصة.

هل تستخدم Ethereum التوقيعات المعتمدة على التجزئة حاليًا؟

لا تستخدمها Ethereum حاليًا كتوقيع قياسي للمدققين أو المستخدمين، لكن خارطة أبحاثها لما بعد الكم تستكشف leanXMSS والتجميع القائم على الإثبات.

هل يستطيع عقد ذكي التحقق من توقيع معتمد على التجزئة؟

يمكن للعقد الذكي تنفيذ منطق تحقق متوافق، مع احتمال أن تكون تكاليف الحوسبة وبيانات المعاملات كبيرة.

لماذا تكون التوقيعات المعتمدة على التجزئة كبيرة جدًا؟

يجب أن تتضمن قيم التوقيع أحادية الاستخدام ومسارات مصادقة Merkle ومعلومات أخرى لازمة لربط توقيع الرسالة بالجذر العام.

هل يمكن تجميع التوقيعات المعتمدة على التجزئة؟

تفتقر عمومًا إلى إمكانات التجميع الأصلية المدمجة المتاحة في بعض المخططات الحالية، لكن أنظمة الإثبات قد تتمكن من تجميع نتائج التحقق منها.

هل يمكن لمحفظة مادية استخدام توقيعات معتمدة على التجزئة؟

يمكن للمحفظة المادية دعمها إذا كانت تحتوي على برامج ثابتة متوافقة وتخزين آمن للمفاتيح وقدرة معالجة كافية وإدارة آمنة للحالة عند الحاجة.

هل تحل التوقيعات المعتمدة على التجزئة محل التشفير؟

لا، فالتوقيعات توفر المصادقة وسلامة البيانات، بينما يهدف التشفير إلى الحفاظ على سرية المعلومات.

هل يمكنني تحويل مفتاح خاص قائم لعملة مشفرة إلى مفتاح معتمد على التجزئة؟

يتطلب الترحيل الآمن عادةً إنشاء زوج مفاتيح جديد معتمد على التجزئة والتصريح بالمفتاح العام الجديد وفق قواعد الحساب أو البروتوكول الحالي.

هل التوقيعات المعتمدة على التجزئة أكثر أمانًا من كل مخطط آخر لما بعد الكم؟

تستند إلى أسس أمنية متحفظة، لكن الأمان يعتمد أيضًا على متطلبات الأداء وجودة التنفيذ وإدارة المفاتيح والمعلمات والبروتوكول المحيط بها.

ما الخطر الرئيسي في XMSS وLMS؟

الخطر التشغيلي الرئيسي هو إعادة استخدام فهرس توقيع أحادي الاستخدام عن طريق الخطأ بسبب التراجع إلى نسخة احتياطية أو التوقيع المتوازي أو فشل تحديث الحالة.

ما الخطر الرئيسي في SLH-DSA؟

تتمثل قيودها العملية الرئيسية في كبر التوقيعات وكثافة الحوسبة، بينما تظل إخفاقات التنفيذ والعشوائية من المخاوف الأمنية.

هل ستكسر الحواسيب الكمومية العملات المشفرة فورًا؟

لا يستطيع أي حاسوب كمومي مُثبت حاليًا تنفيذ الهجمات المطلوبة على مفاتيح البلوكشين الكبرى، لكن يجب بدء الترحيل مبكرًا لأن تغييرات البروتوكولات العالمية تتطلب استعدادًا واسعًا.

الخاتمة

التوقيعات المعتمدة على التجزئة أنظمة توقيع رقمي مبنية أساسًا على دوال التجزئة التشفيرية والتوقيعات أحادية الاستخدام ومصادقة أشجار Merkle.

وهي مهمة جدًا للعملات المشفرة لأنها توفر مسارًا موثوقًا نحو مصادقة المعاملات والمدققين بما يقاوم هجمات الحوسبة الكمومية المعروفة.

يمكن للمخططات ذات الحالة مثل XMSS وXMSSMT وLMS وHSS توفير أمان قوي، لكنها تتطلب تتبعًا دقيقًا لكل فهرس توقيع مستهلك.

قد تؤدي استعادة نسخة احتياطية قديمة أو استخدام المفتاح ذاته ذي الحالة على جهازين إلى إعادة استخدام مواد التوقيع عن طريق الخطأ وإضعاف المفتاح بشدة.

يتجنب SLH-DSA عديم الحالة هذا الشرط الدائم للحالة، وأصبح معيارًا نهائيًا من NIST عبر FIPS 205 في أغسطس 2024.

لكن المقابل هو أن توقيعات SLH-DSA أكبر بكثير من التوقيعات المستخدمة عادةً في حسابات العملات المشفرة ومدققيها حاليًا.

تؤثر التوقيعات الكبيرة في رسوم المعاملات ومساحة الكتل وعرض النطاق الترددي والتخزين والمزامنة وتكلفة التحقق.

لذلك يدرس باحثو البلوكشين تجريد الحسابات والتوقيعات الهجينة والتجميع بإثباتات المعرفة الصفرية والتحقق القابل للبرمجة والمرونة التشفيرية.

تشمل أبحاث Ethereum الحالية لما بعد الكم توقيعات للمدققين معتمدة على التجزئة وأنظمة إثبات مصممة لضغط عملية التحقق منها.

لا تحل التوقيعات المعتمدة على التجزئة جميع مشكلات أمان الكريبتو.

فما زالت برمجيات المحافظ الخبيثة وسرقة عبارات الاسترداد والتصيد الاحتيالي وأخطاء العقود الذكية وضعف الحوكمة والجسور غير الآمنة والعشوائية غير الصحيحة وأخطاء التنفيذ قادرة على التسبب في خسائر.

ينبغي فهمها على أنها تقنية مصادقة قوية، لا حل أمني شامل.

لا يقتصر التحدي طويل الأمد أمام شبكات العملات المشفرة على اختيار خوارزمية توقيع مقاومة للحوسبة الكمومية.

بل يتمثل التحدي الأكبر في ترحيل حسابات وتطبيقات وأنظمة مدققين وبنى تحتية تضم مليارات الدولارات دون الإخلال بأمان الشبكة أو ترك المستخدمين غير النشطين خلف الركب.

توفر التوقيعات المعتمدة على التجزئة أحد أكثر الأسس نضجًا وتصميمًا بتحفظ لهذا الانتقال.