تسجيل الأجهزة المعتمد على الشهادات في شبكات البنية التحتية المادية اللامركزية باستخدام براهين المعرفة الصفرية

2.1 فجوة الثقة في شبكات البنية التحتية المادية اللامركزية

تعتمد شبكات البنية التحتية المادية اللامركزية على بيانات الجهاز خارج السلسلة (مثل قراءات أجهزة الاستشعار، إثبات الموقع) لتحفيز مكافآت الرموز على السلسلة. وهذا يخلق هوة في قابلية التحقق. لا يمكن لسلسلة الكتل التحقق تلقائيًا مما إذا كان الجهاز الذي يبلغ عن "عرض نطاق 50 ميجابت في الثانية" يمتلكه بالفعل، أو ما إذا كان جهاز الاستشعار معايرًا وموضوعًا في الموقع المزعوم. غالبًا ما تتضمن الحالة الحالية ثقة عمياء في العرافات أو مالكي الأجهزة، وهي نقطة مركزية للفشل.

2.2 معضلة التحقق على السلسلة مقابل خارج السلسلة

تقدم الحلول السابقة مفاضلة:

• التحقق على السلسلة: تخزين والتحقق من شهادات الجهاز (مثل شهادة موقعة من الشركة المصنعة) مباشرة على السلسلة يكون شفافًا ولكنه يكشف عن بيانات تجارية أو شخصية قد تكون سرية (مثل المواصفات الدقيقة للأجهزة، أرقام التسلسل، هوية المالك).
• التحقق خارج السلسلة: الاحتفاظ بمنطق التحقق خارج السلسلة (مثلًا، في عراف موثوق) يحافظ على الخصوصية ولكنه يعيد إدخال المركزية وافتراضات الثقة التي تهدف شبكات البنية التحتية المادية اللامركزية إلى القضاء عليها.

يحدد البحث هذا على أنه المشكلة الأساسية: كيفية إجراء تحقق لامركزي لا يعتمد على الثقة من شهادات الجهاز مع الحفاظ على سرية سمات الشهادة؟

3.1 نموذج النظام والهيكلية

يقدم إطار عمل تسجيل الأجهزة المعتمد على الشهادات تدفقًا منطقيًا يشمل أربعة فاعلين رئيسيين:

1. المُصدر: كيان موثوق (مثل شركة تصنيع الأجهزة، هيئة اعتماد) يصدر شهادات قابلة للتحقق تشهد على سمات الجهاز.
2. الجهاز / المُثبِت: الجهاز المادي (أو مالكه) الذي يحمل الشهادة القابلة للتحقق ويجب عليه إثبات صحة الشهادة أثناء التسجيل.
3. العقد الذكي / المُتحقِق: المنطق الموجود على السلسلة الذي يحدد سياسات التسجيل (مثل "يجب أن يحتوي الجهاز على ذاكرة وصول عشوائي ≥ 8 جيجابايت") ويتحقق من براهين المعرفة الصفرية.
4. شبكة البنية التحتية المادية اللامركزية: التطبيق الأوسع الذي يقبل الجهاز بعد التسجيل الناجح.

3.2 دور براهين المعرفة الصفرية

براهين المعرفة الصفرية هي المحرك التشفيري الذي يحل المعضلة. يمكن للجهاز إنشاء برهان $\pi$ يقنع العقد الذكي بالبيان التالي: "أمتلك شهادة صالحة من المُصدر X، والسمات داخل تلك الشهادة تلبي السياسة Y (مثلًا، ذاكرة الوصول العشوائي > 8 جيجابايت)، دون الكشف عن الشهادة الفعلية أو قيم السمات المحددة." وهذا يتيح فرض السياسات مع خصوصية تامة.

4.1 اختيار نظام الإثبات: Groth16 مقابل Marlin

يقيم البحث نظامين بارزين من أنظمة zkSNARK:

• Groth16: نظام إثبات عالي الكفاءة قائم على الاقتران، معروف بحجم برهانه الصغير وسرعة تحققه. ومع ذلك، فهو يتطلب إعدادًا موثوقًا لكل دائرة.
• Marlin: نظام SNARK عالمي وقابل للتحديث حديث نسبيًا. يستخدم سلسلة مرجعية منظمة عالمية، مما يسمح بإعداد موثوق واحد للعديد من الدوائر المختلفة، مما يوفر مرونة أكبر.

4.2 النتائج التجريبية والمفاضلات في الأداء

تكشف التجارب عن مفاضلة هندسية حرجة، موضحة في الرسم البياني المفاهيمي أدناه:

6.1 الصياغة الرياضية

يمكن صياغة بيان المعرفة الصفرية الأساسي لتسجيل الأجهزة المعتمد على الشهادات. لنفترض:

• $C$ هي شهادة الجهاز، وهي بنية بيانات موقعة من المُصدر $I$: $C = \{attr_1, attr_2, ..., sig_I\}$.
• $\Phi$ هو مفتاح التحقق العام للمُصدر $I$.
• $\mathcal{P}$ هي سياسة التسجيل العامة (مثل $attr_{ram} > 8$).
• $w = (C, private\_attrs)$ هو الشاهد الخاص للمُثبِت.

ينشئ الجهاز برهان zkSNARK $\pi$ للعلاقة $R$:

$R = \{ (\Phi, \mathcal{P}; w) : \text{VerifySig}(\Phi, C) = 1 \ \wedge \ \text{CheckPolicy}(\mathcal{P}, C) = 1 \}$

يمكن للعقد الذكي، الذي يعرف فقط $\Phi$ و $\mathcal{P}$، التحقق من $\pi$ ليقتنع بصحة البيان دون معرفة $w$.

6.2 إطار التحليل: حالة استخدام افتراضية لشبكة بنية تحتية مادية لامركزية

السيناريو: تتطلب شبكة لاسلكية لامركزية (مثل هيليوم 5G) من مزودي النقاط الساخنة إثبات أن معداتهم لديها حد أدنى من كسب الهوائي وأنها غير موجودة في خلية جغرافية مشبعة لتلقي المكافآت الكاملة.

تطبيق تسجيل الأجهزة المعتمد على الشهادات:

1. الإصدار: تصدر شركة تصنيع هوائيات معتمدة شهادة قابلة للتحقق إلى العنصر الآمن للجهاز، موقعة سمات مثل `model: ABC-123`, `gain: 5dBi`, `serial: XYZ789`.
2. برهان التسجيل: يبني برنامج الجهاز برهان معرفة صفرية يثبت: "شهادتي القابلة للتحقق موقعة بشكل صالح من قبل الشركة المصنعة M، وسمة `gain` > 3dBi، ورقم `serial` ليس في قائمة إلغاء عامة (برهان عدم عضوية في شجرة ميركل)، دون الكشف عن الرقم التسلسلي الدقيق أو الكسب." يمكن دمج برهان منفصل للموقع (عبر أجهزة موثوقة على سبيل المثال).
3. السياسة على السلسلة: يحمل العقد الذكي للشبكة السياسة $\mathcal{P}_{5G} = (gain > 3, location\_cell \not\_saturated)$. يتحقق من البرهان الواحد المدمج $\pi$.
4. النتيجة: يتم تسجيل الجهاز بحالة "مُتحقق منه"، مؤهلاً للحصول على مستويات مكافآت أعلى، كل ذلك بينما تظل مواصفات أجهزته الدقيقة ورقمه التسلسلي سريين بين المالك والشركة المصنعة.