حل العملة الرقمية في وضع عدم الاتصال باستخدام تقنية البلوك تشين المحلية

جدول المحتويات

1. المقدمة

تمثل الوظيفة في وضع عدم الاتصال للعملات الرقمية للبنوك المركزية (CBDCs) أحد أهم التحديات في تصميم العملات الرقمية. بينما تحدث معظم المعاملات الحديثة عبر الإنترنت، يظل النقد المادي أساسياً في السيناريوهات التي لا يتوفر فيها اتصال طرف ثالث. لذلك يجب على العملة الرقمية للبنك المركزي أن تحاكي قدرات النقد في وضع عدم الاتصال مع معالجة التحديات الحرجة بما في ذلك الإنفاق المزدوج وعدم الإنكار وعدم القابلية للتزوير وهجمات إعادة التشغيل.

تقترح هذه البحث حلاً مبتكراً باستخدام عملات مسلسلة مخزنة على بلوك تشين محلية مؤمنة بمفاتيح مدمجة في العتاد. يدعم النظام نوعين من العملات: العملات الساخنة (قابلة للاسترداد في حالة الفقد) والعملات الباردة (غير قابلة للاسترداد، مشابهة للنقد المادي).

2. الإطار التقني

2.1 بنية البلوك تشين المحلية

تعمل البلوك تشين المحلية على أجهزة المستخدم (مثل الهواتف الذكية) وتحافظ على سجل موزع لمعاملات العملات. يحتوي كل جهاز على مفاتيح تشفير مدمجة داخل عناصر عتاد آمنة، مما يوفر أماناً مقاوماً للعبث. تقوم البلوك تشين بتعدين كتل جديدة باستمرار لتعزيز الأمان من خلال آليات إثبات العمل.

2.2 آلية تسلسل العملات

تُصك العملات بأرقام تسلسلية فريدة تمكن من التتبع والتحقق. عند حدوث مدفوعات جزئية، يولد نظام التسلسل أرقاماً تسلسلية مشتقة مع الحفاظ على سلامة العملة الأصلية. تضمن هذه الطريقة أن تظل كل وحدة عملة قابلة للتحديد بشكل فريد طوال دورة حياتها.

2.3 بروتوكولات الأمان

يستخدم النظام طبقات أمان متعددة تشمل التوقيعات التشفيرية، وتخزين المفاتيح القائم على العتاد، وآليات الإجماع الموزع. تتطلب كل معاملة إثباتاً تشفيرياً يتم التحقق منه من خلال شبكة البلوك تشين المحلية، مما يمنع الإنفاق غير المصرح به ويضمن سلامة المعاملة.

3. تفاصيل التنفيذ

3.1 بنية العملات الساخنة مقابل الباردة

يوفر النظام المزدوج للعملات مرونة لحالات الاستخدام المختلفة:

• العملات الساخنة: عملة رقمية قابلة للاسترداد مدعومة بضمانات السلطة المركزية. مناسبة للمعاملات اليومية مع حماية من السرقة.
• العملات الباردة: أدوات لحاملها بدون آلية استرداد، تحاكي خصائص النقد المادي. مثالية للمعاملات التي تركز على الخصوصية.

3.2 الإطار الرياضي

يعتمد نموذج الأمان على الدوال التشفيرية الأساسية وخوارزميات الإجماع. تستخدم آلية منع الإنفاق المزدوج الالتزامات التشفيرية وإثباتات المعرفة الصفرية:

لنفترض أن $C_i$ تمثل عملة ذات تسلسل $S_i$، ولنفترض أن $T_{ij}$ تمثل معاملة من مستخدم $i$ إلى مستخدم $j$. يجب أن تفي دالة التحقق $V(T_{ij})$ بالشروط:

$$V(T_{ij}) = \begin{cases} 1 & \text{if } \text{VerifySignature}(T_{ij}, K_i) \land \neg\text{IsDoubleSpent}(C_i) \\ 0 & \text{otherwise} \end{cases}$$

حيث يمثل $K_i$ المفتاح الخاص للمستخدم، ويضمن فحص الإنفاق المزدوج إنفاق كل عملة مرة واحدة فقط ضمن إجماع البلوك تشين المحلية.

3.3 النتائج التجريبية

أظهر الاختبار الذي أجري في بيئات عدم اتصال محاكاة:

• معدل نجاح المعاملة: 99.2% في وضع عدم الاتصال الكامل
• منع الإنفاق المزدوج: فعالية 100% في الاختبارات المتحكم بها
• وقت معالجة المعاملة: <2 ثانية للتحويلات من نظير إلى نظير
• تأثير البطارية: <5% استنزاف إضافي أثناء التعدين المستمر

مثال على تنفيذ الكود

class OfflineCBDC:
    def __init__(self, device_id, private_key):
        self.device_id = device_id
        self.private_key = private_key
        self.local_blockchain = LocalBlockchain()
        self.coin_serializer = CoinSerializer()
    
    def mint_coin(self, amount, coin_type):
        serial = self.coin_serializer.generate_serial()
        coin_data = {
            'serial': serial,
            'amount': amount,
            'type': coin_type,
            'timestamp': time.time()
        }
        signature = self.sign_data(coin_data)
        return {'coin': coin_data, 'signature': signature}
    
    def verify_transaction(self, transaction):
        # التحقق من التوقيع والتحقق من الإنفاق المزدوج
        if not self.verify_signature(transaction):
            return False
        if self.local_blockchain.check_double_spend(transaction['coin']):
            return False
        return True
    
    def process_payment(self, recipient_public_key, amount):
        transaction = self.create_transaction(recipient_public_key, amount)
        if self.verify_transaction(transaction):
            self.local_blockchain.add_transaction(transaction)
            return True
        return False

4. التحليل والنقاش

يمثل حل العملة الرقمية للبنك المركزي في وضع عدم الاتصال المقترح تقدماً كبيراً في تكنولوجيا العملات الرقمية، حيث يعالج أحد أكثر التحديات استمراراً في تنفيذ العملات الرقمية للبنوك المركزية. من خلال الاستفادة من تكنولوجيا البلوك تشين المحلية مع المفاتيح المؤمنة بالعتاد، توفر هذه الطريقة إطاراً قوياً للمعاملات في وضع عدم الاتصال مع الحفاظ على ضمانات أمان مماثلة للأنظمة عبر الإنترنت.

يبني هذا البحث على العمل الأساسي في تكنولوجيا البلوك تشين، ولا سيما الورقة البيضاء للبيتكوين من قبل ساتوشي ناكاموتو (2008)، والتي أظهرت لأول مرة إمكانية الإجماع الموزع للعملات الرقمية. ومع ذلك، على عكس إجماع إثبات العمل المكثف للطاقة في البيتكوين، فإن نهج البلوك تشين المحلي يحسن للأجهزة المحمولة مع الحفاظ على الأمان. تستلهم بنية العملات المزدوجة (الساخنة/الباردة) الإلهام من التقنيات التشفيرية الحديثة المشابهة لتلك المستخدمة في أنظمة إثبات المعرفة الصفرية، كما نوقش في بحث zk-SNARKs من قبل بن ساسون وآخرون (2014).

مقارنة بحلول الدفع في وضع عدم الاتصال الحالية مثل مشروع e-peso في أوروغواي (Sarmiento، 2022)، يقدم هذا النهج أماناً محسناً من خلال التعدين المحلي المستمر وحماية المفاتيح القائمة على العتاد. يضمن الإطار الرياضي الصحة التشفيرية مع الحفاظ على الأداء العملي على أجهزة المستهلكين. يعالج الحل تحدى القبول العالمي الملحوظ في إخفاقات النقد الإلكتروني المبكرة (Bátiz-Lazo و Moretta، 2016) من خلال توفير فوائد ملموسة تتجاوز مجرد وظيفة الدفع، وربما التكامل مع أنظمة الهوية والخدمات الأخرى.

من منظور تقني، تمثل بنية البلوك تشين المحلية تطبيقاً مبتكراً لمبادئ الأنظمة الموزعة على البيئة المقيدة للأجهزة المحمولة. توفر عملية التعدين المستمرة، على الرغم من خفتها، تحسينات أمنية مستمرة تتكيف مع نماذج التهديد المتطورة. يتوافق هذا النهج مع البحث الحديث من بنك التسويات الدولية (BIS) حول تكامل العنصر الآمن في تصميم العملات الرقمية للبنوك المركزية، مما يظهر الجدوى العملية للأمان القائم على العتاد في التطبيقات المالية.

تظهر النتائج التجريبية فعالية النظام في الظروف الواقعية، مع نجاح خاص في منع الإنفاق المزدوج - وهو متطلب حاسم لأي نظام عملة رقمية في وضع عدم الاتصال. يعالج التأثير الضئيل على البطارية قلقاً رئيسياً للنشر على الأجهزة المحمولة، مما يجعل الحل عملياً للاستخدام اليومي. يمكن أن يستكشف العمل المستقبلي التكامل مع التقنيات الناشئة مثل الحساب الآمن متعدد الأطراف لتعزيز الخصوصية مع الحفاظ على القدرات في وضع عدم الاتصال.

5. التطبيقات المستقبلية

يحتوي نهج البلوك تشين المحلية للعملة الرقمية للبنك المركزي في وضع عدم الاتصال على عدة تطبيقات واعدة واتجاهات تطوير:

• مرونة الكوارث: النشر في المناطق ذات اتصال إنترنت غير موثوق أو أثناء الكوارث الطبيعية
• المدفوعات عبر الحدود: تسهيل المعاملات الدولية في وضع عدم الاتصال مع تحويل العملات
• تكامل إنترنت الأشياء: تمكين مدفوعات من آلة إلى آلة في بيئات عدم الاتصال
• تحسينات الخصوصية: التكامل مع إثباتات المعرفة الصفرية لخصوصية المعاملات
• قدرات العقود الذكية: تنفيذ عقود ذكية محدودة في وضع عدم الاتصال للمدفوعات المشروطة

تشمل اتجاهات البحث المستقبلية تكامل التشفير المقاوم للكم، وبروتوكولات الخصوصية المحسنة، ومعايير التشغيل البيني بين أنظمة العملات الرقمية للبنوك المركزية المختلفة.

6. المراجع

1. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System
2. Buterin, V. (2019). Ethereum: A Next-Generation Smart Contract and Decentralized Application Platform
3. Chu, J., et al. (2022). Offline Digital Payments: Challenges and Solutions
4. Garrat, R., and Shin, H. S. (2023). Token-based Money and Payments
5. Bátiz-Lazo, B., and Moretta, A. (2016). The Failure of Early E-cash Systems
6. Sarmiento, N. (2022). Uruguay's E-peso: Lessons from a CBDC Pilot
7. Ben-Sasson, E., et al. (2014). Zerocash: Decentralized Anonymous Payments from Bitcoin
8. Bank for International Settlements (2023). CBDC Technology Considerations