BM-PAW: یک حمله استخراج سودآور در سیستم‌های بلاکچین مبتنی بر اثبات کار

فهرست مطالب

• 1 مقدمه
• 2 پیشینه
  • 2.1 اثبات کار و استخراج
  • 2.2 حملات استخراج موجود
• 3 استراتژی حمله BM-PAW
  • 3.1 مکانیسم رشوه‌دهی
  • 3.2 فرمول‌بندی ریاضی
• 4 تحلیل تعادل
• 5 نتایج آزمایشی
• 6 راهکارهای مقابله
• 7 تحلیل اصلی
• 8 جزئیات فنی
• 9 پیاده‌سازی کد
• 10 کاربردهای آینده
• 11 منابع

1 مقدمه

بیت‌کوین که توسط ساتوشی ناکاموتو در سال ۲۰۰۸ معرفی شد، از طریق فناوری بلاکچین غیرمتمرکز، انقلابی در ارز دیجیتال ایجاد کرد. برخلاف ارزهای سنتی، بیت‌کوین بر مکانیسم‌های اجماع اثبات کار (PoW) متکی است که در آن استخراج‌کنندگان معماهای رمزنگاری را حل می‌کنند تا تراکنش‌ها را تأیید و پاداش دریافت کنند. با این حال، امنیت سیستم‌های مبتنی بر اثبات کار با چالش‌های ناشی از حملات استخراج مختلفی مواجه است که از انحرافات از روش‌های استخراج صادقانه سوء استفاده می‌کنند.

2 پیشینه

2.1 اثبات کار و استخراج

در سیستم‌های بلاکچین مبتنی بر اثبات کار، استخراج‌کنندگان برای حل معماهای رمزنگاری رقابت می‌کنند. اولین استخراج‌کننده‌ای که معما را حل کند، یک بلوک جدید ایجاد می‌کند و پاداش بلوک را دریافت می‌کند (در حال حاضر ۳.۱۲۵ بیت‌کوین تا نوامبر ۲۰۲۴). استخرهای استخراج برای ترکیب منابع محاسباتی ظهور کرده‌اند که از طریق پاداش‌های مشترک، درآمد پایدارتری برای شرکت‌کنندگان فراهم می‌کنند.

2.2 حملات استخراج موجود

تحقیقات قبلی چندین حمله استخراج سودآور را شناسایی کرده‌اند:

• استخراج خودخواهانه: استخراج‌کنندگان بلوک‌های کشف شده را برای کسب مزیت نگه می‌دارند
• نگهداری بلوک (BWH): حمله‌کنندگان مدارک جزئی را ارائه می‌دهند تا کارایی استخر را تخریب کنند
• انشعاب پس از نگهداری (FAW): نگهداری را با انشعاب استراتژیک ترکیب می‌کند
• نگهداری با تنظیم قدرت (PAW): تخصیص قدرت استخراج را به صورت پویا تنظیم می‌کند

3 استراتژی حمله BM-PAW

3.1 مکانیسم رشوه‌دهی

BM-PAW یک رویکرد نوین معرفی می‌کند که در آن حمله‌کنندگان به استخراج‌کنندگان در استخرهای هدف پول رشوه (BM) پیشنهاد می‌دهند. این انگیزه مالی، پایبندی به دستورات حمله‌کننده را تشویق می‌کند و یک استراتژی حمله هماهنگ ایجاد می‌کند که از رویکردهای سنتی بهتر عمل می‌کند.

3.2 فرمول‌بندی ریاضی

حمله BM-PAW را می‌توان با استفاده از نظریه بازی‌ها مدل کرد. اجازه دهید $\alpha$ نشان‌دهنده قدرت استخراج حمله‌کننده، $\beta$ قدرت استخراج استخر هدف و $BM$ مقدار رشوه باشد. تابع سود حمله‌کننده را می‌توان به صورت زیر بیان کرد:

$P_{attack} = R \cdot \frac{\alpha + \gamma \cdot \beta}{\alpha + \beta + \gamma \cdot \beta} - BM$

که در آن $R$ پاداش بلوک و $\gamma$ نرخ پایبندی استخراج‌کنندگان رشوه‌گیرنده است.

4 تحلیل تعادل

در یک سناریوی بازی BM-PAW با دو استخر،我们发现 که حمله‌کننده می‌تواند از طریق رشوه‌دهی استراتژیک از "معضل استخراج‌کننده" دوری کند. تعادل نش به قدرت استخراج حمله‌کننده $\alpha$ و مقدار رشوه بهینه $BM^*$ بستگی دارد که سود را حداکثر می‌کند و در عین حال پایبندی استخر هدف را تضمین می‌کند.

5 نتایج آزمایشی

شبیه‌سازی‌های ما نشان می‌دهد که BM-PAW به طور مداوم در شرایط مختلف شبکه از PAW بهتر عمل می‌کند. هنگامی که حمله‌کننده ۳۰٪ از کل قدرت استخراج را کنترل می‌کند و رشوه‌های بهینه ارائه می‌دهد، BM-PAW در مقایسه با PAW در شرایط یکسان، ۱۵-۲۵٪ سود بیشتر به دست می‌آورد.

6 راهکارهای مقابله

ما چندین راهکار عملی برای کاهش حملات BM-PAW پیشنهاد می‌کنیم:

• نظارت پیشرفته بر استخر برای الگوهای توزیع پاداش غیرعادی
• طرح‌های تعهد رمزنگاری برای جلوگیری از نگهداری استراتژیک
• سیاست‌های عضویت پویای استخر برای تشخیص حملات هماهنگ
• سیستم‌های اعتبار برای ردیابی رفتار استخراج‌کننده

7 تحلیل اصلی

نکته کلیدی: BM-PAW نشان‌دهنده یک تشدید اساسی در اقتصاد حملات بلاکچین است - این فقط درباره بهره‌برداری فنی نیست، بلکه درباره ایجاد انگیزه‌های مالی است که ساختار انگیزشی که اثبات کار را کارآمد می‌کند، فاسد می‌کند.

زنجیره منطقی: این حمله از یک منطق اقتصادی واضح پیروی می‌کند: حملات سنتی مانند استخراج خودخواهانه یا PAW تنها به دستکاری فنی قدرت استخراج متکی هستند. BM-PAW یک لایه رشوه‌دهی معرفی می‌کند که یک سناریوی معضل زندانی ایجاد می‌کند - استخراج‌کنندگان منفرد از نظر اقتصادی منطقی هستند که رشوه را بپذیرند حتی زمانی که به سیستم جمعی آسیب می‌زند. این مشکل تراژدی منابع را که در سایر سیستم‌های غیرمتمرکز مشاهده شده است، منعکس می‌کند، مشابه اینکه چگونه حملات وام سریع در DeFi به جای آسیب‌پذیری‌های فنی، از انگیزه‌های اقتصادی سوء استفاده می‌کنند.

نقاط قوت و ضعف: درخشش BM-PAW در شناخت این واقعیت نهفته است که امنیت بلاکچین فقط رمزنگاری نیست - بلکه نظریه بازی است. نویسندگان به درستی شناسایی می‌کنند که عقلانیت اقتصادی استخراج‌کنندگان می‌تواند سلاح‌سازی شود. با این حال، ضعف اصلی مقاله، کاوش محدود آن در چالش‌های پیاده‌سازی دنیای واقعی است. همانطور که در تحقیقات بنیاد اتریوم درباره ارزش قابل استخراج استخراج‌کننده (MEV) اشاره شده است، اکثر حملات پیچیده با موانع استقرار عملی از جمله هزینه‌های هماهنگی استخراج‌کننده و خطرات تشخیص مواجه هستند. فرض اینکه رشوه‌دهی می‌تواند به طور کارآمد در مقیاس بزرگ پیاده‌سازی شود، شایسته بررسی بیشتر است.

بینش عملی: برای توسعه‌دهندگان بلاکچین، این تحقیق نشان‌دهنده نیاز فوری به حرکت فراتر از امنیت صرفاً رمزنگاری است. پروژه‌ها باید لایه‌های امنیت اقتصادی را incorporه کنند و فرض کنند که بازیگران اقتصادی منطقی از هر انحراف سودآور سوء استفاده خواهند کرد. راهکارهای مقابله پیشنهادی یک شروع هستند، اما همانطور که ویتالیک بوترین در مورد نقشه راه اتریوم استدلال کرده است، راه‌حل‌های بلندمدت ممکن است نیاز به تغییرات اساسی پروتکل داشته باشند که چنین حملاتی را از طریق مکانیسم‌هایی مانند اثبات سهام یا طراحی‌های اجماع پیچیده‌تر، از نظر اقتصادی غیرممکن می‌کنند.

در مقایسه با حملات سنتی مستند شده در وایت‌پیپر بیت‌کوین و تحقیقات بعدی مانند مقاله استخراج خودخواهانه ایال، BM-PAW نشان‌دهنده بلوغ پیچیدگی حملات است - از بهره‌برداری‌های فنی تا دستکاری اقتصادی. این تکامل موازی با چیزی است که در امنیت سایبری سنتی دیده‌ایم، جایی که حملات از آسیب‌پذیری‌های فنی به مهندسی اجتماعی و اکنون به دستکاری اقتصادی پیشرفت کرده‌اند.

8 جزئیات فنی

حمله BM-PAW به مدل‌سازی ریاضی پیچیده متکی است. محاسبه رشوه بهینه چندین عامل را در نظر می‌گیرد:

$BM^* = \arg\max_{BM} \left[ R \cdot \frac{\alpha + \gamma(BM) \cdot \beta}{\alpha + \beta + \gamma(BM) \cdot \beta} - BM \right]$

که در آن $\gamma(BM)$ نشان‌دهنده نرخ پایبندی به عنوان تابعی از مقدار رشوه است که معمولاً به عنوان یک تابع سیگموید مدل می‌شود.

9 پیاده‌سازی کد

در حالی که مقاله کد خاصی ارائه نمی‌دهد، الگوریتم BM-PAW را می‌توان به صورت مفهومی به شرح زیر در نظر گرفت:

الگوریتم BM-PAW:
1. محاسبه توزیع قدرت استخراج فعلی
2. شناسایی استخرهای هدف بالقوه
3. محاسبه مقدار رشوه بهینه BM*
4. اگر BM* < افزایش سود预期:
5.    کمپین رشوه‌دهی را آغاز کن
6.    تخصیص قدرت استخراج را تنظیم کن
7.    پایبندی را نظارت کن و استراتژی را تنظیم کن
8. در غیر این صورت: با PAW سنتی ادامه بده

10 کاربردهای آینده

مفهوم BM-PAW پیامدهایی فراتر از استخراج ارزهای دیجیتال دارد:

• امنیت DeFi: حملات رشوه‌دهی مشابه می‌توانند صرافی‌ها یا پروتکل‌های وام‌دهی غیرمتمرکز را هدف قرار دهند
• تکامل اجماع: نیاز به مکانیسم‌های اجماع قوی‌تر در بلاکچین‌های نسل بعدی را برجسته می‌کند
• ملاحظات نظارتی: ممکن است بر چگونگی اعمال قوانین اوراق بهادار بر ساختارهای انگیزشی بلاکچین تأثیر بگذارد
• امنیت بین زنجیره‌ای: این رویکرد می‌تواند برای حمله به پروتکل‌های پل بین بلاکچین‌های مختلف adapt شود

11 منابع

1. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System
2. Eyal, I., & Sirer, E. G. (2014). Majority is not Enough: Bitcoin Mining is Vulnerable
3. Luu, L., et al. (2015). A Secure Sharding Protocol For Open Blockchains
4. Buterin, V. (2021). Why Proof of Stake
5. Bitcoin Hash Rate Statistics. Blockchain.com
6. Ethereum Foundation. (2023). Miner Extractable Value Research