BM-PAW: Um Ataque de Mineração Lucrativo em Sistemas Blockchain Baseados em Prova de Trabalho

Índice

• 1 Introdução
• 2 Contexto
  • 2.1 Prova de Trabalho e Mineração
  • 2.2 Ataques de Mineração Existentes
• 3 Estratégia de Ataque BM-PAW
  • 3.1 Mecanismo de Suborno
  • 3.2 Formulação Matemática
• 4 Análise de Equilíbrio
• 5 Resultados Experimentais
• 6 Contramedidas
• 7 Análise Original
• 8 Detalhes Técnicos
• 9 Implementação de Código
• 10 Aplicações Futuras
• 11 Referências

1 Introdução

O Bitcoin, introduzido por Satoshi Nakamoto em 2008, revolucionou a moeda digital através da tecnologia blockchain descentralizada. Ao contrário das moedas tradicionais, o Bitcoin depende de mecanismos de consenso de Prova de Trabalho (PoW), onde os mineiros resolvem quebra-cabeças criptográficos para validar transações e ganhar recompensas. No entanto, a segurança dos sistemas baseados em PoW enfrenta desafios de vários ataques de mineração que exploram desvios das práticas de mineração honestas.

2 Contexto

2.1 Prova de Trabalho e Mineração

Nos sistemas blockchain baseados em PoW, os mineiros competem para resolver quebra-cabeças criptográficos. O primeiro mineiro a resolver o quebra-cabeça gera um novo bloco e recebe recompensas de bloco (atualmente 3,125 Bitcoins em novembro de 2024). Surgiram pools de mineração para combinar recursos computacionais, proporcionando rendimento mais estável para os participantes através de recompensas partilhadas.

2.2 Ataques de Mineração Existentes

Pesquisas anteriores identificaram vários ataques de mineração lucrativos:

• Mineração Egoísta: Mineiros retêm blocos descobertos para obter vantagem
• Retenção de Bloco (BWH): Atacantes submetem provas parciais para sabotar a eficiência da pool
• Fork Após Retenção (FAW): Combina retenção com bifurcação estratégica
• Retenção com Ajuste de Poder (PAW): Ajusta dinamicamente a alocação de poder de mineração

3 Estratégia de Ataque BM-PAW

3.1 Mecanismo de Suborno

O BM-PAW introduz uma nova abordagem onde os atacantes oferecem dinheiro de suborno (BM) a mineiros em pools-alvo. Este incentivo financeiro encoraja a conformidade com as diretrizes do atacante, criando uma estratégia de ataque coordenada que supera as abordagens tradicionais.

3.2 Formulação Matemática

O ataque BM-PAW pode ser modelado usando a teoria dos jogos. Seja $\alpha$ o poder de mineração do atacante, $\beta$ o poder de mineração da pool-alvo e $BM$ o montante do suborno. A função de lucro do atacante pode ser expressa como:

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

onde $R$ é a recompensa do bloco e $\gamma$ é a taxa de conformidade dos mineiros subornados.

4 Análise de Equilíbrio

Num cenário de jogo BM-PAW com duas pools, descobrimos que o atacante pode contornar o "dilema do mineiro" através de suborno estratégico. O equilíbrio de Nash depende do poder de mineração do atacante $\alpha$ e do montante ótimo de suborno $BM^*$ que maximiza o lucro enquanto garante a conformidade da pool-alvo.

5 Resultados Experimentais

As nossas simulações demonstram que o BM-PAW supera consistentemente o PAW em várias condições de rede. Quando o atacante controla 30% do poder total de mineração e oferece subornos ótimos, o BM-PAW alcança lucros 15-25% superiores em comparação com o PAW nas mesmas condições.

6 Contramedidas

Propomos várias contramedidas práticas para mitigar ataques BM-PAW:

• Monitorização reforçada da pool para padrões incomuns de distribuição de recompensas
• Esquemas de compromisso criptográfico para prevenir retenção estratégica
• Políticas dinâmicas de adesão à pool para detetar ataques coordenados
• Sistemas de reputação para rastreamento do comportamento dos mineiros

7 Análise Original

Direto ao ponto: O BM-PAW representa uma escalada fundamental na economia de ataques blockchain—já não se trata apenas de exploração técnica, mas de criar incentivos financeiros que corrompem a própria estrutura de incentivos que faz a Prova de Trabalho funcionar.

Cadeia lógica: O ataque segue uma lógica económica clara: ataques tradicionais como a mineração egoísta ou PAW dependem apenas da manipulação técnica do poder de mineração. O BM-PAW introduz uma camada de suborno que cria um cenário de dilema do prisioneiro—os mineiros individuais são economicamente racionais em aceitar subornos mesmo quando isso prejudica o sistema coletivo. Isto espelha o problema da tragédia dos comuns observado noutros sistemas descentralizados, semelhante à forma como os ataques de empréstimo relâmpago (flash loan) em DeFi exploram incentivos económicos em vez de vulnerabilidades técnicas.

Pontos fortes e fracos: A genialidade do BM-PAW reside no seu reconhecimento de que a segurança blockchain não é apenas criptográfica—é teórica dos jogos. Os autores identificam corretamente que a racionalidade económica dos mineiros pode ser transformada numa arma. No entanto, a principal fraqueza do artigo é a sua exploração limitada dos desafios de implementação no mundo real. Como observado na pesquisa da Ethereum Foundation sobre valor extraível por mineiros (MEV), a maioria dos ataques sofisticados enfrenta obstáculos práticos de implantação, incluindo custos de coordenação de mineiros e riscos de deteção. A suposição de que o suborno pode ser implementado com eficiência em larga escala merece mais escrutínio.

Implicações para ação: Para os desenvolvedores blockchain, esta pesquisa sinaliza uma necessidade urgente de ir além da segurança puramente criptográfica. Os projetos devem incorporar camadas de segurança económica e assumir que atores económicos racionais explorarão qualquer desvio lucrativo. As contramedidas propostas são um começo, mas como Vitalik Buterin argumentou em relação ao roteiro da Ethereum, soluções de longo prazo podem exigir mudanças fundamentais no protocolo que tornem tais ataques economicamente inviáveis através de mecanismos como prova de participação (proof-of-stake) ou desenhos de consenso mais sofisticados.

Comparado com ataques tradicionais documentados no whitepaper do Bitcoin e pesquisas subsequentes como o artigo de Eyal sobre mineração egoísta, o BM-PAW representa uma maturação da sofisticação de ataques—de explorações técnicas para manipulação económica. Esta evolução paraleliza o que vimos na cibersegurança tradicional, onde os ataques progrediram de vulnerabilidades técnicas para engenharia social e agora para manipulação económica.

8 Detalhes Técnicos

O ataque BM-PAW depende de modelação matemática sofisticada. O cálculo ótimo do suborno considera múltiplos fatores:

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

onde $\gamma(BM)$ representa a taxa de conformidade como função do montante do suborno, tipicamente modelada como uma função sigmoide.

9 Implementação de Código

Embora o artigo não forneça código específico, o algoritmo BM-PAW pode ser conceptualizado como:

Algoritmo BM-PAW:
1. Calcular a distribuição atual do poder de mineração
2. Identificar pools-alvo potenciais
3. Calcular o montante ótimo de suborno BM*
4. Se BM* < aumento de lucro esperado:
5.    Iniciar campanha de suborno
6.    Ajustar a alocação do poder de mineração
7.    Monitorizar a conformidade e ajustar a estratégia
8. Caso contrário: Continuar com PAW tradicional

10 Aplicações Futuras

O conceito BM-PAW tem implicações para além da mineração de criptomoedas:

• Segurança DeFi: Ataques de suborno semelhantes poderiam visar exchanges descentralizadas ou protocolos de empréstimo
• Evolução do Consenso: Destaca a necessidade de mecanismos de consenso mais robustos em blockchains de próxima geração
• Considerações Regulatórias: Pode influenciar como as leis de valores mobiliários se aplicam a estruturas de incentivos blockchain
• Segurança Intercadeia: A abordagem poderia ser adaptada para atacar protocolos de ponte entre diferentes blockchains

11 Referências

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