BM-PAW：基於工作量證明區塊鏈系統嘅盈利挖礦攻擊

1 簡介

中本聰喺2008年推出嘅比特幣，透過去中心化區塊鏈技術徹底革新咗數字貨幣。同傳統貨幣唔同，比特幣依賴工作量證明共識機制，礦工需要解決密碼難題嚟驗證交易同賺取獎勵。然而，基於工作量證明嘅系統安全正面臨各種挖礦攻擊嘅挑戰，呢啲攻擊利用偏離誠實挖礦實踐嘅漏洞。

2 背景

2.1 工作量證明同挖礦

喺基於工作量證明嘅區塊鏈系統中，礦工競爭解決密碼難題。第一個解決難題嘅礦工會生成新區塊並獲得區塊獎勵（截至2024年11月為3.125個比特幣）。礦池應運而生，結合計算資源，透過共享獎勵為參與者提供更穩定收入。

2.2 現有挖礦攻擊

先前研究已經識別出幾種有利可圖嘅挖礦攻擊：

自私挖礦：礦工隱藏發現嘅區塊以獲取優勢
區塊隱藏攻擊：攻擊者提交部分證明以破壞礦池效率
隱藏後分叉攻擊：結合隱藏同策略性分叉
算力調整隱藏攻擊：動態調整挖礦算力分配

3 BM-PAW攻擊策略

3.1 賄賂機制

BM-PAW引入咗一種新方法，攻擊者向目標礦池嘅礦工提供賄賂資金。呢種經濟激勵鼓勵礦工服從攻擊者指令，形成協調攻擊策略，表現超越傳統方法。

3.2 數學模型

BM-PAW攻擊可以用博弈論建模。設$α$代表攻擊者算力，$β$代表目標礦池算力，$BM$代表賄賂金額。攻擊者利潤函數可以表示為：

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

其中$R$係區塊獎勵，$γ$係受賄礦工嘅服從率。

4 均衡分析

喺雙礦池BM-PAW博弈場景中，我哋發現攻擊者可以透過策略性賄賂規避「礦工困境」。納什均衡取決於攻擊者算力$α$同最優賄賂金額$BM^*$，後者能夠喺確保目標礦池服從嘅同時最大化利潤。

5 實驗結果

我哋嘅模擬顯示BM-PAW喺各種網絡條件下持續表現優於PAW。當攻擊者控制總算力30%並提供最優賄賂時，BM-PAW喺相同條件下實現比PAW高15-25%嘅利潤。

性能比較

BM-PAW對比PAW利潤增長：15-25%

最優賄賂範圍：區塊獎勵嘅0.5-2%

盈利所需最低攻擊算力：網絡算力15%

6 防禦對策

我哋提出幾種實用防禦對策以減輕BM-PAW攻擊：

加強礦池監控以發現異常獎勵分配模式
密碼學承諾方案以防止策略性隱藏
動態礦池成員政策以檢測協調攻擊
礦工行為追蹤聲譽系統

7 原創分析

一針見血：BM-PAW代表區塊鏈攻擊經濟學嘅根本升級——唔再只係技術漏洞利用，而係創造經濟激勵嚟腐蝕令工作量證明有效運作嘅激勵結構本身。

邏輯鏈條：呢種攻擊遵循清晰嘅經濟邏輯：傳統攻擊如自私挖礦或PAW僅依賴算力嘅技術操控。BM-PAW引入賄賂層面，創造囚徒困境場景——個別礦工出於經濟理性會接受賄賂，即使損害集體系統。呢個反映其他去中心化系統中觀察到嘅公地悲劇問題，類似DeFi中閃電貸攻擊利用經濟激勵而非技術漏洞。

亮點與槽點：BM-PAW嘅精妙之處在於認識到區塊鏈安全唔只係密碼學問題——更係博弈論問題。作者正確指出礦工嘅經濟理性可以被武器化。然而，論文主要弱點係對現實世界實施挑戰嘅探討有限。正如以太坊基金會關於礦工可提取價值研究指出，大多數複雜攻擊面臨實際部署障礙，包括礦工協調成本同檢測風險。賄賂可以大規模高效實施嘅假設值得更仔細審視。

行動啟示：對區塊鏈開發者而言，呢項研究標誌迫切需要超越純密碼學安全。項目必須納入經濟安全層面，並假設理性經濟參與者會利用任何有利可圖嘅偏離行為。提出嘅防禦對策係開始，但正如Vitalik Buterin關於以太坊路線圖嘅論述，長期解決方案可能需要根本協議改變，透過權益證明或更複雜共識設計等機制令呢類攻擊經濟上不可行。

對比比特幣白皮書同後續研究如Eyal自私挖礦論文記載嘅傳統攻擊，BM-PAW代表攻擊複雜度嘅成熟——從技術漏洞利用到經濟操控。呢個演變類似我哋喺傳統網絡安全中見到嘅情況，攻擊從技術漏洞進展到社會工程，再到經濟操控。

8 技術細節

BM-PAW攻擊依賴複雜數學建模。最優賄賂計算考慮多個因素：

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

其中$γ(BM)$代表服從率作為賄賂金額函數，通常建模為S型函數。

9 代碼實現

雖然論文冇提供具體代碼，但BM-PAW算法可以概念化為：

BM-PAW算法：
1. 計算當前算力分佈
2. 識別潛在目標礦池
3. 計算最優賄賂金額BM*
4. 如果BM* < 預期利潤增長：
5.    啟動賄賂活動
6.    調整算力分配
7.    監控服從度並調整策略
8. 否則：繼續使用傳統PAW

10 未來應用

BM-PAW概念對加密貨幣挖礦以外領域有影響：

DeFi安全：類似賄賂攻擊可能針對去中心化交易所或借貸協議
共識演進：凸顯下一代區塊鏈需要更穩健共識機制
監管考慮：可能影響證券法如何應用於區塊鏈激勵結構
跨鏈安全：該方法可適應攻擊唔同區塊鏈之間嘅橋接協議

11 參考文獻

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

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