Serangan Pemusnahan Kuasa Perlombongan dalam Bitcoin dengan Kolam Patuh-Kecil

Kandungan

• 1 Pengenalan
• 2 Serangan Pemusnahan Kuasa Perlombongan
  • 2.1 Analisis Perlombongan Mementingkan Diri
  • 2.2 Serangan Rasuah
  • 2.3 Serangan Gangguan Perlombongan
• 3 Kerangka Teknikal
  • 3.1 Model Matematik
  • 3.2 Keputusan Eksperimen
• 4 Contoh Kerangka Analisis
• 5 Aplikasi & Hala Tuju Masa Depan
• 6 Rujukan

1 Pengenalan

Keselamatan Bitcoin bergantung secara asasnya pada mekanisme konsensus Proof-of-Work, di mana pelombong bersaing untuk menyelesaikan teka-teki kriptografi. Mekanisme pelarasan kesukaran rangkaian (DAM) menetapkan kesukaran teka-teki secara dinamik berdasarkan kuasa perlombongan yang tersedia. Kertas kerja ini menganalisis bagaimana penyerang boleh mengeksploitasi DAM melalui serangan pemusnahan kuasa perlombongan dalam persekitaran dengan kolam perlombongan patuh-kecil—entiti yang mungkin menyimpang daripada tingkah laku jujur apabila secara ekonomi rasional.

2 Serangan Pemusnahan Kuasa Perlombongan

2.1 Analisis Perlombongan Mementingkan Diri

Perlombongan mementingkan diri melibatkan penahanan strategik blok yang ditemui untuk menjadikan blok pesaing sebagai yatim. Analisis kami mendedahkan bahawa perlombongan mementingkan diri menjadi lebih merosakkan apabila kuasa perlombongan bukan penyerang diagihkan dengan baik antara kolam, bertentangan dengan andaian lazim bahawa penumpuan meningkatkan kerentanan.

2.2 Serangan Rasuah

Kami memperkenalkan serangan rasuah novel di mana kolam penyerang memberi insentif kepada kolam patuh-kecil untuk menjadikan blok orang lain sebagai yatim. Bagi kolam kecil, serangan ini menguasai strategi tradisional seperti perlombongan mementingkan diri atau undercutting, dengan kos rasuah dikira sebagai $C_b = \sum_{i=1}^{n} \alpha_i \cdot R$ di mana $\alpha_i$ mewakili bahagian perlombongan kolam i dan R adalah ganjaran blok.

2.3 Serangan Gangguan Perlombongan

Serangan gangguan perlombongan memberi insentif kepada kolam untuk meninggalkan teka-teki Bitcoin untuk alternatif yang lebih mudah, secara efektif membazirkan kuasa perlombongan tanpa menghasilkan bukti blok yatim. Pendekatan senyap ini mengeksploitasi DAM secara serupa tetapi meninggalkan lebih sedikit jejak forensik.

3 Kerangka Teknikal

3.1 Model Matematik

Pengiraan pendapatan untuk strategi perlombongan menggabungkan faktor pengagihan kolam: $R_{adv} = \frac{\alpha}{\alpha + \beta(1-d)} \cdot B$ di mana $\alpha$ ialah kuasa penyerang, $\beta$ ialah kuasa jujur, d ialah peratusan kuasa dimusnahkan, dan B ialah ganjaran blok. Pelarasan kesukaran mengikut $D_{new} = D_{old} \cdot \frac{T_{expected}}{T_{actual}}$ di mana T mewakili tempoh masa.

3.2 Keputusan Eksperimen

Simulasi menunjukkan serangan rasuah mencapai 15-23% keuntungan lebih tinggi daripada perlombongan mementingkan diri untuk penyerang yang mengawal 20-35% kuasa rangkaian. Serangan gangguan menunjukkan pengurangan kesukaran 18% sepanjang tiga tempoh pelarasan tanpa menghasilkan rantai yatim.

4 Contoh Kerangka Analisis

Kajian Kes: Pertimbangkan tiga kolam patuh-kecil yang masing-masing mengawal 15%, 20%, dan 25% kuasa rangkaian. Seorang penyerang yang mengawal 30% kuasa melaksanakan serangan rasuah dengan menawarkan 60% ganjaran blok kepada kolam 15% untuk menjadikan blok daripada kolam 25% sebagai yatim. Pendapatan relatif penyerang meningkat dari 30% kepada 42% selepas serangan manakala kesukaran menurun 18% dalam epoch seterusnya.

5 Aplikasi & Hala Tuju Masa Depan

Penyelidikan masa depan harus meneroka serangan gangguan rantai silang di mana penyerang secara serentak menyasarkan pelbagai kriptomata wang yang berkongsi algoritma perlombongan. Mekanisme pertahanan yang menggabungkan pelarasan kesukaran masa nyata dan pemantauan tingkah laku kolam mewakili hala tuju yang berpotensi. Penumpuan kuasa perlombongan yang semakin meningkat dalam kolam seperti Foundry USA dan AntPool (mengawal ~55% secara gabungan setakat 2024) meningkatkan kerentanan terhadap serangan ini.

6 Rujukan

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. Gervais, A., et al. (2016). On the Security and Performance of Proof of Work Blockchains
4. Laporan Q4 2023 Majlis Perlombongan Bitcoin

Analisis Pakar: Teras Pandangan, Aliran Logik, Kekuatan & Kelemahan, Pandangan Boleh Tindak

Teras Pandangan: Penyelidikan ini mendedahkan kerentanan ekonomi asas Bitcoin—mekanisme pelarasan kesukaran itu sendiri menjadi vektor serangan apabila kolam perlombongan berkelakuan separa rasional. Sumbangan paling signifikan kertas kerja ini terletak pada demonstrasi bagaimana ciri protokol yang kelihatan kecil mencipta insentif ekonomi utama untuk pemusnahan bukannya pembinaan kuasa perlombongan.

Aliran Logik: Hujah berkembang secara sistematik dari konsep perlombongan mementingkan diri yang mantap kepada serangan rasuah dan gangguan yang novel. Penulis betul mengenal pasti bahawa pengagihan kolam lebih penting daripada penumpuan—penemuan kontraintuitif yang mencabar kebijaksanaan konvensional. Model matematik mereka menunjukkan dengan tepat bagaimana tingkah laku patuh-kecil mengubah kuasa penyerang terhad kepada pengaruh tidak seimbang.

Kekuatan & Kelemahan: Kekuatan kertas kerja terletak pada model ancaman realistiknya yang mengakui bahawa pelombong bukan semata-mata altruistik. Walau bagaimanapun, ia memandang rendah kos penyelarasan serangan rasuah dan terlepas pandang bagaimana analitik blockchain (seperti yang dibangunkan oleh Chainalysis) boleh mengesan corak sedemikian. Konsep serangan gangguan adalah benar-benar novel tetapi kekurangan analisis cabaran pelaksanaan dunia sebenar.

Pandangan Boleh Tindak: Pembangun Bitcoin harus mempertimbangkan mengubah suai algoritma pelarasan kesukaran untuk menggabungkan metrik kadar yatim seperti yang dicadangkan dalam Cadangan Penambahbaikan Bitcoin 320. Kolam perlombongan mesti melaksanakan pengesahan sumber blok yang lebih ketat, dan pertukaran harus memantau corak yatim tidak normal. Penyelidikan mencadangkan bahawa sistem Proof-of-Stake seperti Ethereum mungkin secara semula jadi menahan serangan ini—penemuan yang patut diterokai lebih mendalam memandangkan peralihan Ethereum yang berjaya dari PoW.

Penyelidikan ini berkaitan dengan literatur keselamatan blockchain yang lebih luas, terutamanya kerja Gervais et al. mengenai kerentanan PoW dan analisis ekonomi dalam kertas kerja 'CycleGAN' mengenai manipulasi insentif. Memandangkan pemusatan perlombongan berterusan (dengan 4 kolam mengawal ~80% hashrate Bitcoin), serangan ini menjadi semakin boleh dilaksanakan. Kertas kerja ini memberikan pandangan penting untuk kedua-dua penyerang dan pembela dalam perlumbaan senjata keselamatan blockchain yang berterusan.