ADESS: Protokol Bukti-Kerja untuk Menghalang Serangan Perbelanjaan Berganda

Kandungan

1 Pengenalan

Kelemahan asas dalam rantaian blok bukti-kerja (PoW) terletak pada keupayaan penyerang untuk menulis semula sejarah transaksi dengan memfork blok yang telah diterbitkan sebelum ini dan membina segmen rantaian alternatif dengan jujukan transaksi yang berbeza. Apabila rantaian penyerang mengumpulkan lebih banyak kesukaran teka-teki perlombongan berbanding rantaian kanonik sedia ada, nod terpaksa mengiktirafnya sebagai sah. Kelemahan ini membolehkan serangan perbelanjaan berganda, di mana penyerang boleh membatalkan pemindahan token yang direkodkan pada rantaian asal.

1.1 Dua pengubahsuaian ADESS

ADESS memperkenalkan dua pengubahsuaian kritikal kepada protokol PoW sedia ada. Pengubahsuaian pertama membolehkan pengenalpastian rantaian penyerang dengan menganalisis jujukan blok temporal. Yang kedua mengenakan penalti eksponen ke atas penyerang yang dikenal pasti, dengan ketara meningkatkan kos pengiraan yang diperlukan untuk menjadikan rantaian fork sebagai kanonik.

2 Kerangka Teknikal

2.1 Pengenalpastian Rantaian Penyerang

Mekanisme pengenalpastian memanfaatkan corak tingkah laku penyerang perbelanjaan berganda. Apabila Bob menerima token daripada Alice, dia menunggu pengesahan transaksi melalui beberapa blok sebelum menyampaikan barangan atau perkhidmatan. Sementara itu, Alice secara rahsia membina rantaian alternatif tetapi melambatkan penyiarannya sehingga selepas menerima item pertukaran Bob. ADESS menggunakan corak kelewatan siaran ini untuk mengenal pasti rantaian penyerang yang berpotensi.

2.2 Mekanisme Penalti Eksponen

Sebaik sahaja rantaian penyerang dikenal pasti, ADESS mengenakan penalti eksponen yang memerlukan penyerang menggunakan hashrate yang semakin tinggi untuk menjadikan rantaian mereka kanonik. Penalti ini berkembang dengan kedalaman fork, menjadikan serangan berterusan tidak layak dari segi ekonomi.

3 Formulasi Matematik

Protokol ADESS memperkenalkan fungsi penalti $P(d) = \alpha \cdot \beta^d$ di mana:

• $P(d)$ mewakili penalti pada kedalaman fork $d$
• $\alpha$ ialah pendarab penalti asas
• $\beta$ ialah faktor pertumbuhan eksponen ($\beta > 1$)
• $d$ ialah bilangan blok sejak titik fork

Kesukaran perlombongan berkesan untuk penyerang menjadi $D_{eff} = D \cdot P(d)$, di mana $D$ ialah kesukaran perlombongan nominal.

4 Keputusan Eksperimen

Penyelidik menunjukkan dua keputusan utama melalui simulasi dan analisis matematik:

1. Kos jangkaan serangan perbelanjaan berganda adalah lebih tinggi di bawah ADESS berbanding protokol PoW tradisional
2. Untuk sebarang nilai transaksi, terdapat tetapan penalti yang menjadikan keuntungan jangkaan serangan perbelanjaan berganda negatif

5 Pelaksanaan Kod

Di bawah adalah pelaksanaan pseudokod ringkas algoritma pemilihan rantaian ADESS:

function selectCanonicalChain(chains):
    // Cari blok nenek moyang sepunya
    common_ancestor = findCommonAncestor(chains)
    
    // Kenal pasti rantaian penyerang berpotensi berdasarkan masa siaran
    potential_attackers = identifyLateBroadcastChains(chains, common_ancestor)
    
    // Kenakan penalti eksponen ke atas rantaian yang dikenal pasti
    for chain in chains:
        if chain in potential_attackers:
            fork_depth = current_block_height - common_ancestor.height
            penalty = base_penalty * (growth_factor ^ fork_depth)
            chain.score = calculateCumulativeDifficulty(chain) / penalty
        else:
            chain.score = calculateCumulativeDifficulty(chain)
    
    // Pilih rantaian dengan skor terlaras tertinggi
    return chain with maximum score

6 Analisis dan Perbincangan

Protokol ADESS mewakili kemajuan signifikan dalam keselamatan rantaian blok PoW dengan menangani kelemahan asas perbelanjaan berganda yang telah membelenggu mata wang kripto sejak permulaan Bitcoin. Tidak seperti pendekatan tradisional yang bergantung semata-mata pada kesukaran kumulatif, ADESS memperkenalkan analisis temporal jujukan blok, mencipta model keselamatan yang lebih bernuansa. Pendekatan ini selaras dengan penyelidikan terkini dalam keselamatan rantaian blok, seperti kerja oleh Gervais et al. (2016) mengenai pengukuran penyahpusatan protokol konsensus, yang menekankan kepentingan menggabungkan pelbagai dimensi keselamatan.

Mekanisme penalti eksponen dalam ADESS amat inovatif kerana ia mencipta sistem pertahanan yang melaraskan secara dinamik. Seperti yang dinyatakan dalam Kertas Putih Bitcoin (Nakamoto, 2008), keselamatan sistem bukti-kerja bergantung pada nod jujur yang mengawal majoriti kuasa CPU. ADESS mengukuhkan prinsip ini dengan menjadikannya lebih sukar secara eksponen untuk penyerang mengekalkan rantaian penipuan dari masa ke masa. Pendekatan ini berkongsi persamaan konseptual dengan mekanisme bom kesukaran Ethereum tetapi mengaplikasikannya khusus untuk pencegahan serangan dan bukannya naik taraf protokol.

Berbanding mekanisme pencegahan perbelanjaan berganda lain seperti Checkpointing (digunakan dalam Bitcoin Cash) atau konsensus Avalanche (seperti yang diterangkan dalam Kertas Putih Avalanche), ADESS mengekalkan sifat tanpa kebenaran PoW tradisional sambil menambah pengesanan serangan yang canggih. Keberkesanan protokol dalam simulasi mencadangkan ia boleh menghalang serangan dunia sebenar seperti perbelanjaan berganda Ethereum Classic 2019, yang menurut Inisiatif Mata Wang Digital MIT mengakibatkan kerugian berjuta-juta dolar.

Dari perspektif pelaksanaan, ADESS menunjukkan bagaimana pengubahsuaian protokol yang halus boleh menghasilkan peningkatan keselamatan yang ketara tanpa memerlukan perubahan seni bina asas. Pendekatan ini berbeza dengan perubahan yang lebih radikal seperti Bukti-Kepentingan (seperti yang dilaksanakan dalam Ethereum 2.0) atau struktur Graf Asiklik Terarah (DAG) (seperti yang digunakan dalam IOTA), menunjukkan bahawa evolusi berperingkat protokol sedia ada kekal sebagai laluan yang berdaya maju untuk peningkatan keselamatan rantaian blok.

7 Aplikasi Masa Depan

Protokol ADESS mempunyai aplikasi yang menjanjikan di luar keselamatan mata wang kripto:

• Rantaian Blok Perusahaan: Keselamatan dipertingkat untuk aplikasi rantaian bekalan dan kewangan
• Jambatan Rentas-Rantaian: Peningkatan keselamatan untuk protokol kebolehoperasian
• Kewangan Terpencar: Perlindungan tambahan untuk transaksi DeFi bernilai tinggi
• Rangkaian IoT: Penyelarasan peranti selamat dalam sistem IoT terpencar

Hala tuju penyelidikan masa depan termasuk:

• Integrasi dengan seni bina rantaian blok terpenggal
• Adaptasi untuk mekanisme konsensus bukti-kepentingan
• Peningkatan pembelajaran mesin untuk pengesanan corak serangan
• Pengesahan formal jaminan keselamatan

8 Rujukan

1. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System
2. Wood, G. (2021). Ethereum: A Secure Decentralized Generalized Transaction Ledger
3. Gervais, A., et al. (2016). On the Security and Performance of Proof of Work Blockchains
4. Rocket, T., et al. (2020). Avalanche: A Novel Consensus Protocol
5. MIT Digital Currency Initiative (2020). 51% Reorg Tracker
6. Lovejoy, J. (2021). Ethereum Classic 51% Attacks: Technical Post-Mortem
7. Singer, A. (2019). Analysis of Double-Spend Attacks on Ethereum Classic