ADESS: Protokol Bukti Kerja untuk Menghalang Serangan Perbelanjaan Berganda

Kandungan

1 Pengenalan

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

Kejadian dunia sebenar, seperti serangan Ethereum Classic dan Bitcoin Gold antara 2018-2020, menunjukkan ancaman praktikal perbelanjaan berganda. Pengubahsuaian protokol ADESS menangani kelemahan ini dengan memperkenalkan mekanisme baharu untuk mengenal pasti rantaian penyerang dan mengenakan penalti ekonomi.

1.1 Dua pengubahsuaian ADESS

ADESS memperkenalkan dua pengubahsuaian utama kepada protokol PoW sedia ada:

1.1.1 Pengenalpastian Rantaian Penyerang

Protokol ini mengenal pasti rantaian penyerang berpotensi dengan menganalisis corak urutan temporal. Apabila membandingkan rantaian dengan blok nenek moyang yang sama ("blok-fork"), ADESS memberikan penalti kepada rantaian yang terakhir menyiarkan bilangan minimum blok berturut-turut dari blok-fork. Ini memanfaatkan corak tingkah laku di mana penyerang melambatkan penyiaran rantaian mereka sehingga selepas menerima barang atau perkhidmatan.

1.1.2 Mekanisme Penalti Eksponen

Setelah rantaian penyerang dikenal pasti, ADESS menggunakan keperluan hashrate yang meningkat secara eksponen untuk menjadikan rantaian penyerang sebagai kanonik. Ini secara dramatik meningkatkan kos ekonomi untuk serangan yang berjaya.

2 Rangka Kerja Teknikal

ADESS beroperasi sebagai pengubahsuaian kepada protokol konsensus Nakamoto, mengekalkan keserasian ke belakang sambil meningkatkan keselamatan terhadap serangan perbelanjaan berganda.

2.1 Asas Matematik

Mekanisme penalti ADESS boleh diwakili secara matematik sebagai:

$P_A = D_A \times e^{\lambda \times \Delta t}$

Di mana:

$P_A$ = Kesukaran efektif rantaian penyerang yang diselaraskan penalti
$D_A$ = Kesukaran perlombongan sebenar rantaian penyerang
$\lambda$ = Parameter kadar pertumbuhan penalti
$\Delta t$ = Kelewatan masa antara siaran rantaian

Kos jangkaan serangan perbelanjaan berganda di bawah ADESS menjadi:

$E[Kos_{ADESS}] = \int_0^T h(t) \times e^{\lambda t} \times c \, dt$

Di mana $h(t)$ ialah fungsi hashrate dan $c$ ialah kos per unit hashrate.

2.2 Pelaksanaan Protokol

ADESS mengubah suai algoritma pemilihan rantaian untuk menggabungkan analisis temporal. Nod mengekalkan metadata tambahan tentang masa penerbitan blok dan menggunakan maklumat ini semasa peristiwa penyusunan semula rantaian.

3 Keputusan Eksperimen

Penyelidik menjalankan simulasi membandingkan ADESS dengan protokol PoW tradisional di bawah pelbagai senario serangan.

3.1.1 Kebarangkalian Kejayaan Serangan

Keputusan eksperimen menunjukkan bahawa ADESS mengurangkan kebarangkalian kejayaan serangan perbelanjaan berganda sebanyak 45-68% berbanding protokol PoW standard, bergantung pada parameter rangkaian dan peratusan hashrate penyerang.

3.1.2 Analisis Kos Ekonomi

Kajian menunjukkan bahawa untuk sebarang nilai transaksi, terdapat tetapan penalti dalam ADESS yang menjadikan keuntungan jangkaan serangan perbelanjaan berganda negatif, secara efektif menghalang penyerang rasional.

3.1 Analisis Keselamatan

ADESS mengekalkan jaminan keselamatan yang sama seperti PoW tradisional untuk peserta yang jujur sambil meningkatkan kos serangan dengan ketara. Protokol ini paling berkesan apabila kesukaran perlombongan melaraskan diri dengan kerap antara selang blok yang pendek.

Peningkatan Kos Serangan

2.3x - 5.7x

Kos lebih tinggi untuk serangan berjaya

Pengurangan Kebarangkalian Kejayaan

45% - 68%

Pengurangan dalam kadar kejayaan serangan

4 Pelaksanaan Kod

Di bawah adalah pelaksanaan pseudokod yang dipermudahkan bagi algoritma pemilihan rantaian ADESS:

function selectCanonicalChain(chains):
    // Tapis rantaian dengan kerja yang mencukupi
    valid_chains = filter(lambda c: c.total_difficulty > THRESHOLD, chains)
    
    // Cari nenek moyang bersama dan kira kelewatan masa
    fork_block = findCommonAncestor(valid_chains)
    time_delays = calculateBroadcastDelays(valid_chains, fork_block)
    
    // Gunakan penalti ADESS
    for chain in valid_chains:
        if isPotentialAttacker(chain, time_delays):
            penalty = exp(PENALTY_RATE * time_delays[chain])
            chain.effective_difficulty = chain.total_difficulty / penalty
        else:
            chain.effective_difficulty = chain.total_difficulty
    
    // Pilih rantaian dengan kesukaran efektif tertinggi
    return max(valid_chains, key=lambda c: c.effective_difficulty)

function isPotentialAttacker(chain, delays):
    return delays[chain] > ATTACKER_THRESHOLD

5 Analisis Asal

Protokol ADESS mewakili kemajuan penting dalam keselamatan rantaian blok Bukti Kerja, menangani kelemahan asas yang berterusan sejak permulaan Bitcoin. Tidak seperti pendekatan tradisional yang hanya memfokuskan pada kerja kumulatif, ADESS memperkenalkan analisis temporal sebagai dimensi keselamatan, mencipta mekanisme pertahanan pelbagai aspek. Pendekatan ini selaras dengan trend baru dalam keselamatan rantaian blok yang menggabungkan ekonomi tingkah laku dan teori permainan, serupa dengan bagaimana peralihan Ethereum kepada Bukti Kepentingan memperkenalkan keadaan pemotongan berdasarkan tingkah laku pengesah.

Dari perspektif teknikal, mekanisme penalti eksponen ADESS mencipta insentif negatif yang rasional secara ekonomi untuk penyerang. Formulasi matematik $P_A = D_A \times e^{\lambda \times \Delta t}$ memastikan kos serangan berkembang secara super-linear dengan masa, menjadikan serangan berterusan tidak layak secara ekonomi. Pendekatan ini berkongsi persamaan konseptual dengan algoritma pelarasan kesukaran Bitcoin tetapi menggunakan konsep eksponen untuk keselamatan dan bukannya pengawalan perlombongan.

Berbanding dengan mekanisme pencegahan perbelanjaan berganda lain seperti Checkpointing atau konsensus Avalanche, ADESS mengekalkan sifat terdesentralisasi PoW sambil menambah overhead pengiraan yang minimum. Keberkesanan protokol dalam simulasi—menunjukkan pengurangan 45-68% dalam kebarangkalian kejayaan serangan—membuktikan kebolehgunaan praktikal. Walau bagaimanapun, pergantungan pada penyegerakan masa yang tepat antara nod menghadapi cabaran pelaksanaan yang memerlukan reka bentuk rangkaian yang teliti, mengingatkan isu kebolehpercayaan cap masa yang dibincangkan dalam kertas putih Bitcoin itu sendiri.

Penyelidikan ini menyumbang kepada landskap keselamatan rantaian blok yang lebih luas dengan menunjukkan bahawa pengubahsuaian protokol tidak perlu revolusioner untuk menjadi berkesan. Seperti yang dinyatakan dalam kertas CycleGAN (Zhu et al., 2017), kadang-kadang inovasi paling berpengaruh datang dari gabungan semula kreatif konsep sedia ada dan bukannya pendekatan yang benar-benar novel. ADESS mengikuti corak ini dengan menggabungkan analisis temporal dengan insentif ekonomi secara baharu yang boleh mempengaruhi reka bentuk protokol rantaian blok masa depan melampaui hanya sistem PoW.

6 Aplikasi Masa Depan

Protokol ADESS mempunyai beberapa aplikasi masa depan yang berpotensi dan arah pembangunan:

6.1 Keselamatan Rantaian Silang

Prinsip ADESS boleh disesuaikan dengan jambatan rantaian silang dan protokol kebolehoperasian, di mana analisis temporal boleh membantu mencegah serangan jambatan dan memastikan keatomatan dalam transaksi rantaian silang.

6.2 Mekanisme Konsensus Hibrid

Integrasi dengan Bukti Kepentingan dan algoritma konsensus lain boleh mencipta sistem hibrid yang memanfaatkan ciri keselamatan temporal ADESS sambil mendapat manfaat daripada kecekapan tenaga mekanisme konsensus alternatif.

6.3 Sistem Pembayaran Masa Nyata

Untuk pemproses pembayaran kriptowang dan pertukaran, ADESS boleh membolehkan finaliti transaksi yang lebih pantas dengan jaminan keselamatan yang lebih tinggi, berpotensi mengurangkan masa pengesahan untuk transaksi bernilai tinggi.

6.4 Penambahbaikan Kontrak Pintar

Kerja masa depan boleh mengintegrasikan konsep ADESS ke dalam platform kontrak pintar, membolehkan kontrak melaraskan parameter keselamatan secara dinamik berdasarkan ciri rantaian temporal.

7 Rujukan

Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System
Wood, G. (2021). Ethereum: A Secure Decentralised Generalised Transaction Ledger
Zhu, J. Y., Park, T., Isola, P., & Efros, A. A. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks. IEEE International Conference on Computer Vision
Buterin, V. (2014). A Next-Generation Smart Contract and Decentralized Application Platform
Garay, J., Kiayias, A., & Leonardos, N. (2015). The Bitcoin Backbone Protocol: Analysis and Applications
MIT Digital Currency Initiative (2020). 51% Reorganization Tracker
Singer, A. (2019). Ethereum Classic 51% Attacks: A Post-Mortem
Lovejoy, J. (2020). Understanding and Mitigating 51% Attacks on Proof-of-Work Blockchains