Perlombongan Mementingkan Diri yang Tidak Dapat Dikesan: Analisis Kelemahan Keselamatan Rantaian Blok

Kandungan

1 Pengenalan

Protokol rantaian blok bertujuan untuk menyediakan lejar transaksi terpencar dan tertib sepenuhnya yang dikekalkan melalui konsensus bukti-kerja. Kertas putih asal Bitcoin oleh Nakamoto mengenal pasti bahawa pelombong dengan >50% kadar hash boleh mendapat keuntungan dengan menyimpang dari protokol, tetapi menganggap ini adalah ambang. Kerja penting Eyal dan Sirer menunjukkan bahawa perlombongan mementingkan diri adalah menguntungkan dengan hanya >1/3 daripada jumlah kadar hash, dengan penyelidikan seterusnya menurunkannya kepada kira-kira 32.9%.

Pengetahuan Utama

Perlombongan mementingkan diri tradisional boleh dikesan secara statistik melalui corak blok yatim
Varian yang tidak dapat dikesan menghasilkan blok yatim dengan kebarangkalian β > β′ (kadar yatim semula jadi)
Strategi kekal menguntungkan untuk penyerang dengan 38.2% ≪ 50% daripada jumlah kadar hash
Corak adalah sama secara statistik dengan perlombongan jujur dengan kelewatan rangkaian yang lebih tinggi

2 Latar Belakang dan Kerja Berkaitan

2.1 Asas Perlombongan Mementingkan Diri

Perlombongan mementingkan diri melibatkan menahan blok yang baru dilombong secara strategik untuk mencipta rantaian peribadi, kemudian mendedahkannya secara selektif untuk mem-yatim-kan blok pelombong jujur. Ini membolehkan penyerang mendapat ganjaran tidak seimbang dengan memanipulasi mekanisme penyelesaian cabang semula jadi rantaian blok.

2.2 Masalah Kebolehkesanan Statistik

Batasan praktikal utama perlombongan mementingkan diri tradisional ialah kebolehkesanan statistik. Corak blok yatim yang dihasilkan tidak boleh dijelaskan oleh kelewatan rangkaian semula jadi sahaja, menjadikan serangan boleh dikesan melalui analisis rantaian blok.

Ambang Keuntungan

32.9% - 38.2%

Kadar hash diperlukan untuk perlombongan mementingkan diri yang menguntungkan

Perbezaan Kadar Yatim

β > β′

Syarat strategi tidak dapat dikesan

3 Strategi Perlombongan Mementingkan Diri yang Tidak Dapat Dikesan

3.1 Kerangka Matematik

Strategi yang dicadangkan beroperasi dalam model bergaya di mana pelombong jujur dengan kelewatan rangkaian menghasilkan blok yatim pada setiap ketinggian secara bebas dengan kebarangkalian β′. Strategi perlombongan mementingkan diri yang tidak dapat dikesan menghasilkan blok yatim dengan kebarangkalian β > β′, menjadikan corak tidak dapat dibezakan secara statistik daripada keadaan rangkaian semula jadi.

Hubungan matematik utama:

Nisbah ganjaran dijangka: $R_{selfish} = \frac{\alpha(1-\alpha)^2(4\alpha+\beta(1-2\alpha))-\alpha^3}{1-\alpha(1+(2-\alpha)\alpha)}$
Kebarangkalian pengesanan: $P_{detect} = 1 - \prod_{i=1}^{n} (1 - |\beta_i - \beta'_i|)$
Syarat keuntungan: $\alpha > \frac{1-2\beta}{4-2\beta}$ untuk $\beta < 0.5$

3.2 Algoritma Pelaksanaan

Strategi ini melibatkan penentuan masa pendedahan blok dengan teliti untuk mengekalkan ketidakbolehan dikesan statistik sambil memaksimumkan keuntungan.

4 Keputusan Eksperimen

Simulasi eksperimen menunjukkan bahawa strategi perlombongan mementingkan diri yang tidak dapat dikesan mencapai:

Keuntungan ketat untuk penyerang dengan 38.2% daripada jumlah kadar hash
Ketidakbolehan dikesan statistik merentasi semua keadaan rangkaian yang diuji
Peningkatan prestasi konsisten berbanding perlombongan jujur

Persediaan eksperimen melibatkan simulasi rangkaian rantaian blok dengan taburan kadar hash dan keadaan kependaman rangkaian yang berbeza. Keputusan menunjukkan bahawa algoritma pengesanan yang digunakan dalam kerja sebelumnya (seperti yang berdasarkan analisis pengelompokan blok yatim) gagal mengenal pasti strategi perlombongan mementingkan diri yang tidak dapat dikesan dengan kepentingan statistik.

5 Analisis Teknikal

Analisis Asal: Implikasi Keselamatan Rantaian Blok

Pembangunan perlombongan mementingkan diri yang tidak dapat dikesan secara statistik mewakili kemajuan penting dalam vektor serangan rantaian blok, dengan implikasi mendalam untuk keselamatan kriptowang. Tidak seperti perlombongan mementingkan diri tradisional, yang meninggalkan cap jari statistik yang boleh dikesan melalui corak blok yatim yang tidak normal, pendekatan baru ini menentukur masa pendedahan blok dengan teliti untuk meniru kelewatan rangkaian semula jadi. Teknik pengelakan ini berkongsi persamaan konseptual dengan serangan pembelajaran mesin bersifat permusuhan, di mana gangguan direka untuk tidak dapat dilihat oleh sistem pengesanan, sama seperti contoh permusuhan dalam sistem pengecaman imej yang diterangkan dalam kertas CycleGAN (Zhu et al., 2017).

Asas matematik serangan ini memanfaatkan teori kebarangkalian canggih untuk mengekalkan ketidakbolehan dibezakan statistik sambil mencapai keuntungan. Pengetahuan teras bahawa perlombongan mementingkan diri boleh menguntungkan di bawah ambang 50% mencabar andaian asas tentang keselamatan rantaian blok. Menurut Pusat Dasar Teknologi Maklumat Princeton, kemajuan dalam kecanggihan serangan seperti ini memerlukan kemajuan sepadan dalam metodologi pengesanan, berpotensi memerlukan pendekatan pembelajaran mesin yang dapat mengenal pasti corak manipulasi yang lebih halus.

Berbanding serangan rantaian blok lain seperti perbelanjaan berganda atau serangan 51%, perlombongan mementingkan diri yang tidak dapat dikesan amat membimbangkan kerana ia boleh berterusan tanpa had tanpa pengesanan. Kerja Sapirshtein, Sompolinsky, dan Zohar (2016) menetapkan strategi perlombongan mementingkan diri optimum, tetapi varian baru ini menambah dimensi penting penyamaran. Implikasi melangkaui Bitcoin kepada kriptowang bukti-kerja lain dan berpotensi kepada sistem bukti-kepentingan dengan mekanisme pemilihan rantaian yang serupa.

Dari perspektif teori permainan, penyelidikan ini menunjukkan bahawa keseimbangan Nash dalam protokol rantaian blok adalah lebih rapuh daripada yang sebelumnya diakui. Gabungan keuntungan dan ketidakbolehan dikesan mewujudkan insentif kuat untuk pelombong rasional menyimpang dari protokol, berpotensi membawa kepada ketidakstabilan sistemik jika diterima pakai secara meluas. Reka bentuk rantaian blok masa depan mesti menggabungkan mekanisme yang direka khusus untuk mengesan dan menghalang penyimpangan tersembunyi sedemikian, mungkin melalui protokol konsensus yang lebih canggih atau sistem reputasi yang mempertimbangkan corak statistik jangka panjang.

6 Pelaksanaan Kod

Pelaksanaan Kod Semu

class UndetectableSelfishMiner:
    def __init__(self, hashrate_ratio, target_beta):
        self.alpha = hashrate_ratio
        self.beta = target_beta
        self.private_chain = []
        self.public_chain_height = 0
        
    def mine_block(self):
        """Lombong blok baru dan putuskan sama ada untuk menerbitkan"""
        new_block = self.create_block()
        self.private_chain.append(new_block)
        
        # Logik keputusan untuk penerbitan blok
        if self.should_publish():
            self.publish_blocks()
            
    def should_publish(self):
        """Tentukan masa penerbitan optimum untuk ketidakbolehan dikesan"""
        lead = len(self.private_chain) - self.public_chain_height
        
        # Kelewatan strategik untuk sepadan dengan kadar yatim semula jadi
        if lead >= 2 and random.random() < self.calculate_delay_probability():
            return True
        return False
        
    def calculate_delay_probability(self):
        """Kira kebarangkalian penerbitan untuk mencapai sasaran β"""
        # Pelaksanaan model matematik
        base_prob = self.beta / self.alpha
        adjustment = (self.beta - NATURAL_BETA) * ADJUSTMENT_FACTOR
        return max(0, min(1, base_prob + adjustment))

7 Aplikasi Masa Depan

Penyelidikan tentang perlombongan mementingkan diri yang tidak dapat dikesan mempunyai beberapa implikasi penting untuk pembangunan rantaian blok masa depan:

Algoritma Pengesanan Dipertingkat: Pembangunan ujian statistik yang lebih canggih yang dapat mengenal pasti corak manipulasi halus walaupun terdapat usaha untuk meniru tingkah laku rangkaian semula jadi
Peningkatan Protokol Konsensus: Pengubahsuaian kepada mekanisme konsensus rantaian blok yang mengurangkan keuntungan strategi perlombongan mementingkan diri
Keselamatan Rantaian Silang: Aplikasi penemuan ini untuk mengamankan protokol kebolehoperasian rantaian blok yang muncul dan jambatan rantaian silang
Rangka Kerja Peraturan: Memaklumkan pembangunan piawaian kawal selia untuk keselamatan rantaian blok dan tingkah laku pelombong
Pertahanan Pembelajaran Mesin: Aplikasi berpotensi teknik pembelajaran mesin bersifat permusuhan untuk membangunkan sistem pengesanan yang lebih teguh

8 Rujukan

Eyal, I., & Sirer, E. G. (2014). Majority is not enough: Bitcoin mining is vulnerable. Communications of the ACM, 61(7), 95-102.
Sapirshtein, A., Sompolinsky, Y., & Zohar, A. (2016). Optimal selfish mining strategies in bitcoin. International Conference on Financial Cryptography and Data Security.
Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A peer-to-peer electronic cash system.
Zhu, J. Y., Park, T., Isola, P., & Efros, A. A. (2017). Unpaired image-to-image translation using cycle-consistent adversarial networks. Proceedings of the IEEE international conference on computer vision.
Princeton Center for Information Technology Policy. (2023). Blockchain Security Research Overview.
Gervais, A., Karame, G. O., Wüst, K., Glykantzis, V., Ritzdorf, H., & Capkun, S. (2016). On the security and performance of proof of work blockchains. Proceedings of the 2016 ACM SIGSAC Conference on Computer and Communications Security.