ADESS: Um Protocolo Proof-of-Work para Impedir Ataques de Duplo Gasto

Índice

1 Introdução

A vulnerabilidade fundamental nas blockchains proof-of-work (PoW) reside na capacidade dos atacantes reescreverem o histórico de transações ao bifurcar blocos previamente publicados e construírem segmentos de cadeia alternativos com sequências de transações diferentes. Quando a cadeia do atacante acumula mais dificuldade de mineração do que a cadeia canónica atual, os nós são obrigados a reconhecê-la como legítima. Esta vulnerabilidade permite ataques de duplo gasto, onde os atacantes podem anular transferências de tokens registadas na cadeia original.

1.1 As duas modificações do ADESS

O ADESS introduz duas modificações críticas aos protocolos PoW existentes. A primeira modificação permite a identificação de cadeias de atacantes através da análise de sequências temporais de blocos. A segunda impõe penalidades exponenciais aos atacantes identificados, aumentando significativamente o custo computacional necessário para tornar as cadeias bifurcadas canónicas.

2 Estrutura Técnica

2.1 Identificação da Cadeia do Atacante

O mecanismo de identificação aproveita o padrão comportamental dos atacantes de duplo gasto. Quando o Bob recebe tokens da Alice, ele aguarda a confirmação da transação através de múltiplos blocos antes de entregar bens ou serviços. Entretanto, a Alice constrói secretamente uma cadeia alternativa, mas atrasa a sua transmissão até depois de receber o item de troca do Bob. O ADESS utiliza este padrão de atraso na transmissão para identificar potenciais cadeias de atacantes.

2.2 Mecanismo de Penalidade Exponencial

Assim que uma cadeia de atacante é identificada, o ADESS aplica penalidades exponenciais que exigem que o atacante aplique um poder de hash cada vez maior para tornar a sua cadeia canónica. A penalidade cresce com a profundidade da bifurcação, tornando ataques sustentados economicamente inviáveis.

3 Formulação Matemática

O protocolo ADESS introduz uma função de penalidade $P(d) = \alpha \cdot \beta^d$ onde:

• $P(d)$ representa a penalidade na profundidade da bifurcação $d$
• $\alpha$ é o multiplicador de penalidade base
• $\beta$ é o fator de crescimento exponencial ($\beta > 1$)
• $d$ é o número de blocos desde o ponto de bifurcação

A dificuldade de mineração efetiva para o atacante torna-se $D_{eff} = D \cdot P(d)$, onde $D$ é a dificuldade de mineração nominal.

4 Resultados Experimentais

Os investigadores demonstraram dois resultados principais através de simulação e análise matemática:

1. O custo esperado dos ataques de duplo gasto é significativamente maior sob o ADESS em comparação com os protocolos PoW tradicionais
2. Para qualquer valor de transação, existe uma configuração de penalidade que torna o lucro esperado dos ataques de duplo gasto negativo

5 Implementação de Código

Abaixo está uma implementação em pseudocódigo simplificada do algoritmo de seleção de cadeia do ADESS:

function selectCanonicalChain(chains):
    // Encontrar o bloco ancestral comum
    common_ancestor = findCommonAncestor(chains)
    
    // Identificar potenciais cadeias de atacantes com base no tempo de transmissão
    potential_attackers = identifyLateBroadcastChains(chains, common_ancestor)
    
    // Aplicar penalidades exponenciais às cadeias identificadas
    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)
    
    // Selecionar a cadeia com a pontuação ajustada mais alta
    return chain with maximum score

6 Análise e Discussão

O protocolo ADESS representa um avanço significativo na segurança das blockchains PoW ao abordar a vulnerabilidade fundamental de duplo gasto que tem assolado as criptomoedas desde o início do Bitcoin. Ao contrário das abordagens tradicionais que dependem apenas da dificuldade cumulativa, o ADESS introduz uma análise temporal das sequências de blocos, criando um modelo de segurança mais matizado. Esta abordagem está alinhada com pesquisas recentes em segurança de blockchain, como o trabalho de Gervais et al. (2016) sobre a quantificação da descentralização de protocolos de consenso, que enfatiza a importância de incorporar múltiplas dimensões de segurança.

O mecanismo de penalidade exponencial no ADESS é particularmente inovador porque cria um sistema de defesa de ajuste dinâmico. Como observado no White Paper do Bitcoin (Nakamoto, 2008), a segurança dos sistemas proof-of-work depende de nós honestos controlarem a maioria do poder de CPU. O ADESS fortalece este princípio ao tornar exponencialmente mais difícil para os atacantes manterem cadeias fraudulentas ao longo do tempo. Esta abordagem partilha semelhanças conceptuais com o mecanismo "difficulty bomb" do Ethereum, mas aplica-o especificamente à dissuasão de ataques em vez de atualizações de protocolo.

Comparado com outros mecanismos de prevenção de duplo gasto como o Checkpointing (usado no Bitcoin Cash) ou o consenso Avalanche (como descrito no Avalanche White Paper), o ADESS mantém a natureza sem permissão do PoW tradicional enquanto adiciona uma deteção de ataques sofisticada. A eficácia do protocolo em simulações sugere que ele poderia ter impedido ataques do mundo real como os duplos gastos do Ethereum Classic em 2019, que, de acordo com a MIT Digital Currency Initiative, resultaram em perdas de milhões de dólares.

De uma perspetiva de implementação, o ADESS demonstra como modificações subtis do protocolo podem produzir melhorias substanciais de segurança sem exigir alterações arquitetónicas fundamentais. Esta abordagem contrasta com partidas mais radicais como Proof-of-Stake (como implementado no Ethereum 2.0) ou estruturas de Grafos Acíclicos Direcionados (DAG) (como usado no IOTA), mostrando que a evolução incremental dos protocolos existentes continua a ser um caminho viável para o aprimoramento da segurança da blockchain.

7 Aplicações Futuras

O protocolo ADESS tem aplicações promissoras para além da segurança das criptomoedas:

• Blockchain Empresarial: Segurança aprimorada para aplicações de cadeia de suprimentos e financeiras
• Pontes Entre Cadeias: Segurança melhorada para protocolos de interoperabilidade
• Finanças Descentralizadas (DeFi): Proteção adicional para transações DeFi de alto valor
• Redes de IoT: Coordenação segura de dispositivos em sistemas IoT distribuídos

Direções futuras de pesquisa incluem:

• Integração com arquiteturas de blockchain fragmentadas (sharded)
• Adaptação para mecanismos de consenso proof-of-stake
• Aprimoramentos de machine learning para deteção de padrões de ataque
• Verificação formal das garantias de segurança

8 Referências

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