Este artigo introduz e analisa o Ataque de Equilíbrio, uma nova exploração de segurança direcionada aos protocolos de consenso de blockchain Proof-of-Work (PoW), com foco principal no Ethereum e seu protocolo GHOST. Diferente dos ataques tradicionais de 51% que exigem poder computacional esmagador, o Ataque de Equilíbrio aproveita atrasos estratégicos na comunicação de rede entre subgrupos de nós para criar partições temporárias, permitindo o gasto duplo com um poder de mineração significativamente menor. A pesquisa fornece tanto um modelo probabilístico teórico quanto uma validação experimental usando uma configuração que espelha o ambiente de teste de blockchain do consórcio financeiro R3.
A descoberta central é que blockchains PoW, particularmente aquelas que usam mecanismos de contabilização de blocos "tio" (uncle blocks) como o GHOST, podem ser fundamentalmente inadequadas para configurações de cadeia de consórcio ou privada, onde a topologia e a latência da rede podem ser manipuladas ou são previsíveis.
O ataque explora a estratégia de resolução de bifurcações (forks) do blockchain criando artificialmente condições de rede que levam a cadeias concorrentes de peso similar.
O atacante particiona a rede em (pelo menos) dois subgrupos com poder agregado de mineração aproximadamente equilibrado. Ao atrasar seletivamente as mensagens entre esses subgrupos (mas não dentro deles), o atacante permite que eles minerem em cadeias separadas. O atacante então concentra seu próprio poder de mineração em um subgrupo (o subgrupo do bloco), enquanto emite transações que pretende reverter no outro (o subgrupo da transação).
O artigo estabelece um modelo probabilístico formal para determinar as condições para um ataque bem-sucedido.
A análise usa limites de Chernoff para modelar o processo de mineração como um processo de Poisson. A variável chave é o tempo de atraso ($\Delta$) que o atacante deve manter versus a fração do poder de mineração do atacante ($\alpha$) e o poder da rede honesta.
A probabilidade de o ramo do atacante no subgrupo isolado se tornar mais pesado que o ramo do outro subgrupo é derivada. Para um gasto duplo bem-sucedido com alta probabilidade, o atraso necessário $\Delta$ está inversamente relacionado ao poder de mineração do atacante. O modelo captura o trade-off: menor poder do atacante requer um atraso de rede mais longo. Uma expressão simplificada para a liderança esperada $L$ que um atacante pode obter no tempo $t$ com poder de hash $q$ contra o poder honesto $p$ está relacionada à taxa do processo de Poisson: $\lambda = \frac{p}{\tau}$, onde $\tau$ é o tempo do bloco. O progresso do atacante é uma variável aleatória modelada por este processo.
O modelo teórico foi testado em um ambiente prático modelado após o consórcio R3.
Uma cadeia privada Ethereum foi implantada em um sistema distribuído emulando as condições do consórcio R3 (aproximadamente 11 bancos participantes). O atraso de rede foi introduzido artificialmente entre subgrupos de nós para simular o ataque.
Duração do Ataque: Uma única máquina foi capaz de executar com sucesso o Ataque de Equilíbrio contra o consórcio R3 simulado em aproximadamente 20 minutos.
Implicação: Isso demonstra que o ataque não é apenas teórico, mas praticamente viável com recursos modestos em um ambiente de consórcio, onde o poder total de hash da rede é limitado em comparação com as redes principais públicas.
Descrição do Gráfico (Conceitual): Um gráfico de linha mostraria a probabilidade de sucesso de um gasto duplo (eixo Y) subindo acentuadamente à medida que o tempo de atraso controlado pelo atacante (eixo X) aumenta, mesmo para valores baixos de poder de mineração do atacante (representados por diferentes linhas). A curva para um atacante com 20% atingiria alta probabilidade muito mais rápido do que para um atacante com 5%, mas ambos eventualmente teriam sucesso dado atraso suficiente.
Embora ambos sejam vulneráveis a ataques em nível de rede, o artigo sugere que o protocolo GHOST do Ethereum, que incorpora blocos "tio" nos cálculos de peso, pode ironicamente criar uma superfície de ataque diferente. O Ataque de Equilíbrio manipula especificamente a regra da "subárvore mais pesada" criando subárvores concorrentes e equilibradas através do isolamento. A regra da cadeia mais longa do Bitcoin é suscetível a diferentes ataques de atraso (ex.: mineração egoísta), mas o Ataque de Equilíbrio é formulado em torno da mecânica do GHOST.
A conclusão mais contundente do artigo é que protocolos PoW padrão são uma escolha ruim para blockchains de consórcio. Os consórcios têm menos participantes, conhecidos, tornando os ataques de particionamento de rede mais plausíveis do que na rede global e adversária do Bitcoin. O poder total de hash limitado também reduz o custo de adquirir uma fração significativa dele.
Ideia Central: Natoli e Gramoli expuseram um axioma crítico e frequentemente negligenciado na segurança do blockchain: a segurança do consenso é uma função tanto da prova criptográfica quanto da sincronia da rede. O Ataque de Equilíbrio não trata de quebrar o SHA-256 ou o Ethash; trata-se de quebrar cirurgicamente a suposição de "rede" em modelos parcialmente síncronos. Isso move a ameaça da camada de computação (poder de hash) para a camada de rede (roteamento, ISPs), uma fronteira para a qual muitos operadores de consórcio estão mal preparados para defender. Ecoa lições de sistemas distribuídos clássicos, como o resultado de impossibilidade FLP, provando que o consenso é frágil sob assincronia.
Fluxo Lógico: O argumento é elegante em sua simplicidade. 1) A segurança do PoW depende de uma única cadeia de crescimento mais rápido. 2) O GHOST modifica isso para a cadeia "mais pesada", incorporando blocos "tio" para melhorar a taxa de transferência. 3) Ao criar partições isoladas com poder equilibrado, um atacante força a criação de duas subárvores pesadas e válidas. 4) Após a reconexão, a regra do GHOST se torna o vetor de ataque, não a defesa. A falha lógica que ele explora é que o GHOST assume que o peso reflete trabalho honesto, mas em uma rede particionada, o peso reflete trabalho isolado, que é manipulável.
Pontos Fortes e Fracos: O ponto forte do artigo é sua demonstração prática em uma cadeia privada Ethereum, indo além da teoria. O uso dos limites de Chernoff fornece rigor matemático. No entanto, a análise tem uma falha comum em artigos acadêmicos de segurança: assume uma partição de rede quase perfeita e sustentada. Em redes empresariais reais com múltiplos caminhos físicos e lógicos, manter uma partição tão limpa por mais de 20 minutos contra o monitoramento de engenheiros de rede não é trivial. O ataque também exige que o atacante identifique e direcione subgrupos com poder de hash precisamente equilibrado, o que pode exigir conhecimento interno em um consórcio.
Insights Acionáveis: Para qualquer empresa considerando uma cadeia de consórcio baseada em PoW, este artigo é um alerta vermelho obrigatório. A conclusão imediata é abandonar o PoW puro para configurações de consórcio. Alternativas como Proof-of-Authority (PoA), Tolerância a Falhas Bizantinas Prática (PBFT) ou seus derivados (como o Istanbul BFT) são inerentemente mais resistentes, pois sua segurança deriva da identidade e da passagem de mensagens, não do poder de hash e da sorte da rede. Para cadeias públicas como o Ethereum, a mitigação está em uma infraestrutura de rede robusta e descentralizada (como o Discv5 do Ethereum) e propagação rápida de blocos (como o Graphene). O monitoramento da rede para latência incomum entre os principais pools de mineração deve ser uma prática de segurança padrão. Esta pesquisa, juntamente com trabalhos anteriores sobre ataques de eclipse (Heilman et al.) e ataques de suborno (Judmayer et al.), forma um conjunto de evidências de que o consenso de camada 1 deve ser projetado com modelos de rede adversários explícitos em mente.
O processo de mineração para nós honestos e o atacante é modelado como processos de Poisson independentes com taxas $\lambda_h$ e $\lambda_a$, respectivamente, onde $\lambda = \text{poder de hash} / \text{tempo do bloco}$. Sejam $Q(t)$ e $H(t)$ o número de blocos minerados pelo atacante e pela rede honesta no tempo $t$. Suas expectativas são $\mathbb{E}[Q(t)] = \lambda_a t$ e $\mathbb{E}[H(t)] = \lambda_h t$.
O objetivo do atacante durante o período de atraso $\Delta$ é estabelecer uma liderança $z$ em uma partição. A probabilidade de a cadeia do atacante na partição B estar pelo menos $k$ blocos à frente da cadeia honesta na partição A pode ser limitada usando desigualdades de cauda para distribuições de Poisson. A condição de sucesso para o ataque quando as redes se fundem envolve comparar o peso total (incluindo blocos "tio") das duas cadeias concorrentes. O artigo deriva uma condição ligando $\Delta$, $\alpha$ (fração do poder total do atacante) e a probabilidade de sucesso desejada.
Cenário: Um blockchain de consórcio para financiamento comercial com 10 bancos, cada um operando um nó de mineração de igual poder.
Aplicação da Estrutura de Ataque:
Este exemplo não-código ilustra as etapas do ataque usando um cenário de negócios realista.