Um Esquema Cooperativo de Prova de Trabalho para Protocolos de Consenso Distribuído

Índice

1. Introdução

Este artigo propõe um refinamento ao esquema tradicional de prova de trabalho (Proof-of-Work, PoW), que tipicamente envolve encontrar um nonce que resulte num output criptográfico de hash com um número exigido de zeros iniciais. A inovação central é um esquema cooperativo de prova de trabalho concebido para permitir que múltiplos utilizadores autónomos colaborem na geração da prova para as suas próprias transações. Esta colaboração visa estabelecer consenso sobre a ordem das transações num registo distribuído sem depender de pools de mineração centralizados.

O esquema proposto procura abordar problemas inerentes ao PoW padrão, como o desalinhamento de incentivos nos pools de mineração e a corrida competitiva e intensiva em energia entre mineiros. Ao permitir cooperação direta, prevê substituir as taxas de transação (pagas aos mineiros) por impostos sobre transações (pagos pelos próprios utilizadores transacionantes). Esta mudança tem o potencial de mitigar o "efeito inflacionário no uso de energia" associado à mineração competitiva e fomentar estratégias mais económicas e cooperativas.

Os benefícios potenciais delineados incluem:

• Maior defesa contra discriminação de utilizadores por parte dos mineiros de transações.
• Aumento da capacidade de processamento do sistema devido à redução da competição entre mineiros.
• Maior dissuasão contra ataques de Negação de Serviço (DoS), uma vez que os ataques incorreriam no custo do imposto sobre a transação.

2. Consenso

O artigo enquadra o problema no contexto de redes peer-to-peer (P2P) que requerem um registo distribuído. Todos os peers devem concordar com o estado do registo sem uma autoridade central ou eleição prévia de um líder.

O desafio fundamental é o atraso na propagação de mensagens. Num ambiente ideal de transações de baixa frequência, o consenso poderia ser alcançado observando uma pausa no tráfego da rede — uma "paragem total" — indicando que todos os peers provavelmente viram o mesmo conjunto de mensagens. Estas mensagens poderiam então ser ordenadas canonicamente (por exemplo, por hash) e anexadas ao registo.

No entanto, as frequências de transação do mundo real são demasiado elevadas para este esquema simples. É aqui que a prova de trabalho se torna crucial. Ao exigir esforço computacional (resolver um quebra-cabeças criptográfico), o PoW reduz artificialmente a taxa efetiva a que qualquer peer individual pode propor novas entradas no registo. A dificuldade do quebra-cabeças pode ser calibrada para estabelecer um limite superior à frequência de transações, criando os necessários "períodos de silêncio" para que surja um consenso de facto.

3. Prova de Trabalho Cooperativa

O artigo formaliza o esquema cooperativo, mas o excerto fornecido é interrompido. Com base na introdução, a formalização provavelmente envolve um mecanismo em que:

1. Os utilizadores que contribuem para uma transação também podem contribuir com poder computacional para resolver o quebra-cabeças PoW associado.
2. O esforço coletivo substitui o trabalho de um único mineiro.
3. O consenso sobre a ordem das transações é derivado deste esforço cooperativo, possivelmente ligado ao conjunto de utilizadores cooperantes.
4. O "imposto" é uma contribuição obrigatória (em esforço computacional ou num custo derivado) paga pelas partes transacionantes, internalizando o custo do consenso.

Isto contrasta com o modelo tradicional, onde mineiros externos competem para resolver o PoW por taxas, levando à formação de pools e potencial centralização.

4. Ideia Central e Perspetiva do Analista

Ideia Central: O artigo de Kuijper não é apenas um ajuste aos algoritmos de hashing; é uma intervenção económica e de teoria dos jogos fundamental no desenho de blockchain. A verdadeira inovação é desacoplar o esforço de consenso da mineração orientada para o lucro e acoplá-lo diretamente à utilidade da transação. A mudança de taxa-para-o-mineiro para imposto-pelo-utilizador inverte completamente a estrutura de incentivos, visando alinhar a saúde da rede com a cooperação dos utilizadores em vez da competição entre mineiros. Isto ecoa princípios vistos na investigação de desenho de mecanismos de instituições como o Stanford Crypto Economics Lab, que exploram como estruturar incentivos para alcançar os resultados desejados do sistema.

Fluxo Lógico: O argumento é logicamente sólido, mas assenta numa premissa crítica não comprovada: que os utilizadores cooperarão de forma eficiente e honesta sem introduzir nova sobrecarga de coordenação ou vetores de ataque. O artigo identifica corretamente o desperdício de energia e a pressão de centralização (via pools) no PoW do Bitcoin, conforme documentado em numerosos estudos (por exemplo, o Cambridge Bitcoin Electricity Consumption Index). Em seguida, postula a cooperação como o antídoto. No entanto, o salto lógico é assumir que a cooperação é mais simples de orquestrar num ambiente sem confiança do que a competição. A história dos sistemas P2P mostra que a colaboração frequentemente requer protocolos complexos (como o tit-for-tat do BitTorrent) para prevenir o free-riding — um problema que este esquema tem de resolver.

Pontos Fortes e Fraquezas: Pontos Fortes: A visão é cativante. Reduzir a inflação energética e a discriminação impulsionada por mineiros são objetivos nobres. O conceito de um "imposto sobre transações" que internaliza externalidades é economicamente elegante, semelhante aos conceitos de imposto sobre o carbono aplicados ao desperdício computacional. Fraquezas: O artigo é notoriamente vago no "como". A formalização é truncada, mas mesmo a premissa carece de um mecanismo concreto para prevenir ataques sybil, onde um utilizador cria muitas identidades falsas para evitar contribuir com a sua parte justa de trabalho. Como é que o "trabalho cooperativo" é verificado e atribuído? Sem isto, o sistema poderia ficar mais vulnerável, não menos. Além disso, substituir um modelo competitivo conhecido e testado em batalha por um modelo cooperativo novo introduz um risco significativo e obstáculos à adoção, um desafio também enfrentado por outras inovações de consenso como a Prova de Participação (Proof-of-Stake) durante os seus primeiros períodos de crítica.

Ideias Acionáveis: Para investigadores, este artigo é uma mina de ouro para trabalho de seguimento. O próximo passo imediato é desenhar e simular um jogo específico de PoW cooperativo, analisando os seus equilíbrios de Nash. Leva inevitavelmente à cooperação, ou pode ser manipulado? Para profissionais, a principal lição é o princípio, não a implementação imediata. Considere como aplicar a "internalização de custos cooperativa" no desenho do seu sistema. Poderia funcionar um modelo híbrido, onde um imposto de transação base financie um conjunto descentralizado de validadores, misturando ideias deste artigo com a prova de participação delegada? A ideia central — tornar o emissor da transação responsável pelos custos de consenso — deve ser explorada em soluções de layer-2 ou novos desenhos de registo onde o modelo de ameaça é diferente do cenário totalmente sem permissões do Bitcoin.

5. Detalhes Técnicos e Formalização Matemática

Embora a formalização completa esteja truncada, o esquema proposto baseia-se no PoW padrão baseado em hash criptográfico. O PoW tradicional requer encontrar um nonce $n$ tal que, para dados de bloco $B$, função de hash $H$, e alvo de dificuldade $T$:

$H(B, n) < T$

Num cenário cooperativo, isto provavelmente transforma-se. Suponha-se um conjunto de transações $\tau$ proposto por um grupo de utilizadores $U = \{u_1, u_2, ..., u_k\}$. Cada utilizador $u_i$ contribui com uma solução de trabalho parcial $w_i$. O PoW cooperativo pode exigir:

$H(\tau, \text{Agregar}(w_1, w_2, ..., w_k)) < T$

Onde $\text{Agregar}$ é uma função que combina contribuições individuais. O mecanismo de imposto implica que cada $u_i$ deve gastar recursos proporcionais à sua participação ou papel em $\tau$, garantindo que o trabalho coletivo atinge a dificuldade $T$. A verificação precisaria de confirmar que cada $w_i$ é válido e contribuído de forma única, prevenindo ataques de repetição ou falsificação.

6. Estrutura de Análise e Exemplo Conceptual

Cenário: A Alice, o Bob e a Carolina querem que as suas transações ($tx_a$, $tx_b$, $tx_c$) sejam incluídas no próximo bloco.

PoW Tradicional (Competitivo): Os mineiros M1, M2, M3 competem para resolver $H(bloco, n) < T$ para um bloco contendo estas transações mais taxas. O vencedor (por exemplo, M2) recebe as taxas. A Alice, o Bob e a Carolina são passivos.

PoW Cooperativo (Proposto):

1. A Alice, o Bob e a Carolina formam um grupo temporário para as suas transações.
2. O protocolo atribui-lhes um quebra-cabeças conjunto: Encontrar inputs $(w_a, w_b, w_c)$ tais que $H(tx_a, tx_b, tx_c, w_a, w_b, w_c) < T$.
3. Cada um calcula soluções parciais localmente. A Alice encontra $w_a$, o Bob encontra $w_b$, a Carolina encontra $w_c$.
4. Combinam os seus resultados. O trabalho combinado satisfaz a dificuldade.
5. Difundem as transações juntamente com a prova conjunta $(w_a, w_b, w_c)$.
6. A rede verifica o hash e que cada $w_i$ está ligado ao respetivo proprietário da transação.
7. Em vez de pagarem taxas, cada um "pagou" um imposto na forma do seu esforço computacional $w_i$. As suas transações são anexadas.

Desafio Principal nesta Estrutura: Impedir que a Carolina se aproveite e use uma solução de uma época anterior (ataque de repetição) ou copie o trabalho do Bob. O protocolo precisa de uma forma de ligar $w_i$ à identidade de $u_i$ e ao lote específico de transações, potencialmente usando assinaturas digitais: $w_i = \text{Assinar}_{u_i}(H(tx_i) \, || \, \text{época})$. Isto adiciona complexidade.

7. Perspetiva de Aplicação e Direções Futuras

Aplicações Imediatas: Este esquema é mais viável em blockchains de consórcio ou aplicações descentralizadas especializadas (dApps) onde os participantes têm uma relação pré-existente e de semi-confiança. Por exemplo, um consórcio de cadeia de abastecimento onde todos os membros são conhecidos e concordam em partilhar o ónus da manutenção do registo para as suas transações mútuas.

Direções Futuras de Investigação:

1. Análise Formal de Teoria dos Jogos: Modelar o esquema como um jogo para identificar equilíbrios cooperativos estáveis e potenciais estratégias de sabotagem.
2. Modelos Híbridos: Combinar PoW cooperativo com outros mecanismos de consenso (por exemplo, Prova de Participação para finalidade, PoW cooperativo para ordenação).
3. Integração em Layer-2: Implementar o modelo de imposto cooperativo em rollups de layer-2, onde lotes de transações são finalizados numa cadeia principal. Os utilizadores do rollup poderiam cooperativamente provar a validade do seu lote.
4. Integração de Função de Atraso Verificável (VDF): Substituir ou aumentar o quebra-cabeças de hash por uma tarefa baseada em VDF. Isto poderia garantir que o "trabalho" é baseado no tempo e não paralelizável, potencialmente simplificando a medição justa da contribuição.
5. Padronização de Provas de Contribuição: Desenvolver protocolos criptográficos leves para provar a contribuição individual para uma prova conjunta, um problema adjacente à investigação de provas de conhecimento zero.

A visão a longo prazo é um ecossistema de blockchain onde os custos ambientais e económicos do consenso são suportados diretamente por aqueles que beneficiam da transação, promovendo sustentabilidade e justiça — um passo significativo para além do paradigma de mineração de primeira geração de "o-vencedor-leva-tudo".

8. Referências

1. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.
2. Demers, A., et al. (1987). Epidemic Algorithms for Replicated Database Maintenance. Proceedings of the Sixth Annual ACM Symposium on Principles of Distributed Computing.
3. Eyal, I., & Sirer, E. G. (2014). Majority is not Enough: Bitcoin Mining is Vulnerable. International Conference on Financial Cryptography and Data Security.
4. Back, A. (2002). Hashcash - A Denial of Service Counter-Measure.
5. Cambridge Centre for Alternative Finance. (2023). Cambridge Bitcoin Electricity Consumption Index (CBECI). [https://ccaf.io/cbeci/index](https://ccaf.io/cbeci/index)
6. Zhu, J., et al. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks (CycleGAN). IEEE International Conference on Computer Vision (ICCV). [Citado como exemplo de um artigo que introduz uma abordagem nova e estruturalmente diferente (consistência de ciclo) a um problema conhecido (tradução de imagem), análoga à nova abordagem deste artigo ao PoW].
7. Roughgarden, T. (2020). Transaction Fee Mechanism Design for the Ethereum Blockchain: An Economic Analysis of EIP-1559. Stanford University. [Destaca a profundidade da análise económica necessária para mudanças bem-sucedidas nos incentivos da blockchain].