Avaliação da Segurança de Protocolos de Consenso Proof-of-Work: Uma Estrutura de Métricas Múltiplas

1. Introdução & Enunciado do Problema

Desde o início do Consenso Nakamoto (NC) do Bitcoin, centenas de criptomoedas adotaram mecanismos Proof-of-Work (PoW) para manter registos descentralizados. No entanto, investigação fundamental expôs falhas críticas de segurança no NC, particularmente a sua falha em alcançar uma qualidade de cadeia perfeita. Esta deficiência permite que mineiros maliciosos alterem o registo público, facilitando ataques como mineração egoísta, gasto duplo e feather-forking. Em resposta, surgiram numerosos protocolos "melhorados" (ex.: Ethereum, Bitcoin-NG, Fruitchains), cada um alegando segurança reforçada. Contudo, na ausência de uma estrutura de avaliação quantitativa padronizada, estas alegações permanecem autoproclamadas e divisivas nas comunidades académica e de desenvolvimento. Este artigo aborda esta lacuna crítica, introduzindo uma estrutura de métricas múltiplas para analisar objetivamente a segurança de protocolos PoW e aplicando-a para revelar que, até à data, nenhum protocolo PoW alcança a segurança ideal.

2. A Estrutura de Avaliação de Segurança

A estrutura proposta vai além de alegações qualitativas para estabelecer métricas quantitativas e comparáveis para a segurança PoW. É construída na premissa de que a qualidade da cadeia é o elemento central da inalterabilidade do registo.

2.1 Métricas de Segurança Principais

A estrutura avalia os protocolos com base em quatro pilares:

1. Qualidade da Cadeia (CQ): A fração de blocos na cadeia mais longa minerados por mineiros conformes (honestos). Formalmente, para um segmento da cadeia com $k$ blocos, $CQ = \frac{\text{\# blocos honestos}}{k}$.
2. Compatibilidade de Incentivos: Mede se mineiros racionais maximizam o lucro ao seguirem o protocolo. Uma falha aqui indica vulnerabilidade à mineração egoísta.
3. Ganho de Subversão: Quantifica a capacidade de um atacante reescrever o histórico para gasto duplo, frequentemente modelada como uma função do seu poder de hash $\alpha$ e da profundidade de confirmação $z$.
4. Suscetibilidade à Censura: Avalia a viabilidade de ataques de feather-forking que forçam mineiros racionais a excluir transações específicas.

2.2 O Imperativo da Qualidade da Cadeia

Uma baixa qualidade da cadeia compromete diretamente a promessa de imutabilidade da blockchain. Se mineiros maliciosos puderem substituir consistentemente blocos honestos, eles controlam a narrativa do histórico de transações. A estrutura postula que alcançar uma qualidade de cadeia proporcionalmente igual ao poder de hash honesto (i.e., $CQ \geq 1-\alpha$) é uma condição necessária, mas não suficiente, para uma segurança robusta.

2.3 Vetores de Ataque & Modelos de Dano

• Minação Egoísta: Os atacantes retêm blocos para desperdiçar o trabalho dos mineiros honestos, obtendo uma parte desproporcional das recompensas ($>\alpha$).
• Gasto Duplo: Um atacante minera secretamente um fork para substituir uma transação após a entrega de bens, invalidando o pagamento original.
• Feather-Forking: Um ataque de coerção onde um atacante ameaça orfanar blocos que contenham certas transações, forçando os mineiros a censurá-las.

3. Análise de Protocolos & Conclusões

A aplicação da estrutura através da análise de processos de decisão de Markov produz conclusões marcantes.

3.1 Fraquezas do Consenso Nakamoto (NC)

Está provado que a qualidade da cadeia do NC é imperfeita. Um atacante com poder de hash $\alpha$ pode alcançar uma fração de blocos na cadeia principal superior a $\alpha$. Esta é a causa raiz da sua vulnerabilidade a todos os três ataques analisados.

3.2 Análise de Protocolos Não-NC

O artigo avalia protocolos como Ethereum (GHOST), Bitcoin-NG, DECOR+, Fruitchains e Subchains. A conclusão principal: Nenhum alcança qualidade de cadeia ideal ou resistência completa a todos os três ataques. Alguns melhoram uma métrica à custa de outra (ex.: maior crescimento da cadeia, mas novos vetores de ataque).

3.3 O Dilema de Segurança: "Recompensar o Mau" vs. "Punir o Bom"

A análise revela um dilema fundamental no design PoW. Protocolos que punem agressivamente comportamentos percecionados como maliciosos (ex.: orfanar blocos) frequentemente acabam por punir mineiros honestos apanhados na latência da rede, reduzindo as suas recompensas e desincentivando a participação. Inversamente, protocolos excessivamente tolerantes com o forking para preservar todo o trabalho ("recompensar o mau") incentivam a mineração egoísta. Este compromisso é um obstáculo central à segurança perfeita.

4. Detalhes Técnicos & Estrutura Matemática

A avaliação baseia-se num modelo de Markov onde os estados representam a vantagem de um fork privado potencial de um atacante sobre a cadeia pública. As probabilidades de transição são funções da distribuição do poder de hash $\alpha$ (atacante) e $1-\alpha$ (honestos), e das regras específicas do protocolo para seleção de cadeia e recompensas de bloco.

Fórmula Chave (Sucesso de Ataque Generalizado): A probabilidade $P_{\text{sucesso}}$ de um atacante com poder de hash $\alpha$ recuperar um atraso de $z$ blocos, como numa tentativa de gasto duplo, é dada por: $$P_{\text{sucesso}}(\alpha, z) = \begin{cases} 1 & \text{se } \alpha > 0.5 \\ (\frac{\alpha}{1-\alpha})^z & \text{se } \alpha < 0.5 \end{cases}$$ Esta fórmula clássica (do whitepaper do Bitcoin de S. Nakamoto) é modificada dentro da estrutura para ter em conta desvios específicos do protocolo em relação à regra da cadeia mais longa do NC, que alteram a dinâmica efetiva da "corrida".

5. Resultados Experimentais & Ataques Específicos por Protocolo

A análise de Markov não só confirma ataques conhecidos como revela novas estratégias de ataque específicas do protocolo.

• Para Ethereum/GHOST: A estrutura identifica cenários onde a regra "Greediest Heaviest Observed SubTree" pode ser manipulada através da libertação estratégica de blocos para manipular o peso da subárvore, potencialmente auxiliando a mineração egoísta.
• Para Bitcoin-NG: A separação de blocos-chave (para eleição de líder) e microblocos (para transações) introduz novos vetores de ataque baseados em latência, onde um atacante pode eclipsar um líder e censurar os seus microblocos.
• Visão do Gráfico: Um gráfico simulado mostraria a qualidade da cadeia (eixo y) de vários protocolos (eixo x) em função do poder de hash do atacante $\alpha$ (diferentes linhas). A conclusão principal: todas as linhas dos protocolos ficam abaixo da linha ideal de $CQ = 1-\alpha$, especialmente quando $\alpha$ se aproxima de 0.3-0.4.

6. Estrutura de Análise: Exemplo de Estudo de Caso

Caso: Avaliação de um protocolo hipotético "FastChain" que alega resistência à mineração egoísta.

1. Definir Métricas: Aplicar as quatro métricas principais. Para o FastChain, precisamos do seu cronograma exato de recompensas de bloco, regra de seleção de cadeia e política de orfanamento.
2. Modelar como Processo de Markov: Estados = (vantagem do fork privado, estado do fork público). As transições dependem das regras do FastChain para lidar com empates e recompensar blocos obsoletos.
3. Calcular o Estado Estacionário: Resolver para a distribuição de estado estacionário da cadeia de Markov. Isto dá a fração esperada de tempo em que o sistema está num estado onde o atacante está a minerar com uma vantagem privada.
4. Derivar a Qualidade da Cadeia: A partir do estado estacionário, calcular a fração esperada de longo prazo de blocos na cadeia canónica minerados por partes honestas. Esta é a $CQ$ do protocolo.
5. Testar a Resistência ao Ataque: Simular uma estratégia de mineiro egoísta dentro do modelo. A receita relativa do atacante excede $\alpha$? Se $\text{Receita}_{\text{atacante}} > \alpha$, o protocolo falha no teste de compatibilidade de incentivos para esse ataque.

Conclusão: Sem código, este processo estruturado força uma avaliação rigorosa e quantitativa que pode refutar ou validar alegações de segurança.

7. Direções Futuras & Perspetiva de Aplicação

O artigo delineia caminhos críticos para investigação e design futuros de PoW:

• Ir Além de Pressupostos Irrealistas: Protocolos futuros devem modelar e projetar explicitamente para latência de rede (sincronia) e mineiros racionais (não apenas honestos) desde o início, como enfatizado no trabalho sobre compatibilidade de incentivos robusta.
• Modelos de Consenso Híbridos: Explorar híbridos pragmáticos, como PoW para eleição de líder combinado com consenso eficiente estilo BFT (ex.: como explorado em projetos como Thunderella) para finalização de blocos, poderia mitigar as falhas de qualidade do PoW.
• Verificação Formal & Benchmarks Padronizados: A estrutura proposta deve evoluir para um conjunto de benchmarks padrão. Novos protocolos poderiam ser obrigados a publicar os seus resultados de análise de Markov, semelhante a algoritmos criptográficos publicarem provas de segurança.
• Aplicação em Auditorias de Segurança: Esta estrutura é diretamente aplicável para empresas de auditoria de segurança blockchain e investigadores que avaliam novas cadeias de Camada 1 ou grandes atualizações de protocolo (ex.: a transição do Ethereum).

8. Referências

1. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.
2. Eyal, I., & Sirer, E. G. (2014). Majority is not enough: Bitcoin mining is vulnerable. In Financial Cryptography.
3. Sompolinsky, Y., & Zohar, A. (2015). Secure high-rate transaction processing in Bitcoin. In Financial Cryptography.
4. Pass, R., Seeman, L., & Shelat, A. (2017). Analysis of the blockchain protocol in asynchronous networks. In Eurocrypt.
5. Buterin, V. (2014). Ethereum: A Next-Generation Smart Contract and Decentralized Application Platform.
6. Kiayias, A., et al. (2016). Ouroboros: A Provably Secure Proof-of-Stake Blockchain Protocol. In Crypto. [Fonte Externa - Exemplo de análise de consenso alternativo]
7. IEEE Access Journal on Blockchain Security & Privacy.

9. Análise Original & Comentário de Especialistas