Análisis integral del impacto de los ataques de retención de bloques en los mineros

Introducción

Un ataque Block Withholding (BWH) es un comportamiento malicioso dirigido a grupos de minería. En tal ataque, los mineros maliciosos dentro del grupo deliberadamente retener bloques completos cuando lo encuentre y solo envíe acciones regulares de prueba de trabajo. Como resultado, los atacantes retienen casi todos los ingresos mineros esperados y, al mismo tiempo, hacen que el grupo de minería pierda posibles recompensas en bloque. Los ataques de retención de bloques no modifican los datos de la cadena de bloques, pero interrumpen los ingresos del pool de minería y dañan la confianza y la cooperación entre los mineros.
Este documento proporciona un análisis profundo y multifacético de cómo los ataques BWH afectan a los mineros, abarcando la pérdida de ingresos, la eficiencia minera, la gestión de grupos, las relaciones de confianza, el estado general de la red y otras dimensiones.

Impacto en ingresos y pérdida de ganancias

Los ataques de retención de bloques reducen directamente la producción de bloques del grupo de minería de la víctima, lo que afecta las ganancias de los mineros. Este impacto financiero se puede analizar en dos niveles: los mineros individuales y el grupo minero en su conjunto.

1. Impacto en los mineros honestos individuales

Cuando un grupo de minería sufre un ataque BWH, los mineros honestos reciben menos recompensas porque el grupo genera menos bloques. El grupo parece "desafortunado" y experimenta intervalos más largos sin extraer un bloque con éxito. En esquemas de distribución proporcional o PPLNS (Pay-Per-Last-N-Shares), los mineros maliciosos aún cobran pagos basados ​​en acciones sin contribuir con bloques completos, efectivamente diluyendo las recompensas de los mineros honestos.
Por ejemplo, en un grupo de minería de Bitcoin, si un atacante retiene 1 bloque completo de cada 1000 acciones encontradas, sus ingresos personales se reducen sólo alrededor del 0,1%, pero el grupo pierde la recompensa de un bloque completo. De esta manera, los frutos del trabajo honesto de los mineros son parcialmente confiscados, reduciendo significativamente sus ganancias y rentabilidad.

2. Impacto en el pool minero en su conjunto

A nivel del grupo, cada bloque retenido resulta directamente en la pérdida de una recompensa minera (por ejemplo, 6,25 BTC más tarifas de transacción en Bitcoin). Este es un gran golpe financiero, especialmente si el atacante controla una proporción no despreciable de la tasa de hash total del grupo.
En Pago por acción (PPS) En los modelos, el operador del pool paga a los mineros en función de las acciones presentadas, independientemente de la producción real del bloque. Por lo tanto, los bloqueos retenidos causan pérdidas financieras directas al operador. En modelos proporcionales/PPLNS, las recompensas sólo se distribuyen si los bloques realmente se extraen; los atacantes aprovechan al recolectar una parte de las ganancias de los mineros honestos sin contribuir con bloques completos.

La siguiente tabla resume cómo se manifiestan las pérdidas financieras bajo diferentes esquemas de pago:

3. Impacto en los ingresos de los atacantes

Curiosamente, los atacantes podrían ligeramente aumentar sus ingresos generales.
Si los atacantes ejecutan simultáneamente sus propios grupos de minería o extraen normalmente en otros lugares, debilitar a los competidores mejora su participación en la producción global de bloques. Las investigaciones muestran que un grupo grande que ataca a otro grupo grande puede aumentar ligeramente sus ganancias totales.
Por ejemplo, si dos grupos poseen cada uno el 25% de la tasa de hash total de la red, y uno asigna el 4% de la tasa de hash total de la red para atacar al otro, las ganancias totales del atacante podrían aumentar alrededor de un 1,87%, mientras que los mineros honestos en el grupo atacado podrían perder alrededor del 10,2% de sus ganancias.

Cuadro:
Cuando dos grupos (A y B) tienen cada uno un 25% de participación en la red y A ataca a B mediante retención de bloques:

• Línea azul: cambio en los ingresos del atacante (máximo alrededor de +1,87 % con una tasa de ataque de ~4 %).

• Línea roja: los ingresos de los mineros del grupo de víctimas caen (~-10,2%).

• Línea Verde: Otros mineros no involucrados se benefician ligeramente debido a la reducción temporal de la tasa de hash efectiva de la red.

Por lo tanto, si bien la ganancia directa del atacante es limitada, la víctima sufre pérdidas sustanciales, lo que hace que la retención en bloque sea más importante. hacer daño táctica en lugar de una estrategia altamente rentable.

Impacto en la dificultad y eficiencia minera

Los ataques de retención de bloques también afectan los indicadores de dificultad de la minería y la eficiencia minera general:

1. Desperdicio de hashrate

Los ataques de BWH causan importantes desperdicio de poder computacional: los atacantes encuentran bloques válidos pero se niegan a publicarlos, lo que genera enormes cantidades de electricidad y poder de hash desperdiciados sin contribuir al crecimiento de la cadena de bloques.
Así, el eficiencia de las contribuciones de la tasa de hash unitaria a la red disminuye. Si una parte sustancial del poder hash total de la red se desperdicia mediante la retención, el esfuerzo computacional real necesario para generar cada bloque aumenta, lo que lleva a un mayor consumo de energía para mantener la red a una velocidad de bloque constante.

2. Fluctuaciones a corto plazo en la dificultad minera

La retención en bloque se ralentiza velocidad real de producción de bloques porque parte de la capacidad minera no resulta en bloques válidos.
Antes del siguiente ajuste de dificultad, los mineros honestos pueden notar que los bloques se encuentran con menos frecuencia, lo que significa que la dificultad se vuelve temporalmente demasiado alta en relación con el poder hash efectivo. Sin embargo, la participación de los mineros honestos en las recompensas en bloque mejora ligeramente porque la contribución del atacante se desperdicia.
Con el tiempo, cuando la red detecte una producción lenta y prolongada de bloques, ajustará la dificultad de la minería. hacia abajo para restaurar el intervalo de bloqueo normal.
Por lo tanto, si persisten los ataques de retención, la red se recalibrará a un nivel de dificultad más bajo, lo que refleja la caída en el poder minero efectivo. Desde la perspectiva de un minero honesto, hay un aumento temporal de la dificultad durante el período de ataque, seguido de un reducción de la dificultad minera después.

Sin embargo, cuando los ataques se detienen, la dificultad disminuida puede hacer que la velocidad de bloqueo se acelere temporalmente hasta que la dificultad vuelva a aumentar a nuevos niveles de equilibrio. Los frecuentes ataques y paros provocan volatilidad en los intervalos de bloques y dificultad de minería, socavando la estabilidad y previsibilidad de la red.

3. Disminución del margen de seguridad de la red

Si bien los ataques de retención de bloques no representan las mismas amenazas directas que los ataques del 51%, efectivamente reducir la tasa de hash efectiva real asegurar la cadena de bloques.
Cada bloque retenido podría haberse sumado al trabajo acumulativo que aseguraba la cadena de bloques, pero en cambio fue desperdiciado. A largo plazo, una retención acumulativa masiva significa que para un nivel dado de entrada de energía, la acumulación de seguridad de la red es menor de lo que debería ser.
En esencia, los ataques de retención de bloques hacen que la red pagar el costo de la minería sin obtener todos los beneficios de seguridad, lo que reduce la eficiencia general del consenso de prueba de trabajo.

Impacto en las operaciones y gestión del pool minero

Los ataques de retención de bloques introducen importantes desafíos operativos y de seguridad para los pools de minería:

1. Daño a la reputación del pool y presión de pago

Cuando un grupo de minería experimenta mala suerte constante al encontrar bloques, su reputación se ve afectada.
Si los ataques de retención no se detectan, la producción de bloques del pool sigue siendo persistentemente más baja de lo esperado, lo que hace que los mineros sospechen de una mala gestión o de problemas internos y posiblemente migren a otros pools.
Esto es especialmente crítico para piscinas más pequeñas, donde algunos bloques faltantes pueden causar pánico y desgaste de los mineros.

En Modelos de pago de PPS, los bloqueos retenidos causan pérdidas directas a los operadores de pools, ya que deben pagar a los mineros por sus acciones incluso sin las correspondientes recompensas en bloque. Con el tiempo, si no se detecta, esto podría provocar insolvencia financiera.

2. Detección de mineros maliciosos

Para contrarrestar los ataques ocultos, los operadores de pools deben desplegar seguimiento estadístico y análisis de comportamiento herramientas.
Pueden monitorear las acciones enviadas por cada minero y la probabilidad esperada de encontrar bloques a lo largo del tiempo.
Si un minero envía una gran cantidad de acciones pero nunca envía bloques completos a pesar de las expectativas estadísticas, se le puede considerar sospechoso.
Sin embargo, esta detección es difícil porque el comportamiento de retención se parece mala suerte natural.
Los atacantes también pueden dividir su poder de hash entre varias cuentas ("minería sybil") para evitar sospechas, lo que hace que la detección puramente estadística sea menos efectiva.

3. Restricciones de admisión y mecanismos de confianza

Algunas piscinas responden apretando criterios de membresía, que requiere verificación de identidad KYC (Conozca a su cliente), depósitos o una incorporación más estricta para evitar la infiltración de competidores.
Otros proponen mecanismos punitivos: penalizar ligeramente las recompensas de todos los mineros si se detecta una retención de bloques, fomentando así la supervisión colectiva.
Sin embargo, esto corre el riesgo de castigar injustamente a mineros inocentes y puede resultar controvertido.

Otra medida defensiva es ajuste de la estructura de recompensa:

• Bonificaciones crecientes para los mineros que envían bloques completos.

• Reducir la proporción de pagos basados ​​puramente en acciones.

Alternativamente, la propuesta "Acciones ajenas" sugiere que los mineros deberían presentar pruebas sin saber si encontraron un bloque completo, evitando la retención selectiva. Sin embargo, implementar tales soluciones requeriría cambios importantes en el protocolo (por ejemplo, bifurcaciones duras), que son difíciles de implementar.

4. Mayor complejidad y costos de gestión

En general, los ataques de retención de bloques obligan a los grupos a equilibrarse apertura y seguridad.
Si bien los pools de minería buscan crecer admitiendo más mineros, también deben defenderse contra amenazas ocultas, lo que aumenta la complejidad operativa y los gastos generales.
Los grupos grandes pueden permitirse sistemas de detección avanzados, pero los grupos más pequeños a menudo carecen de recursos, lo que los hace más vulnerables.

Impacto en las relaciones de confianza y cooperación

Los ataques de retención de bloques dañan gravemente la confianza entre los mineros y los pools, así como entre los propios pools:

1. Confianza entre mineros y pools

Los pools de minería tradicionalmente operan basándose en cooperación mutua y reparto justo de recompensas.
Los mineros aportan poder de hash y los pools distribuyen recompensas en función de sus contribuciones.
Sin embargo, la retención en bloque revela que incluso cuando todos siguen las reglas nominales, algunos actores internos pueden actuar de manera egoísta a expensas de otros.
Esto crea desconfianza entre los mineros:

• ¿Hay saboteadores internos?

• ¿El operador de la piscina es capaz de detectar y prevenir comportamientos maliciosos?

Si un pool no explica la mala suerte constante o no implementa contramedidas efectivas, los mineros honestos pueden perder la confianza y marcharse.
Por otro lado, los operadores de pools también pueden llegar a sospechar demasiado de todos los miembros, lo que lleva a procedimientos de verificación intrusivos que erosionan aún más la confianza de la comunidad.

2. Confianza entre grupos

Idealmente, diferentes grupos de minería compiten pero no se sabotean activamente entre sí.
Sin embargo, la retención en bloque introduce hostilidad estratégica entre piscinas.
Los grupos grandes pueden infiltrarse y atacar a grupos más pequeños o rivales para debilitar a los competidores, alterando el espíritu de sana competencia.

La falta de confianza desanima intercambio de información y esfuerzos colaborativos como mejorar los protocolos de minería (por ejemplo, Stratum V2) o coordinar respuestas al 51% de los ataques.
Sin una fuerte solidaridad de la industria, el ecosistema minero se fragmenta y se vuelve vulnerable.

El análisis de la teoría de juegos muestra que si no hay castigos o regulaciones externas, la retención mutua en bloque puede convertirse en un equilibrio de Nash: aunque perjudica a todos, los actores racionales aún podrían optar por atacar en lugar de arriesgarse a una pérdida unilateral.

Por lo tanto, la retención de bloques puede hacer que los pools de minería pasen de un nivel ambiente cooperativo en un carrera armamentista destructiva, perjudicando a todo el sector minero.

3. Impacto en la comunidad minera

La desconfianza generalizada también perjudica a la comunidad minera más amplia:

• Los mineros se vuelven menos dispuestos a compartir conocimientos o apoyar nuevas iniciativas de pool.

• Los nuevos protocolos o mejoras que requieren el consenso de los mineros enfrentan una mayor resistencia.

• Los mineros pequeños o medianos pueden preferir unirse sólo a los grupos más grandes, creyendo que ofrecen una mejor protección contra ataques ocultos.

Esto refuerza Dinámica de "el ganador se lo lleva todo", donde los grandes grupos crecen a expensas de la descentralización, en contra del espíritu original de las redes blockchain.

Impacto en la salud y seguridad general de la red

Desde una perspectiva macro, si bien la retención de bloques no compromete directamente la integridad de las transacciones blockchain como un ataque del 51%, sus efectos acumulativos aún plantean riesgos:

1. Centralización y pérdida de descentralización

La retención de bloques exacerba la centralización minera.
Los pools pequeños son más vulnerables a este tipo de ataques y pueden tener dificultades para sobrevivir, mientras que los pools grandes pueden absorber mejor los ataques o incluso perpetrarlos contra sus competidores.
De este modo, los fuertes se hacen más fuertes, llevando a concentración de hashrate en manos de unos pocos actores importantes.
Tal concentración debilita la resistencia de la red a los ataques del 51% y socava los principios de descentralización fundamentales de las criptomonedas.

2. Disminución de la eficiencia y estabilidad de la red

Como se analizó anteriormente, retener ataques desperdicia poder de hash, lo que resulta en mayor consumo de energía por bloque válido.
Los intervalos de bloque se vuelven más erráticos debido a las fluctuaciones de las tasas de hash efectivas.
Aunque el mecanismo de ajuste de dificultad de Bitcoin finalmente restablece el equilibrio, la inestabilidad a corto plazo socava la previsibilidad para mineros y usuarios.

La retención frecuente de bloques podría disuadir a los mineros de continuar participando, especialmente si la rentabilidad se vuelve impredecible, lo que lleva a mayores la tasa de hash disminuye y un perfil de seguridad más débil para blockchain.

3. Protocolo y respuesta comunitaria

La existencia de ataques BWH expone fallas de incentivos en el consenso de prueba de trabajo: situaciones en las que los mineros racionales tienen un incentivo para dañar la red para beneficio personal.
Esto ha desencadenado discusiones sobre actualizaciones o rediseños de protocolos:

• Conceptos como "Acciones ajenas".

• Mecanismos de sanción por conductas maliciosas.

• Cambios estructurales en las recompensas mineras.

Sin embargo, implementar tales soluciones a menudo requiere cambios fundamentales a los protocolos de minería, que son difíciles, controvertidos y lentos de implementar.

Por lo tanto, en el futuro previsible, la retención en bloque seguirá siendo una amenaza latente Requiriendo vigilancia por parte de mineros, operadores de pools y desarrolladores.

4. Desperdicio de energía y preocupaciones ambientales

Dado que la minería de prueba de trabajo ya consume una enorme cantidad de energía, la retención en bloque empeora las críticas ambientales al desperdiciando electricidad sin contribuir a la seguridad de blockchain.
Esta ineficiencia podría alimentar el escrutinio regulatorio y reforzar los argumentos contra Bitcoin y otras criptomonedas basadas en PoW.

5. Riesgos ocultos y acumulativos

La retención en bloque es una amenaza interna y sigilosa – no es inmediatamente catastrófico, pero erosiona gradualmente la solidez de la red.
Debilita la alineación entre los incentivos de los mineros individuales y el bien colectivo de la red.
Debido a su naturaleza sigilosa, la retención de bloqueo prolongada puede pasar desapercibida, provocando pérdidas y vulnerabilidades inadvertidas hasta que se acumulan daños importantes.

Otros impactos y consideraciones importantes

Además de los efectos principales discutidos anteriormente, los ataques de retención de bloques traen varias consecuencias adicionales notables:

1. Impacto asimétrico en piscinas de diferentes tamaños

Bloquear la retención perjudica desproporcionadamente grupos mineros más pequeños:

• Los grupos más pequeños tienen frecuencias de búsqueda de bloques más bajas, por lo que incluso un solo bloque retenido puede afectar gravemente sus ingresos.

• A menudo carecen de mecanismos avanzados de detección y seguridad, lo que los convierte en blancos fáciles.

Por el contrario, piscinas grandes son más resistentes:

• Un solo bloque faltante representa un porcentaje menor de sus ganancias totales.

• Pueden permitirse defensas y sistemas de detección sofisticados.

Además, los grupos grandes pueden utilizar ataques de retención de bloques como arma competitiva para suprimir aún más las piscinas más pequeñas, acelerando la centralización minera.

2. Impacto asimétrico en los mineros individuales

• Mineros a gran escala a menudo operan sus propios grupos privados o participan en grupos de primer nivel, protegiéndose de ataques ocultos.

• Mineros de pequeña escala o aficionados, que dependen de fondos públicos para obtener ingresos estables, son los más vulnerables a la reducción de ingresos causada por los ataques de BWH.

Por lo tanto, la retención de bloques aumenta los riesgos mineros y las incertidumbres para los pequeños participantes, expulsándolos del mercado y concentrando aún más el poder minero entre unos pocos grandes actores.

3. Motivaciones y riesgos de los atacantes

Las dos motivaciones principales de los atacantes son:

• Ganancia económica: debilitar a los competidores para aumentar relativamente su propia porción de recompensas.

• Supresión estratégica: obliga a los grupos rivales a sufrir problemas financieros o pérdida de reputación.

Sin embargo, los atacantes también enfrentan riesgos:

• Ellos sacrificar parte de sus propios ingresos al retener bloques.

• Los ataques pueden fallar si se ejecutan mal, lo que genera pérdidas netas.

• Si son descubiertos y expuestos (aunque sea difícil), los atacantes corren el riesgo de daño reputacional.

Los análisis actuales muestran que los atacantes solo logran ganancias significativas bajo condiciones específicas (por ejemplo, un gran grupo de atacantes, una tasa de hash relativa significativa).
En la mayoría de los escenarios del mundo real, Los ataques de retención en bloque producen rendimientos limitados o incluso negativos., lo que explica en parte por qué los ataques a gran escala son raros en la actualidad.

4. Desperdicio de energía e impacto ambiental

La retención en bloque exacerba las críticas al consumo de energía que ya enfrenta la minería de prueba de trabajo.
Aumenta el consumo eléctrico de la red. sin aumentar la seguridad blockchain — El trabajo computacional desperdiciado simplemente se descarta.

A medida que la eficiencia energética y el impacto climático se convierten en cuestiones públicas cada vez más críticas, cualquier factor que empeore la ineficiencia minera invita a mayor escrutinio regulatorio y social.

5. Potencial de ataques compuestos

La retención de bloques podría combinarse con otras estrategias de ataque para causar un daño mayor.
Los ejemplos incluyen:

• Minería egoísta + Retención en bloque ("Selfholding"): combinar los dos para maximizar las ganancias de los atacantes y al mismo tiempo suprimir a los competidores.

• Bloquear ataques de doble envío: vender en secreto bloques retenidos al grupo de víctimas.

Aunque estos ataques híbridos son en su mayoría teóricos hoy en día, demuestran cómo las amenazas internas y externas podrían entrelazar en la futura competencia minera.

La comunidad minera debe permanecer alerta a la evolución de combinaciones de ataques que explotan las vulnerabilidades de confianza.

Conclusión

En resumen, los ataques de retención de bloques, aunque sigilosos y no inmediatamente catastróficos, tienen grandes impactos negativos en el ecosistema de minería de criptomonedas:

• Para mineros individuales y pools de minería, causar pérdida directa de ingresos y dilución injusta de la recompensa.

• Para el proceso minero, desperdiciar recursos computacionales y desestabilizar la dificultad minera.

• Para la gestión de la piscina, ellos aumentar la complejidad operativa y imponer controles de membresía más estrictos.

• Para la confianza de la comunidad, ellos erosionar la confianza entre mineros y pools por igual, dañando el espíritu cooperativo.

• Para la salud de la red, ellos acelerar la centralización minera, empeorar la ineficiencia energética, y disminuir la seguridad efectiva de blockchain.

• Por cuestiones medioambientales, dañar aún más la reputación de Bitcoin como un sistema que consume mucha energía.

Aunque los casos reales de ataques de retención de bloques a gran escala son actualmente raros (principalmente porque las ganancias son limitadas), la mera existencia de esta vulnerabilidad revela fallas en los incentivos en los sistemas actuales de prueba de trabajo.

Las estrategias de mitigación deben involucrar una combinación de:

• Mejores prácticas de seguridad interna en los pools de minería.

• Cooperación y transparencia impulsadas por la comunidad.

• Posibles actualizaciones a nivel de protocolo para eliminar o reducir los incentivos para tales ataques.

En definitiva, sólo Esfuerzos múltiples que combinan soluciones técnicas, organizativas y éticas. puede minimizar los impactos negativos de la retención de bloques y garantizar la salud y prosperidad a largo plazo de las redes de criptomonedas.

Referencias

1. Eyal, I. y Sirer, EG (2014). La mayoría no es suficiente: la minería de Bitcoin es vulnerable. Criptografía financiera y seguridad de datos.
   (Describe los ataques de retención de bloques de pools de minería y sus condiciones de rentabilidad.)

2. Dave Hudson (2014). Guerras de piscinas.
   (Publicación de blog personal que simula la retención en bloque mutuo y cuantifica las ganancias y pérdidas.)

3. Comunidad de desarrolladores de Tencent Cloud (2022). Incentivos potenciales en la minería de Bitcoin (en chino).
   (Analiza la competencia de los pools de minería y las estrategias de ataques ocultos.)

4. Bitcoin Optech (2020). Bloquear retención.
   (Un resumen técnico que analiza los ataques de retención de bloques y sus posibles mitigaciones.)

5. Yang Qi et al. (2023). Estrategias evolutivas estables en juegos de minería Blockchain. Ciencias Aplicadas.
   (Análisis evolutivo del juego sobre los cambios de estrategia de los pools de minería bajo diferentes mecanismos de castigo.)

6. Chen Hao y cols. (2022). "Un método de defensa basado en el comportamiento de los mineros contra ataques de retención de bloques". (Documento de conferencia, enlace no disponible públicamente)
   (Propone estrategias de defensa basadas en penaltis.)

7. Odaily Planet Daily (2022). Explorando el futuro de la minería de Bitcoin: ¿Se convertirán los pools de minería en un problema? (en chino).
   (Discusión sobre los riesgos del dominio del pool minero y las amenazas a la descentralización.)

8. Intercambio de pila de Bitcoin (2013). ¿Por qué la retención de bloques es una amenaza para los pools de minería?.
   (Discusión comunitaria sobre los impactos y motivaciones del mundo real detrás de la retención en bloque.)