Analyse complète de l'impact des attaques de retenue de bloc sur les mineurs

Introduction

Une attaque Block Withholding (BWH) est un comportement malveillant ciblant les pools de minage. Dans une telle attaque, les mineurs malveillants au sein du pool ont délibérément retenir les blocages complets une fois trouvés et soumettez uniquement des partages réguliers de preuves de travail. En conséquence, les attaquants conservent presque tous leurs revenus miniers attendus tout en faisant perdre au pool minier les récompenses de bloc potentielles. Les attaques par retenue de bloc ne modifient pas les données de la blockchain mais perturbent les revenus du pool minier et nuisent à la confiance et à la coopération entre les mineurs.
Ce document fournit une analyse approfondie et multidimensionnelle de la façon dont les attaques BWH affectent les mineurs, couvrant la perte de revenus, l'efficacité du minage, la gestion du pool, les relations de confiance, la santé globale du réseau et d'autres dimensions.

Impact sur les revenus et la perte de bénéfices

Les attaques de retenue de bloc réduisent directement la production de blocs du pool de minage victime, affectant ainsi les revenus des mineurs. Cet impact financier peut être analysé à deux niveaux : les mineurs individuels et le pool minier dans son ensemble.

1. Impact sur les mineurs honnêtes individuels

Lorsqu'un pool de minage subit une attaque BWH, les mineurs honnêtes reçoivent moins de récompenses car le pool génère moins de blocs. Le pool semble « malchanceux » et connaît des intervalles plus longs sans réussir à extraire un bloc. Dans les systèmes de distribution proportionnelle ou PPLNS (Pay-Per-Last-N-Shares), les mineurs malveillants collectent toujours des paiements basés sur les actions sans contribuer à des blocs complets, ce qui est efficace. diluer les récompenses des mineurs honnêtes.
Par exemple, dans un pool de minage Bitcoin, si un attaquant retient 1 bloc complet sur 1 000 actions trouvées, son revenu personnel n'est réduit que d'environ 0,1 %, mais le pool perd la récompense d'un bloc entier. Ainsi, les fruits du travail honnête des mineurs sont partiellement saisis, réduisant considérablement leurs revenus et leur rentabilité.

2. Impact sur le pool minier dans son ensemble

Au niveau du pool, chaque bloc retenu entraîne directement la perte d'une récompense minière (par exemple, 6,25 BTC plus les frais de transaction en Bitcoin). Il s'agit d'un coup financier majeur, surtout si l'attaquant contrôle une proportion non négligeable du taux de hachage total du pool.
Dans Paiement par action (PPS) Dans ces modèles, l’opérateur du pool paie les mineurs sur la base des actions soumises, quelle que soit la production réelle du bloc. Par conséquent, les blocages retenus entraînent pertes financières directes à l'opérateur. Dans modèles proportionnels/PPLNS, les récompenses ne sont distribuées que si les blocs sont réellement extraits ; les attaquants se chargent gratuitement en collectant une part des revenus des mineurs honnêtes sans contribuer à des blocs complets.

Le tableau ci-dessous résume la manière dont les pertes financières se manifestent selon différents systèmes de paiement :

3. Impact sur les revenus des attaquants

Il est intéressant de noter que les attaquants pourraient légèrement augmenter leur revenu global.
Si les attaquants gèrent simultanément leurs propres pools miniers ou exploitent normalement ailleurs, l’affaiblissement des concurrents améliore leur part dans la production mondiale de blocs. Les recherches montrent qu'un grand pool attaquant un autre grand pool peut légèrement augmenter ses gains totaux.
Par exemple, si deux pools détiennent chacun 25 % du taux de hachage total du réseau et que l’un alloue 4 % du taux de hachage total du réseau à l’attaque de l’autre, les revenus totaux de l’attaquant pourraient augmenter d’environ 1,87 %, tandis que les mineurs honnêtes du pool attaqué pourraient perdre environ 10,2 % de leurs revenus.

Graphique:
Lorsque deux pools (A et B) ont chacun 25 % de partage de réseau et que A attaque B via la retenue de bloc :

• Ligne bleue : variation des revenus de l'attaquant (pics d'environ +1,87 % avec un taux d'attaque d'environ 4 %).

• Ligne rouge : les revenus des mineurs du pool de victimes chutent (~-10,2 %).

• Ligne verte : d'autres mineurs non impliqués bénéficient légèrement d'un taux de hachage effectif du réseau temporairement réduit.

Ainsi, même si le gain direct de l’attaquant est limité, la victime subit des pertes substantielles, ce qui rend la rétention de blocage plus une question d’importance. infliger des dégâts tactique plutôt qu’une stratégie très rentable.

Impact sur la difficulté et l'efficacité de l'exploitation minière

Les attaques par rétention de bloc ont également un impact sur les indicateurs de difficulté de minage et sur l'efficacité globale du minage :

1. Gaspillage de hashrate

Les attaques BWH provoquent d'importantes gaspillage de puissance de calcul: les attaquants trouvent des blocs valides mais refusent de les publier, ce qui entraîne un énorme gaspillage d'électricité et de puissance de hachage sans contribuer à la croissance de la blockchain.
Ainsi, le efficacité des contributions au taux de hachage unitaire au réseau diminue. Si une partie substantielle de la puissance de hachage totale du réseau est gaspillée à cause de la retenue, l'effort de calcul réel nécessaire pour générer chaque bloc augmente, entraînant une consommation d'énergie plus élevée pour maintenir le réseau à un débit de bloc stable.

2. Fluctuations à court terme des difficultés minières

La retenue de blocage ralentit vitesse réelle de production de blocs car une partie de la capacité de minage ne donne pas lieu à des blocs valides.
Avant le prochain ajustement de difficulté, les mineurs honnêtes peuvent remarquer que les blocs sont trouvés moins fréquemment, ce qui signifie que la difficulté devient temporairement trop élevée par rapport à la puissance de hachage effective. Cependant, la part des récompenses de bloc des mineurs honnêtes s’améliore légèrement car la contribution de l’attaquant est gaspillée.
Au fil du temps, lorsque le réseau détecte une production de blocs lente et prolongée, il ajustera la difficulté d'extraction. vers le bas pour restaurer l'intervalle de blocage normal.
Ainsi, si les attaques par retenue persistent, le réseau se recalibrera à un niveau de difficulté inférieur, reflétant la baisse de la puissance minière effective. Du point de vue d’un mineur honnête, il y a une augmentation temporaire de la difficulté pendant la période d’attaque, suivie d’une augmentation temporaire de la difficulté. réduction de la difficulté minière après.

Cependant, lorsque les attaques s'arrêtent, la diminution de la difficulté peut entraîner une accélération temporaire du taux de blocage jusqu'à ce que la difficulté atteigne à nouveau de nouveaux niveaux d'équilibre. Des attaques et des arrêts fréquents provoquent volatilité des intervalles de blocs et difficulté de minage, compromettant la stabilité et la prévisibilité du réseau.

3. Diminution de la marge de sécurité du réseau

Même si les attaques par retenue de blocage ne représentent pas les mêmes menaces directes que les attaques à 51 %, elles réduire le taux de hachage effectif réel sécuriser la blockchain.
Chaque bloc retenu aurait pu ajouter au travail cumulatif sécurisant la blockchain, mais a été gaspillé. Sur le long terme, les retenues cumulées massives signifient que, pour un niveau d'apport énergétique donné, l'accumulation de sécurité du réseau est inférieure à ce qu'elle devrait être.
Essentiellement, les attaques par rétention de bloc rendent le réseau payer le coût de l’exploitation minière sans bénéficier pleinement des avantages en matière de sécurité, réduisant l'efficacité globale du consensus de preuve de travail.

Impact sur les opérations et la gestion du pool minier

Les attaques par retenue de bloc introduisent d’importants défis opérationnels et de sécurité pour les pools miniers :

1. Dommages à la réputation du pool et pressions de paiement

Lorsqu’un pool minier connaît une malchance constante dans la recherche de blocs, sa réputation en souffre.
Si les attaques par retenue ne sont pas détectées, la production de blocs du pool reste constamment inférieure aux prévisions, ce qui amène les mineurs à soupçonner une mauvaise gestion ou des problèmes internes et éventuellement à migrer vers d'autres pools.
Ceci est particulièrement critique pour piscines plus petites, où quelques blocs manquants peuvent provoquer la panique et l'attrition des mineurs.

Dans Modèles de paiement PPS, les blocages retenus provoquent pertes directes aux opérateurs de pool, car ils doivent payer les mineurs pour leurs actions même sans récompenses de bloc correspondantes. Au fil du temps, si cela n'est pas détecté, cela pourrait entraîner insolvabilité financière.

2. Détection des mineurs malveillants

Pour contrer les attaques cachées, les opérateurs de pool doivent déployer suivi statistique et analyse du comportement outils.
Ils peuvent surveiller les actions soumises par chaque mineur et la probabilité attendue de trouver un bloc au fil du temps.
Si un mineur soumet un grand nombre d’actions mais ne soumet jamais de blocs complets malgré les attentes statistiques, il peut être signalé comme suspect.
Cependant, cette détection est difficile car le comportement de rétention ressemble à malchance naturelle.
Les attaquants peuvent également répartir leur pouvoir de hachage sur plusieurs comptes (« sybil mining ») pour éviter toute suspicion, rendant ainsi la détection purement statistique moins efficace.

3. Restrictions d'admission et mécanismes de confiance

Certains pools réagissent en resserrant critères d'adhésion, exigeant une vérification d'identité KYC (Know Your Customer), des dépôts ou une intégration plus stricte pour empêcher l'infiltration de concurrents.
D'autres proposent mécanismes punitifs: pénaliser légèrement les récompenses de tous les mineurs si une retenue de bloc est détectée, encourageant ainsi une surveillance collective.
Cependant, cela risque de punir injustement des mineurs innocents et peut prêter à controverse.

Une autre mesure défensive est ajustement de la structure des récompenses:

• Bonus croissants pour les mineurs qui soumettent des blocs complets.

• Réduire la proportion de paiements purement fondés sur des actions.

Alternativement, la proposition « Oblivious Shares » suggère que les mineurs devraient soumettre des preuves sans savoir s'ils ont trouvé un bloc complet, ce qui empêcherait une retenue sélective. Toutefois, la mise en œuvre de telles solutions nécessiterait changements majeurs de protocole (par exemple, les hard forks), qui sont difficiles à déployer.

4. Complexité et coûts de gestion accrus

En général, les attaques de retenue de blocage forcent les pools à s'équilibrer. ouverture et sécurité.
Alors que les pools miniers cherchent à se développer en admettant davantage de mineurs, ils doivent également se défendre contre les menaces cachées, ce qui augmente la complexité opérationnelle et les frais généraux.
Les grands pools peuvent se permettre des systèmes de détection avancés, mais les petits pools manquent souvent de ressources, ce qui les rend plus vulnérables.

Impact sur les relations de confiance et de coopération

Les attaques de retenue de blocage portent gravement atteinte à la confiance entre les mineurs et les pools, ainsi qu'entre les pools eux-mêmes :

1. Confiance entre les mineurs et les pools

Les pools miniers fonctionnent traditionnellement sur la base de coopération mutuelle et partage équitable des récompenses.
Les mineurs contribuent au pouvoir de hachage et les pools distribuent des récompenses en fonction de leurs contributions.
Cependant, la retenue de blocage révèle que même lorsque tout le monde suit les règles nominales, certains acteurs internes peuvent agir de manière égoïste aux dépens des autres.
Cela crée méfiance chez les mineurs :

• Y a-t-il des saboteurs internes ?

• L’exploitant du pool est-il capable de détecter et de prévenir les comportements malveillants ?

Si un pool ne parvient pas à expliquer une malchance constante ou à mettre en œuvre des contre-mesures efficaces, les mineurs honnêtes peuvent perdre confiance et partir.
D’un autre côté, les exploitants de pools peuvent également devenir excessivement méfiants à l’égard de tous les membres, ce qui conduit à des procédures de vérification intrusives qui érodent encore davantage la confiance de la communauté.

2. Confiance entre les pools

Idéalement, différents pools miniers se font concurrence mais ne se sabotent pas activement.
Cependant, la retenue de blocage introduit hostilité stratégique entre les piscines.
De grands pools peuvent s'infiltrer et attaquer des pools plus petits ou rivaux pour affaiblir les concurrents, perturbant l’esprit de saine concurrence.

Le manque de confiance décourage partage d'informations et efforts de collaboration comme l'amélioration des protocoles de minage (par exemple, Stratum V2) ou la coordination des réponses aux attaques à 51 %.
Sans une forte solidarité industrielle, l’écosystème minier devient fragmenté et vulnérable.

L'analyse de la théorie des jeux montre que s'il n'y a pas de sanctions ou de réglementations externes, la retenue mutuelle de bloc peut devenir un équilibre de Nash: même si cela nuit à tout le monde, des acteurs rationnels pourraient toujours choisir d’attaquer plutôt que de risquer une perte unilatérale.

Ainsi, la retenue de bloc peut faire passer les pools miniers d’un environnement coopératif dans un course aux armements destructrice, nuisant à l’ensemble du secteur minier.

3. Impact sur la communauté des mineurs

La méfiance généralisée nuit également à communauté minière plus large:

• Les mineurs sont moins disposés à partager leurs connaissances ou à soutenir de nouvelles initiatives de pool.

• Les nouveaux protocoles ou améliorations nécessitant un consensus des mineurs se heurtent à une plus grande résistance.

• Les mineurs de petite ou moyenne taille préféreront peut-être rejoindre uniquement les plus grands pools, estimant qu'ils offrent une meilleure protection contre les attaques cachées.

Cela renforce dynamique du « gagnant qui remporte tout », où les grands pools s'agrandissent au détriment de la décentralisation – à l'encontre de l'esprit original des réseaux blockchain.

Impact sur la santé et la sécurité globales du réseau

D’un point de vue macro, même si la retenue de bloc ne compromet pas directement l’intégrité des transactions blockchain comme une attaque à 51 %, ses effets cumulés présentent toujours des risques :

1. Centralisation et perte de décentralisation

La retenue de bloc exacerbe la centralisation minière.
Les petits pools sont plus vulnérables à de telles attaques et peuvent avoir du mal à survivre, tandis que les grands pools peuvent mieux absorber les attaques, voire les perpétrer contre leurs concurrents.
Ainsi, les forts deviennent plus forts, conduisant à concentration de hashrate entre les mains de quelques acteurs majeurs.
Une telle concentration affaiblit la résistance du réseau aux attaques à 51 % et met à mal les principes de décentralisation fondamentaux des crypto-monnaies.

2. Diminution de l'efficacité et de la stabilité du réseau

Comme indiqué précédemment, la rétention des attaques gaspille de la puissance de hachage, ce qui entraîne consommation d'énergie plus élevée par bloc valide.
Les intervalles de blocage deviennent plus irréguliers en raison des taux de hachage effectifs fluctuants.
Bien que le mécanisme d'ajustement de la difficulté du Bitcoin rétablisse finalement l'équilibre, l'instabilité à court terme compromet la prévisibilité pour les mineurs et les utilisateurs.

Les retenues fréquentes de blocs pourraient décourager les sociétés minières de continuer à participer, surtout si la rentabilité devient imprévisible, ce qui entraînerait de nouvelles le hashrate diminue et un profil de sécurité plus faible pour la blockchain.

3. Protocole et réponse communautaire

L’existence d’attaques BWH révèle des failles d’incitation dans le consensus de preuve de travail – des situations dans lesquelles les mineurs rationnels sont incités à nuire au réseau à des fins personnelles.
Cela a déclenché des discussions sur les mises à niveau ou les refontes des protocoles :

• Des concepts comme « Partages inconscients ».

• Mécanismes de pénalité pour comportement malveillant.

• Modifications structurelles des récompenses minières.

Cependant, la mise en œuvre de telles solutions nécessite souvent changements fondamentaux aux protocoles miniers, difficiles, controversés et lents à déployer.

Ainsi, dans un avenir prévisible, la retenue en bloc reste une menace latente exigeant la vigilance des mineurs, des exploitants de pools et des développeurs.

4. Gaspillage d’énergie et préoccupations environnementales

Étant donné que l’exploitation minière par preuve de travail consomme déjà énormément d’énergie, la retenue de blocage aggrave les critiques environnementales en gaspiller de l'électricité sans contribuer à la sécurité de la blockchain.
Cette inefficacité pourrait alimenter le contrôle réglementaire et renforcer les arguments contre Bitcoin et d’autres crypto-monnaies basées sur PoW.

5. Risques cachés et cumulatifs

La retenue de bloc est un menace interne et furtive – pas immédiatement catastrophique, mais érodant progressivement la robustesse du réseau.
Cela affaiblit l’alignement entre les incitations individuelles des mineurs et le bien collectif du réseau.
En raison de sa nature furtive, une retenue de blocage prolongée peut passer inaperçue, provoquant des pertes et des vulnérabilités inaperçues jusqu'à ce que des dommages importants s'accumulent.

Autres impacts et considérations importants

Outre les principaux effets évoqués ci-dessus, les attaques par rétention de blocage entraînent plusieurs conséquences supplémentaires notables :

1. Impact asymétrique sur les piscines de différentes tailles

Bloquer la retenue nuit de manière disproportionnée petits pools miniers:

• Les pools plus petits ont des fréquences de recherche de blocs plus faibles, de sorte que même un seul bloc retenu peut avoir un impact sérieux sur leurs revenus.

• Ils manquent souvent de mécanismes avancés de détection et de sécurité, ce qui en fait des cibles faciles.

En revanche, grandes piscines sont plus résistants :

• Un seul bloc manquant représente un plus petit pourcentage de leurs gains totaux.

• Ils peuvent se permettre des systèmes de défense et de détection sophistiqués.

De plus, les grands pools peuvent utiliser les attaques de retenue de bloc comme une arme compétitive pour supprimer davantage les petits pools, accélérant la centralisation minière.

2. Impact asymétrique sur les mineurs individuels

• Mineurs à grande échelle exploitent souvent leurs propres pools privés ou participent à des pools de premier plan, se protégeant ainsi des attaques cachées.

• Mineurs artisanaux ou amateurs, qui dépendent des pools publics pour un revenu stable, sont les plus vulnérables à la réduction de leurs revenus causée par les attaques BWH.

Ainsi, la retenue de bloc augmente les risques et les incertitudes liés au minage pour les petits participants, les excluant du marché et concentrant davantage le pouvoir minier entre quelques grands acteurs.

3. Motivations et risques des attaquants

Les deux principales motivations des attaquants sont :

• Gain économique: affaiblir les concurrents pour augmenter relativement leur propre part de récompenses.

• Suppression stratégique: contraindre les pools rivaux à des difficultés financières ou à une perte de réputation.

Cependant, les attaquants sont également confrontés à des risques :

• Ils sacrifier une partie de leurs propres revenus lors de la retenue des blocs.

• Les attaques peuvent échouer si elles sont mal exécutées, entraînant des pertes nettes.

• S’ils sont découverts et exposés (même si cela est difficile), les attaquants risquent atteinte à la réputation.

Les analyses actuelles montrent que les attaquants ne réalisent des profits significatifs que dans des conditions spécifiques (par exemple, grand pool d'attaques, taux de hachage relatif important).
Dans la plupart des scénarios du monde réel, les attaques de retenue de blocage génèrent des rendements limités, voire négatifs, ce qui explique en partie pourquoi les attaques à grande échelle sont rares aujourd’hui.

4. Gaspillage énergétique et impact environnemental

La retenue de bloc exacerbe les critiques en matière de consommation d’énergie auxquelles sont déjà confrontées les mines de preuve de travail.
Cela augmente la consommation électrique du réseau sans augmenter la sécurité de la blockchain — le travail de calcul inutile est tout simplement abandonné.

Alors que l’efficacité énergétique et l’impact climatique deviennent des enjeux publics de plus en plus critiques, tout facteur aggravant l’inefficacité minière invite à une surveillance réglementaire et sociale accrue.

5. Potentiel d’attaques composées

La retenue de blocage pourrait être combinée avec d’autres stratégies d’attaque pour des dégâts plus importants.
Les exemples incluent :

• Extraction égoïste + retenue de bloc (« Selfholding »): combiner les deux pour maximiser les profits des attaquants tout en supprimant les concurrents.

• Bloquer les attaques de double soumission: revendre secrètement les blocs retenus au pool de victimes.

Bien que ces attaques hybrides soient aujourd’hui pour la plupart théoriques, elles démontrent comment les menaces internes et externes peuvent entrelacer dans le futur concours minier.

La communauté minière doit rester attentive à l’évolution des combinaisons d’attaques qui exploitent les vulnérabilités de confiance.

Conclusion

En résumé, les attaques par retenue de bloc – bien que furtives et pas immédiatement catastrophiques – ont des impacts négatifs importants sur l’écosystème de minage de cryptomonnaie :

• Pour les mineurs individuels et les pools miniers, ils entraîner une perte de revenus directe et Dilution injuste des récompenses.

• Pour le processus d'extraction, ils gaspiller des ressources informatiques et déstabiliser les difficultés minières.

• Pour la gestion de la piscine, ils augmenter la complexité opérationnelle et imposer des contrôles d'adhésion plus stricts.

• Pour la confiance de la communauté, ils éroder la confiance entre les mineurs et les pools, nuisant à l'esprit coopératif.

• Pour la santé du réseau, ils accélérer la centralisation minière, aggraver l'inefficacité énergétique, et diminuer la sécurité effective de la blockchain.

• Pour des raisons environnementales, ils nuire encore davantage à la réputation de Bitcoin comme un système énergivore.

Bien que les cas réels d'attaques à grande échelle par rétention de bloc soient actuellement rares (principalement parce que les profits sont limités), la simple existence de cette vulnérabilité révèle des défauts d’incitation dans les systèmes de preuve de travail actuels.

Les stratégies d’atténuation doivent impliquer une combinaison de :

• De meilleures pratiques de sécurité interne dans les pools miniers.

• Coopération et transparence pilotées par la communauté.

• Mises à niveau potentielles au niveau du protocole pour éliminer ou réduire l’incitation à de telles attaques.

En fin de compte, seulement des efforts sur plusieurs fronts combinant des solutions techniques, organisationnelles et éthiques peut minimiser les impacts négatifs de la retenue de bloc et assurer la santé et la prospérité à long terme des réseaux de crypto-monnaie.

Références

1. Eyal, I. et Sirer, EG (2014). La majorité ne suffit pas : le minage de Bitcoin est vulnérable. Cryptographie financière et sécurité des données.
   (Décrit les attaques de retenue de bloc de pool minier et leurs conditions de rentabilité.)

2. Dave Hudson (2014). Guerres de piscine.
   (Article de blog personnel simulant la retenue de blocage mutuel et quantifiant les gains et les pertes.)

3. Communauté de développeurs Tencent Cloud (2022). Incitations potentielles dans le minage de Bitcoin (en chinois).
   (Discute de la concurrence entre les pools miniers et des stratégies d'attaque cachées.)

4. Bitcoin Optech (2020). Bloquer la retenue.
   (Une note technique traitant des attaques par rétention de blocage et des atténuations potentielles.)

5. Yang Qi et coll. (2023). Stratégies évolutives stables dans les jeux miniers Blockchain. Sciences appliquées.
   (Analyse de jeu évolutive sur les changements de stratégie des pools miniers sous différents mécanismes de punition.)

6. Chen Hao et coll. (2022). "Une méthode de défense basée sur le comportement des mineurs contre les attaques de retenue de blocage." (Document de conférence, lien non accessible au public)
   (Propose des stratégies de défense basées sur les pénalités.)

7. Odaily Planet Quotidien (2022). Explorer l’avenir du minage de Bitcoin : les pools miniers deviendront-ils un problème ? (en chinois).
   (Discussion sur les risques de domination du pool minier et les menaces de décentralisation.)

8. Bitcoin StackExchange (2013). En quoi la retenue de bloc constitue-t-elle une menace pour les pools miniers ?.
   (Discussion communautaire sur les impacts du monde réel et les motivations derrière la retenue de blocage.)