Analisi completa dell'impatto degli attacchi di blocco alla fonte sui minatori

Introduzione

Un attacco Block Withholding (BWH) è un comportamento dannoso che prende di mira i pool minerari. In un tale attacco, i minatori dannosi all'interno del pool deliberatamente trattenere blocchi interi quando trovati e inviare solo condivisioni regolari di prove di lavoro. Di conseguenza, gli aggressori trattengono quasi tutto il reddito minerario previsto, facendo perdere al pool di mining potenziali ricompense di blocco. Gli attacchi con ritenuta alla fonte non modificano i dati blockchain ma interrompono i ricavi del pool minerario e danneggiano la fiducia e la cooperazione tra i minatori.
Questo documento fornisce un'analisi approfondita e sfaccettata di come gli attacchi BWH colpiscono i minatori, coprendo la perdita di reddito, l'efficienza del mining, la gestione del pool, le relazioni di fiducia, la salute generale della rete e altre dimensioni.

Impatto sul reddito e sulla perdita di profitto

Gli attacchi di blocco alla fonte riducono direttamente l'output di blocco del pool minerario della vittima, influenzando così i guadagni dei minatori. Questo impatto finanziario può essere analizzato a due livelli: i singoli minatori e il pool minerario nel suo insieme.

1. Impatto sui singoli minatori onesti

Quando un pool minerario subisce un attacco BWH, i minatori onesti ricevono meno ricompense perché il pool genera meno blocchi. Il pool appare "sfortunato" e sperimenta intervalli più lunghi senza estrarre con successo un blocco. Negli schemi di distribuzione proporzionale o PPLNS (Pay-Per-Last-N-Shares), i minatori malintenzionati continuano a raccogliere pagamenti basati su azioni senza contribuire con blocchi completi, in modo efficace diluendo le ricompense dei minatori onesti.
Ad esempio, in un pool di mining Bitcoin, se un utente malintenzionato trattiene 1 blocco completo su 1000 azioni trovate, il suo reddito personale viene ridotto solo dello 0,1% circa, ma il pool perde la ricompensa di un intero blocco. Pertanto, i frutti del lavoro dei minatori onesti vengono parzialmente sequestrati, riducendo significativamente i loro guadagni e la loro redditività.

2. Impatto sul Mining Pool nel suo insieme

A livello di pool, ogni blocco trattenuto comporta direttamente la perdita di una ricompensa mineraria (ad esempio, 6,25 BTC più commissioni di transazione in Bitcoin). Si tratta di un duro colpo finanziario, soprattutto se l'aggressore controlla una percentuale non trascurabile dell'hash rate totale del pool.
In Pagamento per azione (PPS) modelli, l'operatore del pool paga i minatori in base alle azioni presentate indipendentemente dall'effettiva produzione di blocchi. Pertanto, i blocchi trattenuti causano perdite finanziarie dirette all'operatore. In modelli proporzionali/PPLNS, le ricompense vengono distribuite solo se i blocchi vengono effettivamente estratti; gli aggressori si scaricano raccogliendo una quota dei guadagni dei minatori onesti senza contribuire con blocchi interi.

La tabella seguente riassume come si manifestano le perdite finanziarie in base ai diversi schemi di pagamento:

3. Impatto sulle entrate degli aggressori

È interessante notare che gli aggressori potrebbero leggermente aumentare il loro reddito complessivo.
Se gli aggressori gestiscono contemporaneamente i propri pool minerari o estraggono normalmente altrove, l’indebolimento dei concorrenti migliora la loro quota di produzione globale di blocchi. La ricerca mostra che un grande pool che attacca un altro grande pool può aumentare leggermente i suoi guadagni totali.
Ad esempio, se due pool detengono ciascuno il 25% dell’hash rate totale della rete e uno assegna il 4% dell’hash rate totale della rete per attaccare l’altro, i guadagni totali dell’attaccante potrebbero aumentare di circa l’1,87%, mentre i miner onesti nel pool attaccato potrebbero perdere circa il 10,2% dei loro guadagni.

Grafico:
Quando due pool (A e B) hanno ciascuno il 25% di condivisione di rete e A attacca B tramite blocco alla fonte:

• Linea blu: variazione delle entrate dell'attaccante (picchi intorno al +1,87% con un tasso di attacco di circa il 4%).

• Linea rossa: le entrate dei minatori del pool di vittime diminuiscono (~-10,2%).

• Linea verde: altri miner non coinvolti beneficiano leggermente a causa dell'hash rate effettivo della rete temporaneamente ridotto.

Pertanto, mentre il guadagno diretto dell’attaccante è limitato, la vittima subisce perdite sostanziali, rendendo il blocco più di a infliggere danni tattica piuttosto che una strategia altamente redditizia.

Impatto sulla difficoltà e sull’efficienza dell’estrazione mineraria

Gli attacchi con ritenuta alla fonte influiscono anche sugli indicatori di difficoltà del mining e sull'efficienza complessiva del mining:

1. Rifiuti Hashrate

Gli attacchi BWH causano danni significativi spreco di potenza di calcolo: gli aggressori trovano blocchi validi ma si rifiutano di pubblicarli, con conseguente enorme spreco di elettricità e hash power senza contribuire alla crescita della blockchain.
Quindi, il efficienza dei contributi dell’hash rate unitario alla rete diminuisce. Se una parte sostanziale della potenza di hash totale della rete viene sprecata attraverso la ritenuta, lo sforzo computazionale effettivo necessario per generare ciascun blocco aumenta, portando a un consumo energetico più elevato per mantenere la rete a una velocità di blocco costante.

2. Fluttuazioni a breve termine nella difficoltà di estrazione

Il blocco della ritenuta rallenta velocità effettiva di produzione dei blocchi perché parte della capacità di mining non dà luogo a blocchi validi.
Prima del successivo aggiustamento della difficoltà, i minatori onesti potrebbero notare che i blocchi vengono trovati meno frequentemente, il che significa che la difficoltà diventa temporaneamente troppo alta rispetto al potere di hashing effettivo. Tuttavia, la quota di ricompense di blocco dei minatori onesti migliora leggermente perché il contributo dell’attaccante viene sprecato.
Nel corso del tempo, quando la rete rileva una produzione prolungata di blocchi lenti, adeguerà la difficoltà di mining verso il basso per ripristinare il normale intervallo di blocco.
Pertanto, se gli attacchi continuano, la rete si ricalibrerà a un livello di difficoltà inferiore, riflettendo il calo della potenza effettiva di mining. Dal punto di vista di un minatore onesto, si verifica un aumento temporaneo della difficoltà durante il periodo di attacco, seguito da a diminuzione della difficoltà di estrazione dopo.

Quando gli attacchi si fermano, tuttavia, la diminuzione della difficoltà può far sì che il tasso di blocco acceleri temporaneamente finché la difficoltà non torna a nuovi livelli di equilibrio. Causano frequenti attacchi e interruzioni volatilità negli intervalli di blocco e difficoltà di mining, minando la stabilità e la prevedibilità della rete.

3. Diminuzione del margine di sicurezza della rete

Sebbene gli attacchi con ritenuta alla fonte non pongano le stesse minacce dirette degli attacchi 51%, sono efficaci ridurre l’hash rate effettivo effettivo proteggere la blockchain.
Ogni blocco trattenuto avrebbe potuto aumentare il lavoro cumulativo di messa in sicurezza della blockchain, ma è stato invece sprecato. Nel lungo termine, una massiccia ritenuta cumulativa significa che, per un dato livello di input energetico, l’accumulo di sicurezza della rete è inferiore a quanto dovrebbe essere.
In sostanza, gli attacchi di blocco alla fonte creano la rete pagare il costo del mining senza ottenere tutti i benefici in termini di sicurezza, riducendo l’efficienza complessiva del consenso Proof-of-Work.

Impatto sulle operazioni e sulla gestione del pool minerario

Gli attacchi con ritenuta alla fonte introducono significative sfide operative e di sicurezza per i pool minerari:

1. Danni alla reputazione del pool e pressione sui pagamenti

Quando un pool minerario sperimenta una costante sfortuna nel trovare blocchi, la sua reputazione ne risente.
Se gli attacchi alla fonte non vengono rilevati, la produzione di blocchi del pool rimane persistentemente inferiore al previsto, inducendo i minatori a sospettare una cattiva gestione o problemi interni e possibilmente a migrare verso altri pool.
Ciò è particolarmente critico per piscine più piccole, dove alcuni blocchi mancanti possono causare panico e logoramento dei minatori.

In Modelli di pagamento PPS, causa blocchi trattenuti perdite dirette agli operatori del pool, poiché devono pagare i minatori per le loro azioni anche senza corrispondenti premi in blocco. Nel corso del tempo, se non rilevato, ciò potrebbe portare a insolvenza finanziaria.

2. Rilevamento di minatori dannosi

Per contrastare gli attacchi nascosti, gli operatori del pool devono attivarsi monitoraggio statistico e analisi del comportamento utensili.
Possono monitorare le azioni inviate da ciascun minatore e la probabilità prevista di trovare blocchi nel tempo.
Se un minatore invia un gran numero di azioni ma non invia mai blocchi completi nonostante le aspettative statistiche, potrebbe essere contrassegnato come sospetto.
Tuttavia, questo rilevamento è difficile perché il comportamento di trattenimento assomiglia sfortuna naturale.
Gli aggressori possono anche suddividere il proprio potere di hashing su più account ("sybil mining") per evitare sospetti, rendendo meno efficace il rilevamento puramente statistico.

3. Limitazioni all'ammissione e meccanismi fiduciari

Alcuni pool rispondono inasprendo criteri di adesione, richiedendo la verifica dell'identità KYC (Know Your Customer), depositi o un onboarding più rigoroso per impedire l'infiltrazione da parte della concorrenza.
Altri propongono meccanismi punitivi: penalizzare leggermente tutti i premi dei minatori se viene rilevata una ritenuta alla fonte sui blocchi, incoraggiando così la supervisione collettiva.
Tuttavia, ciò rischia di punire ingiustamente i minatori innocenti e può essere controverso.

Un'altra misura difensiva è aggiustamento della struttura della ricompensa:

• Bonus crescenti per i miner che inviano blocchi completi.

• Ridurre la percentuale dei pagamenti basati su azioni pure.

In alternativa, la proposta "Oblivious Shares" suggerisce che i miner dovrebbero presentare prove senza sapere se hanno trovato un blocco completo, impedendo la ritenuta selettiva. Tuttavia, l’implementazione di tali soluzioni richiederebbe importanti modifiche al protocollo (ad esempio, hard fork), che sono difficili da implementare.

4. Aumento della complessità e dei costi di gestione

In generale, gli attacchi di blocco forzano i pool a bilanciarsi apertura e sicurezza.
Sebbene i pool minerari cerchino di crescere ammettendo più minatori, devono anche difendersi dalle minacce nascoste, aumentando la complessità operativa e le spese generali.
I pool di grandi dimensioni possono permettersi sistemi di rilevamento avanzati, ma i pool più piccoli spesso non dispongono di risorse, il che li rende più vulnerabili.

Impatto sulle relazioni di fiducia e cooperazione

Gli attacchi di blocco alla fonte danneggiano gravemente la fiducia tra miner e pool, nonché tra i pool stessi:

1. Fiducia tra miner e pool

I pool minerari operano tradizionalmente in base a cooperazione reciproca ed equa condivisione delle ricompense.
I minatori contribuiscono all’hashing power e i pool distribuiscono le ricompense in base ai loro contributi.
Tuttavia, la ritenuta alla fonte rivela che anche quando tutti seguono le regole nominali, alcuni attori interni potrebbero agire egoisticamente a scapito di altri.
Questo crea diffidare tra i minatori:

• Ci sono sabotatori interni?

• L'operatore del pool è in grado di rilevare e prevenire comportamenti dannosi?

Se un pool non riesce a spiegare la continua sfortuna o a implementare contromisure efficaci, i minatori onesti potrebbero perdere fiducia e andarsene.
D’altro canto, gli operatori dei pool potrebbero anche diventare eccessivamente sospettosi nei confronti di tutti i membri, portando a procedure di verifica intrusive che minano ulteriormente la fiducia della comunità.

2. Fiducia tra pool

Idealmente, diversi pool minerari competono ma non si sabotano attivamente a vicenda.
Tuttavia, viene introdotta la ritenuta alla fonte ostilità strategica tra le piscine.
I pool di grandi dimensioni possono infiltrarsi e attaccare pool più piccoli o rivali indebolire i concorrenti, sconvolgendo lo spirito di sana competizione.

La mancanza di fiducia scoraggia condivisione delle informazioni E sforzi di collaborazione come il miglioramento dei protocolli di mining (ad esempio Stratum V2) o il coordinamento delle risposte agli attacchi del 51%.
Senza una forte solidarietà industriale, l’ecosistema minerario diventa frammentato e vulnerabile.

L’analisi della teoria dei giochi mostra che se non ci sono punizioni o regolamenti esterni, la ritenuta alla fonte in blocco reciproco può diventare un equilibrio di Nash: anche se danneggia tutti, gli attori razionali potrebbero comunque scegliere di attaccare piuttosto che rischiare una perdita unilaterale.

Pertanto, la ritenuta alla fonte sui blocchi può allontanare i pool minerari da a ambiente cooperativo in a corsa agli armamenti distruttiva, danneggiando l’intero settore minerario.

3. Impatto sulla comunità dei minatori

Colpisce anche la sfiducia generalizzata comunità mineraria più ampia:

• I minatori diventano meno disposti a condividere conoscenze o a sostenere nuove iniziative di pool.

• Nuovi protocolli o miglioramenti che richiedono il consenso dei minatori incontrano una maggiore resistenza.

• I minatori di piccole o medie dimensioni potrebbero preferire aderire solo ai pool più grandi, ritenendo che offrano una migliore protezione contro gli attacchi nascosti.

Questo rafforza Dinamiche “il vincitore prende tutto”., dove i grandi pool crescono a scapito della decentralizzazione, contro lo spirito originale delle reti blockchain.

Impatto sull'integrità e sulla sicurezza complessiva della rete

Da un punto di vista macro, sebbene la ritenuta alla fonte sui blocchi non comprometta direttamente l’integrità delle transazioni blockchain come un attacco del 51%, i suoi effetti cumulativi comportano comunque dei rischi:

1. Centralizzazione e perdita di decentramento

La ritenuta alla fonte dei blocchi aggrava la centralizzazione del mining.
I piccoli pool sono più vulnerabili a tali attacchi e possono avere difficoltà a sopravvivere, mentre i grandi pool possono assorbire meglio gli attacchi o addirittura perpetrarli contro i concorrenti.
Così, i forti diventano più forti, portando a concentrazione di hashrate nelle mani di pochi grandi attori.
Tale concentrazione indebolisce la resistenza della rete agli attacchi del 51% e mina i principi di decentralizzazione alla base delle criptovalute.

2. Diminuzione dell'efficienza e della stabilità della rete

Come discusso in precedenza, trattenere gli attacchi spreca potere di hashing, con conseguente consumo energetico più elevato per blocco valido.
Gli intervalli di blocco diventano più irregolari a causa della fluttuazione degli hash rate effettivi.
Sebbene il meccanismo di aggiustamento della difficoltà di Bitcoin alla fine ripristini l’equilibrio, l’instabilità a breve termine mina la prevedibilità per minatori e utenti.

Frequenti trattenute sui blocchi potrebbero scoraggiare i miner dal continuare a partecipare, soprattutto se la redditività diventa imprevedibile, portando a ulteriori sviluppi l'hashrate diminuisce e un profilo di sicurezza più debole per la blockchain.

3. Protocollo e risposta della comunità

L’esistenza degli attacchi BWH mette in luce i difetti degli incentivi nel consenso Proof-of-Work, situazioni in cui i minatori razionali hanno un incentivo a danneggiare la rete per guadagno personale.
Ciò ha innescato discussioni sugli aggiornamenti o sulle riprogettazioni del protocollo:

• Concetti come "Condivisioni ignare".

• Meccanismi sanzionatori per comportamenti dolosi.

• Modifiche strutturali alle ricompense minerarie.

Tuttavia, l’implementazione di tali soluzioni spesso richiede cambiamenti fondamentali ai protocolli di mining, che sono difficili, controversi e lenti da implementare.

Pertanto, per il prossimo futuro, la ritenuta in blocco rimane una minaccia latente richiedendo vigilanza da parte di minatori, operatori di pool e sviluppatori.

4. Sprechi energetici e preoccupazioni ambientali

Poiché il mining Proof-of-Work consuma già enormi quantità di energia, il blocco alla fonte peggiora le critiche ambientali sprecare elettricità senza contribuire alla sicurezza della blockchain.
Questa inefficienza potrebbe alimentare il controllo normativo e rafforzare le argomentazioni contro Bitcoin e altre criptovalute basate su PoW.

5. Rischi nascosti e cumulativi

La ritenuta d'acconto è un minaccia interna e furtiva – Non immediatamente catastrofico, ma che erode gradualmente la robustezza della rete.
Indebolisce l’allineamento tra gli incentivi dei singoli minatori e il bene collettivo della rete.
A causa della sua natura furtiva, la sospensione prolungata del blocco potrebbe passare inosservata, causando perdite e vulnerabilità inosservate finché non si accumulano danni significativi.

Altri impatti e considerazioni importanti

Oltre agli effetti primari discussi sopra, gli attacchi con ritenuta alla fonte comportano diverse ulteriori conseguenze degne di nota:

1. Impatto asimmetrico su piscine di diverse dimensioni

Bloccare la trattenuta danneggia in modo sproporzionato pool minerari più piccoli:

• I pool più piccoli hanno frequenze di ricerca dei blocchi più basse, quindi anche un singolo blocco trattenuto può avere un impatto grave sulle loro entrate.

• Spesso non dispongono di meccanismi avanzati di rilevamento e sicurezza, il che li rende facili bersagli.

Al contrario, grandi piscine sono più resistenti:

• Un singolo blocco mancante rappresenta una percentuale minore dei guadagni totali.

• Possono permettersi difese e sistemi di rilevamento sofisticati.

Inoltre, i pool di grandi dimensioni possono utilizzare gli attacchi di ritenuta alla fonte come arma competitiva sopprimere ulteriormente i pool più piccoli, accelerando la centralizzazione del mining.

2. Impatto asimmetrico sui singoli minatori

• Minatori su larga scala spesso gestiscono i propri pool privati ​​o partecipano a pool di alto livello, proteggendosi da attacchi nascosti.

• Minatori su piccola scala o hobbisti, che fanno affidamento sui fondi pubblici per un reddito stabile, sono i più vulnerabili alla riduzione dei guadagni causata dagli attacchi BWH.

Pertanto, la ritenuta alla fonte aumenta i rischi e le incertezze minerarie per i piccoli partecipanti, spingendoli fuori dal mercato e concentrando ulteriormente il potere minerario tra pochi grandi attori.

3. Motivazioni e rischi degli aggressori

Le due motivazioni principali per gli aggressori sono:

• Guadagno economico: indebolire i concorrenti per aumentare relativamente la propria quota di premi.

• Repressione strategica: costringere i pool rivali in difficoltà finanziarie o perdita di reputazione.

Tuttavia, gli aggressori corrono anche dei rischi:

• Essi sacrificare parte del proprio reddito quando si trattengono i blocchi.

• Gli attacchi potrebbero fallire se eseguiti male, portando a perdite nette.

• Se scoperti ed esposti (anche se difficile), gli aggressori rischiano danno reputazionale.

Le analisi attuali mostrano che gli aggressori ottengono profitti significativi solo in condizioni specifiche (ad esempio, ampio pool di attaccanti, significativo hash rate relativo).
Nella maggior parte degli scenari del mondo reale, gli attacchi con ritenuta alla fonte producono rendimenti limitati o addirittura negativi, il che spiega in parte perché oggi gli attacchi su larga scala sono rari.

4. Sprechi energetici e impatto ambientale

La ritenuta alla fonte del blocco aggrava le critiche sul consumo di energia già affrontate nel mining Proof-of-Work.
Aumenta il consumo di elettricità della rete senza aumentare la sicurezza della blockchain — il lavoro computazionale sprecato viene semplicemente scartato.

Poiché l’efficienza energetica e l’impatto climatico diventano questioni pubbliche sempre più critiche, qualsiasi fattore che peggiori l’inefficienza mineraria è invitante maggiore controllo normativo e sociale.

5. Potenziale di attacchi composti

La ritenuta del blocco potrebbe essere combinata con altre strategie di attacco per danni maggiori.
Gli esempi includono:

• Estrazione egoistica + trattenuta in blocco ("Selfholding"): combinare i due per massimizzare i profitti dell’attaccante sopprimendo i concorrenti.

• Blocca gli attacchi di doppia sottomissione: rivendere segretamente i blocchi trattenuti al pool delle vittime.

Sebbene oggi questi attacchi ibridi siano per lo più teorici, dimostrano come potrebbero farlo le minacce interne ed esterne intrecciare nella futura competizione mineraria.

La comunità mineraria deve rimanere attenta all’evoluzione delle combinazioni di attacchi che sfruttano le vulnerabilità della fiducia.

Conclusione

In sintesi, gli attacchi di blocco alla fonte, sebbene furtivi e non immediatamente catastrofici, hanno ampi impatti negativi sull’ecosistema del mining di criptovalute:

• Per i singoli minatori e i pool minerari, loro causare una perdita diretta di reddito E diluizione ingiusta della ricompensa.

• Per il processo di mining, loro sprecare risorse computazionali E destabilizzare la difficoltà mineraria.

• Per la gestione della piscina, loro aumentare la complessità operativa E imporre controlli più severi sugli iscritti.

• Per la fiducia della comunità, loro erodere la fiducia sia tra i minatori che tra i pool, danneggiando lo spirito cooperativo.

• Per la salute della rete, loro accelerare la centralizzazione del mining, peggiorare l’inefficienza energetica, E diminuire la sicurezza effettiva della blockchain.

• Per le preoccupazioni ambientali, loro danneggiare ulteriormente la reputazione di Bitcoin come sistema ad alta intensità energetica.

Sebbene i casi reali di attacchi di blocco alla fonte su larga scala siano attualmente rari (principalmente perché i profitti sono limitati), la semplice esistenza di questa vulnerabilità rivela i difetti degli incentivi negli attuali sistemi Proof-of-Work.

Le strategie di mitigazione devono comportare una combinazione di:

• Migliori pratiche di sicurezza interna nei pool minerari.

• Cooperazione e trasparenza guidate dalla comunità.

• Potenziali aggiornamenti a livello di protocollo per eliminare o ridurre l'incentivo per tali attacchi.

Alla fine, solo sforzi su più fronti che combinano soluzioni tecniche, organizzative ed etiche può ridurre al minimo gli impatti negativi della ritenuta sui blocchi e garantire la salute e la prosperità a lungo termine delle reti di criptovaluta.

Riferimenti

1. Eyal, I., e Sirer, EG (2014). La maggioranza non basta: il mining di Bitcoin è vulnerabile. Crittografia finanziaria e sicurezza dei dati.
   (Descrive gli attacchi con ritenuta alla fonte dei blocchi del pool minerario e le relative condizioni di redditività.)

2. Dave Hudson (2014). Guerre in piscina.
   (Post di blog personali che simulano la trattenuta di blocco reciproco e quantificano guadagni e perdite.)

3. Comunità di sviluppatori Tencent Cloud (2022). Potenziali incentivi nel mining di Bitcoin (in cinese).
   (Discute la competizione tra pool minerari e le strategie di attacco nascoste.)

4. Bitcoin Optech (2020). Blocco della ritenuta.
   (Un brief tecnico che illustra la sospensione degli attacchi e le potenziali mitigazioni.)

5. Yang Qi et al. (2023). Strategie evolutive stabili nei giochi di mining Blockchain. Scienze applicate.
   (Analisi del gioco evolutivo sui cambiamenti di strategia dei pool minerari in base a diversi meccanismi di punizione.)

6. Chen Hao et al. (2022). "Un metodo di difesa basato sul comportamento dei minatori contro gli attacchi di blocco." (Documento della conferenza, collegamento non disponibile al pubblico)
   (Propone strategie di difesa basate sulle penalità.)

7. Odaily Planet Quotidiano (2022). Esplorando il futuro del mining di Bitcoin: i pool minerari diventeranno un problema? (in cinese).
   (Discussione sui rischi di dominanza delle pool minerarie e sulle minacce alla decentralizzazione.)

8. Bitcoin StackExchange (2013). In che modo la ritenuta alla fonte dei blocchi rappresenta una minaccia per i pool minerari?.
   (Discussione comunitaria sugli impatti nel mondo reale e sulle motivazioni alla base della ritenuta alla fonte.)