Análise abrangente do impacto de ataques de retenção de blocos em mineradores

Introdução

Um ataque de Bloqueio de Retenção (BWH) é um comportamento malicioso que visa pools de mineração. Nesse tipo de ataque, mineradores maliciosos dentro do pool retêm deliberadamente blocos inteiros quando encontrados e enviam apenas compartilhamentos regulares de prova de trabalho. Como resultado, os invasores retêm quase toda a sua receita de mineração esperada, enquanto fazem com que o pool de mineração perca potenciais recompensas por bloco. Ataques de bloqueio de retenção não modificam os dados da blockchain, mas interrompem as receitas do pool de mineração e prejudicam a confiança e a cooperação entre os mineradores.
Este documento fornece uma análise aprofundada e multifacetada de como os ataques BWH afetam os mineradores, abrangendo perda de renda, eficiência de mineração, gerenciamento de pool, relacionamentos de confiança, saúde geral da rede e outras dimensões.

Impacto na Renda e Perda de Lucro

Ataques de retenção de blocos reduzem diretamente a produção de blocos do pool de mineração da vítima, afetando assim os ganhos dos mineradores. Esse impacto financeiro pode ser analisado em dois níveis: mineradores individuais e o pool de mineração como um todo.

1. Impacto sobre mineradores honestos individuais

Quando um pool de mineração sofre um ataque BWH, os mineradores honestos recebem menos recompensas porque o pool gera menos blocos. O pool parece "azarado" e passa por intervalos maiores sem minerar um bloco com sucesso. Em esquemas de distribuição proporcional ou PPLNS (Pay-Per-Last-N-Shares), mineradores maliciosos ainda coletam pagamentos baseados em ações sem contribuir com blocos completos, diluindo efetivamente as recompensas dos mineradores honestos .
Por exemplo, em um pool de mineração de Bitcoin, se um invasor reter 1 bloco completo de cada 1.000 ações encontradas, sua renda pessoal será reduzida em apenas cerca de 0,1%, mas o pool perderá a recompensa de um bloco inteiro. Assim, os frutos do trabalho honesto dos mineradores são parcialmente confiscados, reduzindo significativamente seus ganhos e lucratividade.

2. Impacto no pool de mineração como um todo

No nível do pool, cada bloco retido resulta diretamente na perda de uma recompensa de mineração (por exemplo, 6,25 BTC mais taxas de transação em Bitcoin). Isso representa um grande golpe financeiro, especialmente se o invasor controlar uma proporção não desprezível da taxa de hash total do pool.
Em modelos de Pagamento por Ação (PPS) , o operador do pool paga os mineradores com base nas ações enviadas, independentemente da produção real de blocos. Portanto, blocos retidos causam perdas financeiras diretas ao operador. Em modelos proporcionais/PPLNS , as recompensas são distribuídas apenas se os blocos forem efetivamente minerados; os invasores se aproveitam disso, coletando uma parte dos ganhos dos mineradores honestos sem contribuir com blocos inteiros.

A tabela abaixo resume como as perdas financeiras se manifestam em diferentes esquemas de pagamento:

3. Impacto na receita dos invasores

Curiosamente, os invasores podem aumentar ligeiramente sua renda geral .
Se os invasores administrarem simultaneamente seus próprios pools de mineração ou minerarem normalmente em outros lugares, o enfraquecimento dos concorrentes aumentará sua participação na produção global de blocos. Pesquisas mostram que um grande pool atacando outro grande pool pode aumentar ligeiramente seus ganhos totais.
Por exemplo, se dois pools detêm cada um 25% da taxa de hash total da rede, e um aloca 4% da taxa de hash total da rede para atacar o outro, os ganhos totais do invasor podem aumentar em cerca de 1,87%, enquanto os mineradores honestos no pool atacado podem perder cerca de 10,2% de seus ganhos.

Gráfico:
Quando dois pools (A e B) têm cada um 25% de participação na rede, e A ataca B por meio de retenção de bloco:

• Linha Azul: Mudança na receita do atacante (picos em torno de +1,87% com taxa de ataque de ~4%).

• Linha Vermelha: A receita do minerador do pool de vítimas cai (~-10,2%).

• Linha Verde: Outros mineradores não envolvidos se beneficiam ligeiramente devido à taxa de hash efetiva da rede temporariamente reduzida.

Dessa forma, embora o ganho direto do atacante seja limitado, a vítima sofre perdas substanciais, tornando a retenção de bloqueio mais uma tática de causar dano do que uma estratégia altamente lucrativa.

Impacto na dificuldade e eficiência da mineração

Ataques de retenção de blocos também afetam os indicadores de dificuldade de mineração e a eficiência geral da mineração:

1. Desperdício de taxa de hash

Ataques BWH causam desperdício significativo de poder computacional : os invasores encontram blocos válidos, mas se recusam a publicá-los, resultando em enormes quantidades de eletricidade e poder de hash desperdiçados sem contribuir para o crescimento do blockchain.
Assim, a eficiência das contribuições da taxa de hash unitária para a rede diminui. Se uma parcela substancial do poder de hash total da rede for desperdiçada por retenção, o esforço computacional real necessário para gerar cada bloco aumenta, levando a um maior consumo de energia para manter a rede a uma taxa de blocos estável.

2. Flutuações de curto prazo na dificuldade de mineração

A retenção de blocos diminui a velocidade real de produção de blocos porque parte da capacidade de mineração não resulta em blocos válidos.
Antes do próximo ajuste de dificuldade, mineradores honestos podem notar que os blocos estão sendo encontrados com menos frequência, o que significa que a dificuldade se torna temporariamente muito alta em relação ao poder de hash efetivo. No entanto, a parcela de recompensas por bloco dos mineradores honestos melhora ligeiramente, pois a contribuição do invasor é desperdiçada.
Com o tempo, quando a rede detecta produção prolongada de blocos lentos, ela ajusta a dificuldade de mineração para baixo para restaurar o intervalo normal de blocos.
Assim, se os ataques de retenção persistirem, a rede será recalibrada para um nível de dificuldade menor, refletindo a queda no poder efetivo de mineração. Da perspectiva de um minerador honesto, há um aumento temporário na dificuldade durante o período de ataque, seguido por uma redução na dificuldade de mineração posteriormente.

Quando os ataques cessam, no entanto, a dificuldade reduzida pode fazer com que a taxa de bloqueio acelere temporariamente até que a dificuldade aumente novamente para novos níveis de equilíbrio. Ataques e interrupções frequentes causam volatilidade nos intervalos de bloqueio e na dificuldade de mineração , prejudicando a estabilidade e a previsibilidade da rede.

3. Diminuição da Margem de Segurança da Rede

Embora os ataques de retenção de bloco não representem as mesmas ameaças diretas que os ataques de 51%, eles reduzem efetivamente a taxa de hash efetiva que protege o blockchain.
Cada bloco retido poderia ter contribuído para o trabalho cumulativo de segurança da blockchain, mas foi desperdiçado. A longo prazo, a retenção cumulativa massiva significa que, para um determinado nível de entrada de energia, o acúmulo de segurança da rede é menor do que deveria ser.
Em essência, os ataques de retenção de bloco fazem com que a rede pague o custo da mineração sem colher todos os benefícios de segurança , reduzindo a eficiência geral do consenso de Prova de Trabalho.

Impacto nas operações e gestão do pool de mineração

Ataques de retenção de blocos apresentam desafios operacionais e de segurança significativos para pools de mineração:

1. Danos à reputação do pool e pressão de pagamento

Quando um pool de mineração tem azar constante em encontrar blocos, sua reputação sofre.
Se os ataques de retenção não forem detectados, a produção de blocos do pool permanecerá persistentemente menor do que o esperado, fazendo com que os mineradores suspeitem de má gestão ou problemas internos e possivelmente migrem para outros pools.
Isso é especialmente crítico para pools menores , onde alguns blocos faltantes podem causar pânico e desgaste dos mineradores.

Em modelos de pagamento PPS , blocos retidos causam perdas diretas aos operadores de pools, pois eles precisam pagar aos mineradores por suas ações, mesmo sem as recompensas correspondentes. Com o tempo, se não forem detectados, isso pode levar à insolvência financeira .

2. Detecção de mineradores maliciosos

Para combater ataques ocultos, os operadores de pools precisam implantar ferramentas de monitoramento estatístico e análise de comportamento .
Eles podem monitorar as ações enviadas por cada minerador e a probabilidade esperada de descoberta de blocos ao longo do tempo.
Se um minerador enviar um grande número de ações, mas nunca enviar blocos completos, apesar das expectativas estatísticas, ele poderá ser sinalizado como suspeito.
Entretanto, essa detecção é difícil porque o comportamento de retenção se assemelha ao azar natural .
Os invasores também podem dividir seu poder de hash entre várias contas ("mineração de sybil") para evitar suspeitas, tornando a detecção puramente estatística menos eficaz.

3. Restrições de admissão e mecanismos de confiança

Alguns pools respondem reforçando os critérios de associação , exigindo verificação de identidade KYC (Conheça seu Cliente), depósitos ou integração mais rigorosa para evitar a infiltração de concorrentes.
Outros propõem mecanismos punitivos : penalizar levemente todas as recompensas dos mineradores se for detectada retenção de bloco, incentivando assim a supervisão coletiva.
No entanto, isso corre o risco de punir injustamente mineradores inocentes e pode ser controverso.

Outra medida defensiva é o ajuste da estrutura de recompensa :

• Bônus crescentes para mineradores que enviarem blocos completos.

• Reduzir a proporção de pagamento puramente baseado em ações.

Alternativamente, a proposta "Oblivious Shares" sugere que os mineradores enviem provas sem saber se encontraram um bloco completo — evitando a retenção seletiva. No entanto, implementar tais soluções exigiria grandes mudanças no protocolo (por exemplo, hard forks), que são difíceis de implementar.

4. Aumento da complexidade e dos custos de gestão

Em geral, ataques de retenção de bloco forçam os pools a equilibrar abertura e segurança .
Embora os pools de mineração busquem crescer admitindo mais mineradores, eles também devem se defender contra ameaças ocultas — aumentando a complexidade operacional e as despesas gerais.
Grandes piscinas podem ter recursos para sistemas avançados de detecção, mas piscinas menores geralmente não têm recursos, o que as torna mais vulneráveis.

Impacto nas relações de confiança e cooperação

Ataques de retenção de blocos prejudicam severamente a confiança entre mineradores e pools, bem como entre os próprios pools:

1. Confiança entre mineradores e pools

Os pools de mineração tradicionalmente operam com base na cooperação mútua e no compartilhamento justo de recompensas .
Os mineradores contribuem com poder de hash, e os pools distribuem recompensas com base em suas contribuições.
No entanto, a retenção de blocos revela que, mesmo quando todos seguem as regras nominais, alguns atores internos podem agir de forma egoísta às custas dos outros.
Isso cria desconfiança entre os mineradores:

• Existem sabotadores internos?

• O operador do pool é capaz de detectar e prevenir comportamentos maliciosos?

Se um pool não consegue explicar a má sorte consistente ou implementar contramedidas eficazes, os mineradores honestos podem perder a confiança e sair.
Por outro lado, os operadores de pools também podem se tornar excessivamente desconfiados de todos os membros, levando a procedimentos de verificação intrusivos que corroem ainda mais a confiança da comunidade.

2. Confiança entre pools

O ideal é que diferentes pools de mineração compitam, mas não se sabotem ativamente.
Entretanto, a retenção em bloco introduz hostilidade estratégica entre pools.
Grandes grupos podem se infiltrar e atacar grupos menores ou rivais para enfraquecer os concorrentes , interrompendo o espírito de competição saudável.

A falta de confiança desencoraja o compartilhamento de informações e esforços colaborativos , como melhorar os protocolos de mineração (por exemplo, Stratum V2) ou coordenar respostas a ataques de 51%.
Sem uma forte solidariedade da indústria, o ecossistema de mineração se torna fragmentado e vulnerável.

A análise da teoria dos jogos mostra que, se não houver punições ou regulamentações externas, a retenção de bloqueio mútuo pode se tornar um equilíbrio de Nash : mesmo que prejudique a todos, os atores racionais ainda podem escolher atacar em vez de arriscar uma perda unilateral.

Assim, a retenção de blocos pode levar os pools de mineração de um ambiente cooperativo para uma corrida armamentista destrutiva , prejudicando todo o setor de mineração.

3. Impacto na Comunidade Mineradora

A desconfiança generalizada também prejudica a comunidade mineira em geral :

• Os mineradores se tornam menos dispostos a compartilhar conhecimento ou apoiar novas iniciativas de pools.

• Novos protocolos ou melhorias que exigem consenso dos mineradores enfrentam maior resistência.

• Mineradores de pequeno ou médio porte podem preferir participar apenas dos maiores pools, acreditando que eles oferecem melhor proteção contra ataques ocultos.

Isso reforça a dinâmica do "vencedor leva tudo" , em que grandes pools crescem às custas da descentralização — contra o espírito original das redes de blockchain.

Impacto na saúde e segurança geral da rede

De uma perspectiva macro, embora a retenção de blocos não comprometa diretamente a integridade das transações de blockchain como um ataque de 51%, seus efeitos cumulativos ainda representam riscos:

1. Centralização e Perda da Descentralização

A retenção em bloco agrava a centralização da mineração.
Pequenos grupos são mais vulneráveis a esses ataques e podem ter dificuldades para sobreviver, enquanto grupos grandes conseguem absorver melhor os ataques ou até mesmo executá-los contra concorrentes.
Dessa forma, os fortes se fortalecem , levando à concentração de hashrate nas mãos de poucos grandes players.
Essa concentração enfraquece a resistência da rede a ataques de 51% e prejudica os princípios de descentralização fundamentais das criptomoedas.

2. Diminuição da eficiência e estabilidade da rede

Como discutido anteriormente, ataques de retenção desperdiçam poder de hash, resultando em maior consumo de energia por bloco válido .
Os intervalos de blocos se tornam mais erráticos devido às taxas de hash efetivas flutuantes.
Embora o mecanismo de ajuste de dificuldade do Bitcoin eventualmente restaure o equilíbrio, a instabilidade de curto prazo prejudica a previsibilidade para mineradores e usuários.

A retenção frequente de blocos pode desencorajar os mineradores de continuar participando, especialmente se a lucratividade se tornar imprevisível, levando a novas quedas na taxa de hash e a um perfil de segurança mais fraco para o blockchain.

3. Protocolo e Resposta da Comunidade

A existência de ataques BWH expõe falhas de incentivo no consenso de Prova de Trabalho — situações em que mineradores racionais têm um incentivo para prejudicar a rede para ganho pessoal.
Isso desencadeou discussões sobre atualizações ou reformulações de protocolos:

• Conceitos como "Ações Alheias".

• Mecanismos de penalidade para comportamento malicioso.

• Mudanças estruturais nas recompensas de mineração.

No entanto, implementar tais soluções geralmente requer mudanças fundamentais nos protocolos de mineração, que são difíceis, controversas e lentas de implementar.

Portanto, no futuro próximo, a retenção de blocos continuará sendo uma ameaça latente que exige vigilância de mineradores, operadores de pools e desenvolvedores.

4. Desperdício de energia e preocupações ambientais

Como a mineração de Prova de Trabalho já consome muita energia, a retenção de blocos piora as críticas ambientais ao desperdiçar eletricidade sem contribuir para a segurança do blockchain.
Essa ineficiência pode alimentar o escrutínio regulatório e reforçar argumentos contra o Bitcoin e outras criptomoedas baseadas em PoW.

5. Riscos ocultos e cumulativos

A retenção de blocos é uma ameaça interna e furtiva — não imediatamente catastrófica, mas que corrói gradualmente a robustez da rede.
Isso enfraquece o alinhamento entre os incentivos individuais dos mineradores e o bem coletivo da rede.
Devido à sua natureza furtiva, a retenção prolongada de blocos pode passar despercebida , causando perdas e vulnerabilidades despercebidas até que danos significativos se acumulem.

Outros impactos e considerações importantes

Além dos efeitos primários discutidos acima, os ataques de retenção de bloco trazem diversas consequências adicionais dignas de nota:

1. Impacto assimétrico em piscinas de tamanhos diferentes

A retenção em bloco prejudica desproporcionalmente os pools de mineração menores :

• Pools menores têm frequências menores de descoberta de blocos, então até mesmo um único bloco retido pode impactar severamente sua receita.

• Muitas vezes, eles não possuem mecanismos avançados de detecção e segurança, o que os torna alvos fáceis.

Em contrapartida, as piscinas grandes são mais resilientes:

• Um único bloco faltante representa uma porcentagem menor de seus ganhos totais.

• Eles podem arcar com defesas e sistemas de detecção sofisticados.

Além disso, grandes pools podem usar ataques de retenção de bloco como uma arma competitiva para suprimir ainda mais pools menores , acelerando a centralização da mineração.

2. Impacto assimétrico em mineradores individuais

• Os mineradores de grande escala geralmente operam seus próprios pools privados ou participam de pools de primeira linha, protegendo-se de ataques ocultos.

• Mineiros de pequena escala ou amadores , que dependem de pools públicos para uma renda estável, são os mais vulneráveis à redução de rendimentos causada por ataques de BWH.

Dessa forma, a retenção de blocos aumenta os riscos e as incertezas da mineração para pequenos participantes, expulsando-os do mercado e concentrando ainda mais o poder de mineração entre alguns poucos grandes participantes.

3. Motivações e riscos dos atacantes

As duas principais motivações dos invasores são:

• Ganho econômico : enfraquecer os concorrentes para aumentar relativamente sua própria parcela de recompensas.

• Supressão estratégica : forçar pools rivais a problemas financeiros ou perda de reputação.

No entanto, os invasores também enfrentam riscos:

• Eles sacrificam parte de sua própria renda ao reter blocos.

• Os ataques podem falhar se forem mal executados, levando a perdas líquidas.

• Se descobertos e expostos (mesmo que seja difícil), os invasores correm o risco de danos à reputação .

Análises atuais mostram que os invasores só obtêm lucro significativo sob condições específicas (por exemplo, grande grupo de atacantes, taxa de hash relativa significativa).
Na maioria dos cenários do mundo real, ataques de retenção de blocos geram retornos limitados ou até mesmo negativos , o que explica parcialmente por que ataques em larga escala são raros hoje em dia.

4. Desperdício de energia e impacto ambiental

A retenção de blocos agrava as críticas ao consumo de energia que a mineração de Prova de Trabalho já enfrenta.
Ele aumenta o uso de eletricidade da rede sem aumentar a segurança do blockchain — o trabalho computacional desperdiçado é simplesmente descartado.

À medida que a eficiência energética e o impacto climático se tornam questões públicas cada vez mais críticas, qualquer fator que agrave a ineficiência da mineração atrai maior escrutínio regulatório e social .

5. Potencial para ataques compostos

A retenção de bloco pode ser combinada com outras estratégias de ataque para causar mais dano.
Exemplos incluem:

• Mineração egoísta + retenção de bloco ("selfholding") : combinando os dois para maximizar os lucros do atacante e, ao mesmo tempo, suprimir os concorrentes.

• Ataques de submissão dupla de blocos : venda secreta de blocos retidos de volta ao pool de vítimas.

Embora tais ataques híbridos sejam em grande parte teóricos hoje, eles demonstram como ameaças internas e externas podem se entrelaçar na futura competição de mineração.

A comunidade de mineração deve permanecer atenta às combinações de ataques em evolução que exploram vulnerabilidades de confiança.

Conclusão

Em resumo, os ataques de retenção de blocos — embora furtivos e não imediatamente catastróficos — têm impactos negativos extensos no ecossistema de mineração de criptomoedas:

• Para mineradores individuais e pools de mineração, eles causam perda direta de renda e diluição injusta de recompensas .

• No processo de mineração, eles desperdiçam recursos computacionais e desestabilizam a dificuldade da mineração .

• Para o gerenciamento de pools, eles aumentam a complexidade operacional e forçam controles de associação mais rigorosos .

• Para a confiança da comunidade, eles corroem a confiança entre os mineradores e os pools, prejudicando o espírito cooperativo.

• Para a saúde da rede, eles aceleram a centralização da mineração , pioram a ineficiência energética e diminuem a segurança efetiva do blockchain .

• Por questões ambientais, eles prejudicam ainda mais a reputação do Bitcoin como um sistema que consome muita energia.

Embora casos reais de ataques de retenção de blocos em larga escala sejam atualmente raros (principalmente porque os lucros são limitados), a mera existência dessa vulnerabilidade revela falhas de incentivo nos atuais sistemas de Prova de Trabalho.

As estratégias de mitigação devem envolver uma combinação de:

• Melhores práticas de segurança interna em pools de mineração.

• Cooperação e transparência impulsionadas pela comunidade.

• Possíveis atualizações no nível do protocolo para eliminar ou reduzir o incentivo para tais ataques.

Em última análise, apenas esforços multifacetados combinando soluções técnicas, organizacionais e éticas podem minimizar os impactos negativos da retenção de blocos e garantir a saúde e a prosperidade a longo prazo das redes de criptomoedas.

Referências

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   ( Descreve ataques de retenção de blocos em pools de mineração e suas condições de lucratividade. )

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   ( Postagem de blog pessoal simulando retenção de bloqueio mútuo e quantificando ganhos e perdas. )

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   ( Discute a competição no pool de mineração e estratégias de ataque ocultas. )

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   ( Análise de jogo evolutivo sobre mudanças de estratégia em pools de mineração sob diferentes mecanismos de punição. )

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   ( Propõe estratégias de defesa baseadas em penalidades. )

7. Odaily Planet Daily (2022). Explorando o futuro da mineração de Bitcoin: os pools de mineração se tornarão um problema? (em chinês).
   ( Discussão sobre riscos de dominância do pool de mineração e ameaças de descentralização. )

8. Bitcoin StackExchange (2013). Como a retenção de blocos é uma ameaça aos pools de mineração?
   ( Discussão da comunidade sobre os impactos e motivações do mundo real por trás da retenção de bloqueio. )