Penyelaman Mendalam ke dalam Perlombongan Mementingkan Diri Blockchain: Dinamik Kolam Pelbagai dan Keberuntungan

1. Pengenalan & Gambaran Keseluruhan

Kertas kerja ini membentangkan penyiasatan kritikal terhadap keselamatan konsensus Bukti Kerja (PoW) blockchain, khususnya memberi tumpuan kepada serangan perlombongan mementingkan diri. Karya klasik oleh Eyal dan Sirer (2014) menetapkan bahawa pelombong mementingkan diri tunggal menjadi beruntung dengan Hashrate melebihi ~25%, mencabar dogma "serangan 51%" yang lama dipegang. Penyelidikan ini menolak sempadan lebih jauh dengan bertanya: Apakah yang berlaku apabila pelbagai kolam perlombongan mementingkan diri yang tidak bekerjasama beroperasi serentak? Penulis membangunkan model rantai Markov novel untuk menganalisis senario pelbagai pelakon ini, memperoleh ungkapan tertutup untuk Hashrate minimum yang beruntung dan kelewatan masa sebelum keberuntungan direalisasikan, dengan mengambil kira pelarasan kesukaran rangkaian.

Pandangan Utama Sekilas

Ambang Kolektif yang Diturunkan: Dengan pelombong mementingkan diri simetri, ambang beruntung individu boleh turun kepada 21.48%.
Persaingan Meningkatkan Bar: Hashrate tidak simetri di kalangan pelombong mementingkan diri meningkatkan ambang untuk kolam yang lebih kecil.
Kelewatan Beruntung: Masa untuk mencapai keberuntungan meningkat apabila Hashrate pelombong mementingkan diri berkurangan, menambah risiko.
Kepentingan Sementara: Analisis tingkah laku jangka pendek adalah penting, kerana perlombongan mementingkan diri pada mulanya membazir tanpa pelarasan kesukaran seterusnya.

2. Analisis Teras & Tafsiran Pakar

Perspektif penganalisis industri mengenai implikasi kertas kerja.

2.1 Pandangan Teras: Kerapuhan Mitos 25%

Pengambilan yang paling mengejutkan ialah pemusnahan heuristik keselamatan yang selesa. Komuniti blockchain telah berpegang pada "ambang 25%" dari Eyal dan Sirer sebagai garis merah yang stabil. Kertas kerja ini menunjukkan garis itu berliang. Apabila berbilang entiti terlibat dalam perlombongan mementingkan diri—senario realistik dalam landskap perlombongan terkini yang tertumpu—halangan kemasukan berkesan untuk serangan ini menurun dengan ketara (kepada 21.48% dalam kes simetri). Ini bukan sekadar penemuan tambahan; ia adalah anjakan paradigma. Ia mencadangkan bahawa keselamatan rantaian PoW utama adalah lebih genting daripada yang diandaikan secara meluas. Kewujudan kolam perlombongan besar dan legap menjadikan andaian musuh tunggal naif. Seperti yang dinyatakan dalam perbincangan komuniti IEEE Security & Privacy, permukaan serangan sering berkembang apabila beralih dari model berbilang pihak yang ideal kepada realistik.

2.2 Aliran Logik: Dari Teori Permainan Pelakon Tunggal ke Pelbagai Pelakon

Perkembangan logik penulis adalah kukuh dan perlu. Mereka bermula dengan mengakui model kolam tunggal yang mantap, kemudian mengenal pasti dengan betul batasan kritikalnya: ia mengabaikan interaksi strategik antara pelaku berniat jahat. Langkah mereka untuk memodelkan dua kolam mementingkan diri (tidak sedar sifat satu sama lain) sebagai permainan Markov adalah pilihan metodologi yang tepat. Ruang keadaan dengan elegan menangkap panjang rantaian awam dan peribadi, dan peralihan memodelkan penemuan blok stokastik. Pendekatan ini mencerminkan kemajuan dalam penyelidikan ML permusuhan, seperti beralih dari model penyerang tunggal dalam latihan CycleGAN ke persekitaran berbilang permusuhan yang lebih kompleks. Terbitan ambang bentuk tertutup dari model kompleks ini adalah pencapaian teknikal yang ketara, menyediakan metrik konkrit untuk penilaian risiko.

2.3 Kekuatan & Kelemahan: Merit dan Titik Buta Model

Kekuatan: Kekuatan utama kertas kerja ini ialah formalisasi model ancaman yang lebih realistik. Kemasukan analisis sementara amat dipuji. Kebanyakan analisis memberi tumpuan kepada keberuntungan keadaan mantap, tetapi pelombong beroperasi dalam ufuk masa terhingga. Menunjukkan bahawa perlombongan mementingkan diri pada mulanya tidak beruntung dan memerlukan menunggu pelarasan kesukaran menambah lapisan risiko praktikal yang penting, menjadikan kolam lebih "berhati-hati." Ketegasan matematik adalah terpuji.

Kelemahan & Titik Buta: Model, walaupun canggih, masih terletak pada penyederhanaan yang ketara. Andaian bahawa kolam mementingkan diri "tidak sedar" antara satu sama lain adalah utama. Pada hakikatnya, kolam besar sangat memerhati; dinamik rantaian pelik akan cepat memberi isyarat kehadiran pelombong mementingkan diri lain, membawa kepada permainan yang lebih kompleks dan adaptif. Model ini juga mengelak kemungkinan dunia sebenar persekongkolan, yang akan mengubah dinamik secara drastik dan menurunkan ambang lebih jauh. Tambahan pula, ia tidak mengambil kira sepenuhnya kelewatan penyebaran rangkaian dan kesan "jurang perlombongan," yang diketahui mempengaruhi hasil perlombongan mementingkan diri, seperti yang dibincangkan dalam kerja susulan kepada kertas kerja asal Eyal dan Sirer.

2.4 Pandangan Boleh Tindak: Untuk Pelombong, Kolam, dan Pereka Protokol

Untuk Kolam Perlombongan & Pemantau: Penyelidikan ini adalah seruan untuk pemantauan yang dipertingkatkan. Pasukan keselamatan mesti mencari anomali yang menunjukkan pelombong mementingkan diri berbilang yang bersaing, bukan hanya satu. Ambang keberuntungan adalah lebih rendah daripada yang anda fikirkan.
Untuk Pereka Protokol (Ethereum, Bitcoin Cash, dll.): Keperluan mendesak untuk peralihan pasca-PoS atau pengubahsuaian PoW yang teguh (seperti GHOST atau peraturan pemilihan rantaian lain) diperkuatkan. Pertahanan yang direka untuk musuh tunggal mungkin tidak mencukupi.
Untuk Pelabur & Penganalisis: Penumpuan hashrate dalam beberapa kolam bukan hanya kebimbangan penyahpusatan; ia adalah pengganda risiko keselamatan langsung. Nilaikan rantaian bukan hanya pada metrik 51%, tetapi pada ketahanan konsensus mereka terhadap perlombongan mementingkan diri berbilang pelakon.
Untuk Akademia: Langkah seterusnya ialah memodelkan kolam mementingkan diri yang sedar dan berpotensi bersekongkol. Penyelidikan juga harus mengintegrasikan ini dengan serangan lain yang diketahui (cth., Serangan Rasuah) untuk penilaian ancaman holistik.

3. Model Teknikal & Kerangka Matematik

Teras kertas kerja ini ialah model rantai Markov yang menangkap keadaan blockchain dengan kehadiran kolam jujur (H) dan dua kolam mementingkan diri (S1, S2).

3.1 Model Peralihan Negeri

Keadaan sistem ditakrifkan oleh pendahuluan rantaian peribadi kolam mementingkan diri berbanding rantaian awam. Biarkan $L_1$ dan $L_2$ mewakili pendahuluan kolam mementingkan diri 1 dan 2, masing-masing. Rantaian awam sentiasa rantaian terpanjang yang diterbitkan yang diketahui oleh pelombong jujur. Peralihan berlaku berdasarkan peristiwa penemuan blok stokastik:

Kolam jujur menemui blok: Rantaian awam maju, berpotensi mengurangkan pendahuluan relatif kolam mementingkan diri.
Kolam mementingkan diri S1 (atau S2) menemui blok: Ia menambah kepada rantaian peribadinya, meningkatkan pendahuluannya $L_1$ (atau $L_2$).
Keputusan penerbitan: Kolam mementingkan diri mungkin menerbitkan sebahagian rantaian peribadinya untuk mengatasi rantaian awam apabila strategik menguntungkan, menetapkan semula pendahuluannya dan berpotensi menyebabkan penyusunan semula rantaian.

Rantai Markov menangkap semua keadaan $(L_1, L_2)$ yang mungkin dan kebarangkalian bergerak antara mereka, ditentukan oleh Hashrate relatif $\alpha_1$, $\alpha_2$ (untuk S1 dan S2) dan $\beta = 1 - \alpha_1 - \alpha_2$ (untuk kolam jujur).

3.2 Formulasi Matematik Utama

Analisis menyelesaikan untuk taburan keadaan mantap $\pi_{(L_1, L_2)}$ rantai Markov. Metrik utama, hasil relatif $R_i$ untuk kolam mementingkan diri $i$, diperoleh dari taburan ini. Ia mewakili pecahan semua blok akhirnya dimasukkan dalam rantaian kanonik yang dilombong oleh kolam $i$.

Syarat Keberuntungan: Perlombongan mementingkan diri adalah beruntung untuk kolam $i$ jika hasil relatifnya melebihi Hashrate berkadarnya: $$R_i(\alpha_1, \alpha_2) > \alpha_i$$ Kertas kerja ini memperoleh minimum $\alpha_i$ (atau $\alpha$ dalam kes simetri) yang memenuhi ketaksamaan ini.

Keputusan Kes Simetri: Apabila $\alpha_1 = \alpha_2 = \alpha$, ambang $\alpha^*$ ditemui dengan menyelesaikan: $$\frac{\alpha(1-\alpha)^2(4\alpha+\Gamma(1-2\alpha))}{(\alpha-1)(2\alpha^3-4\alpha^2+1)} = \alpha$$ di mana $\Gamma$ adalah fungsi yang diperoleh dari peralihan keadaan. Penyelesaian berangka menghasilkan $\alpha^* \approx 0.2148$ atau 21.48%.

4. Keputusan Eksperimen & Penemuan

4.1 Ambang Keberuntungan

Kertas kerja ini membentangkan dua penemuan berangka utama:

21.48%

Hashrate Minimum untuk kolam mementingkan diri dalam senario dua kolam simetri.

> 21.48%

Hashrate Diperlukan untuk kolam yang lebih kecil apabila bersaing dengan kolam mementingkan diri tidak simetri yang lebih besar.

Tafsiran: Angka 21.48% adalah lebih rendah daripada ambang kanonik ~25%. Walau bagaimanapun, jika satu kolam mementingkan diri lebih besar, kolam mementingkan diri yang lebih kecil memerlukan Hashrate yang lebih tinggi untuk bersaing secara beruntung, kerana ia kini melawan kedua-dua rangkaian jujur dan pesaing mementingkan diri dominan. Ini mencipta kesan "oligarki perlombongan mementingkan diri" di mana menjadi pelaku berniat jahat dominan adalah menguntungkan.

4.2 Analisis Sementara & Kelewatan Beruntung

Kertas kerja ini menekankan bahawa keberuntungan bukan serta-merta. Kerana perlombongan mementingkan diri melibatkan menahan blok, ia pada mulanya mengurangkan kadar ganjaran jangka pendek kolam berbanding perlombongan jujur. Keberuntungan hanya muncul selepas pelarasan kesukaran rangkaian Bitcoin (setiap 2016 blok), yang menurunkan kesukaran teka-teki kerana kadar blok yang diperhatikan (diperlahankan oleh penahanan) adalah lebih rendah.

Penemuan Utama: Bilangan tempoh pelarasan kesukaran ("zaman") $D$ yang mesti ditunggu oleh pelombong mementingkan diri untuk menjadi beruntung meningkat apabila Hashrate $\alpha$ berkurangan. Secara formal, $D(\alpha)$ adalah fungsi menurun. Untuk kolam hanya di atas ambang (cth., 22%), tungguannya boleh menjadi beberapa zaman, mewakili minggu atau bulan, di mana modal terikat dan risiko strategi tinggi. Kelewatan ini bertindak sebagai penghalang semula jadi untuk kolam yang lebih kecil yang mempertimbangkan serangan.

Penerangan Carta (Konseptual): Carta garis akan menunjukkan "Kelewatan Beruntung (Zaman)" pada paksi-Y melawan "Hashrate Pelombong Mementingkan Diri (α)" pada paksi-X. Lengkung bermula sangat tinggi untuk α hanya di atas 0.2148, menurun dengan mendadak dan secara asimptotik menghampiri sifar apabila α meningkat ke arah 0.5. Ini mengukuhkan secara visual bahawa pelombong mementingkan diri hashrate lebih tinggi menuai ganjaran lebih cepat.

5. Kerangka Analisis & Kajian Kes Konseptual

Senario: Pertimbangkan tiga kolam perlombongan utama dalam kriptomata wang Bukti Kerja: Pool_A (30% Hashrate), Pool_B (25%), dan selebihnya diagihkan di kalangan pelombong jujur kecil (45%). Andaikan Pool_A dan Pool_B kedua-duanya rasional dan mempertimbangkan strategi perlombongan mementingkan diri secara bebas.

Aplikasi Model:

Penilaian Awal: Kedua-dua kolam secara individu melebihi ambang simetri 21.48%.
Analisis Tidak Simetri: Menggunakan model kertas kerja untuk kadar tidak simetri (α_A=0.30, α_B=0.25), kami akan mengira R_A dan R_B. Kemungkinan, R_A > 0.30 dan R_B > 0.25? Tidak semestinya. Model mungkin menunjukkan bahawa hasil Pool_B R_B adalah kurang daripada 0.25 kerana operasi mementingkan diri Pool_A yang lebih besar menyekatnya. Perlombongan mementingkan diri Pool_B mungkin tidak beruntung walaupun melebihi 25%.
Keputusan Strategik: Pool_B, menjangkakan ini melalui pemodelan dalaman (atau selepas memerhatikan dinamik rantaian pelik), mungkin memilih untuk melombong dengan jujur, kerana perlombongan mementingkan diri akan menghasilkan pulangan yang lebih rendah. Pool_A, kini satu-satunya pelombong mementingkan diri, beroperasi secara efektif di bawah model kolam tunggal klasik dengan Hashrate 30%, menjadikannya sangat beruntung.
Hasil: Sistem menumpu kepada keadaan dengan satu kolam mementingkan diri dominan. Andaian keselamatan telah beralih dari "tiada kolam >25%" kepada "tiada kolam tunggal >~30% dan bersedia bertindak mementingkan diri," yang merupakan keseimbangan yang berbeza dan berpotensi lebih tidak stabil.

Kajian kes ini menggambarkan bagaimana model berbilang kolam mengubah kalkulus strategik dan penilaian risiko.

6. Aplikasi Masa Depan & Arah Penyelidikan

Alat Pemantauan Dipertingkatkan: Membangunkan heuristik dan model pembelajaran mesin untuk mengesan corak garpu unik dan kadar blok yatim yang menunjukkan pelombong mementingkan diri berbilang yang bersaing, bergerak melebihi pengesanan musuh tunggal.
Reka Bentuk Protokol Konsensus: Kerja ini mengukuhkan kes untuk peraturan pemilihan rantaian alternatif (cth., GHOST, Inklusif) atau mekanisme konsensus hibrid yang kurang terdedah kepada kalkulus keberuntungan perlombongan mementingkan diri, tanpa mengira bilangan pelaku jahat.
Lanjutan Teori Permainan: Arah paling mendesak ialah memodelkan kolam mementingkan diri yang sedar yang dapat mengesan kehadiran satu sama lain dan menyesuaikan strategi mereka secara dinamik, berpotensi membawa kepada persekongkolan atau jadual penerbitan balas dendam. Ini selari dengan penyelidikan lanjutan dalam pembelajaran pengukuhan berbilang agen yang digunakan untuk permainan keselamatan.
Analisis Serangan Silang: Integrasikan model ini dengan serangan ekonomi lain seperti serangan rasuah (cth., serangan "P + ε"). Bolehkah kolam menggunakan rasuah kecil untuk menggalakkan pelombong jujur menyokong rantaian peribadinya, mengubah keseimbangan berbilang pelombong mementingkan diri secara drastik?
Aplikasi kepada Bukti Kepentingan (PoS): Walaupun PoS menghapuskan persaingan hashrate, tingkah laku mementingkan diri "berbilang pengesah" yang serupa (cth., penahanan blok dalam slot tertentu) boleh dianalisis menggunakan model Markov yang disesuaikan untuk ujian tekanan jaminan kemuktamadan PoS.

7. Rujukan

Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.
Eyal, I., & Sirer, E. G. (2014). Majority is not enough: Bitcoin mining is vulnerable. In International conference on financial cryptography and data security (pp. 436-454). Springer. (Kertas kerja perlombongan mementingkan diri seminal)
Bai, Q., Zhou, X., Wang, X., Xu, Y., Wang, X., & Kong, Q. (Year). A Deep Dive into Blockchain Selfish Mining. Fudan University. (Kertas kerja yang dianalisis)
Nayak, K., Kumar, S., Miller, A., & Shi, E. (2016). Stubborn mining: Generalizing selfish mining and combining with an eclipse attack. In 2016 IEEE European Symposium on Security and Privacy (EuroS&P) (pp. 305-320). IEEE.
Gervais, A., Karame, G. O., Wüst, K., Glykantzis, V., Ritzdorf, H., & Capkun, S. (2016). On the security and performance of proof of work blockchains. In Proceedings of the 2016 ACM SIGSAC conference on computer and communications security (pp. 3-16).
Zhu, J. Y., Park, T., Isola, P., & Efros, A. A. (2017). Unpaired image-to-image translation using cycle-consistent adversarial networks. In Proceedings of the IEEE international conference on computer vision (pp. 2223-2232). (Dirujuk sebagai contoh kemajuan dalam pemodelan permusuhan)
Sompolinsky, Y., & Zohar, A. (2016). Bitcoin’s security model revisited. arXiv preprint arXiv:1605.09193. (Kerja berkaitan protokol GHOST)