Um Esquema Cooperativo de Prova de Trabalho para Protocolos de Consenso Distribuído

Índice

1. Introdução

Este artigo propõe um refinamento ao esquema tradicional de prova de trabalho (Proof-of-Work, PoW), que tipicamente envolve encontrar um nonce que resulte num output de hash criptográfico com um número específico de zeros iniciais. A inovação central é um esquema cooperativo de prova de trabalho concebido para permitir que múltiplos utilizadores autónomos colaborem na geração da prova de trabalho para as suas próprias transações. Esta colaboração visa estabelecer consenso sobre a ordem das transações num sistema de ledger distribuído.

A motivação principal é afastar-se do modelo competitivo de mineração baseado em taxas (onde os mineiros competem para resolver puzzles e cobrar taxas) e passar para um modelo cooperativo baseado em impostos (onde os utilizadores colaboram e pagam um imposto). Os autores argumentam que esta mudança poderia mitigar vários problemas:

• Redução do Consumo Energético: Ao substituir a competição feroz por uma cooperação frugal, o esforço computacional global (e, consequentemente, o uso de energia) poderia ser significativamente reduzido.
• Aumento da Taxa de Transferência & Justiça: A redução da competição entre mineiros poderia levar a um processamento de transações mais rápido e a menos potencial de discriminação contra certos grupos de utilizadores.
• Segurança Reforçada: Os ataques de Negação de Serviço (DoS) tornam-se mais dispendiosos para o atacante devido ao imposto inerente à transação.

O esquema é posicionado como uma solução nativa para a cooperação, contrastando com mecanismos externos existentes como as pools de mineração, que podem sofrer de problemas de desalinhamento de incentivos.

2. Consenso

Esta secção estabelece o problema fundamental: alcançar consenso distribuído numa rede peer-to-peer sem uma autoridade central. Os pares comunicam através de um protocolo de difusão (gossiping) e devem manter um ledger partilhado e acordado de transações.

O desafio central é o atraso na propagação de mensagens. Num ambiente ideal de transações de baixa frequência, o consenso poderia ser alcançado observando uma pausa sustentada no tráfego da rede — uma "paragem total" — indicando que todos os pares provavelmente viram o mesmo conjunto de mensagens. Essas mensagens poderiam então ser ordenadas canonicamente (por exemplo, por hash) e anexadas ao ledger.

No entanto, as frequências de transação do mundo real são demasiado elevadas para este esquema simples. É aqui que a prova de trabalho atua como um limitador de frequência. Ao exigir que um puzzle computacionalmente dispendioso seja resolvido para cada transação (ou bloco de transações), o PoW reduz artificialmente a taxa à qual novos eventos de consenso podem ser propostos. A dificuldade do puzzle pode ser calibrada para alcançar a baixa frequência necessária para que o mecanismo de consenso baseado em "pausas" funcione eficazmente em toda a rede.

3. Prova de Trabalho Cooperativa

O artigo formaliza o esquema cooperativo proposto. Embora os detalhes matemáticos completos sejam antecipados para a próxima secção, a mudança conceptual é clara. Em vez de mineiros individuais competirem para resolver um puzzle por uma recompensa de bloco, os utilizadores que formam um conjunto de transações trabalham em conjunto para gerar uma única prova de trabalho para esse conjunto.

O mecanismo deve garantir que:

1. A cooperação é verificável e segura.
2. O trabalho coletivo atinge o alvo de dificuldade da rede.
3. O consenso resultante sobre a ordem das transações é vinculativo e à prova de adulteração.

O proposto "imposto sobre transações" substitui a "taxa de transação". Este imposto é pago pelos utilizadores que participam na ronda de mineração cooperativa, internalizando o custo da formação de consenso dentro do grupo de utilizadores, em vez de o externalizar para uma classe separada de mineiros.

4. Ideia Central & Análise

Ideia Central: O artigo de Kuijper não é apenas um ajuste ao PoW; é uma reestruturação fundamental das estruturas de incentivos da blockchain. O verdadeiro avanço é reconhecer que o valor primário do PoW no consenso não é apenas o "trabalho", mas o trabalho como um dispositivo limitador de taxa. O modelo cooperativo inverte o cenário, tornando este limitador de taxa um processo colaborativo e conduzido pelos utilizadores, em vez de competitivo e conduzido pelos mineiros. Isto ataca diretamente a causa raiz do dilema energético do Bitcoin — não o hashing em si, mas a corrida económica que exige cada vez mais hashing.

Fluxo Lógico: O argumento prossegue com uma lógica elegante: 1) O consenso requer baixa frequência de eventos, 2) O PoW impõe baixa frequência através do custo, 3) Portanto, a entidade que suporta o custo controla o ritmo do consenso. O PoW tradicional permite que os mineiros controlem este ritmo para obter lucro. O esquema de Kuijper devolve o controlo aos utilizadores, fazendo com que eles suportem o custo (imposto) diretamente pelas suas próprias transações. O fluxo da restrição técnica (atraso de propagação) para a solução económica (suporte de custo cooperativo) é convincente.

Pontos Fortes & Fraquezas: O ponto forte é o seu alinhamento elegante de incentivos. Ao associar o custo do consenso diretamente aos originadores da transação, elimina o valor extraível pelo mineiro (MEV) e os problemas de centralização das pools que assolam sistemas como o Ethereum pré-Merge. No entanto, a fraqueza evidente é o "problema de arranque" — como se inicia a cooperação num ambiente sem confiança? O artigo passa por cima desta questão crítica de coordenação. Como visto em análises de teoria dos jogos da blockchain (por exemplo, trabalhos do arXiv sobre dinâmicas de consenso), alcançar cooperação espontânea e estável entre atores racionais e anónimos é notoriamente difícil sem andaimes sociais ou algorítmicos pré-existentes. O esquema também parece assumir uma homogeneidade do poder de hashing dos utilizadores que não existe, podendo levar a novas formas de centralização onde utilizadores com alto poder dominam grupos cooperativos.

Ideias Acionáveis: Para os designers de protocolos, a principal lição é explorar modelos híbridos. Não descartar completamente o PoW competitivo; usá-lo como uma camada de fallback ou para checkpointing, permitindo ao mesmo tempo PoW cooperativo para lotes de transações de alta frequência e baixo valor. Implementar um mecanismo de staking juntamente com o trabalho cooperativo para resolver o problema de arranque — os utilizadores devem fazer staking de tokens para se juntarem a uma ronda cooperativa, penalizando maus atores. Isto combina a segurança da Prova de Participação (Proof-of-Stake, PoS) com o limitador de taxa do PoW. Além disso, o conceito de "imposto sobre transações" deve ser rigorosamente modelado com base em dados de sistemas de pagamento do mundo real para encontrar uma taxa ótima que desencoraje spam sem prejudicar a usabilidade.

5. Detalhes Técnicos & Formalização Matemática

O esquema cooperativo de prova de trabalho pode ser formalizado da seguinte forma:

Seja $T = \{tx_1, tx_2, ..., tx_n\}$ um conjunto de transações proposto por um grupo de utilizadores $U = \{u_1, u_2, ..., u_m\}$.

Seja $H(\cdot)$ uma função de hash criptográfico (por exemplo, SHA-256). O PoW tradicional requer encontrar um nonce $N$ tal que para um bloco $B$, $H(B || N) < D$, onde $D$ é o alvo de dificuldade.

No modelo cooperativo, o "bloco" é o conjunto de transações acordado $T$. O puzzle é resolvido coletivamente. Cada utilizador $u_i$ contribui com uma solução parcial (uma "partilha") $s_i$. A prova de trabalho coletiva $P$ é uma função de todas as partilhas e do conjunto de transações:

$P = F(T, s_1, s_2, ..., s_m)$

A condição para uma prova cooperativa válida torna-se:

$H(P) < D$

A função $F$ deve ser construída de modo a que:

1. Exija um esforço computacional combinado significativo da maioria de $U$ para encontrar inputs $s_i$ que produzam $H(P) < D$.
2. Permita verificar que todos os $u_i \in U$ contribuíram para $P$.
3. Impeça que qualquer utilizador único ou pequeno subconjunto domine a solução ou falsifique a participação de outros.

Uma construção potencial para $F$ poderia envolver esquemas iterativos semelhantes a multi-assinaturas ou funções de atraso verificáveis (VDFs) combinadas com compromissos de hash, garantindo que o trabalho é sequencial e deve ser contribuído por diferentes partes.

6. Estrutura de Análise & Caso Exemplo

Estrutura: Avaliando Mudanças no Mecanismo de Consenso

Podemos analisar esta proposta usando uma estrutura que compara dimensões-chave:

Caso Exemplo: Lote de Microtransações

Imagine 1000 utilizadores que querem fazer pagamentos pequenos e frequentes (por exemplo, dentro de um mercado de dados IoT).

• PoW Tradicional: Cada transação aguarda que um mineiro a inclua num bloco, competindo com outras por prioridade de taxa. Alta latência, custo efetivo elevado.
• PoW Cooperativo: Estes 1000 utilizadores formam um grupo temporário. Trabalham coletivamente numa única PoW para um bloco contendo todas as suas transações. O trabalho é distribuído, pelo que o custo individual é baixo. Uma vez resolvida a PoW, o bloco é propagado. O "imposto" pago é dividido entre eles, provavelmente inferior às taxas individuais. O consenso sobre a ordem do seu lote é alcançado diretamente.

Este caso destaca o potencial de aumento da taxa de transferência em cenários específicos de alto volume e baixo valor.

7. Perspetivas de Aplicação & Direções Futuras

Perspetivas de Aplicação:

• Blockchains de Consórcio com Permissão: Cenário ideal onde os participantes são conhecidos e têm uma relação pré-existente, resolvendo o problema de arranque. Útil para ledgers de cadeia de abastecimento ou interbancários.
• Soluções de Escalonamento de Camada 2: O esquema cooperativo poderia ser usado para alcançar consenso dentro de um conjunto de participantes de um canal de estado ou sidechain, com liquidação periódica para uma cadeia principal.
• Oracles de Dados Descentralizados: Grupos de nós oráculo poderiam usar PoW cooperativo para alcançar consenso sobre o valor de um ponto de dados antes de o submeter on-chain, adicionando um custo à reportagem falsa.

Direções de Investigação Futura:

1. Provas Formais de Segurança: O esquema requer análise criptográfica rigorosa para provar a sua segurança contra ataques Sybil, conluio e outros modelos de ameaça em condições realistas de rede.
2. Design de Mecanismos para Formação de Grupos: Como são formados os grupos cooperativos dinamicamente? É necessária investigação sobre correspondência algorítmica de grupos, potencialmente usando ideias da teoria do matching ou de processos estocásticos.
3. Integração com Outros Modelos de Consenso: Explorar híbridos com Prova de Participação (PoS) ou Prova de Autoridade (PoA) para a seleção de grupos ou camada de finalidade.
4. Quantificação do Impacto Energético: Construir modelos de simulação detalhados para quantificar as potenciais poupanças de energia em comparação com o PoW tradicional sob vários cenários de adoção e carga de transações.

8. Referências

1. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.
2. Demers, A., et al. (1987). Epidemic Algorithms for Replicated Database Maintenance. Proceedings of the Sixth Annual ACM Symposium on Principles of Distributed Computing.
3. Eyal, I., & Sirer, E. G. (2014). Majority is not Enough: Bitcoin Mining is Vulnerable. International Conference on Financial Cryptography and Data Security.
4. Back, A. (2002). Hashcash - A Denial of Service Counter-Measure.
5. Buterin, V., et al. (2014). A Next-Generation Smart Contract and Decentralized Application Platform. Ethereum White Paper.
6. King, S., & Nadal, S. (2012). PPCoin: Peer-to-Peer Crypto-Currency with Proof-of-Stake.
7. Zhu, J., et al. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks. Proceedings of the IEEE International Conference on Computer Vision (ICCV). (Referência CycleGAN para análise de estrutura adversarial/de coordenação)