Escalando blockchains com segurança

Verificação da disponibilidade dos dados

Disponibilidade de dados refere-se à garantia de que todos os dados em um bloco da blockchain foram publicados corretamente e podem ser acessados quando necessário pela rede. Isso garante que todas as informações necessárias relacionadas a um bloco estejam disponíveis para os nós baixarem e verificarem, para que a rede possa validar a exatidão e a integridade das transações e do estado do bloco.

Em sistemas de blockchain, verificar a disponibilidade dos dados é crucial para impedir que agentes mal-intencionados ocultem ou retenham partes dos dados de um bloco, ao mesmo tempo em que ainda o declaram como válido. Sem a disponibilidade dos dados, um bloco poderia ser adicionado à cadeia com dados ausentes ou incompletos, o que poderia levar a transações inválidas, riscos de segurança e um estado inconsistente em toda a rede.

Blockchains tradicionais exigem que os usuários (que executam nós completos) verifiquem todos os dados sincronizando a cadeia inteira. Mas garantir a disponibilidade dos dados pode ser um desafio, especialmente à medida que o tamanho dos blocos aumenta.

Técnicas como amostragem de disponibilidade de dados permitem que nós leves verifiquem a disponibilidade dos dados sem baixar o bloco inteiro, tornando a verificação de disponibilidade de dados mais eficiente de maneira geral. As blockchains modernas adotam essa abordagem para verificar a disponibilidade dos dados com menos recursos. Celestia é o principal exemplo do uso da disponibilidade de dados para impulsionar todas as cadeias modernas.

Mecanismos de escalonamento, de forma segura e insegura

Existem várias maneiras de realizar a verificação da disponibilidade de dados com diferentes níveis de segurança:

Nós Completos (segurança máxima)

Os nós completos verificam todos os dados baixando tudo para garantir segurança máxima, rejeitando blocos incompletos. Essa solução básica, no entanto, torna-se cada vez mais ineficiente à medida que o tamanho dos blocos aumenta. Afinal, são necessários recursos físicos e financeiros para realizar esse trabalho de verificação.

Sem Garantia de Disponibilidade de Dados (segurança zero)

Não há garantia de que os dados estejam disponíveis, apenas um compromisso (como URIs do IPFS). Isso pode ser suficiente para cenários como NFTs, onde a segurança não é necessária, mas certamente não é uma solução para a maioria das transações em cadeia com riscos reais.

Comitê de Disponibilidade de Dados

Por meio de uma maioria qualificada, um comitê seleto garante que os dados estejam disponíveis, equilibrando assim a disponibilidade dos dados com o desempenho.

Comitê de Disponibilidade de Dados com Segurança Criptoeconômica

Esse método também enfrenta o mesmo problema de escalabilidade, já que os membros do comitê enfrentam sobrecargas crescentes de dados para realizar o trabalho de verificação. Para melhorar isso, os comitês também podem receber “incentivos criptoeconômicos”, ou seja, receber tokens proporcionalmente ao trabalho de verificação realizado.

Os comitês também podem ser penalizados (“reduzidos” ou “suspensos”) se forem desonestos, aumentando assim a segurança geral. Isso funciona quando o comitê faz parte do mecanismo de consenso da cadeia.

Nós leves

A introdução de nós leves nessa estrutura também pode permitir verificações de disponibilidade de dados, reduzindo ainda mais os requisitos de recursos. Existem duas maneiras de fazer isso:

1. Amostragem de disponibilidade de dados sem uma minoria honesta de nós leves: Os nós leves usam técnicas de amostragem para verificar dados sem baixar o bloco inteiro, mas não podem garantir a recuperação total dos dados se alguns deles estiverem faltando. Isso depende do comitê de disponibilidade de dados e das interfaces de amostragem.
2. Amostragem de disponibilidade de dados com minoria honesta de nós leves: Se houver uma minoria de nós leves honestos, eles podem reconstruir um bloco caso algum dado seja retido para aumentar a segurança. Observe que é necessária uma rede síncrona para que os nós compartilhem dados de maneira eficaz.

Amostragem de disponibilidade de dados não associáveis

Esse nível avançado impede ataques direcionados (como divulgações seletivas de compartilhamento, que abordaremos a seguir), tornando as solicitações de nós leves não rastreáveis e uniformemente aleatórias. Isso exigiria avanços adicionais em tecnologias de anonimização, e é aí que a solução da Nym entra em cena.

Mas, primeiro, o que exatamente torna essas soluções anteriores inadequadas e vulneráveis?

O problema: ataques de divulgação seletiva

Um ataque de divulgação seletiva é um tipo de ataque à disponibilidade de dados em que um adversário mal-intencionado tenta convencer um nó (ou vários nós) de que os dados de um bloco estão totalmente disponíveis quando, na realidade, parte deles está retida. Isso efetivamente torna o bloco incompleto ou irrecuperável.

O objetivo do invasor é manipular o processo de verificação, respondendo seletivamente às consultas por dados de blocos em uma rede ponto a ponto. No final das contas, isso rompe o consenso, cria uma bifurcação na cadeia e compromete as transações reais e a confiança geral.

Então, é assim que funciona, com base no entendimento atualizado.

Visão geral do ataque

O ataque possui dois componentes simultâneos:

1. O adversário retém partes suficientes dos dados do bloco para que ele não possa ser reconstruído pela rede, tornando o bloco indisponível.
2. Simultaneamente, o adversário responde seletivamente às consultas dos nós leves alvo, de modo que eles acreditem que o bloco está disponível.

Mecanismo do ataque

A rede se baseia na amostragem de disponibilidade de dados (DAS), na qual nós leves solicitam amostras aleatórias de dados de blocos de outros nós para verificar a disponibilidade.

• Em um ataque de divulgação seletiva, o adversário identifica uma parte dos dados do bloco a ser retida, garantindo que o bloco não possa ser reconstruído.
• No entanto, o adversário responde seletivamente às consultas de nós honestos, como clientes leves, fornecendo dados das partes que não foram retidas. Isso cria a falsa impressão de que o bloco está totalmente disponível.

Desafios para Nós Honestos

• Como os nós adversários são indistinguíveis dos honestos e respondem corretamente quando consultados, eles não podem ser colocados na lista negra, a menos que sejam detectados.
• Nós honestos fazem solicitações de amostra, e as respostas do adversário parecem válidas porque os dados retidos ficam ocultos das consultas específicas dos nós honestos.

Duas soluções

1. Uma contramedida sugerida é adicionar uma camada de anonimização, na qual a origem de cada solicitação de amostra não possa ser vinculada ao cliente (nó leve) e as solicitações sejam processadas em ordem aleatória pela rede. Isso impede que o adversário tenha como alvo nós específicos por meio de divulgação seletiva.
2. Outra abordagem envolve garantir que cada nó faça um número suficiente de consultas (aumentando as chances de detectar dados retidos) ou contar com um número grande o suficiente de nós para cobrir as partes que faltam.

Resultados da simulação

• Se um cliente fizer um número pequeno de consultas (por exemplo, 15), a probabilidade de um ataque bem-sucedido é relativamente alta (~0,0133) — o adversário poderia enganar o cliente após cerca de 75 tentativas.
• À medida que o número de consultas por cliente aumenta (por exemplo, para 50 consultas), a probabilidade de sucesso do ataque cai drasticamente (para quase 0).
• Da mesma forma, visar mais clientes aumenta a taxa de sucesso do ataque, mas a probabilidade diminui à medida que o número de consultas aumenta.

Resumo do problema

O ataque de divulgação seletiva manipula a amostragem de disponibilidade de dados ao revelar seletivamente dados a nós específicos, convencendo-os de que o bloco está totalmente disponível. As contramedidas envolvem o uso de (1) técnicas de anonimização e (2) a garantia de que os clientes façam consultas aleatórias suficientes para detectar dados ausentes.

Possíveis soluções investigadas

Em uma “Avaliação de redes privadas para a Celestia”, pesquisadores analisaram diferentes soluções possíveis para adicionar uma camada de anonimato à blockchain da Celestia. Possíveis soluções de rede privada incluídas:

• Uma rede overlay Tor com Snowflake para mascarar o tráfego Tor com WebRTC e impedir a interceptação
• Integração com mixnet, como com o Loopix da Nym, para anonimização de tráfego
• Tolerâncias de latência que implementam atrasos aleatórios no tráfego para dessincronizar as consultas dos clientes
• Tráfego de cobertura ou tráfego fictício para ocultar padrões reais de consulta
• O uso de VPNs para proteções adicionais

Cada uma dessas soluções tem vantagens e desvantagens (por exemplo, em termos de possível latência).

Deixando de lado as vantagens e os muitos problemas apresentados por uma sobreposição Tor, é importante observar que muitas dessas soluções centrais são técnicas de rede (por exemplo, tráfego de cobertura e atrasos aleatórios) já em operação na rede mixnet da Nym. Assim, a equipe principal da Nym decidiu realizar uma investigação de P&D para verificar o que a Nym poderia fazer para ajudar a Celestia e outras entidades a proporcionar uma experiência de blockchain mais privada.

Solução de Amostragem Anônima da Nym

A Nym Technologies propõe integrar sua infraestrutura a redes modulares, utilizando a mixnet da Nym como uma camada de anonimização para lidar com ataques de divulgação seletiva por meio da Amostragem de Disponibilidade de Dados Privados (P-DAS).

O P-DAS permite que as solicitações sejam feitas pela Nym mixnet, dissociando a solicitação do solicitante, o que garante que o solicitante não possa ser alvo de ataques. Este método oferece uma abordagem segura e que preserva a privacidade para a amostragem de disponibilidade de dados, permitindo que os nós verifiquem a disponibilidade dos dados sem exposição a ataques adversários.

Uma integração com a Nym mixnet poderia oferecer vários benefícios importantes:

• Um módulo de Amostragem de Disponibilidade de Dados Anonimizados compatível com a rede mixnet da Nym, garantindo a verificação de dados com preservação da privacidade
• Prevenção de ataques de divulgação seletiva ao rotear o tráfego criptografado pela mixnet da Nym, ocultando a atividade do usuário e, ao mesmo tempo, mantendo a integridade dos dados por meio de técnicas como tráfego de cobertura, mixagem e ofuscação de tempo
• Otimização de desempenho por meio de simulações para determinar os parâmetros ideais da mixnet, visando equilibrar desempenho e segurança

A integração com a mixnet reforçaria a segurança dos dados em redes modulares, tornando-as mais resistentes à manipulação e, ao mesmo tempo, protegendo a privacidade dos usuários. A equipe de pesquisa da Nym continuará seu trabalho para oferecer proteção robusta para um futuro modular.

Fique ligado para mais atualizações sobre o projeto!

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