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SNARKChain: Proof-of-Useful-Work Blockchain Consensus with General-Purpose SNARK Marketplace

Este artigo apresenta o SNARKChain, um novo protocolo de consenso Proof-of-Useful-Work que protege o blockchain ao integrar a geração de provas SNARK terceirizada pelo cliente diretamente no processo de mineração, eliminando assim o desperdício de energia enquanto estabelece o primeiro mercado descentralizado para provas SNARK na camada de consenso.

Autores originais: Samuel Oleksak, Richard Gazdik, Martin Peresini, Ivan Homoliak

Publicado 2026-07-14

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CC BY 4.0

Autores originais: Samuel Oleksak, Richard Gazdik, Martin Peresini, Ivan Homoliak

Artigo original sob licença CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta é uma explicação gerada por IA do artigo abaixo. Não foi escrita nem endossada pelos autores. Para precisão técnica, consulte o artigo original. Ler aviso legal completo

Imagine o mundo da blockchain como um enorme e global livro de registro digital que todos confiam, mas que ninguém controla individualmente. Para manter este registro seguro contra vilões, a maioria das blockchains utiliza um sistema chamado Proof of Work (PoW) ou Prova de Trabalho. Pense nisso como uma enorme caça ao tesouro de alta tecnologia, onde computadores correm para resolver enigmas matemáticos incrivelmente difíceis. O primeiro a resolvê-lo ganha o direito de escrever a próxima página no registro e recebe uma recompensa.

O problema? Esses enigmas são como queimar uma biblioteca apenas para manter um fogo aceso. Eles consomem uma quantidade enorme de eletricidade, mas não produzem nada útil fora da própria blockchain. Alguns relatórios sugerem que apenas uma famosa blockchain (o Bitcoin) pode ser responsável por tanta dióxido de carbono quanto todo o país da Grécia emite em um ano!

Surge o SNARKChain, uma nova ideia de uma equipe de pesquisadores da Universidade Tecnológica de Brno. Eles perguntaram: E se os enigmas "inúteis" que resolvemos para manter a blockchain segura pudessem, na verdade, fazer algo útil para o mundo real?

A Grande Ideia: Resolvendo Enigmas que Importam

Os pesquisadores propõem um sistema chamado Proof of Useful Work (PoUW) ou Prova de Trabalho Útil. Em vez de gastar energia com problemas matemáticos aleatórios, os mineradores resolveriam enigmas que geram zk-SNARKs.

Para entender os zk-SNARKs, imagine um mágico que consegue provar que sabe uma senha secreta sem nunca dizer a senha em voz alta. Estas são ferramentas poderosas para privacidade e segurança no mundo digital, mas são incrivelmente pesadas para criar. Elas exigem computadores massivos e muito tempo, tornando-as caras demais para que pessoas comuns as gerem por conta própria.

O SNARKChain transforma a blockchain em um mercado descentralizado. Veja como a mágica acontece:

Clientes (pessoas que precisam dessas provas mágicas) postam um pedido na blockchain.
Mineradores (os computadores que mantêm a rede segura) aceitam esses pedidos.
Enquanto trabalham para proteger a blockchain, eles geram essas provas úteis como um "subproduto".
Se um minerador resolver o enigma corretamente, ele ganha o direito de adicionar um novo bloco à corrente e receber uma recompensa.

Esta é a primeira vez que, segundo os autores, um mercado como este foi construído diretamente na camada central de segurança de uma blockchain.

A Parte Difícil: Mantendo a Justiça

Os pesquisadores sabiam que apenas trocar um enigma por outro não era suficiente. Eles tinham que garantir que o sistema não quebrasse as regras de ouro da segurança da blockchain. Eles tiveram que resolver alguns problemas específicos:

1. O Problema do "Trabalho Roubado"
Antigamente, se um minerador resolvesse um enigma, mas não vencesse a corrida para adicionar o bloco, seu trabalho era desperdiçado. No SNARKChain, se um minerador gera uma prova, mas perde a loteria para publicar o bloco, essa prova é inútil para qualquer outra pessoa porque está ligada a um "parâmetro de integridade" específico e único (uma impressão digital digital do bloco atual). Isso impede que agentes mal-intencionados roubem o trabalho árduo de outra pessoa e o utilizem para si mesmos.

2. O Problema do "Rico Fica Mais Rico"
Se o sistema recompensasse apenas o computador mais rápido, apenas as maiores e mais caras fazendas de mineração venceriam. Os pesquisadores projetaram um sistema de loteria para corrigir isso.

Imagine que um minerador gera uma prova. Em vez de apenas verificar se ela é "boa o suficiente", o sistema lança um dado digital.
Quanto maior e mais complexa for a prova, maior a chance de ganhar a loteria.
Isso significa que um minerador menor, com um computador mais fraco, ainda tem uma chance justa de vencer, desde que continue trabalhando. Os autores realizaram simulações (modelos computacionais) para testar isso, e os resultados sugeriram que as recompensas são distribuídas de forma justa, baseando-se no quanto cada minerador realmente trabalha.

3. O Problema do "Engarrafamento"
E se todos tentarem resolver o mesmo pedido ao mesmo tempo? Os pesquisadores propuseram um sistema de "compartimentação" (bucketing). Pense nisso como um correio com muitas diferentes caixas de correio. Em vez de todos lutarem por uma única caixa, os pedidos são organizados em diferentes compartimentos com base em um código. Os mineradores escolhem um compartimento e trabalham apenas nos pedidos dentro dele. Isso evita que os mineradores atrapalhem uns aos outros e desperdicem energia. Suas simulações mostraram que o uso de mais compartimentos reduz significativamente o trabalho desperdiçado.

O Que o Artigo Diz (e o Que Não Diz)

Os autores são muito cuidadosos com o que afirmam. Eles sugerem que seu sistema funciona e demonstraram suas propriedades de segurança através de simulações. Eles não afirmaram ter construído uma blockchain totalmente funcional e viva que foi testada no mundo real durante anos.

Eles também rejeitam explicitamente algumas ideias que podem parecer óbvias, mas não funcionam:

Eles rejeitam a ideia de "amortização": Você não pode simplesmente agrupar várias provas para torná-las mais fáceis. O sistema é desenhado para que cada prova individual deva ser computada do zero, garantindo que ninguém possa trapacear fazendo menos trabalho.
Eles rejeitam a ideia de pré-computação: Um minerador não pode resolver secretamente um enigma hoje para um bloco que só existirá na semana que vem. O enigma muda a cada segundo com base no estado atual da blockchain, então você tem que resolvê-lo agora.

A Conclusão

Os pesquisadores projetaram um sistema onde a energia gasta para proteger uma blockchain não é desperdiçada. Em vez disso, essa energia é usada para criar provas criptográficas valiosas que ajudam outras partes da internet a permanecerem privadas e seguras.

Embora tenham mostrado através de simulações que a matemática se sustenta e que o sistema é justo, eles reconhecem que a implementação no mundo real é um passo futuro. Eles criaram o projeto para uma blockchain que não apenas queima energia, mas que realmente faz algo útil, transformando o "trabalho inútil" do passado no "trabalho útil" do futuro.

Resumo Técnico: SNARKChain – Blockchain de Proof-of-Useful-Work com um Marketplace de SNARK de Propósito Geral

1. Definição do Problema

O Proof of Work (PoW) permanece como o protocolo de consenso sem permissão mais seguro, mas sofre de uma ineficiência ambiental significativa devido à sua dependência de quebra-cabeças computacionalmente intensivos que não geram valor fora da blockchain (por exemplo, colisões de hash). O Proof of Useful Work (PoUW) visa substituir esses quebra-cabeças arbitrários por tarefas que geram valor real, como simulações científicas ou provas criptográficas. No entanto, as propostas de PoUW existentes frequentemente falham em atender aos rigorosos requisitos de segurança do PoW, especificamente no que diz respeito à frescura (resistência a ataques de replay), incorporação da integridade da cadeia e vinculação da identidade do minerador.

Simultaneamente, a geração de argumentos de conhecimento não interativos e sucintos de conhecimento de zero-conhecimento (zk-SNARKs) é computacionalmente proibitiva para muitos usuários, necessitando de terceirização. Embora existam marketplaces descentralizados para geração de SNARK, eles normalmente operam na camada de aplicação ou são limitados a circuitos especializados, falhando em integrar a geração de provas diretamente na camada de consenso enquanto mantêm capacidades de propósito geral.

2. Metodologia

Os autores propõem o SNARKChain, um novo protocolo de consenso onde o "trabalho útil" é a geração de provas SNARK terceirizadas por clientes. O sistema funciona como um marketplace descentralizado onde mineradores computam provas para assegurar a rede.

Arquitetura Central

A rede consiste em três papéis de participantes:

Clientes: Submetem transações de moedas e "transações de prova" contendo circuitos aritméticos e parâmetros para solicitar a geração de SNARK.
Mineradores (Nós Full): Selecionam transações, geram as provas SNARK necessárias e competem para publicar blocos. Eles recebem recompensas por blocos que contêm provas válidas.
Nós do Registro de Circuitos: Uma sub-rede com stake responsável pelo registro descentralizado de circuitos aritméticos, armazenamento de chaves de prova/verificação e participação em Computação Multipartidária Segura (SMPC) para o setup confiável.

Mecanismo de Consenso: A Loteria e a Integridade

Para abordar os desafios específicos do PoUW, o protocolo introduz um Mecanismo de Loteria e Vinculação de Integridade:

Seleção de Bloco Baseada em Loteria: Em vez de exigir que os mineradores alcancem um limiar de dificuldade fixo (o que leva à centralização pelo minerador mais poderoso), o protocolo utiliza uma loteria ponderada. Cada vez que um minerador gera uma nova prova para um bloco, ele aciona uma verificação de loteria. A probabilidade de vencer ( $P_{win}$ ) é proporcional à complexidade ( $C_i$ ) da prova gerada em relação ao alvo de dificuldade atual ( $\kappa$ ):
$P_{win}(i) = \frac{C_i}{\kappa}$
Isso garante a ausência de progressão (progress-freeness): a probabilidade de vencer depende apenas da prova mais recentemente gerada, não do tempo já gasto na mineração.
Parâmetro de Integridade ( $\eta$ ): Para evitar o roubo de provas e ataques de replay, cada circuito aritmético é modificado para incluir um parâmetro público de integridade. Este parâmetro é derivado do hash do cabeçalho do bloco que está sendo construído. Se um minerador falhar na loteria, ele deve recalcular o parâmetro de integridade para incluir a nova prova gerada, criando uma cadeia de provas criptograficamente vinculada dentro do bloco. Isso garante que uma prova não possa ser reutilizada em um bloco diferente sem invalidar a verificação.
Prevenção de Amortização: Para evitar que mineradores obtenham vantagens injustas ao agrupar provas, o sistema utiliza um parâmetro de máscara (combinando o endereço do minerador e a contagem de uso do circuito) e garante que a mudança nos inputs públicos (como o parâmetro de integridade) invalide toda a avaliação QAP no Groth16, exigindo a recomputação total.
Bucketing (Agrupamento): Para reduzir o trabalho desperdiçado causado por sobreposições de transações quando múltiplos mineradores trabalham em paralelo, o protocolo particiona o espaço de transações em "buckets" baseados em prefixos de hash de transação. Os mineradores selecionam um bucket, garantindo conjuntos de transações disjuntos e minimizando conflitos.

Detalhes Criptográficos

O sistema utiliza SNARKs Groth16. Os autores selecionaram o Groth16 por seu tamanho de prova constante (128 bytes) e tempo de prova linear em relação ao número de restrições. O protocolo suporta circuitos de propósito geral (definidos em DSLs como ZoKrates ou Circom), em vez de ser limitado a um único circuito especializado.

3. Principais Contribuições

O artigo reivindica as seguintes contribuições:

Primeiro Marketplace de SNARK na Camada de Consenso: A proposta representa o primeiro marketplace descentralizado para geração de zk-SNARK de propósito geral que opera diretamente na camada de consenso, onde a geração de prova é inseparável da segurança do bloco.
Design de Protocolo PoUW: Uma abordagem inovadora para descarregar a computação intensiva de SNARK em nós, satisfazendo todas as propriedades críticas de PoW (assimetria, granularidade, ausência de amortização, independência, eficiência, não-falsificabilidade, frescura, determinismo, ausência de progressão, ausência de progressão e verificabilidade pública).
Tratamento de Inputs Privados: O artigo propõe um método (detalhado no Apêndice) para lidar com provas com parâmetros privados via terceirização de ofuscação de testemunha (witness obfuscation), abordando a limitação de parâmetros apenas públicos do design inicial.
Análise de Segurança: Uma análise formal e simulação (usando Redes de Petri Coloridas de Tempo Estocástico) demonstrando que o protocolo mantém propriedades de justiça e segurança.

4. Resultados e Avaliação

Os autores avaliaram o protocolo usando um modelo de rede Petri para testar quatro hipóteses:

H1 (Justiça): A distribuição de recompensas é condizente com o poder de mineração. As simulações confirmaram que as recompensas de bloco escalam linearmente com o poder computacional. No entanto, as recompensas de prova mostraram uma dependência quadrática do poder, sugerindo que as recompensas de prova devem ser minimizadas em relação às recompensas de bloco para evitar a centralização de pools de mineração.
H2 (Independência): A complexidade das provas selecionadas não favorece injustamente as recompensas. Os resultados indicaram que mineradores com preferência por provas maiores não ganharam recompensas de bloco desproporcionais, embora tenham gerado mais provas.
H3 (Centralização vs. Eficiência): A introdução de um parâmetro ( $\psi$ ) para favorecer cadeias de prova mais longas reduz o trabalho desperdiçado, mas aumenta a centralização. O trade-off sugere que, embora a eficiência possa ser melhorada, isso pode comprometer a justiça da rede.
H4 (Bucketing): Aumentar o número de buckets reduz significativamente o trabalho desperdiçado causado por sobreposições de transações. A simulação mostrou que um maior número de buckets correlaciona-se com uma menor porcentagem de trabalho desperdiçado.

A análise confirma que o Groth16 oferece o escalonamento linear necessário para o tempo de geração de prova, tornando o protocolo previsível e escalável.

5. Significância e Alegações

O artigo posiciona o SNARKChain como uma solução para os desafios duplos do desperdício de energia da blockchain e do alto custo de geração de zk-SNARK.

Segurança: Ao contrário de propostas anteriores de PoUW, este sistema incorpora a integridade da cadeia e a identidade do minerador diretamente nas soluções dos quebra-cabeças, atendendo aos rigorosos requisitos de "frescura" e "não-falsificabilidade" do PoW.
Utilidade: Transforma o "desperdício" do PoW em provas criptográficas valiosas que podem ser usadas para privacidade, escalabilidade e interoperabilidade cross-chain em aplicações mais amplas.
Novidade: Os autores afirmam que, até onde sabem, este é o primeiro sistema a integrar com sucesso a geração de SNARK de propósito geral na camada de consenso, satisfazendo todas as propriedades necessárias de PoW.

O trabalho conclui que, embora persistam desafios (como o trade-off entre trabalho desperdiçado e centralização via parâmetro $\psi$ ), o protocolo proposto oferece um caminho viável para blockchains seguras e energeticamente eficientes que produzem subprodutos criptográficos úteis.