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Fast Deterministically Safe Proof-of-Work Consensus

Este artigo apresenta o Sieve-MMR, o primeiro protocolo de blockchain totalmente sem permissão que alcança tanto segurança determinística quanto latência esperada constante sem mecanismos externos, ao adaptar um protocolo Proof-of-Stake para o cenário Proof-of-Work e empregar um novo algoritmo Sieve para mitigar ataques de viagem no tempo.

Autores originais: Ali Farahbakhsh, Giuliano Losa, Youer Pu, Lorenzo Alvisi, Ittay Eyal

Publicado 2026-06-04

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CC BY 4.0

Autores originais: Ali Farahbakhsh, Giuliano Losa, Youer Pu, Lorenzo Alvisi, Ittay Eyal

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 um livro-razão digital massivo e global onde qualquer pessoa pode entrar ou sair a qualquer momento. Este é o mundo das blockchains sem permissão (como o Bitcoin). O objetivo é que todos concordem com a ordem das transações sem que um chefe diga o que fazer.

Por muito tempo, esses sistemas tiveram duas formas principais de trabalhar, ambas com falhas sérias:

Proof of Stake (PoS - Prova de Participação): Você bloqueia dinheiro para votar. O problema? Se um atacante comprar contas antigas de pessoas que saíram anos atrás, ele pode reescrever o histórico de forma barata. Isso é chamado de "Ataque de Longo Alcance" (Long-Range Attack).
Proof of Work (PoW - Prova de Trabalho): Você resolve enigmas matemáticos difíceis para votar. O problema? Ou é incrivelmente lento, ou depende de segurança "probabilística" (significando que há uma chance mínima, mas não nula, de um atacante ter sorte e reescrever o histórico).

Os autores deste artigo, Sieve-MMR, construíram um novo sistema que afirma ser o melhor dos dois mundos: é rápido, é seguro contra a reescrita de histórico e não precisa de ajuda externa (como consenso social ou checkpoints) para ser seguro.

Aqui está como eles fizeram isso, usando algumas analogias do cotidiano.

A Grande Ideia: Desacoplar o "Voto" da "Verificação de Identidade"

Pense em um protocolo de consenso como uma reunião de condomínio.

A Lógica de Consenso (MMR): Este é o processo de votação real. "Quem tem mais votos? Vamos concordar com isso." Esta parte é rápida e inteligente, mas foi originalmente projetada para uma cidade onde todos têm um cartão de identidade fixo e sabem quem está presente.
O Problema Sem Permissão: Em um sistema sem permissão, as pessoas podem entrar e sair instantaneamente. Pior, um ator mal-intencionado pode fingir ser uma pessoa que saiu da cidade há 10 anos e trazer votos antigos de volta para confundir a reunião atual. Isso é o "Ataque de Viagem no Tempo" (Time-Travel Attack).

Os autores perceberam que poderiam pegar a lógica de votação rápida e inteligente (MMR) e envolvê-la em uma nova camada de "segurança" (Sieve) que lida com o caos de pessoas entrando/saindo e viajando no tempo.

O Vilão: O Viajante do Tempo

Em uma reunião normal, se você fala, você fala agora.
Em uma blockchain sem permissão, um ator mal-intencionado (nó bizantino) pode fazer algo sorrateiro:

Ele gera um monte de "votos" (enigmas matemáticos) lá em 2020.
Ele guarda esses votos.
Em 2026, ele despeja todos esses votos antigos na reunião atual, fingindo que foram emitidos agora mesmo.

Porque o sistema vê uma inundação de "votos" do passado, ele fica confuso sobre quem realmente tem a maioria hoje. Isso quebra a segurança da reunião.

O Herói: O Sieve (Peneira)

Para deter esses viajantes do tempo, os autores inventaram um novo filtro chamado Sieve. Pense nele como um segurança de boate que checa identidades, mas com um toque especial.

Como o Sieve funciona:

O "Baú" (Coffer): Toda vez que um nó envia uma mensagem (um voto), ele deve incluir um "coffer" (um baço/bolsa) contendo as mensagens que ele recebeu das rodadas anteriores.
A Prova de Trabalho (DPoW): Para enviar uma mensagem, você deve resolver um enigma matemático. O tempo que leva para resolvê-lo é registrado.
O Filtro: Quando o Sieve recebe um monte de mensagens, ele olha para os "coffers".
- Se uma mensagem afirma ser da "Rodada 5", mas seu coffer não contém as mensagens da "Rodada 4" que acabaram de ser geradas por pessoas honestas, o Sieve sabe que é falsa.
- Analogia: Imagine alguém alegando que acabou de chegar a uma festa em 2026. Mas quando você olha o álbum de fotos dele (o coffer), as fotos são de 2020, e ele não tem fotos das decorações da festa que foram colocadas ontem. O segurança (Sieve) diz: "Você é um viajante do tempo. Você não pode entrar."

O Sieve filtra essas mensagens "antigas", garantindo que apenas mensagens geradas recentemente por pessoas que estavam presentes recentemente sejam contadas.

Os Dois Modos do Sieve

O Sieve tem duas formas de funcionar, dependendo de quanto tempo você está na festa:

Online-Sieve (O Convidado Regular): Se você está na festa há algum tempo, você tem uma lista das mensagens válidas da última rodada. Você apenas verifica se as novas mensagens se encaixam nessa lista. Isso é rápido e fácil.
Bootstrap-Sieve (O Novo Convidado): Se você acabou de chegar à festa, você não tem o histórico. Você tem que olhar para todo o histórico da festa desde o início, construir um mapa gigante (um DAG) de quem falou com quem, e descobrir quais mensagens são reais e quais são falsas viagens no tempo.
- O Porém: Este processo de "Novo Convidado" é computacionalmente pesado (é como resolver um enigma massivo). O artigo admite que isso é um obstáculo para o uso no mundo real agora, mas prova que o conceito funciona.

O Resultado: Sieve-MMR

Ao empilhar o Sieve (o segurança) sob o MMR (a lógica de votação rápida), eles criaram o Sieve-MMR.

Segurança Determinística: Ao contrário do Bitcoin, onde você tem que esperar e torcer para o atacante não ter sorte, este sistema garante a segurança. Se as regras forem seguidas, o histórico não pode ser alterado.
Latência Constante: É rápido. O artigo afirma que as transações podem ser finalizadas em um tempo previsível e curto (cerca de 7 etapas), em vez de esperar por uma confirmação "probabilística".
Sem Ataques de Longo Alcance: Como o Sieve filtra mensagens antigas, um atacante não pode comprar chaves antigas e reescrever o histórico.
Sem Ajuda Externa: Não precisa de "consenso social" ou de um checkpoint central para ser seguro. Ele faz tudo matematicamente.

As Limitações (As Letras Miúdas)

O artigo é honesto sobre o que ainda não consegue fazer:

Largura de Banda: Requer que todos falem com todos em cada rodada. Se a rede ficar enorme, os congestionamentos ficam enormes (escalonamento quadrático).
O Problema do "Novo Convidado": O Bootstrap-Sieve (para novos nós) exige a resolução de um problema matemático muito difícil sobre todo o histórico da rede. É atualmente mais uma prova teórica do que uma ferramenta pronta para uso por novos usuários.
Rede Síncrona: Assume que as mensagens chegam rapidamente e em ordem, o que é uma idealização para a internet caótica do mundo real.

Resumo

O artigo apresenta o Sieve-MMR, uma nova maneira de operar uma blockchain que combina a velocidade e a certeza dos sistemas de votação modernos com a segurança da Prova de Trabalho. Ele resolve o problema do "Ataque de Viagem no Tempo" usando um mecanismo de filtragem inteligente que garante que apenas votos frescos e recentes sejam contados, impedindo que atacantes usem dados antigos para confundir o sistema. Embora tenha alguns obstáculos práticos a superar antes de poder substituir o Bitcoin ou o Ethereum, ele prova que uma blockchain sem permissão, rápida e perfeitamente segura, é teoricamente possível.

Resumo Técnico: Consenso de Proof-of-Work Deterministicamente Seguro e Rápido

Declaração do Problema

Blockchains sem permissão enfrentam um compromisso fundamental entre garantias de segurança e desempenho. Os protocolos existentes geralmente se dividem em duas categorias: Proof-of-Stake (PoS) e Proof-of-Work (PoW), ambos os quais sofrem de vulnerabilidades específicas:

Vulnerabilidades de PoS: Protocolos de PoS são suscetíveis a ataques de longo alcance (long-range attacks), onde adversários adquirem chaves históricas para fabricar histórias de execução alternativas a baixo custo. Defender-se disso requer tipicamente mecanismos externos (ex: consenso social ou checkpoints seguros), o que mina a natureza autossuficiente do sistema.
Vulnerabilidades de PoW: Protocolos tradicionais de PoW (como o Bitcoin) evitam ataques de longo alcance, mas dependem de garantias de segurança probabilísticas. Isso deixa aberta a possibilidade de um atacante criar com sucesso uma história alternativa. Além-disso, alcançar segurança determinística em PoW resultou historicamente em protocolos proibitivamente lentos (ex: latência exponencial) ou exigiu modelos restritivos.

O desafio central abordado por este artigo é o "ataque de viagem no tempo" (time-travel attack). Em um ambiente totalmente sem permissão, protocolos de disponibilidade dinâmica (que permitem que nós entrem e saiam) dependem de argumentos de interseção de quorum. No entanto, em um ambiente sem permissão, nós bizantinos podem gerar mensagens no passado distante, armazená-las e liberá-las posteriormente para distorcer o quorum percebido de nós corretos no presente. Esse "viajar no tempo" invalida a lógica de interseção de quorum, tornando os protocolos de broadcast dinamicamente disponíveis inseguros sem suposições de confiança externa.

Metodologia: Sieve-MMR

Os autores propõem o Sieve-MMR, o primeiro protocolo de Total-Order Broadcast (TOB) baseado em Proof-of-Work totalmente sem permissão que alcança segurança determinística e latência esperada constante sem depender de mecanismos externos. O sistema é construído sobre duas camadas distintas:

1. A Camada Inferior: Sieve e TTRB

A principal contribuição técnica é o Sieve, um algoritmo que implementa um novo primitivo de broadcast chamado Time-Travel-Resilient Broadcast (TTRB).

Objetivo: O TTRB garante que as mensagens entregues em uma determinada rodada foram geradas na rodada imediatamente anterior, filtrando mensagens "antigas" (antique messages).
Mecanismo: O Sieve utiliza um primitivo de Proof-of-Work determinístico (DPoW). Ele constrói um Grafo Acíclico Dirigido (DAG) de avaliações de DPoW onde as mensagens são vértices e as arestas representam a inclusão em "cofres" (coffers) — conjuntos de mensagens da rodada anterior incluídas no payload de uma nova mensagem.
Políticas de Filtragem: O Sieve emprega duas estratégias de filtragem para podar o DAG e identificar mensagens válidas:
- Online-Sieve: Usado por nós que estavam ativos no passo anterior. Ele filtra mensagens de forma eficiente ao verificar se a interseção do cofre de uma mensagem com o conjunto de mensagens válidas de dois passos atrás excede um limiar ponderado ( $1-\rho$ ).
- Bootstrap-Sieve: Usado por nós que estão ingressando no sistema ou se recuperando de inatividade. Ele realiza uma análise computacionalmente mais intensiva de todo o histórico do DAG para reconstruir o conjunto de mensagens válidas do passo anterior, garantindo que o nó não aceite mensagens antigas que possam confundir sua visão do quorum.
Suposições: O Sieve assume uma rede síncrona e que adversários controlam menos da metade ( $\rho \le 1/2$ ) do poder de computação DPoW total em qualquer intervalo suficientemente longo.

2. A Camada Superior: MMR

A lógica de consenso é derivada do protocolo MMR (Malkhi et al.), um protocolo de PoS rápido e deterministicamente seguro projetado para o modelo de "disponibilidade dinâmica".

Integração: Ao sobrepor o MMR ao Sieve, os autores desacoplam a lógica de consenso da lógica de participação sem permissão. O Sieve fornece as garantias de entrega de mensagens (TTRB) que o MMR exige para manter a interseção de quorum.
Eleição de Líder: O Sieve-MMR usa um componente de eleição de líder probabilístico baseado no oráculo aleatório de DPoW para determinar em qual cadeia votar ou realizar o commit em cada passo.

Principais Contribuições

Time-Travel-Resilient Broadcast (TTRB): Uma nova abstração de broadcast que garante uma camada de mensagens imune a ataques de viagem no tempo, assegurando que as mensagens entregues sejam causalmente consistentes com a rodada atual.
Algoritmo Sieve: Um novo protocolo que implementa TTRB usando um primitivo de DPoW de caixa-preta. Ele introduz o conceito de "cofres" e poda baseada em DAG para distinguir entre mensagens atuais e antigas.
Protocolo Sieve-MMR: O primeiro protocolo de TOB totalmente sem permissão que alcança:
- Segurança Determinística: Sem modos de falha probabilísticos em relação à segurança (dentro do modelo Dolev-Yao).
- Latência Esperada Constante: Transações são confirmadas em um número constante de passos (esperado 7 passos, melhor caso 3 passos).
- Sem Confiança Externa: Não depende de consenso social ou checkpoints externos para prevenir ataques de longo alcance.

Resultados e Garantias

Segurança: O Sieve-MMR garante consistência (todos os nós corretos confirmam cadeias compatíveis) e progresso (as cadeias eventualmente crescem). Ele herda a capacidade do MMR de tolerar um adversário limitado a $1/3$ na camada de consenso, enquanto o próprio Sieve tolera um adversário limitado a $1/2$ na camada de mensagens.
Latência: O protocolo alcança latência esperada constante, uma melhoria significativa em relação aos protocolos de PoW determinísticos anteriores que sofriam de latência exponencial em relação ao número de participantes.
Modelo de Segurança: As reivindicações de segurança sustentam-se dentro de um modelo estilo Dolev-Yao, onde adversários não podem quebrar primitivos criptográficos ou adivinhar mensagens. O protocolo assume uma rede síncrona e depende de broadcast todos-para-todos, incorrendo em custos de largura de banda quadráticos em relação ao número de nós ativos.

Significância e Limitações

O artigo posiciona o Sieve-MMR como um passo teórico significativo em direção a um consenso de PoW prático, rápido e seguro. Ele demonstra que a vulnerabilidade de "viagem no tempo", anteriormente considerada uma barreira fundamental para portar o consenso de baixa latência para ambientes sem permissão, pode ser mitigada através do mecanismo Sieve.

No entanto, os autores são modestos quanto à implementação prática imediata, observando vários obstáculos:

Complexidade Computacional: A fase Bootstrap-Sieve requer a resolução de um problema de tempo exponencial sobre o histórico de execução do protocolo. Embora os nós não sejam obrigados a completar isso dentro de um tempo fixo, eles devem fazê-lo antes da participação ativa, o que é uma barreira significativa para novos nós.
Suposições de Rede: O protocolo assume uma rede síncrona e comunicação todos-para-todos, o que pode não escalar eficientemente em ambientes de internet assíncronos do mundo real.
Sobrecarga de Verificação: Verificar avaliações de DPoW para todas as mensagens pode ser computacionalmente caro, embora os autores sugiram a verificação em lote e otimizações criptográficas (como provas de conhecimento zero) como potenciais remédios futuros.

Em conclusão, o Sieve-MMR fornece uma ponte teórica entre os modelos de disponibilidade dinâmica e totalmente sem permissão, provando que a segurança determinística e a latência constante são alcançáveis em um cenário de PoW sem permissão sem confiança externa, desde que as restrições computacionais e de rede possam ser endereçadas.