🇮🇹 "Consenso su Cardano vs altre blockchains"

:it: Traduzione italiana di “Consensus on Cardano vs other blockchains” scritto da Elliot Hill della Fondazione Cardano

Traduzione italiana a cura di Lordwotton di RIOT Stake Pools


Consenso su Cardano vs. altre blockchains

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I meccanismi di consenso sono essenziali affinché tutte le parti si accordino su un’unica storia immutabile di una blockchain, per coniare nuovi blocchi e per mantenere il protocollo nel suo complesso.

I due principali metodi di consenso utilizzati oggi si basano su meccanismi di proof of work (PoW) o di proof of stake (PoS), che hanno influenzato molti altri tipi di metodi di consenso simili.

In questo caso, dopo il successo dell’hard fork di Cardano verso una blockchain PoS, approfondiamo la storia dei meccanismi di consenso, i loro limiti, e come Cardano risolve alcune delle questioni di consenso più pertinenti attraverso Ouroboros - l’algoritmo PoS tecnicamente più avanzato fino ad oggi.

Esamineremo anche come l’approccio al consenso di Cardano renda più sicuri che mai i contratti intelligenti e le applicazioni decentralizzate (DApp).

Proof of Work (PoW)

La proof of work è stata implementata per la prima volta in blockchain come la conosciamo oggi attraverso Bitcoin nel 2008. Tuttavia, le sue fondamenta si trovano nella ricerca crittografica molto più antica della stessa tecnologia blockchain, e comprendere l’origine della PoW può aiutarci a capire la tecnologia dei ledger distribuiti nel suo complesso.

Descritta per la prima volta da Cynthia Dwork e Moni Naor nel 1993 come tecnica di calcolo per combattere la posta indesiderata, la teoria di base dei primi sistemi PoW era quella di richiedere ai partecipanti all’ecosistema di calcolare un problema matematico moderatamente difficile, ma non impossibile, per prendere parte a una risorsa o a una rete - scoraggiando così un uso frivolo.

Oggi, una rapida occhiata nella cartella della posta indesiderata può rivelare che PoW ha trovato la sua nicchia più significativa non nella prevenzione dello spam, ma nel facilitare la creazione di una tecnologia blockchain impedendo la doppia spesa attraverso l’Hashcash, parte dell’algoritmo di estrazione mineraria alla fine utilizzato da Bitcoin.
Nel 1999, i crittografi Markus Jakobsson e Ari Juels hanno formalizzato la nozione di PoW, definendola come la verifica che i partecipanti avessero svolto una certa quantità di lavoro computazionale in un determinato intervallo di tempo, nel qual caso è stato loro concesso l’accesso a una risorsa - rappresentata come la ricompensa del blocco minato nelle blockchains PoW.

Qualche anno dopo, il defunto crittografo Hal Finney costruì la prima moneta elettronica digitale utilizzando un’iterazione di PoW che vide un uso economico limitato. Tuttavia, poco meno di un decennio dopo, Finney fu il primo destinatario in assoluto di Bitcoin, l’originale blockchain funzionale PoW costruita dall’anonimo Satoshi Nakamoto - ancora oggi la più grande moneta criptata per capitalizzazione di mercato.

PoW ha dato origine ai minatori di criptovalute, che utilizzano un potente hardware di calcolo per risolvere i problemi di crittografia e convalidare i blocchi in cambio di ricompense per i blocchi. L’estrazione mineraria di cripto-monete è diventata da allora un business enorme, che alimenta i mercati e l’industria della crittovaluta nel suo complesso.

Non è chiaro se questi pionieri della crittografia avessero idea di come sarebbe diventato un colosso Bitcoin e il resto dell’industria della blockchain. Ciononostante, la teoria accademica ha posto le basi per i meccanismi di consenso e gli algoritmi di hashing così come li conosciamo oggi, anche per quei protocolli che si sono evoluti al di là della PoW.

Oltre al Bitcoin, il PoW è utilizzato come meccanismo di consenso per oltre il 75% delle blockchain oggi, tra cui Litecoin, Ethereum, Bitcoin Cash, Monero, Dogecoin e molti altri. Ma, solo perché è la prima, non significa necessariamente che sia la migliore. Esploriamo alcuni limiti della PoW.

Problemi con la PoW

Nonostante la sua utilità per prevenire la doppia spesa, ci sono una serie di questioni teoriche e comprovate con il consenso di PoW, che includono:

  • inefficienza energetica - La PoW richiede grandi quantità di energia per alimentare l’hardware di calcolo necessario per estrarre i blocchi, che rappresentano un enorme onere ambientale. Una ricerca pubblicata nel 2019 ha stimato che la sola rete mineraria Bitcoin consuma da sola almeno 40 TWh di elettricità all’anno, forse fino a 62 TWh - paragonabile al fabbisogno energetico dell’intera nazione svizzera.

  • Consolidamento dell’hashrate - In teoria, una manciata relativamente piccola di minatori o gruppi minerari adeguatamente finanziati potrebbe diventare responsabile della maggior parte del tasso di hashrate in un sistema PoW. Il rischio di consolidamento dell’hashrate rende l’intera rete più centralizzata, poiché un numero relativamente piccolo di minatori è responsabile dell’estrazione di nuovi blocchi.

Proof of Stake (PoS)

Come vedremo in dettaglio più avanti, Cardano è una blockchain PoS. I protocolli PoS sono organizzati in cicli, e la maggior parte delle blockchain PoS passano ciclicamente attraverso i produttori di blocchi quando si tratta di coniare un nuovo blocco in una selezione di tipo round-robin. Invece, alcune blockchain PoS, come esamineremo di seguito, eleggono casualmente i leader per ogni round o slot, che sono chiamati slot leader in Cardano. La componente algoritmica più critica è una procedura di elezione dei leader degli slot, che determina un sottoinsieme di partecipanti con l’autorità di aggiungere un nuovo blocco alla blockchain durante ogni round.

I leader di slot sono scelti in base alla loro ‘posta in gioco’ (stake) nel protocollo, o alla porzione di gettoni di protocollo che controllano rispetto al resto dei partecipanti allo stake. Quelli con uno stake più alto hanno più probabilità di essere scelti come leader di slot e coniare un nuovo blocco - da qui il termine " proof of stake ".

Fondamentalmente, il PoS utilizza una frazione della potenza di hashing - e quindi, una frazione dell’elettricità - che gli algoritmi PoW consumano. Il basso fabbisogno di hashing e di energia è dovuto al fatto che gli slot leader vengono scelti in base alla loro quota di partecipazione al protocollo, in contrapposizione a quanta potenza fisica di hashing esercitano.

Altre blockchains PoS

Cardano è una delle più recenti e avanzate blockchains PoS. Tuttavia, alcune altre blockchains sono state pioniere del suo utilizzo in passato, altre stanno attualmente utilizzando il PoS, e altre ancora stanno pianificando di implementarlo in futuro:

  • Peercoin - Fondata nel 2012, Peercoin è stata la prima blockchain ad implementare il PoS. Basandosi sul codice Bitcoin, Peercoin è stato descritto in un whitepaper che ha delineato il primo conio formale con il PoS basato sull’“età” delle monete in una rete.
  • Tezos - Come Cardano, Tezos ha una produzione di blocchi circolare chiamato ‘ciclo’. Tezos è costruito su uno strato di consenso completamente diverso da quello di Cardano, nonostante le somiglianze tra gli strati superficiali. Per esempio, Tezos ha un modello di conto basato su Ethereum piuttosto che un UTXO esteso come Cardano - che permette Hydra e un supporto multi-asset superiore. Tezos ha sia produttori di blocchi, che hanno chiamato ‘panettieri’, sia partecipanti che concordano su nuovi blocchi, chiamati ‘endorsers’. Ai partecipanti all’algoritmo di consenso PoS di Tezos vengono assegnati diritti di panificazione o di endorsing all’inizio di ogni ciclo utilizzando un seme casuale calcolato a partire dalle informazioni memorizzate sulla catena di blocchi.
  • Ethereum 2.0 - Nonostante attualmente esista una catena di blocchi PoW, Ethereum alla fine si sposterà a PoS attraverso il rollout di Ethereum 2.0. Ethereum 2.0 si affiderà ai validatori - un ruolo chiamato anche “minatori virtuali” - e ai depositi di Ether per raggiungere il consenso.

Problemi con la Proof-of-Stake

Ci sono alcune questioni teoriche associate al PoS, molte delle quali erano problematiche nelle prime iterazioni delle blockchains PoS. Esploriamone alcune qui, ed esamineremo qui di seguito come Cardano le evita:

  • Il problema del “nothing-at-stake” - Gli attacchi contro le blockchain PoS possono essere facilitati dai validatori, che continuano simultaneamente più blockchain sfruttando il fatto che è necessario un piccolo sforzo di calcolo per costruire una blockchain PoS. Poiché la messa in sicurezza della rete non ha un costo intrinseco come negli algoritmi PoW, questo può portare i validatori a costruire su tutte le passate fork di una blockchain PoS al fine di riscuotere le commissioni di transazione su qualsiasi catena finisca per diventare la più utilizzata. Questo può essere dirompente per il consenso e lasciare la rete più ampia vulnerabile.
  • Attacchi Goldfinger - Chiamato come il cattivo di Bond che ha cercato di distruggere le riserve del Tesoro statunitense, gli attacchi Goldfinger cercano di minare e destabilizzare il protocollo di consenso stesso per il guadagno finanziario dell’aggressore. Questi attacchi possono assumere varie forme, come ad esempio un attacco di buy-out, un attacco di corruzione, un attacco di locazione o un building attack, ciascuno con un modus operandi diverso per lo stesso scopo.

Consenso su Cardano

Dopo la hard fork da Byron a Shelley, Cardano opera ora su Ouroboros Praos, un protocollo PoS che è il primo ad essere sicuro contro gli aggressori adattativi e scalabile in senso pratico.

Nell’antica iconografia egizia ed ellenistica, l’Ouroboros è un serpente mangiatore di se stesso che rappresenta un rinnovamento ciclico - particolarmente adatto al modo in cui funzioni casuali verificabili vengono generate in un’epoca e utilizzate per eleggere i leader degli slot nell’epoca successiva.

Ouroboros Praos fornisce sicurezza contro la corruzione completamente adattiva nell’ambiente semi-sincrono, il che significa che gli avversari possono corrompere qualsiasi stakeholder in qualsiasi momento senza che la blockchain sottostante ne sia influenzata, a patto che la distribuzione degli stakeholder mantenga una maggioranza onesta della quota di partecipazione - resa possibile attraverso stake pools e deleghe.

Ai partecipanti viene impedito di esercitare un controllo eccessivo sulla rete Cardano attraverso un punto di saturazione del pool, o ‘K’, a quel punto il pool otterrebbe rendimenti decrescenti per la partecipazione al consenso. Questo per evitare che un singolo pool o una manciata di pool siano scelti in modo sproporzionato come leader di slot, e mantenere la blockchain veramente decentralizzata.

La progettazione di staking pool e deleghe su Cardano assicura che il protocollo abbia una capacità di decentramento molto maggiore - incoraggiando la creazione di migliaia di stake pool e di un numero teoricamente illimitato di delegati. Pertanto, è stato detto da revisori di codice indipendenti, che l’algoritmo PoS di Cardano “rimpicciolisce” catene di concorrenti simili.

Come fa Cardano a superare i limiti del PoS?

Cardano è stato costruito utilizzando le più recenti ricerche crittografiche, costantemente migliorate attraverso il rigore accademico, e informato da quasi 80 lavori di crittografia peer-reviewed pubblicati da IOHK.

Di conseguenza, molte delle limitazioni associate al consenso sul PoS sono state attenuate o evitate del tutto, rendendo Ouroboros Praos l’iterazione più sicura del PoS fino ad oggi.

Il problema del “nulla in stake” è stato risolto attraverso l’analisi di Cardano delle “forkable strings”. Anche se un avversario dovesse forzare brutamente tutte le possibili strategie per forzarne la blockchain di Cardano nel prossimo futuro, non ci sono strategie che siano finanziariamente sostenibili.

Allo stesso modo, la regola della selezione a catena insegna ai partecipanti ad ignorare le fork molto profonde che si discostano dal blocco che hanno ricevuto l’ultima volta che sono stati online.

Al di là di Shelley - contratti intelligenti, rendimento ottimale e sidechains

Shelley ha introdotto il PoS dal vivo su Cardano, ma ci sono molti altri vantaggi del consenso sul PoS per l’utilità della più ampia blockchain Cardano. Questi includono contratti intelligenti, un throughput ottimale delle transazioni e sidechains. Esploriamo alcuni dei principi di base di queste caratteristiche.

Contratti intelligenti

Il modo in cui Cardano raggiunge il consenso è importante per le sue capacità di contratto intelligente e di DApp. Più decentramento in una blockchain significa che più nodi sono d’accordo su un’unica versione della verità.

Di conseguenza, i contratti intelligenti scritti su una rete sufficientemente decentralizzata sono particolarmente robusti e affidabili. Se abbinati a una rete oracolo decentralizzata, questi contratti intelligenti potrebbero servire adeguatamente ai casi d’uso delle imprese, o addirittura risolvere complessi accordi legali.

Un throughput quasi ottimale

Il raggiungimento di un elevato throughput delle transazioni è una delle maggiori sfide per le blockchain, ma è essenziale se si vuole che le blockchain diventino i sistemi operativi finanziari del futuro.

I ricercatori di IOHK hanno proposto un modello di esecuzione formale per i PoS basato su Ouroboros, che mantiene la sicurezza e consente anche un throughput ottimale delle transazioni, che permetterebbe alla blockchain Cardano di scalare e gestire un numero elevato di transazioni pur rimanendo sicura.

Sidechains PoS e interoperabilità

Le sidechain sono state a lungo esplorate per il loro potenziale di consentire la scalabilità e l’interoperabilità delle blockchains, ma ci sono molte considerazioni e problemi di sicurezza da risolvere prima che possano essere efficacemente implementate.

Nel maggio 2019, i ricercatori di IOHK sono stati i primi a descrivere una costruzione per le sidechain PoS che potrebbe essere implementata sul protocollo PoS Ouroboros Praos di Cardano.

È stata proposta una soluzione in grado di supportare trasferimenti di valore sicuri tra le varie catene, che a sua volta avrebbe mantenuto la sicurezza di ogni catena sottostante, verificato l’esistenza di una maggioranza di quote oneste per entrambe le catene partecipanti e mantenuto l’integrità di una catena di transazioni in caso di fallimento dell’altra.

Gli attacchi Goldfinger e altri tentativi di minare il consenso sono vanificati sulle sidechain, in quanto portano solo una piccola quantità di stake in gioco alla volta.

In pratica, l’implementazione delle sidechain PoS potrebbe consentire, per la prima volta, la piena interoperabilità tra blockchain - accelerando la scalabilità in tutta l’industria delle blockchains, ma anche consentendo la comunicazione con i sistemi bancari e finanziari legacy attraverso i ledger autorizzati.

Per saperne di più sul consenso di Cardano

Avendo esplorato una storia di meccanismi di consenso fino ad oggi, e dove il consenso sul PoS di Cardano si inserisce nel quadro più ampio, possiamo cominciare a capire quanto sia avanzato il meccanismo del PoS di Cardano; e, cosa ancora più cruciale, come esso sia alla base dell’intero ecosistema cardanico.

Potete leggere di più sul meccanismo di consenso di Cardano visitando la nostra documentazione per gli sviluppatori, visitando i nostri forum o leggendo l’ampia biblioteca di ricerca di IOHK.


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