🇮🇹 Protocollo blockchain Cardano: perché Proof-of-Stake?

:it: Traduzione italiana di Cardano blockchain protocol: why Proof-of-Stake? di Rodrigo [RODRI].

*Pubblicato sul blog Proof-of-Africa Pool su Medium, il 17 giugno 2020.


In questo articolo spiegheremo cosa sono i protocolli Proof-of-Stake (PoS), confrontando il loro funzionamento di base con i ben noti protocolli Proof-of-Work (PoW).

I protocolli Proof-of-Work (PoW) attualmente alimentano la maggior parte dei progetti di criptovalute quali Bitcoin, Ethereum, Litecoin, Dash, ecc.
Questo ci aiuterà a capire meglio perché gli algoritmi di consenso PoS sembrano avere un futuro più luminoso rispetto al PoW nel cripto-ecosistema e perché Cardano ha deciso di sviluppare il proprio protocollo su misura: Ouroboros.

Nozioni di base

Bitcoin utilizza enormi quantità di energia per proteggere la sua rete.

Ma perché consuma tutta questa energia e quali potrebbero essere le alternative?

L’estrazione di nuovi bitcoin e la sicurezza della rete richiedono molta potenza di calcolo a causa del suo algoritmo chiamato “Proof-of-Work” (PoW).
L’algoritmo PoW di Bitcoin funziona facendo sì che tutti i nodi della rete risolvano lo stesso puzzle crittografico.
**I nodi che risolvono il puzzle sono chiamati miner, e il primo a trovare la soluzione ottiene la reward: una certa quantità di Bitcoin ** (numero che diminuisce ogni 4 anni dopo un “Halving”).

Nel 2011 un utente del forum Bitcointalk chiamato QuantumMechanic ha proposto una tecnica che ha chiamato “Proof of Stake” (PoS).
L’idea era che fosse uno spreco permettere a tutti di usare la potenza dei computer per competere tra loro con il mining per proteggere la rete.
Al contrario, PoS utilizza un processo di elezione in cui un nodo viene scelto casualmente per convalidare il blocco successivo.
PoS non ha miners ma “validators”, e non permette alle persone di “estrarre” blocchi ma di “coniare” o “produrre” blocchi.

I validatori di blocco non sono scelti completamente a caso.
Per diventare un validator, un nodo deve depositare una certa quantità di token nativi della blockchain nella rete in questione (che può essere considerato un deposito di sicurezza).
Se un nodo viene scelto per convalidare il blocco successivo, verificherà la validità di tutte le transazioni all’interno del blocco.
Se tutto è verificato, il nodo firma il blocco e lo aggiunge alla blockchain; ha prodotto un nuovo blocco.

Come reward, il nodo riceve tutte o una frazione delle fee associate ad ogni transazione, a seconda del protocollo PoS.

La dimensione della stake determina le possibilità di un validator di essere scelto per coniare il prossimo blocco. Più token hai puntato nella rete, più possibilità hai di produrre un nuovo blocco.
Questo potrebbe sembrare ingiusto perché tende a favorire le entità ricche che possiedono molti token ma, nei fatti, è più corretto dei protocolli PoW.
Infatti, con PoW le grandi entità/mining farms possono beneficiare di economie di scala.
Il prezzo che pagano per le attrezzature di mining e l’elettricità non sale linearmente. Invece, più ne comprano, migliori sono i prezzi che possono ottenere.

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Fonte: 3IQ Research Group.

Consumo di energia

I protocolli PoW offrono più rewards ai miners più avanzati e meglio equipaggiati. Più alto è il tuo tasso di hash (potenza di calcolo), maggiore è la tua possibilità di creare il prossimo blocco e ricevere la reward.

Se i miners vogliono aumentare ulteriormente le loro possibilità, devono riunirsi in quella che viene chiamata “mining pool”. Così facendo, combinano i loro tassi di hashing e distribuiscono la reward in modo uniforme a tutti nella pool.
Ciò ha portato ad una corsa in cui le aziende strutturate hanno sostituito la costruzione dei primi nodi fai da te, creando mining farm sempre più grandi, dotate di dispositivi di mining dedicati (come gli ASIC).

Secondo Digiconomist, i soli miners di Bitcoin utilizzano circa 60 TWh di elettricità, abbastanza per alimentare un intero paese come la Grecia (11 milioni di abitanti).

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Fonte: Digiconomist (giugno 2020).

Quindi le differenze tra Proof-of-work e Proof-of-stake sono abbastanza importanti.
Proof-of-stake non permette a tutti di estrarre nuovi blocchi, quindi non c’è competizione tra i validators e nessuna corsa alla potenza di calcolo. Pertanto utilizza molta meno energia.
Per esempio, secondo Charles Hoskinson, CEO di IOHK, l’intera Blockchain di Cardano potrebbe essere alimentata utilizzando solo 10 kW (potenza necessaria per alcune case), il che ridurrebbe il consumo di energia di milioni di volte rispetto alla blockchain di Bitcoin.

Decentramento

Come abbiamo visto sopra, con i protocolli proof-of-work esiste la mining farm dove i miners fanno squadra per aumentare le loro possibilità di produrre nuovi blocchi e quindi raccogliere rewards.
Ormai queste pool controllano grandi porzioni della blockchain di bitcoin. Ciò significa che in qualche modo centralizzano il processo di mining e questo è pericoloso.
Se le più grandi mining farms si fondessero, avrebbero una quota di maggioranza nella rete e potrebbero iniziare ad approvare transazioni fraudolente. La relativa blockchain perderebbe istantaneamente tutta la sua credibilità e verrebbe abbandonata.

Creare un nodo e diventare un validator in una blockchain basata sul proof-of-stake è molto meno costoso rispetto ad una basata sul proof-of-work.
Le persone interessate non hanno bisogno di un enorme investimento in costose attrezzature di mining e quindi il proof-of-stake incoraggia più persone a creare un nodo, rendendo la rete più decentralizzata e anche più sicura.
Per riassumere: i protocolli Proof-of-Work spingono i miners ad usare enormi quantità di energia e incoraggiano l’uso di mining pools che rendono la blockchain più centralizzata, contrariamente a quello che era il suo obiettivo iniziale di raggiungere la decentralizzazione.

I protocolli PoS tendono ad essere più equi dei protocolli PoW, evitando intrinsecamente i grandi cluster. Inoltre, ogni protocollo PoS (come Cardano con il suo parametro di saturazione stake pool) potrebbe aggiungere regole complementari per mitigare il dominio dei validators che hanno troppa influenza sulla rete.
**L’obiettivo principale rimane lo stesso, raggiungere la decentralizzazione.

Scalabilità

I protocolli PoW hanno dimostrato di avere una grande debolezza che impedisce di raggiungere l’adozione e l’utilità di massa come sistema di pagamento globale: la scalabilità.

La scalabilità stessa consiste in tre questioni principali che devono essere risolte:

  • Transazioni al secondo (TPS).
  • Larghezza di banda della rete.
  • Stoccaggio.

Il TPS è il più ovvio, e qui ci concentreremo solo su questo aspetto.
La premessa di base è semplice: perché una criptovaluta diventi un sistema di pagamento globale, deve essere in grado di gestire molti TPS.

Per fare un confronto, mentre il sistema Visa può elaborare fino a 5000 TPS, Bitcoin permette solo fino a 7 TPS.

Durante il “crypto-pump” della fine del 2017, l’enorme aumento dei volumi di transazioni Bitcoin ha mostrato la debolezza del suo protocollo: ci sono voluti giorni perché venissero convalidate alcune transazioni e inserite nella blockchain. Il potenziale di adozione di Bitcoin è attualmente frenato dalla sua scalabilità.
Alcuni progetti hanno sviluppato protocolli (come Ouroboros di Cardano) che risolve questo problema adottando PoS invece di PoW.
Come abbiamo visto, il protocollo PoS di Cardano non permette a tutti di competere producendo nuovi blocchi. Al contrario, la rete elegge alcuni nodi per coniare i prossimi blocchi; questi nodi sono chiamati “slot leader”.
Per far funzionare il tutto, Cardano divide il tempo in epoche e queste in slot.
Gli slot sono un breve periodo di tempo in cui un blocco può essere creato.
La rete quindi elegge uno slot leader per ogni slot, e questo è l’unico che può produrre il blocco per quel particolare slot.
Gli slot leader cercano di ascoltare le nuove transazioni, le verificano e poi le inseriscono in un nuovo blocco.
Questa tecnica rende Cardano altamente scalabile perché il protocollo potrebbe aumentare il numero di slot per epoca e in cima potrebbe eseguire più epoche in parallelo, se necessario.

Il direttore dell’University of Edinburgh Blockchain Lab, Aggelos Kiayias, dice che il protocollo scalabilità di Cardano, Ouroboros Hydra, permetterebbe un numero quasi infinito di TPS, rompendo l’attuale barriera principale all’adozione di massa delle criptovalute.

51% Attacks

Un altro problema potrebbe accadere in un sistema blockchain se uno compra, possiede o ha il controllo della maggior parte dei token e li mette in gioco nella rete, potendo quindi effettivamente manipolarla, permettendo e approvando transazioni false.
Questo è chiamato 51% Attacks ed è anche discusso come punto debole degli algoritmi PoW.

Se un singolo miner o un gruppo di miners può ottenere il 51% della potenza di hashing, può effettivamente controllare e manipolare la blockchain.

Il Proof-of-stake d’altra parte potrebbe rendere questo attacco molto improbabile, ma questo dipende dal valore complessivo di una criptovaluta.
A giugno 2020, se Bitcoin passasse a PoS, acquisire il 51% di tutte le monete costerebbe più di 85 miliardi di dollari. Quindi, l’attacco del 51% è meno probabile che accada con PoS.
Mentre detenere il 51% di ada costerebbe “solo” oltre 1 miliardo di dollari… questo lascia i giovani progetti PoS particolarmente deboli nelle loro prime fasi di sviluppo.

Come affronta questi problemi Cardano?

In breve: il consenso proof-of-stake affronta alcuni problemi rispetto al proof-of-work, ma porta anche alcuni rischi aggiuntivi che devono essere valutati, compresi e mitigati.
Fin dall’inizio, il team di Cardano ha lavorato in questa direzione per avallare i principali problemi identificati quando si esegue un protocollo PoS e per superarli.
Per farlo, Cardano ha usato un approccio diverso da quello di altri progetti di criptovalute, perché è costruito intorno a documenti peer-reviewed. In altre parole, un approccio accademico.

Quindi, invece di scrivere un whitepaper e implementarlo direttamente nel codice, il team di Cardano si assicura che esperti di tutto il mondo leggano i loro articoli, li migliorino e siano d’accordo con il risultato. Questo assicura la qualità e la robustezza del protocollo, ma richiede anche un sacco di tempo, e questo è correlato al tag “always delayed” che il progetto Cardano si porta con sé.

Durante le diverse fasi di test, i team di sviluppo hanno implementato le loro ricerche e hanno dimostrato di essere in grado di affrontare la maggior parte dei problemi sollevati qui sopra.
Per il lancio di Shelley (estate 2020), la maggior parte dei parametri sono stati testati e determinati al fine di portare più sicurezza possibile alla rete.
Inoltre tutti questi parametri sono regolabili nel tempo e daranno al protocollo tutta l’autonomia necessaria per la sua evoluzione e adattamento alle esigenze future: decentralizzazione, sicurezza, sobrietà e scalabilità.


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Traduzione di Cardano blockchain protocol: why Proof-of-Stake? | by Gwendal LD | Proof of Africa — Enabling Web3 in Africa | Medium

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