Proof-of-Work e proof-of-stake

La natura peer-to-peer dei sistemi di pagamento pubblici basati su blockchain significa che chiunque nel mondo può partecipare alla loro gestione, non solo una singola azienda, una banca centrale o un gruppo selezionato di persone.

Tuttavia, la decentralizzazione comporta una sfida importante: se chiunque può partecipare e non c'è un'unica entità che controlli i partecipanti che supportano il network, come ci si assicura che partecipino solo utenti onesti e non agenti malintenzionati?

È qui che entra in gioco il cosiddetto meccanismo di consenso della blockchain.

Il consenso è l'accordo reciproco su una determinata informazione tra un sistema o un gruppo di persone. Nel caso di una blockchain, il consenso si riferisce all'accordo reciproco tra i computer di un network distribuito a livello globale che convalidano i dati delle nuove criptovalute che vengono aggiunti al ledger.

Le blockchain sono registri immutabili di transazioni e altri tipi di dati. Ciò significa che quando un'informazione viene aggiunta alla blockchain non può essere rimossa. Questo carattere definitivo impone ai partecipanti al network un'enorme responsabilità nel garantire che vengano registrati solo dati validi e verificati. 

I meccanismi di consenso sono il cuore di ogni blockchain pubblica. Rappresentano sistemi automatizzati che aiutano a filtrare i partecipanti disonesti alla blockchain e a garantire che solo gli utenti affidabili e impegnati diventino “validator”.

Proof-of-Work (PoW) e proof-of-stake (PoS) sono i due meccanismi di consenso più popolari utilizzati nei sistemi di pagamento pubblici su blockchain. PoW e PoS risolvono entrambi il problema di filtrare i partecipanti malintenzionati al network e di favorire il consenso, ma raggiungono questo risultato in modi diversi.

Il proof-of-work è un tipo di meccanismo di consenso che richiede agli utenti del network di dedicare potenza di calcolo per completare un compito, tipicamente una prova crittografica, per poter partecipare.

Il meccanismo di consenso Proof-of-Work (PoW) è stato introdotto per la prima volta nei primi anni '90 come sistema per prevenire lo spam via e-mail. Il metodo richiedeva agli utenti di risolvere un problema crittografico prima di poter inviare un'e-mail. 

Per gli utenti legittimi che inviavano solo una manciata di e-mail, la soluzione di questa singola prova crittografica non rappresentava un problema. Tuttavia, per un malintenzionato che volesse inviare email di spam in massa e interrompere un network, la maggiore potenza di calcolo richiesta per soddisfare il meccanismo di consenso PoW renderebbe l'impresa molto meno attraente.

Bitcoin e Proof-of-Work

Nel gennaio 2009, il creatore pseudonimo di Bitcoin, Satoshi Nakomoto, ha lanciato il protocollo Bitcoin. Questo sistema di denaro elettronico peer-to-peer presentava una versione adattata del meccanismo PoW per risolvere un problema di lunga data associato ai network di pagamento digitale decentralizzati: la doppia spesa.

Quando si invia valore in modo digitale, non c'è uno scambio di valuta tradizionale, ma solo numeri su uno schermo. Questo significa che un utente potrebbe teoricamente spendere lo stesso denaro due volte attraverso due transazioni separate. A seconda della sincronizzazione dei server del network di pagamento, questi pagamenti a doppia spesa potrebbero essere elaborati. Questo porterebbe alla creazione di nuove unità di valuta digitale dal nulla.

Il meccanismo di consenso PoW utilizzato nel protocollo Bitcoin incorpora un sistema chiamato “mining.” Gli utenti interessati a diventare validator, o “miner”, competono con i loro computer per aggiudicarsi il diritto di proporre nuove voci nel ledger. I miner fanno questo generando codici casuali di lunghezza fissa chiamati hash. Questi hash vengono creati facendo passare gli input attraverso un algoritmo di hashing crittografico per produrre codici unici a 64 esadecimali (codici contenenti solo numeri da 0 a 9 e lettere da A a F).

I minatori generano ripetutamente hash fino a quando qualcuno non ne crea uno che abbia un numero di zeri uguale o superiore a quello dell'hash target. L'hash target è il numero stabilito dal protocollo che, una volta battuto, garantisce al miner vincente il diritto esclusivo di proporre un nuovo lotto di dati di transazione da aggiungere al blocco successivo e più recente della catena. 

Incentivi e distribuzione delle ricompense 

Per aver vinto la competizione e aver speso energia computazionale, il miner viene premiato con una quantità di bitcoin di nuovo conio più eventuali commissioni legate alle transazioni aggiunte al nuovo blocco. Questo processo è noto come ricompensa dei blocchi.

Le ricompense dei blocchi di solito si attengono a una politica monetaria rigorosa e predefinita in cui le ricompense vengono sistematicamente ridotte nel tempo. Bitcoin, ad esempio, dimezza il numero di monete di nuovo conio assegnate per blocco ogni 210.000 blocchi (circa una volta ogni quattro anni).

In questo modo si riduce l'emissione di nuove monete che entrano in circolazione nel corso del tempo, il che, in teoria, ha lo scopo di aiutare a sostenere i prezzi supponendo che la domanda rimanga costante per la criptovaluta sottostante.

Verifica ed emissione

Una volta che il miner vincitore ha proposto un nuovo blocco di transazioni, gli altri miner del network verificano in modo indipendente le transazioni prima che il blocco venga aggiunto in modo permanente alla blockchain. 

Questo processo che richiede a tutti gli utenti del network di confermare in modo indipendente la validità delle transazioni proposte significa che è praticamente impossibile per un individuo spendere due volte il proprio saldo, a patto che almeno una maggioranza del 51% di tutti i validator del sistema agisca onestamente. 

Questa competizione di mining ricomincia quindi da capo in base al tempo di blocco che ogni criptovaluta è programmata per seguire. Per il Bitcoin, i nuovi blocchi vengono scoperti all'incirca ogni 10 minuti. I tempi di blocco variano a seconda delle criptovalute: ZCash, ad esempio, crea un nuovo blocco ogni 75 secondi circa. In questo modo, i dati delle transazioni verificate vengono costantemente aggiunti alla blockchain e le nuove unità di criptovaluta vengono lentamente messe in circolazione a un ritmo fisso e predeterminato.

Pro e contro del PoW

Un vantaggio fondamentale dell'utilizzo di un sistema PoW è che l'enorme quantità di potenza di calcolo necessaria per eseguire una transazione fraudolenta è praticamente irrealizzabile.

Le blockchain sono soggette ai cosiddetti attacchi del 51%, quando un individuo o un gruppo di individui malintenzionati riescono a ottenere il controllo della maggioranza del mining hashrate di una blockchain. Le blockchain seguono la regola della “catena più lunga”: tutti i validator di un network accettano la catena più lunga come la più valida. Ciò significa che se una parte disonesta riesce a prendere il controllo della maggioranza del network, potrebbe approvare pagamenti a doppia spesa, bloccare alcuni pagamenti in entrata e distruggere la fiducia nel ledger della blockchain sottostante. 

Con i sistemi PoW, tuttavia, gli aggressori dovrebbero acquistare o affittare grandi quantità di apparecchiature di calcolo per eseguire e sostenere questo tipo di attacco. Per network grandi come Bitcoin, la cui energia computazionale collettiva impegnata nella validazione delle transazioni (nota come hashrate) è così grande da rendere incredibilmente improbabile il rischio di un attacco del 51%.

Una critica importante a questa sicurezza basata sulla potenza di calcolo è che una quantità significativa di energia coinvolta nel processo di mining viene sprecata. Solo un miner può proporre un blocco ogni 10 minuti, facendo consumare all'intero network una grande quantità di elettricità che alla fine non viene mai coinvolta direttamente nella creazione di un nuovo blocco. 

Oltre all'utilizzo di energia da parte del PoW, c'è il problema dei rifiuti elettronici che derivano dal malfunzionamento o dall'obsolescenza degli impianti di mining. Questo ha fatto sorgere importanti critiche e ha spinto molti progetti blockchain più recenti a cercare alternative più efficienti al meccanismo di consenso. Sebbene i miner PoW siano incentivati a cercare fonti di energia efficienti dal punto di vista dei costi e a catturare l'energia prodotta (come il calore) per altri usi, il mining PoW utilizza comunque una quantità significativa di energia. 

 

Il proof-of-stake (PoS) è un sistema basato su una lotteria che richiede ai partecipanti al network di acquistare e bloccare i token nativi di un protocollo in uno smart contract. I partecipanti che hanno effettuato lo staking dei token hanno la possibilità di essere selezionati a caso per proporre nuovi blocchi.

Tre anni dopo il lancio di Bitcoin, due sviluppatori noti come Scott Nadal e Sunny King hanno sviluppato il meccanismo di consenso PoS per risolvere le inefficienze energetiche del sistema proof-of-work.

Maggiore è il numero di token di cui una persona esegue lo staking, maggiore sarà la sua possibilità di essere selezionata. È un po' come acquistare diversi biglietti della lotteria. Più biglietti hai, più aumentano le tue probabilità, ma non è detto che tu vinca. Una persona che ha acquistato un solo biglietto o, in questo caso, che ha eseguito lo staking della quantità minima di token richiesti, può essere selezionata.

Questa idea sfrutta lo stesso principio del PoW richiedendo ai validator di investire il proprio denaro, ma elimina la necessità di gestire macchine specializzate e ad alto consumo energetico.

Incentivi e distribuzione delle ricompense 

La maggior parte dei moderni sistemi PoS offre ai validator un interesse fisso annuale per contribuire alla sicurezza del network e alla verifica dei nuovi dati. 

Tuttavia, alcuni forniscono ricompense sotto forma di token nativi (maturati dalle commissioni di transazione) proporzionali al numero di token di cui una persona ha eseguito lo staking. Questo avviene tipicamente attraverso pool di staking delegati in cui più validator mettono insieme i loro fondi per formare un'unica unità di staking. La manutenzione e la gestione del pool di staking è affidata a una persona o a un gruppo di persone elette che possiedono le conoscenze specialistiche necessarie per svolgere questo ruolo.

Nel caso in cui un validator o un operatore delegato del pool di staking agisca in modo disonesto, il protocollo ha la possibilità di rimuovere con forza una parte o tutti gli asset staking. Questo sistema, noto come “slashing,”, incentiva ulteriormente un buon comportamento sul network.

Verifica ed emissione

Per partecipare al processo di staking, la maggior parte dei protocolli PoS blockchain richiede agli utenti di depositare un importo minimo per qualificarsi. Per la nuova blockchain PoS di Ethereum, per diventare un validator occorrono 32 ether, la criptovaluta nativa della blockchain.

Su Polkadot, un'altra blockchain PoS, il requisito di puntata minima varia da un minimo di 10 DOT, la criptovaluta nativa di Polkadot, a un massimo di 350 DOT.

Le modalità di verifica dei blocchi di transazioni variano notevolmente tra le blockchain PoS. In genere, il tempo viene suddiviso in slot o epoche. A ogni slot viene assegnato un certo numero di staker, poi uno viene scelto a caso per proporre un nuovo blocco. Gli altri staker del gruppo attestano in modo indipendente la validità del blocco.

Pro e contro del PoS

Il principale vantaggio delle blockchain proof-of-stake è che sono molto più efficienti dal punto di vista energetico rispetto ai protocolli PoW. Questo perché per validare e verificare le transazioni basate su PoS sono necessarie apparecchiature informatiche molto meno sofisticate e ad alto consumo energetico rispetto a quelle PoW. Infatti, lo staking può essere effettuato attraverso gli exchange e altre piattaforme di terze parti tramite un computer portatile o un telefono cellulare.

I pool di staking delegati hanno l'ulteriore vantaggio di consentire agli utenti con poche o nessuna conoscenza specialistica di partecipare al processo di validator, mentre il mining di successo richiede una profonda conoscenza tecnica del software e dell'hardware necessari. Inoltre, le ricompense del mining non sono garantite, mentre gli staker possono spesso godere di rendimenti annuali fissi.

Il principale svantaggio dello staking è che gli utenti non possono accedere ai fondi una volta bloccati in uno smart contract di staking fino al termine del periodo di vincolo. Questo riduce la liquidità del mercato della criptovaluta sottostante e impedisce agli investitori di accedere ai loro fondi di cui hanno eseguito lo staking durante i movimenti critici del mercato.

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