I diversi tipi di algoritmi di consenso – CoinCentral

Un algoritmo di consenso è una procedura utilizzata in informatica in cui i partecipanti di un file distribuito rete concordare lo stato della rete o lo stato di un singolo valore di dati e stabilire la fiducia tra pari sconosciuti nella rete. 

Gli algoritmi di consenso sono progettati in modo che i membri di una blockchain raggiungano un accordo per convalidare una transazione sulla rete, modificare i parametri di rete, decidere quali nodi sono affidabili per elaborare nuovi blocchi e altre importanti funzioni.

Non lasciarti scoraggiare dalla natura tecnica di questo articolo: trovare il "consenso" è intorno a noi ovunque: è un concetto molto umano, ma applicato solo a qualcosa che può essere automatizzato. 

Per cominciare, nei sistemi centralizzati, i compiti di consenso sono svolti da un'autorità centrale. 

Nei sistemi decentralizzati come Bitcoin, abbiamo una rete composta da centinaia, migliaia e persino centinaia di migliaia di minatori o nodi che si uniscono per eseguire una o più attività e fornire un ecosistema affidabile ed efficiente.

Pensando al consenso decentralizzato con questo esempio, supponi di essere in un gruppo di quattro amici e uno dei membri, Alex, presenta una quinta persona, Bob. Quando Bob se ne va, molto probabilmente, il gruppo inizierà a parlare di Bob (questo è il protocollo) per vedere se gli è piaciuto (il risultato sarà il “consenso”) 

José: "Bob sembra un tipo in gamba."

Kevin: “Sì, bravo ragazzo. Come l'hai conosciuto?"

Alex: “Era in uno dei miei corsi di finanza al college; condividevamo suggerimenti sul trading di criptovalute e alla fine è diventato un ragazzo piuttosto divertente.

Kevin: "Bello, ma i suoi meme erano semplicemente super strani."

John: "Semplicemente non capisci la cultura dei meme".

José: "Sì, non passi molto tempo a scorrere TikTok, ho pensato che fossero piuttosto divertenti."

In questo esempio, è stato raggiunto un "consenso" sul fatto che Bob si integri bene nel gruppo di amici. C'è spesso un necessario consenso di opinione anche in assenza di specifici impegni o contratti assunti. Un partecipante, Kevin, è riluttante a far entrare Bob nel gruppo, ma José, Alex e John sono d'accordo con Bob.

In questo caso, se dovessimo codificare l'esempio precedente in un algoritmo di consenso: allora 3 "è figo" e 1 "è figo ma non sono sicuro di XYZ" risulterà comunque in un "è figo". La maggioranza vince, quindi Bob potrà uscire con i ragazzi fighi nonostante l'opinione di Kevin. 

Bitcoin, ad esempio, è costruito per trovare consenso sul fatto che le nuove transazioni siano valide ("interessanti") o meno. 

Qui esamineremo i tipi più popolari, e meno popolari, di algoritmi di consenso blockchain su reti pubbliche e private.

Che cos'è la prova di lavoro?

Proof of Work (PoW) è l'algoritmo di consenso più popolare e più antico che è venuto con la creazione di Bitcoin nel 2009 da Satoshi Nakamoto. Un sistema PoW è costituito da una rete globale di minatori, chiamati nodi di rete, che competono per risolvere enigmi matematici. Il minatore che risolve con successo il puzzle si aggiudica il diritto di aggiungere un nuovo blocco alla blockchain e riceve una ricompensa pagata in criptovaluta appena creata. 

La prova del lavoro è fondamentalmente il modo in cui un minatore mostra la prova che ha fornito potenza di calcolo per ottenere il consenso della rete e convalidare l'autenticità di ciascun blocco. Inoltre, ogni blocco (transazione) è disposto in ordine sequenziale, eliminando il rischio di doppia spesa.

Finora, PoW è stato il meccanismo di consenso più sicuro per le blockchain di criptovalute. La modifica della rete richiederebbe a un utente malintenzionato di estrarre nuovamente tutti i blocchi esistenti nella catena. Più la blockchain cresce, più è difficile monopolizzare la potenza di calcolo della rete poiché richiederebbe un enorme consumo di energia e attrezzature costose.

Una volta che un minatore risolve un enigma, trova un nonce (abbreviazione di number used once) che produce un hash con un valore inferiore o uguale a quello impostato dalla difficoltà della rete. 

Il nonce è una parte centrale dei sistemi PoW poiché consentirà al minatore di creare un'intestazione di blocco hash con la funzione hash SHA-256, il che significa inserire un numero di riferimento per un blocco in una catena. L'intestazione del blocco contiene anche un timestamp e l'hash del blocco precedente.

I contro di PoW

I minatori devono fornire una notevole potenza di calcolo per risolvere i puzzle. Ma poiché i calcoli sono complessi, la quantità di energia consumata da un singolo S9 Antminer è solitamente compresa tra 1400 e 1500 watt all'ora per un hashrate di 14.5 TH/s. L'S19, una versione più potente, consuma 3250 watt all'ora a un hashrate di 110 TH/s. 

Con un po' di matematica, possiamo calcolare la quantità di energia che i data center o le società minerarie consumano ogni giorno con centinaia o migliaia di piattaforme minerarie in un'unica posizione. L'elevato consumo di energia e il danno ambientale sono le principali critiche mosse alla prova del lavoro. 

Per mettere questo in prospettiva, prima che Ethereum passasse alla Proof of Stake, i minatori di Ethereum in tutto il mondo consumavano circa 10 TWh/anno, lo stesso della Repubblica Ceca.

Il forte rumore danneggia anche i livelli dell'udito umano, superiori a 80 dBa. Questo è il motivo per cui le piattaforme minerarie sono solitamente conservate in scantinati o strutture minerarie per evitare di disturbare le attività quotidiane.

Che cos'è la prova di posta?

Proof of Stake (PoS) è il secondo algoritmo di consenso più popolare. Invece dei minatori, le blockchain PoS hanno validatori di rete che usano le loro monete/token come prova del loro impegno nei confronti della rete piuttosto che della potenza di calcolo. 

Staking significa "bloccare" le risorse crittografiche per un periodo in una piattaforma blockchain, che, in cambio, premia gli utenti con più criptovaluta. 

PoW vs. PoS: principali differenze

In PoS, gli utenti possono puntare una parte delle proprie risorse al solo scopo di generare reddito passivo. L'altra opzione è diventare un validatore. A differenza dei sistemi PoW, i validatori non competono per creare nuovi blocchi poiché vengono scelti casualmente da un algoritmo. Maggiore è il numero di monete/token puntate da un utente, maggiori sono le sue possibilità di diventare un validatore e creare nuovi blocchi nella blockchain. 

Nei sistemi PoW, il tempo per generare nuovi blocchi è determinato dalla difficoltà di mining; più partecipanti si uniscono alla rete, maggiore è l'hashpower, ovvero la potenza computazionale necessaria per estrarre nuovi blocchi. Al contrario, le blockchain PoS hanno un tempo di generazione del blocco fisso suddiviso in slot —il tempo necessario per creare un blocco— ed epoche, che sono unità di tempo costituite da slot. 

Per spiegarlo meglio, uno slot in Ethereum è composto da 12 secondi, che è il tempo necessario alla rete per creare un blocco, e 32 slot creano un'epoca. Pertanto, un'epoca è di 6.4 minuti. Ogni slot in una blockchain PoS ha un numero predeterminato di validatori che votano sulla validità del blocco proposto. Se il blocco è valido, viene aggiunto alla catena e il proponente del blocco e gli attestatori ricevono ricompense in ETH.

Le blockchain PoS puniscono gli attori malintenzionati per aver attaccato la rete con attacchi in stile 51%, che si chiama slashing, in cui i validatori onesti espellono il validatore dannoso dalla rete e prosciugano il loro equilibrio. Ciò scoraggia gli attori malintenzionati dall'attaccare la rete poiché il numero richiesto di fondi puntati è considerevolmente elevato. Nel caso di Ethereum, 32 ETH.

Vantaggi del punto vendita:

• Meno energivoro rispetto a PoW
• Più adatto a lavorare con soluzioni di livello 2 rispetto a PoW
• In grado di raggiungere un throughput più elevato poiché il consenso viene stabilito prima che i blocchi vengano superati.
• Meno costoso delle blockchain PoW poiché non richiede hardware d'élite per creare nuovi blocchi.

Contro di PoS

• I sistemi PoS sono ancora soggetti a centralizzazione se i validatori con un numero elevato di token in stake possono influenzare la rete. 
• Meno collaudato in termini di sicurezza rispetto alle blockchain PoW.

Cos'è la prova della storia?

Proof of History (PoH) è un algoritmo di consenso presentato dalla blockchain di Solana e consiste nell'apporre un timestamp a tutti gli eventi sulla rete per dimostrare che si sono svolti in un dato momento. PoH può essere descritto come un orologio crittografico che conferma le transazioni in ordine sequenziale. 

Solana combina il suo approccio PoH con PoS. Pertanto, i partecipanti alla rete devono mettere in gioco SOL per diventare validatori ed elaborare nuovi blocchi, e il meccanismo PoH verifica la validità di tali transazioni che avvengono in tempo reale. In altre parole, PoH mantiene la sicurezza, mentre PoS porta una rete di validatori in grado di verificare i timestamp e confermare le transazioni.

Tuttavia, Solana sacrifica il decentramento per fornire un throughput delle transazioni velocissimo. La blockchain si basa su un'architettura semi-centralizzata in cui un singolo nodo viene eletto come leader incaricato di implementare un'unica fonte di tempo, ovvero l'orologio PoH, e tutti gli altri nodi devono seguire le sequenze temporali di conseguenza. I leader vengono periodicamente eletti tramite elezioni PoS.

Sebbene Solana sia una delle blockchain più veloci del settore, soffre regolarmente di tempi di inattività. Dal suo lancio nel 2020, la rete ha subito circa dieci tempi di inattività, cinque dei quali si sono verificati nel 2022. Il motivo principale di queste interruzioni è un "nodo mal configurato".

Che cos'è la prova di partecipazione delegata?

Prova legale delegata (DPoS) è una variazione del concetto di PoS in cui la comunità svolge un ruolo centrale.

Nelle blockchain DPoS, i membri della comunità mettono in gioco le loro criptovalute per votare per i prossimi testimoni o delegati per la produzione di blocchi. Per fare ciò, gli utenti devono mettere in comune i loro token nello staking pool della blockchain e quindi collegare i fondi a un delegato specificato. 

DPoS è stato sviluppato dall'ex CTO di EOS Dan Larimer, che ha implementato l'algoritmo su BitShares nel 2015. Larimer e altri sostenitori di DPoS hanno affermato che DPoS amplia l'ambito democratico poiché è la comunità che sceglie il prossimo validatore. Oggi blockchain come TRON e Cardano utilizzano DPoS. 

Tuttavia, la critica a DPoS è che la sua metodologia favorisce gli utenti facoltosi. Quelli con un gran numero di token possono avere un'influenza maggiore nella rete. Vitalik Buterin è stato uno dei primi detrattori del DPoS, affermando in a post sul blog che questo algoritmo di consenso incentiva i testimoni a formare cartelli e corrompere gli elettori per il sostegno.

Che cos'è la prova dell'autorità?

Proof of Authority (PoA) è un algoritmo di consenso in cui solo i membri autorizzati possono interagire con la blockchain, eseguire transazioni, apportare o suggerire modifiche ai parametri di rete, rivedere la cronologia delle transazioni, ecc. 

Il termine è stato coniato da Gavin Wood, uno sviluppatore blockchain che ha co-fondato Ethereum, Polkadote la rete Kusama.

In una blockchain PoA, tutto riguarda la reputazione: i partecipanti alla rete stanno mettendo in gioco le loro identità invece delle monete. Forniscono un livello più elevato di scalabilità e throughput poiché si basa solo su un numero limitato di validatori. Potremmo pensare che questo sia un modello fortemente centralizzato, ma le blockchain PoA sono generalmente private e si adattano meglio alle imprese e alle organizzazioni che utilizzano la tecnologia blockchain per migliorare le imprese e i sistemi operativi. 

Che cos'è la prova del tempo trascorso?

Proof of Elapsed Time (PoET) è un altro algoritmo di consenso che funziona meglio con blockchain private.

L'algoritmo PoET è stato presentato per la prima volta dagli sviluppatori di software Intel e implementato in Hyperledger dente di sega, mirato a blockchain e istituzioni private.

L'algoritmo potrebbe non essere così popolare come altri blockchain poiché non è stato adeguatamente definito. Ma l'idea era di presentare un motore già pronto, in stile Nakamoto, che consentisse alle blockchain private di scegliere il prossimo produttore di blocchi. E in cosa differiscono? Bene, l'algoritmo genera un "tempo di attesa casuale" per ogni nodo di rete, e durante quel tempo il nodo deve "sonno.” Il nodo con il periodo di attesa più breve si sveglia per primo e si aggiudica il diritto di produrre un blocco nella catena. 

Quindi, la differenza principale è che i minatori in PoET non funzionano 24 ore su 7, XNUMX giorni su XNUMX e consumano meno energia. Inoltre, in una rete PoW, i minatori competono per l'hashing dell'intestazione del blocco successivo, mentre in PoET è più un sistema di selezione casuale.

Domande frequenti sugli algoritmi di consenso: 

Ethereum diventerà più veloce ora che è passato a PoS?

Un malinteso comune è che Ethereum si ridimensionerà automaticamente ora che è una blockchain basata su PoS. Tuttavia, questa transizione è stata effettuata per migliorare Ethereum:

• Riduzione del consumo di energia
• Abbassare le barriere all'accesso eliminando i requisiti hardware
• Consentire sanzioni economiche per il comportamento scorretto del nodo
• Presentazione di un nuovo modello per le emissioni di token 
• E un'infrastruttura migliore per lavorare con le soluzioni Ethereum Layer-2.

Cosa sono le blockchain senza autorizzazione e autorizzate?: 

Una blockchain senza autorizzazione si riferisce a una blockchain pubblica in cui chiunque può effettuare transazioni, rivedere la cronologia delle transazioni, scommettere monete, diventare un validatore, ecc. D'altra parte, nelle blockchain autorizzate (private), solo i membri con autorizzazione possono accedere alla rete per fare transazioni, interagire con i nodi di rete, monitorare l'attività on-chain, ecc.

PoW è l'algoritmo di consenso più sicuro? PoW ha la sua giusta dose di svantaggi, ma finora è stato il modo più collaudato e affidabile per mantenere il consenso e la sicurezza di una rete in una blockchain.

Considerazioni finali: spiegazione dell'algoritmo di consenso

Blockchain è una tecnologia in grado di risolvere molte sfide e punti critici in diversi settori, non solo bancario e finanziario. Tuttavia, ha la sua quota di battute d’arresto. Pertanto, gli sviluppatori hanno creato più tipi e versioni di algoritmi di consenso per affrontare problemi comuni, come la centralizzazione, la mancanza di scalabilità e il basso throughput. 

Ma parlare del futuro degli algoritmi blockchain è difficile a causa di una sfida: il Blockchain Trilemma. Delineato per la prima volta da Vitalik Buterin, afferma l'incapacità delle reti blockchain nel fornire due dei tre vantaggi: decentralizzazione, sicurezza e scalabilità. Esistono diverse piattaforme blockchain, come Fantom ed solario, che hanno implementato le proprie versioni ibride di algoritmi di consenso nel tentativo di risolvere il trilemma della blockchain, ma finora nessuna ha avuto davvero successo. 

Sono stati adottati altri approcci tecnici per migliorare le proprietà della blockchain, e uno dei più popolari è il layer-2, che sono catene collegate a un layer-1, ad esempio Arbitrum con Ethereum, e lo sharding, che divide l'intera blockchain in molte reti più piccole. Buterin Deems lo sharding come approccio migliore per fornire le tre proprietà di una blockchain perfetta.