Un’immersione profonda nella scalabilità di Blockchain

Approfondiamo i promettenti sviluppi della blockchain che potrebbero consentire di raggiungere velocità di transazione delle criptovalute quasi istantanee.

Punti di forza:

• La scalabilità della blockchain si riferisce al numero di transazioni che una rete è in grado di gestire al secondo, mentre le soluzioni finanziarie tradizionali come Visa e PayPal rappresentano l’attuale gold standard.

• Il throughput, la finalità e il tempo di conferma sono i tre principali colli di bottiglia della scalabilità di una blockchain. Le soluzioni proposte mirano tutte ad affrontare questi problemi.

• Il trilemma della scalabilità della blockchain (scalabilità, decentralizzazione, sicurezza) potrebbe essere un problema difficile da risolvere, ma non è qualcosa di definitivo.

• Le tre direzioni verso cui le blockchain si stanno dirigendo per incrementare la loro scalabilità includono nuovi meccanismi di consenso e soluzioni sia on-chain che off-chain.

Introduzione

La scalabilità della blockchain è probabilmente il Santo Graal e il collo di bottiglia del mondo delle criptovalute. Si riferisce principalmente alla velocità delle transazioni, poiché gli attuali tempi di transazione di molte criptovalute non sono paragonabili a quelli di altri metodi di pagamento. Tuttavia, le comunità crittografiche stanno elaborando diverse teorie su come superare al meglio questo ostacolo. In questo articolo approfondiamo i promettenti sviluppi che potrebbero finalmente portare alle criptovalute una velocità di transazione quasi istantanea.

Perché la scalabilità è importante: Velocità di transazione delle criptovalute

Mentre Visa può elaborare fino a 24.000 transazioni al secondo (TPS), Bitcoin può elaborare solo sette TPS. Ethereum, il concorrente più vicino a Bitcoin, può gestire da 20 a 30 TPS. È chiaro che le criptovalute devono mettersi al passo con le capacità di transazione della finanza tradizionale per raggiungere un’adozione di massa.

Ma perché la scalabilità è così difficile su una blockchain? Quali sono le indicazioni che gli operatori del settore stanno sentendo? Questo articolo risponde a queste e altre domande.

Colli di bottiglia: Throughput, Finalità e Tempo di Conferma

In che modo il TPS è correlato alla velocità di elaborazione? Cosa significa esattamente quando si chiede se una criptovaluta è scalabile? Per rispondere a queste domande, dobbiamo innanzitutto comprendere i concetti di throughput, finalità e tempo di conferma.

Considerate questa storia:

Una persona sta aspettando un autobus che passa ogni 10 minuti. L’autobus impiega poi 60 minuti per portarli a destinazione. Tuttavia, questo percorso è molto frequentato e ci sono sempre molte persone che cercano di salire sull’autobus.

Sono passati due minuti e l’autobus è arrivato. Sfortunatamente, ci sono troppe persone davanti a questa persona in coda e l’autobus si riempie. Ora devono aspettare altri 10 minuti prima di poter iniziare il viaggio, che si può riassumere così:

Si noti che:

• Misurare il throughput (TPS) non è sufficiente: bisogna considerare anche il tempo di conferma. In poche parole, un protocollo in grado di elaborare fino a 100.000 TPS è ottimo. Tuttavia, se il tempo di conferma è di due giorni, non è sufficiente per l’uso quotidiano.
• In caso di congestione della rete, il throughput non diminuisce (poiché l’autobus può ancora trasportare sette passeggeri al minuto), ma il tempo di conferma aumenta a causa del maggiore tempo medio di attesa del primo blocco.
• La finalità è fissa: c’è un’attesa di “conferma di sei blocchi” per garantire che il blocco non sia reversibile. Il tempo medio di attesa del primo blocco varia a seconda della situazione.

Il trilemma della scalabilità della blockchain

Il trilemma della scalabilità della blockchain è uno dei maggiori ostacoli per le criptovalute. Il documento afferma che le blockchain possono raggiungere simultaneamente solo due tra decentralizzazione, scalabilità e sicurezza, ma mai tutte e tre. Pertanto, i compromessi sono inevitabili. Il trilemma è stato originariamente coniato da Vitalik Buterin, il fondatore di Ethereum.

Il trilemma della scalabilità, tuttavia, non è definitivo, in quanto si tratta di un’osservazione di Buterin e delle comunità Web3. Nonostante la difficoltà di risolvere il trilemma, un algoritmo potrebbe esistere… a meno che qualcuno non abbia dimostrato che è impossibile.

1) Decentramento

La decentralizzazione si riferisce al grado di diversificazione della proprietà, dell’influenza e del valore su una blockchain. Le criptovalute sono generalmente decentralizzate, poiché nessun singolo soggetto può governare l’intera rete. Tuttavia, la decentralizzazione è uno spettro piuttosto che un “sì o no” binario, poiché esistono diversi livelli di decentralizzazione nei vari progetti blockchain, tra cui Bitcoin ed Ethereum.

2) Sicurezza

La sicurezza è il livello di difendibilità e resistenza alla manomissione di una blockchain contro gli attacchi provenienti da fonti esterne. I vettori di attacco in un sistema blockchain sono numerosi, tra cui la doppia spesa, iDDoS(Distributed Denial of Service) e gli attacchi al 51%.

In generale, una maggiore libertà (cioè la libera entrata/uscita dalla rete) comporta una maggiore decentralizzazione ma una minore sicurezza. Questo perché è difficile verificare l’identità dei nuovi partecipanti, che potrebbero potenzialmente appartenere a un’unica entità malintenzionata o colludere tra loro per causare danni a una rete.

3) Scalabilità

La scalabilità determina la capacità della rete, che comprende il numero di nodi, il numero di transazioni che può elaborare e la velocità con cui le elabora, oltre ad altri fattori.

Il termine scalabilità è talvolta fonte di confusione perché la blockchain di Bitcoin è scalabile quando nuovi partecipanti si uniscono alla rete. Il sistema Proof of Work (PoW) regola automaticamente la difficoltà del mining e la rete può tollerare qualsiasi numero di nodi presenti al suo interno.

Il detto comune secondo cui “Bitcoin non è scalabile” si concentra sul suo throughput. Ricordiamo che il suo TPS è solo sette, un valore non sufficientemente alto per un uso pratico. La velocità di finalizzazione del Bitcoin è un’altra questione. Aspettare 60 minuti per avere la conferma che un acquisto è valido è decisamente lontano dall’ideale.

Aumentare la scalabilità della Blockchain

Scalare una blockchain è complicato e ci sono numerosi sforzi da parte di ricercatori e aziende per risolvere il trilemma. In generale, riteniamo che ci siano tre direzioni per la scalabilità della blockchain:

• Layer-1 (su catena)
• Layer-2 (fuori catena)
• Altri meccanismi di consenso

Soluzioni Layer-1 (On-Chain)

Le soluzioni Layer-1 richiedono la modifica della base di codice della blockchain (quindi “on-chain”). Una soluzione di scalabilità on-chain rappresenta un cambiamento strutturale o fondamentale per una blockchain. In questa sede discutiamo due soluzioni di scaling on-chain: SegWit e sharding.

Testimone segregato (SegWit)

SegWit è un aggiornamento del protocollo per Bitcoin che modifica il modo e la struttura di archiviazione dei dati. L’intento originario di SegWit era quello di risolvere il problema della malleabilità delle transazioni, poiché la firma digitale che verifica la proprietà e la disponibilità dei fondi del mittente occupa molto spazio in una transazione.

Con SegWit, la rimozione dei dati della firma per ogni transazione libera più spazio e capacità per le transazioni da contenere nei blocchi di memoria da 1 MB di Bitcoin, consentendo di includere più transazioni in un blocco. SegWit è già stato implementato nel Litecoin.

Sebbene SegWit aumenti il throughput e aiuti Bitcoin a elaborare un maggior numero di transazioni, non è una soluzione di scalabilità sostenibile. Non è una soluzione generica di scalabilità e può essere applicata solo all’unica blockchain basata su Bitcoin esistente. Sebbene SegWit consenta a Bitcoin di elaborare un maggior numero di transazioni, non riduce il tempo di conferma per ogni transazione.

Sharding

Lo sharding è una forma di partizionamento del database, noto anche come partizionamento orizzontale. È un processo di suddivisione di un vasto database in segmenti più piccoli e gestibili, con l’idea di migliorare le prestazioni e ridurre il tempo di risposta delle query.

La blockchain è un database distribuito e se applichiamo lo sharding a una blockchain, la rete viene divisa in diversi segmenti. Ogni segmento è governato da alcuni nodi che gli sono stati assegnati. In questo modo, il throughput del sistema viene notevolmente migliorato poiché, arbitrariamente, molti cluster di nodi vengono eseguiti in parallelo per elaborare le transazioni.

Soluzioni Layer-2 (fuori catena)

Le soluzioni di scalabilità Layer-2, o soluzioni off-chain, aggiungono un secondo livello alla rete blockchain principale (nota anche come mainchain) per facilitare transazioni più veloci. I protocolli secondari sono costruiti in cima alla catena principale, dove le transazioni vengono “scaricate” per risparmiare spazio e ridurre la congestione della rete.

Catene laterali

Una sidechain è una blockchain separata collegata alla mainchain, in cui le attività vengono scambiate tra la mainchain e le sidechain a tassi predeterminati utilizzando un peg bidirezionale. Le sidechain sono utilizzate per l’offloading dalla mainchain, spostandovi alcune applicazioni; sono tra le soluzioni più promettenti al problema della scalabilità, se la comunicazione inter-blockchain diventa più efficiente.

Alla catena principale possono essere collegate più catene laterali e ogni catena laterale può avere una propria architettura. È possibile creare una rete di sidechain con una mainchain, dove la mainchain funge da rete di relay e le sidechain rappresentano una rete di blockchain. Plasma (Ethereum) e Parachain (Polkadot) sono soluzioni di scalabilità popolari che utilizzano sidechain e relay.

Canali di pagamento

Un canale di pagamento è una rete off-chain che funziona parallelamente alla mainchain. L’idea è quella di stabilire un canale tra due parti che vogliono effettuare una transazione.

Tutte le transazioni che avvengono all’interno del canale sono fuori dalla catena e non è richiesto il consenso globale. Di conseguenza, queste transazioni vengono eseguite rapidamente tramite uno smart contract, generalmente con commissioni inferiori. Un tipico canale di pagamento comprende tre fasi:

Prima fase: Stabilire il canale firmandolo e finanziandolo.

Seconda fase: Transazioni peer-to-peer (P2P) che avvengono nel canale.

Terza fase: Il canale viene chiuso e viene trasmesso lo stato finale della catena principale.

Esistono diversi modelli di canali di pagamento. Lightning Network (Bitcoin) e Raiden Network (Ethereum) sono implementazioni popolari dei canali di pagamento.

Meccanismi di consenso e perché sono importanti per la velocità delle transazioni

La difficoltà di scalare una blockchain è dovuta principalmente al suo meccanismo di consenso, poiché richiede che tutti i partecipanti alla rete concordino su quali transazioni siano valide. Sebbene Bitcoin possa raggiungere un numero elevato di partecipanti (nodi), non può raggiungere un numero elevato di transazioni.

Per questo motivo, sono emersi alcuni meccanismi di consenso alternativi per tentare di risolvere il problema. Di seguito ne presentiamo tre: Nakamoto, Classica e Senza Leader.

Meccanismi di consenso Nakamoto

Il meccanismo di consenso PoW di Satoshi Nakamoto ha aperto una nuova direzione per la soluzione del problema dei generali bizantini in una configurazione permissionless. In seguito allo sviluppo del meccanismo di consenso PoW, sono emersi molti nuovi algoritmi di consenso. Queste includono la Proof of Stake(PoS), la Proof of Authority (PoA), la Proof of Reputation (PoR) e la Proof of Importance (PoI).

In generale, questi sono classificati come meccanismi di consenso Nakamoto.

Meccanismi di consenso classici

I meccanismi di consenso classici sono gli algoritmi tradizionali che sono stati studiati prima dell’invenzione di Bitcoin. Si concentrano su insiemi fissi di peer con più turni di votazione per raggiungere un consenso all’interno dell’intera rete. Esempi di reti che utilizzano meccanismi di consenso classici sono Paxos, Raft e pBFT.

Dopo l’invenzione del Bitcoin, anche i meccanismi di consenso classici si sono evoluti, con nuove varianti come il BFT delegato (dBFT), il BFT federato (fBFT), Tendermint e altri ancora. Questi meccanismi sono più adatti a un ambiente senza permessi.

Meccanismi di consenso senza leader

Sia i meccanismi di consenso tradizionali (simili a BFT) che quelli di Nakamoto (simili a PoW) sono basati sul leader, e richiedono che l’intera rete elegga un leader per le proposte di blocco, le transazioni, gli stati del libro mastro e altro ancora prima che il resto della rete possa votare se accettare o meno la proposta.

Tuttavia, sta emergendo una direzione che prevede l’utilizzo di meccanismi di consenso senza leader, in cui tutti i partecipanti alla rete sono autorizzati a segnalare transazioni recenti, che vengono poi diffuse come pettegolezzi in tutta la rete. Alla fine, la blockchain decide per consenso quali transazioni includere. Esempi di progetti che utilizzano un meccanismo di consenso senza leader sono Avalanche, IOTA e NKN.

Sebbene i meccanismi di consenso senza leader sembrino offrire una via d’uscita per risolvere il trilemma della scalabilità, la maggior parte di essi è attualmente sperimentale.

Per una discussione più approfondita sui principi alla base dei meccanismi di consenso, leggere Come concordare: Diversi tipi di consenso per Blockchain .

Parole finali sulle soluzioni di scala

Nonostante i principali ostacoli che la blockchain deve ancora superare, in particolare il trilemma della scalabilità, esistono diverse soluzioni potenziali per aumentare i tempi delle transazioni, tra cui lo sharding e la Lightning Network, oltre a quelle proposte dalla comunità. Per ulteriori informazioni, consultate i nostri approfondimenti sulle sidechain e sui meccanismi di consenso.

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