Nel corso del tempo la blockchain è stata utilizzata anche per altre applicazioni, ma il suo utilizzo principale rimane l’ambito delle criptovalute creando di fatto un mercato finanziario parallelo con luci ed ombre. Sono stati implementati nuovi e numerosi metodi per incoraggiare le persone a partecipare allo sviluppo di questo nuovo mercato delle cripto, o per meglio dire, alla creazione degli elementi della blockchain stessa. Uno dei più utilizzati è il “metodo delle ricompense”, ovvero premiare, sempre con criptovalute, coloro che partecipano attivamente allo sviluppo della blockchain.
Visto gli interessi economici che girano intorno a questo nuovo mercato, non ci è voluto molto tempo prima che dei malintenzionati riuscissero a sviluppare delle tecniche per poter ottenere benefici economici rendendo di fatto la distribuzione dei compensi iniqua e minando la base stessa della blockchain. Come risposta a tali comportamenti, i protocolli sono diventati sempre più sicuri per evitare disuguaglianze tra i partecipanti, in modo da preservare l’equità del sistema. Uno di questi protocolli è chiamato FruitChain.
Indice degli argomenti
Come funziona la transazione di criptovalute
Una Blockchain è un registro distribuito, in grado di registrare transazioni tra due parti in modo efficiente, verificabile e permanente. In particolare, non è un database ma un elenco di transazioni. Una transazione comporta il trasferimento di criptovalute (Ether, Bitcoin, ecc.) da un conto (A) a un altro (B) ed è immutabile. Ogni transazione è identificata in modo univoco da un ID di transazione per garantirne l’unicità.
Un blocco è un elemento che funge da contenitore per le transazioni. In ogni protocollo blockchain, ogni blocco deve fare riferimento al blocco precedente, garantendo l’integrità, la sicurezza e la continuità della catena. Questo meccanismo previene atteggiamenti malevoli, come, ad esempio, la doppia spesa, poiché l’alterazione di un blocco romperebbe la catena. Se un blocco fa parte della blockchain, tutte le transazioni all’interno di quel blocco sono valide e incluse nella blockchain stessa.
Ogni nodo della rete ha accesso a una copia della blockchain, e questo è un principio fondamentale che garantisce la sicurezza e la decentralizzazione di quest’ultima. A seconda del protocollo utilizzato, gli elementi della blockchain possono svolgere funzioni specifiche del protocollo o essere modificati per ottenere i comportamenti desiderati. Uno dei concetti più importanti della blockchain è quello del consenso. Questo viene utilizzato principalmente per raggiungere un accordo, tra i nodi partecipanti, sulla validità delle transazioni e sull’ordine in cui queste debbano essere aggiunte alla blockchain.
Ogni transazione deve essere controllata per verificarne la validità e, una volta convalidata, deve essere aggiunta ad un blocco. Il meccanismo di consenso determina quale blocco viene aggiunto alla blockchain. Alla fine, tutte le copie della blockchain su ogni nodo diventeranno coerenti. Ciò significa che ogni nodo della rete avrà la stessa versione della blockchain, grazie al consenso, per evitare conflitti sull’ordine delle transazioni e garantire un registro unificato.
Grazie alla struttura unica di questo sistema, ogni nodo opera come se fosse esso stesso l’intera blockchain. Ciò rende il sistema logicamente centralizzato. Tuttavia, nessuna singola entità controlla la rete e non c’è un punto di guasto centrale, il che la rende politicamente e strutturalmente decentralizzata. Inoltre, le informazioni sono distribuite, poiché ogni nodo ha accesso alla storia completa delle transazioni.
Protocolli di consenso: Proof of Work & Proof of Stake
Come detto prima, le blockchain sono reti distribuite in grado di funzionare senza un’autorità centrale. Per garantire che tutte le transazioni siano verificate e avvengano in modo sicuro, le blockchain utilizzano protocolli di consenso. Questi protocolli di consenso non solo garantiscono l’integrità del sistema, ma sono anche in grado di proteggere la rete da attacchi malevoli. Tra i più noti e utilizzati ci sono il Proof-of-Work e il Proof-of-Stake.
Protocollo Proof-of-Work
L’algoritmo di consenso Proof-of-Work (PoW) è utilizzato per confermare le transazioni e produrre nuovi blocchi della blockchain. I partecipanti alla rete che competono per risolvere complessi problemi matematici, noti come puzzle crittografici, sono chiamati “miners” (in italiano minatori) o crypto-miners.
Il processo di mining prevede l’uso di potenti computer per eseguire calcoli estremamente intensivi, con l’obiettivo di trovare un hash valido che soddisfi i requisiti stabiliti dal protocollo. I minatori che risolvono il puzzle creano un nuovo blocco e confermano tutte le transazioni al suo interno. In particolare, il problema matematico si basa su una funzione unidirezionale che è proibitivamente difficile da calcolare a ritroso.
Poiché l’estrazione dei blocchi costa una notevole potenza elaborativa, i minatori vincenti vengono premiati con delle crypto-monete (es. bitcoin). La ricompensa per i minatori vincenti è la cosiddetta transazione basata sulle monete (questo termine è utilizzato principalmente in Bitcoin, ma può essere esteso a tutti i protocolli PoW). Inoltre, il vincitore del gioco matematico non è solo chi ha estratto per primo il blocco corretto, ma anche chi è in grado di trasmettere il blocco stesso a tutta la rete il più velocemente possibile per ottenere il consenso di quest’ultima e quindi far accettare il blocco di comune accordo. In dettaglio, i nodi della rete manifestano la loro accettazione di un blocco includendone l’hash all’interno dell’intestazione del blocco successivo. Questo meccanismo garantisce la continuità e l’integrità della blockchain, collegando ogni nuovo blocco al precedente garantendo la sicurezza grazie alla crittografia.
Protocolli Proof-of-Stake
I protocolli Proof-of-Stake (PoS) sono una classe di protocolli di consenso per blockchain che funzionano selezionando attestatori e un proponente da un gruppo detto “validatori”, in proporzione alla quantità di criptovaluta che hanno coinvolto nel processo, chiamata stake. Ciò avviene per evitare il costo computazionale degli schemi proof-of-work, in quanto il proof-of-stake non richiede la risoluzione di problemi complessi e quindi consuma meno potenza elaborativa.
Lo stake è una quantità di cripto-moneta investita nel sistema, bloccata con una transazione speciale o inviata a un indirizzo specifico. Essendo bloccata, questa quantità non può essere spesa (in Ethereum, lo stake è di 32 ETH e viene depositato in uno smart contract dedicato). In un meccanismo di Proof-of-Stake, i partecipanti, chiamati validatori, mettono come stake una quantità di criptovaluta di loro proprietà. Ciò dimostra il loro impegno e interesse nei confronti della rete e li rende idonei a partecipare al processo di validazione. Successivamente, sia gli attestatori che il proponente vengono scelti in modo pseudo-casuale tra tutti i validatori, ma con una probabilità proporzionale alla quantità di criptovaluta che hanno messo come stake. Più criptovalute un validatore punta, maggiori sono le sue possibilità di essere scelto per convalidare o proporre un blocco.
Quando un proponente viene selezionato, è responsabile della verifica delle transazioni e della creazione di un nuovo blocco, mentre gli attestatori sono responsabili della verifica della validità del blocco precedentemente proposto. Se il blocco è valido, viene aggiunto alla blockchain e i validatori coinvolti nel processo ricevono una ricompensa che può essere costituita da nuove criptovalute o da commissioni di transazione proporzionali alla loro partecipazione. Se un proponente tenta di aggiungere un blocco non valido o si comporta in modo malevolo, può perdere parte o tutto il suo stake, una penalità che scoraggia il comportamento malevolo e protegge la rete dagli attacchi (questo è chiamato “slashing” (penalizzazione) in Ethereum).
FruitChain, che cos’è
Il documento “FruitChains: A fair blockchain” scritto da Rafael Pass and Elaine Shi nel 2017, descrive un nuovo modello di blockchain, appunto la FruitChain, e introduce un nuovo concetto: la Fairness (in italiano Equità). Nel documento, tale concetto è descritto per poter essere applicato su un protocollo di tipo proof-of-work, ma esso può essere applicato, con opportune modifiche, anche ai sistemi proof-of-stake.
Che cos’è il concetto di fairness nella FruitChain
Il concetto di Fairness recita: “Un protocollo blockchain PoW è equo se ogni processo corretto (ovvero un processo che ha rispettato il protocollo durante la sua intera esecuzione) che possiede una frazione α della potenza computazionale nel sistema, otterrà almeno una frazione α della ricompensa totale che viene data nel sistema”,
Come detto prima, tale affermazione è vera per i protocolli PoW, ma deve essere riadattata per applicarlo ai protocolli PoS. In particolare, in questi casi, dato che non si parla più di estrazione di blocchi, ma piuttosto di possedere uno stake minimo affinché un partecipante possa essere selezionato come validatore, il concetto di Fairness può essere definito come: “un protocollo blockchain PoS è δ-approssimativamente equo rispetto a ρ attaccanti se, con una probabilità schiacciante, qualsiasi sottoinsieme onesto che possiede ϕ frazione dello stake otterrà almeno una (1-δ)ϕ frazione del guadagno proveniente dai blocchi, anche in presenza di un avversario che controlla fino a una ρ frazione dello stake totale”. Questa definizione tiene conto della possibilità che gli attaccanti possano controllare una parte significativa dello stake totale e quindi garantisce che i partecipanti onesti ricevano comunque una quota equa dei blocchi prodotti nella blockchain.
Nel documento “Snow white: Robustly reconfigurable consensus and applications to provably secure proof of stake”, scritto da Phil Daian, Rafael Pass, and Elaine Shi nel 2019 è mostrata un’applicazione della FruitChain e del concetto di Fairness su sistemi proof-of-stake. Affinché l’idea della FruitChain, e di conseguenza il concetto di Fairness, possa essere applicato ad un protocollo blockchain, tale protocollo deve rispettare le seguenti proprietà:
- la Consistency che prevede che i record precedentemente aggiunti alla blockchain non possano essere rimossi o riordinati e tutti gli utenti onesti devono avere una visione coerente del registro;
- la Liveness che invece prevede che le transazioni inviate da un utente onesto vengano incluse nel registro entro un tempo ragionevole.
Come funziona il modello della FruitChain
Nel protocollo PoW, il record che solitamente contiene i dati del blocco viene inserito all’interno di una nuova struttura dati, chiamata “frutto” (da cui il nome FruitChain). Per minare questi frutti, un minatore deve risolvere una proof-of-work con un parametro di difficoltà diverso da quello utilizzato per estrarre un blocco. In ogni round, i partecipanti onesti estraggono simultaneamente un frutto e un blocco richiamando la funzione associata a tale operazione. Ogni volta che un minatore riesce a estrarre un frutto, lo trasmette a tutti gli altri partecipanti. I frutti recentemente minati che non sono ancora stati registrati nella blockchain, vengono memorizzati in un buffer e tutti i partecipanti onesti cercheranno di aggiungerli alla blockchain.
A cosa serve il parametro k-recency
La cosa importante è che un frutto deve puntare a un blocco precedente nella catena che tale blocco non sia troppo lontano dal blocco che lo contiene. Questo viene specificato dal parametro k-recency passato come input al protocollo, il quale garantisce che il frutto stesso non possa essere stato estratto troppo tempo prima, e in questo modo il frutto può essere definito come ”fresco”.
Ma qual è la potenza di questo parametro di k-recency? Pensiamo a un attacco particolare, il selfish mining attack, che al momento è molto diffuso nelle blockchain di tipo PoW. In questo particolare attacco, un malintenzionato estrae un blocco ma, invece di trasmetterlo a tutti i partecipanti alla rete, lo tiene per sé e cerca di estrarre un secondo blocco basato su quello precedentemente estratto e non condiviso. Se riesce nel suo intento, non appena estrae il secondo blocco, pubblica entrambi i blocchi e, poiché la catena principale della blockchain è quella con il maggior numero di blocchi validi e la maggiore potenza di calcolo, i nuovi blocchi rilasciati potrebbero invalidare il lavoro degli altri minatori. In questo modo, il minatore malintenzionato, nel peggiore dei casi, può ottenere un doppio guadagno.
Nel protocollo FruitChain, utilizzando un parametro k-recency ragionevole, un malintenzionato è sempre in grado di trattenere blocchi e persino frutti, ma il parametro k-recency limita le sue possibilità di ottenere più ricompense degli altri. In questo modo la FruitChain è in grado di mantenere una maggiore equità tra tutti i partecipanti alla rete.
Quando applicare il modello FruitChain
Innanzitutto, il protocollo in questione deve soddisfare le proprietà di consistency e liveness descritte in precedenza. Successivamente, se il protocollo è equo, allora non è necessario applicare il modello della FruitChain. Se invece il protocollo è dimostrato essere iniquo, allora si può applicare il modello della FruitChain, per cui la Fairness è garantita nel sistema.
Infine, qualora il protocollo non è dimostrato essere iniquo, ma se ne ha il sospetto, è allora possibile effettuare un attacco al fine di dimostrare la iniquità del sistema e poi, in caso affermativo, applicare il modello della FruitChain per garantire la Fairness nel sistema.
Il futuro del modello FruitChain
Il modello della FruitChain descritto nel documento citato in precedenza, è un modello teorico che ad oggi non è stato ancora implementato su un sistema di blockchain reale, anche se il documento illustra una sua possibile applicazione su una delle blockchain più famose: Bitcoin. Il modello descritto nel documento è molto rigoroso e complesso e, per ovvie ragioni di tempo e spazio, è stato sintetizzato nel presente articolo fornendo una panoramica semplificata dei principali concetti e novità introdotte da quest’ultimo.
Il modello ha suscitato molto interesse tra gli esperti del settore poichè introduce un nuovo approccio da poter utilizzare negli attuali sistemi di blockchain per supportare le crypto-valute al fine di renderle più sicure, affidabili e, soprattutto, credibili.
Non è un caso che tutto il modello ruoti intorno al concetto di “Fairness” e che abbia come obiettivo primario quello di rendere tali sistemi il più possibile “equi”. Un sistema di crypto-valute basato su una blockchain che non sia equo e che sia oggetto di numerosi attacchi malevoli, potrebbe fallire in poco tempo in quanto il consenso tra tutti gli attori che vi partecipano, elemento cardine delle blockchain, cadrebbe determinando il fallimento del sistema.
Non è detto che la FruitChain sia la soluzione a tutti i problemi ad oggi presenti sulle blockchain, ma sicuramente introduce un approccio innovativo e interessante sul quale si può lavorare in futuro per poter avere sistemi di blockchain più resilienti, sicuri e affidabili.
