Algoritmi di consenso: Proof of Work

Cos'è l'algoritmo di consenso Proof of Work?

Per Proof of Work (PoW) si intende l'algoritmo di consenso della blockchain di Bitcoin. Si chiama "Proof of Work" perché richiede un certo tipo di lavoro - di solito elaborazione informatica - da parte dei nodi (chiamati miner) che compongono la rete Bitcoin. 

In sintesi, un algoritmo di consenso è un insieme di regole che governa una rete blockchain. È un accordo sulle regole di una specifica blockchain e su come gli utenti possano parteciparvi. 

Cosa sono i miner?

Lasciando da parte per il momento i mining pool, di cui abbiamo parlato nella lezione 16 della sezione per Principianti, i miner sono un gruppo speciale di utenti Bitcoin che hanno il compito di convalidare le transazioni all'interno della blockchain. I miner hanno scaricato l'intera blockchain di Bitcoin e hanno scelto di eseguirla su computer potenti. 

Questi utenti (nodi) nella rete Bitcoin sono chiamati "miner" perché controllano e verificano l'accuratezza di una transazione in un processo chiamato mining - simile al calcolo di un complesso problema matematico. Durante questo processo, i miner sono incentivati ad agire in modo da beneficiare tutti nella community Bitcoin, perché l'onestà paga. 

Una volta che una richiesta di registrazione e completamento di una transazione viene diffusa nella blockchain, di solito le transazioni con la commissione offerta più alta vengono selezionate per essere inserite nel blocco successivo della blockchain. 

Per raggiungere il consenso sulla validità di un blocco nella blockchain, l'algoritmo Bitcoin fornisce una “difficoltà” come parametro che deve essere soddisfatto affinché un blocco venga considerato valido. Questa difficoltà è regolarmente modificata dalla rete Bitcoin a seconda della potenza di calcolo dei miner. La difficoltà può essere diminuita o aumentata per mantenere costante la velocità di aggiunta di nuovi blocchi.

Un numero arbitrario chiamato nonce (l'abbreviazione, in inglese, di "numero usato solo una volta") viene aggiunto al blocco per scopi di crittografia. I miner alterano il nonce fino a trovare un valore che dia all'hash del blocco il livello di difficoltà richiesto. Una volta che questo requisito è soddisfatto, il blocco non può più essere cambiato senza rifare il lavoro.

Un numero arbitrario chiamato nonce (l'abbreviazione, in inglese, di "numero usato solo una volta") viene aggiunto al blocco per scopi di crittografia.

Il nodo, quindi, effettua l'hash dell'insieme dei dati selezionati. La parola inglese "hash" deriva dal francese "hacher" che significa "tagliare in piccoli pezzi". 

Durante l'hashing, un algoritmo chiamato funzione hash viene utilizzato per convertire un valore (l'insieme dei dati selezionati) in una dimensione fissa come output. Si ottiene così il valore di hash, che maschera il valore originale.

Una funzione hash non può essere decompilata, il che significa che il valore di hash non può essere usato per trovare i dati originali. Perciò, il valore di hash è un'"impronta digitale" che fornisce un'autenticazione completa e assicura che il contenuto trasmesso non abbia subito alcuna manomissione. Ogni valore di hash contiene informazioni su tutte le transazioni di rete precedenti. 

Questa "difficoltà" è regolarmente modificata dalla rete Bitcoin a seconda della potenza di calcolo dei miner.

L'hash appena generato viene controllato rispetto alla difficoltà corrente. Un valore di hash deve sempre contenere un numero specifico di zero-bit. Se l'hash soddisfa i criteri di difficoltà, viene trasmesso agli altri miner della rete. In caso contrario, un altro nonce viene selezionato e sottoposto all’hash. I miner generano molti hash con diversi nonce finché non ne trovano uno che soddisfa i criteri necessari. Questo processo ripetitivo è noto come "mining", cioè estrazione, e ora sai perché richiede così tanta energia. 

Pertanto, il primo miner che trova un hash valido convalida il blocco in un nuovo blocco e ottiene una ricompensa in Bitcoin. Attualmente, la ricompensa di blocco di Bitcoin è di 12,5 BTC, e viene estratto un nuovo blocco circa ogni dieci minuti.

Ogni volta che viene realizzato un nuovo blocco, c’è una nuova possibilità per un diverso miner di essere ricompensato. Per questo motivo, la verifica delle transazioni sulla blockchain di Bitcoin è come una corsa all'oro senza fine, a cui partecipano simultaneamente migliaia di miner in tutto il mondo, per essere i primi a scoprire un blocco.

Il consenso nella blockchain 

È sempre la più lunga versione esistente della blockchain di Bitcoin ad essere riconosciuta come la vera blockchain di Bitcoin. Se tra la maggioranza dei partecipanti alla rete-miner attivi sorge una disputa sulle regole per la gestione e la convalida delle transazioni, tale discussione può risultare in una diramazione indipendente della blockchain stessa, cioè una cosiddetta fork. 

La maggior parte delle volte, tuttavia, i miner non hanno una vera ragione per infrangere le regole a causa del costo in termini di tempo e denaro richiesto per effettuare continuamente il mining. 

La rete Bitcoin e, per estensione, l'algoritmo di consenso PoW, ha eliminato la necessità degli utenti di riporre la loro fiducia in una banca tradizionale. Invece di memorizzare le transazioni in un luogo centrale, come una banca, le transazioni avvengono su una rete pubblica che tutti possono vedere. Una volta completata, una transazione non può mai essere annullata o modificata. 

Quando una qualsiasi quantità di Bitcoin passa da una persona all'altra, è considerata una transazione di cui la rete deve tenere traccia. 

Svantaggi della Proof of Work

Come processo, la PoW è sempre stato lento in termini di velocità di elaborazione delle transazioni. La misura più comune delle transazioni di Bitcoin è di sette transazioni al secondo, che è minuscola in confronto alle 1.700 stimate della rete VISA. 

Inoltre, sono richieste grandi quantità di energia per il processo di mining nella blockchain di Bitcoin. In Germania, per esempio, il mining di solo 1 (uno) bitcoin ha avuto un costo medio di più di 12.000 euro nel 2018. Per questo motivo, i miner cercano di migliorare le loro possibilità unendosi in pool. In alcuni casi, i servizi di cloud mining possono essere l'unica opzione praticabile affinché l'utente medio partecipi a un processo così oneroso in termini di risorse. 

Un altro svantaggio del processo di PoW è che i mining pool più grandi hanno più potenza di calcolo a loro disposizione, e quindi maggiori possibilità di effettuare il mining di blocchi validi, mettendo i miner individuali in svantaggio. 

Protocolli come il Lightning Network hanno l'obiettivo di migliorare la velocità e la scalabilità della rete Bitcoin. Attualmente implementato solo in modo molto basilare, il Lightning Network è un protocollo di secondo livello posizionato al di sopra della rete Bitcoin, e progettato per togliere la pressione di un gran numero di transazioni dalla blockchain centrale di Bitcoin. 

Protocolli come il Lightning Network hanno l'obiettivo di migliorare la velocità e la scalabilità della rete Bitcoin. 

Consentendo la creazione di canali di pagamento tra due parti collocati su un livello separato per tutto il tempo necessario, il Lightning Network è la ragione per cui un giorno gli utenti potrebbero usare Bitcoin per pagare una tazzina di caffè. Allo stesso tempo, numerose aziende stanno lavorando allo sviluppo di hardware per il mining che funzionino con fonti di energia rinnovabile al posto dell'elettricità tradizionale. 

Vantaggi della Proof of Work

Anche se altri meccanismi e algoritmi possono essere superiori alla Proof of Work, quest’ultimo è quello più affermato e più testato nel tempo contro gli attacchi ⎼ dagli albori di Bitcoin e della tecnologia blockchain. Il costo elevato è un ulteriore fattore che rafforza il consenso e dissuade i partecipanti alla rete dal dedicare risorse a reti alternative. Quindi è molto probabile che l'algoritmo PoW venga continuamente migliorato dagli sviluppatori per far fronte alle sue carenze.