Che cos’è una rete di livello 1?

Sebbene Bitcoin sia stato lanciato all’inizio del 2009, ci è voluto fino al 2017 perché le blockchain diventassero mainstream. E solo a novembre 2021, quasi 12 anni dopo il lancio di Bitcoin, la capitalizzazione di mercato delle criptovalute ha raggiunto il picco di $ 2,9 trilioni.

La crescita di Bitcoin ha creato una ricchezza incommensurabile e ha cambiato il modo in cui la società percepisce il denaro e chi ne controlla l’emissione. Ma lungo la strada, le blockchain sono diventate vittime del loro stesso successo. Non riuscivano a gestire tutto il traffico, con conseguenti lunghi tempi di transazione e commissioni elevate.

Per capire perché, dobbiamo capire perché le reti blockchain sono anche chiamate reti di livello 1 e cosa rende le blockchain diverse dalle normali reti di computer.

Blockchain vs. Reti di computer

A livello di base, tutte le blockchain sono reti di computer. Le reti di computer comprendono gruppi di partecipanti alla rete, noti come nodi, che trasmettono dati e condividono risorse di calcolo. Questi nodi possono connettersi tra loro in modi molto diversi. Esistono quattro tipi principali di reti di computer:

  • Mesh: un nodo si connette a ogni altro nodo

  • Anello: un nodo si collega ad altri due nodi, creando un anello bidirezionale

  • Bus: un nodo si connette solo a un altro nodo

  • Star: un nodo server si connette ai nodi client

La stella è la rete di computer più comune perché è veloce ed economica. Sulle reti a stella, il nodo del server centrale invia i dati direttamente ad altri nodi, quindi i dati non devono passare attraverso ciascun nodo per arrivare ad altri.

Ciò consente di risparmiare larghezza di banda di rete e, poiché il nodo server fornisce risorse di elaborazione direttamente ai nodi client, è altamente efficiente. Tuttavia, il prezzo per queste prestazioni è l’elevata centralizzazione, sia in termini di controllo che di single point of failure (SPoF).

Al contrario, le reti peer-to-peer (P2P) non utilizzano nodi server per coordinare la rete. Invece, ogni nodo funge sia da client che da server, condividendo le risorse di elaborazione attraverso la rete. Tali reti risolvono il problema del controllo centralizzato e SPoF, rendendolo ideale per denaro P2P come Bitcoin.

Il costo del decentramento è che le reti peer-to-peer tendono ad essere meno scalabili. Questo problema si applica alle reti blockchain perché sono protette da meccanismi di consenso della rete P2P. Vitalik Buterin, il co-fondatore di Ethereum, ha chiamato questo atto di bilanciamento il Trilemma della scalabilità (noto anche come Trilemma Blockchain).

I primi blockchain si limitavano a offrire solo due funzionalità contemporaneamente, il che significa che avrebbero dovuto sacrificare scalabilità, sicurezza o decentralizzazione.

Cosa sono le blockchain di livello 1?

Per affrontare il trilemma della scalabilità, le reti blockchain hanno iniziato ad adottare approcci diversi. Questi approcci sono chiamati Layer 1, il livello base di una rete blockchain. Bitcoin, Ethereum e Solana sono tutti esempi di blockchain di livello 1.

Un modo ovvio in cui i primi Layer 1 hanno cercato di affrontare il Trilemma della scalabilità era aumentare la dimensione del blocco. In questo modo, la blockchain potrebbe elaborare più transazioni all’interno di ciascun blocco di dati, aumentando il numero di transazioni che potrebbe elaborare al secondo.

Tuttavia, l’aumento della dimensione del blocco richiederebbe anche agli operatori del nodo di mantenere computer più potenti. Meno persone potrebbero permetterseli, portando a una maggiore centralizzazione.

Quando il miliardario Elon Musk ha proposto di aumentare la dimensione del blocco di Dogecoin del 900%, il co-fondatore di Ethereum Vitalik Buterin ha sottolineato che la blockchain non sarebbe decentralizzata se gli utenti regolari con PC di livello consumer non potessero eseguire un nodo.

I livelli 1 moderni affrontano il Trilemma della scalabilità attraverso meccanismi di consenso e sharding.

Protocolli di consenso

Gli algoritmi di consenso sono alla base della tecnologia blockchain. Affinché Bitcoin e altre criptovalute abbiano valore, la rete P2P deve risolvere due problemi chiave: doppia spesa e incentivazione.

La doppia spesa è quando qualcuno utilizza la stessa risorsa scarsa due volte (come il denaro). È un problema inerente alla tecnologia digitale perché i file digitali sono riproducibili all’infinito. Per risolvere questo problema, le blockchain rendono unica ogni transazione tramite timestamp e hash e aggiungendoli a batch di transazioni chiamati blocchi. Per falsificare una transazione, un nodo dovrebbe falsificare un intero blocco.

È qui che entrano in gioco gli algoritmi di consenso. Coordinano tutti i nodi della rete in modo decentralizzato. Affinché un blocco possa attraversare, la rete deve concordare sulla validità dei dati contenuti al suo interno. Fondamentalmente, se alcuni nodi di rete inviano dati spuri, la rete può ancora funzionare fintanto che la maggior parte dei nodi validi controlla la potenza di elaborazione della rete (hashrate).

“Finché la maggior parte della potenza della CPU è controllata da nodi che non collaborano per attaccare la rete, genereranno la catena più lunga e supereranno gli aggressori”.

– Satoshi Nakamoto, l’inventore di Bitcoin

Tale ridondanza di rete è chiamata Byzantine Fault Tolerance (BFT). In una rete decentralizzata, è estremamente importante che la rete sia operativa anche se alcuni dei suoi nodi non funzionano correttamente. Altrimenti, si fermerebbe.

Oltre ad affrontare il problema della doppia spesa, i protocolli di consenso forniscono incentivi ai nodi per continuare a elaborare le transazioni. Questo è altrettanto importante: perché qualcuno dovrebbe sacrificare la propria potenza di calcolo e pagare gratuitamente una bolletta della luce fuori misura?

Nel caso di Bitcoin, gli operatori di nodi chiamati miner spendono risorse computazionali. Per i loro problemi, ricevono premi in blocco come BTC. Questo è noto come proof-of-work (PoW).

Altri blockchain, come il proof-of-stake (PoS), utilizzano i validatori come operatori di nodi. Invece di spendere una potenza di calcolo affamata di energia, i validatori si affidano a risorse (lock-up) in gioco – monete – per raggiungere lo stesso obiettivo di coordinamento del consenso. Ad esempio, Ethereum richiede una quota di 32 ETH per diventare un validatore. Dopo che i validatori hanno puntato i fondi, ricevono una riduzione da ciascuna commissione di transazione.

Gli attori dannosi hanno diversi ostacoli da superare. Con Bitcoin, dovrebbero avere una potenza della CPU maggiore del 51% della rete, che è praticamente impossibile da raggiungere date le sue dimensioni.

Il consumo di energia annualizzato della rete Bitcoin è uguale a quello della Thailandia, a 204,5 TWh. Gli aggressori dovrebbero accumulare più della metà di tale potere per impegnarsi in un hack coordinato. Credito immagine: digiconomist.net

Con Ethereum, dovrebbero avere la più grande partecipazione in ETH: immensamente ricchi, in altre parole. Tuttavia, l’attaccante dovrebbe essere pronto a perdere quella ricchezza; l’intera rete perderebbe il suo valore non appena elaborasse una transazione fraudolenta.

Sebbene la maggior parte dei nuovi L1 utilizzi PoS, non sono sempre migliori in termini di scalabilità. Solana, una blockchain PoS, ha subito diverse interruzioni dopo che il suo carico di traffico è aumentato negli ultimi 12 mesi. Il suo protocollo di staking era di scarsa utilità quando quasi la metà dei suoi nodi era ospitata su soli cinque data center.

Distribuzione (staking) del nodo di rete (mainnet) di Solana. Credito immagine: validators.app

Solana offre un throughput di rete teorico di 50.000 transazioni al secondo (TPS). È molto di più dei ~5 TPS di Bitcoin, ma a cosa serve se non è decentralizzato?

Frammentazione

Un’altra soluzione di scalabilità di livello 1 è lo sharding, che partiziona una rete in piccoli database chiamati shard. Ogni shard esegue le proprie transazioni e aggiunge blocchi con i propri nodi. Distribuendo l’elaborazione su molti piccoli frammenti, il carico viene tolto dal meccanismo di consenso principale, risultando in un TPS più elevato.

Tuttavia, poiché ogni shard è più piccolo, è più facile per un utente malintenzionato accumulare i fondi o la potenza di calcolo necessaria per sopraffarlo. Per questo motivo, lo sharding deve ancora essere provato su una grande blockchain.

Ethereum sta aprendo la strada e prevede di implementare lo sharding dopo la transizione dal consenso PoW al consenso PoS nel 2022. Lo sharding di Ethereum, previsto per il 2023, dividerà Ethereum in 64 frammenti.

La rete tenterà di affrontare i problemi di sicurezza dello sharding assegnando casualmente i nodi agli shard, inclusa la riassegnazione casuale dei nodi ad altri shard.

Altri esperimenti di sharding mirano a risolvere completamente il Trilemma della scalabilità. La Distributed Technology Research Foundation (DTR), con sede in Svizzera, composta da sette università, ha lanciato il progetto Unit-e nel 2019 come rete di pagamento globale scalabile. Un altro progetto, Radix, ordina parzialmente i frammenti piuttosto che inquadrarli su un’unica linea temporale, come fa Ethereum.

Sono in arrivo soluzioni di scalabilità di livello 1?

Manomettere una rete blockchain è una questione delicata. La maggior parte delle persone sospetta già delle criptovalute. Bitcoin è riuscito a placare queste preoccupazioni in un decennio, quindi i suoi aggiornamenti di livello 1 sono più prudenti.

L’ultimo aggiornamento di Bitcoin, Taproot, ha introdotto le firme digitali Schnorr. Consentono alla rete di raggruppare più transazioni insieme per ridurre le commissioni e aumentare la scalabilità. Tuttavia, Bitcoin dà ancora priorità alle soluzioni di livello 2 per una reale scalabilità attraverso la rete Lightning.

Lo stesso vale per Ethereum, con dozzine di reti di livello 2 costruite sopra il livello 1.

Le 10 migliori soluzioni L2 per Ethereum. Credito immagine: L2beat.com

In entrambi i casi, i protocolli L2 eliminano il carico di lavoro dalla catena L1 principale, lo elaborano altrove e restituiscono i dati a L1 in modo molto più efficiente. Gli L2 utilizzano una varietà di tecnologie di scalabilità per ottenere ciò, come indicato nella tabella sopra.

Tuttavia, un ecosistema di reti L1 e L2 è complicato. I token devono essere trasportati attraverso i bridge blockchain e ogni dApp deve essere integrata in ogni L2. Al contrario, interagire esclusivamente con le reti L1 semplificherebbe la vita a sviluppatori e utenti.

L1 come Cardano, Algorand, Elrond, Fantom, Avalanche e Harmony hanno tutti provato a correggere il Trilemma della scalabilità, ma nessuno ha l’impronta che si avvicina a Bitcoin o Ethereum. Ancora nella loro infanzia, è troppo presto per concludere se anche le blockchain con mainnet operative siano notevolmente migliorate rispetto a BTC o ETH.

Leggi il post originale su The Defiant

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