Problema di scalabilità della Blockchain spiegato

Nella creazione della tecnologia blockchain, gli sviluppatori contavano sulla privacy e sull’anonimato del denaro digitale. Questo obiettivo è stato raggiunto introducendo il principio di un sistema peer-to-peer: ogni utente è uguale, e non esistono un sistema di gestione e un organismo di controllo del denaro come le banche.

Ora le criptovalute, come tecnologia, devono affrontare il compito successivo: raggiungere un’elevata velocità delle operazioni, paragonabile a Visa e MasterCard. Il problema della scalabilità rimane uno dei principali ostacoli all’implementazione su larga scala della tecnologia blockchain. Un numero crescente di team di progetti blockchain è alla ricerca di soluzioni che possano migliorare le prestazioni della propria rete. Molti affermano di aver già risolto o quasi risolto questo problema, ma tali dichiarazioni vanno prese con scetticismo.

Obiettivo principale

Dieci anni fa, Bitcoin non era popolare tra gli utenti. Ma poi, nel corso degli anni, l’aumento del numero di utenti nel sistema ha creato problemi con la potenza di calcolo della tecnologia. Usare le criptovalute è diventato più difficile a causa delle lunghe code causate dalle restrizioni sul numero di pagamenti elaborati al secondo. Così, il problema della scalabilità si è aggravato.

Gli sviluppatori hanno iniziato a cercare attivamente meccanismi ottimali per stabilizzare il funzionamento. Da allora, le coin vengono aggiornate regolarmente o separate in assenza di compromessi. Tuttavia, affrontiamo i problemi uno per uno.

Problema di scalabilità: l’essenza del compito

Tutte le transazioni Bitcoin vengono effettuate in blocchi che ricevono i dati delle transazioni. Un blocco contiene 1 MB di informazioni e la velocità di elaborazione è in media di quattro pagamenti al secondo. D’altra parte, la potenza di elaborazione dei miner è responsabile del movimento dei fondi e della stabilità delle operazioni. Ciò è necessario per calcolare gli algoritmi quando si creano coin e registri di transazioni crittografate. Con ogni transazione, i miner di valuta digitale ricevono una commissione.

L’aumento del numero di transazioni riduce anche la velocità di ciascuna transazione. Questo consente alla blockchain di non far fronte a un grande flusso. Tutti i trasferimenti di criptovalute vengono inseriti in una lunga coda. Solo l’alto costo della commissione rende possibile ottenere priorità nella coda. Questo fenomeno ha un impatto sulla liquidità (picchi di prezzo) della coin: per un acquirente è più facile usare contanti o una carta bancaria, anche a scapito di anonimato e privacy.

In tali casi, gli utenti perdono interesse e fiducia nella valuta, seguiti dai miner. Di conseguenza, gli investitori vedono il rischio degli investimenti e fanno scendere gli asset dal loro valore massimo e dalla loro popolarità, mentre i trader giocano sui movimenti di prezzo.

Come si manifesta il problema della scalabilità

Con la popolarizzazione di Bitcoin, il problema della scalabilità della criptovaluta si è manifestato a causa della congestione della rete. Pertanto, è diventato più difficile usare la coin: nel maggio 2017, le code delle transazioni sono arrivate fino a cinque giorni. È quindi emersa la questione dell’equilibrio tra velocità e sicurezza delle transazioni.

Si può analizzare il problema con un esempio pratico. Supponiamo che sia necessario trasportare 500 tonnellate di merci su un treno con vagoni con capacità di una tonnellata, con un controllo di sicurezza preliminare e un caricamento con un tempo di carico di 2 ore per unità. Tuttavia, il costo dei servizi di trasporto influisce sulla posizione delle merci in ordine decrescente. Di conseguenza, ai destinatari con il pagamento più basso per la consegna servono almeno due settimane per ricevere il prodotto finale. Lo stesso vale per Bitcoin: è impossibile effettuare pagamenti con la stessa rapidità di una carta bancaria.

In base a quanto scritto, si può distinguere la definizione del problema della scalabilità: limitare il numero di transazioni elaborate in un determinato periodo di tempo. Tuttavia, la possibilità di scegliere una commissione a pagamento può aumentare la priorità dell’operazione nella coda della blockchain, ma non risolve il problema.

La prima cosa che viene in mente è aumentare la dimensione del blocco e il numero di pagamenti elaborati senza misure aggiuntive. Purtroppo, questo approccio ridurrà la sicurezza, poiché l’elaborazione dosata delle informazioni evita l’alto rischio di attacchi DDoS (congestione intenzionale della rete a fini fraudolenti). La dimensione è prevista per un’attenta verifica dei dati. Tuttavia, è necessario analizzare in dettaglio le possibili soluzioni per la situazione.

Come risolvere la scalabilità

Sviluppatori, attivisti e scienziati hanno iniziato a cercare modi per risolvere il problema della scalabilità di Bitcoin. Il picco e il caso esemplare è stato la situazione descritta nel 2017 con le lunghe code. Fu allora che l’argomento fu ampiamente discusso nella community crypto. Furono evidenziati tre concetti per correggere questa lacuna della blockchain:

• aumentare la dimensione del blocco, riducendo così la commissione per i pagamenti e aumentando il tasso di elaborazione delle transazioni al secondo (TPS). Ci sono due svantaggi: il percorso porta alla centralizzazione della coin e al rischio di tentativi riusciti di attacchi DDoS;
• elaborazione segmentata delle informazioni, o sharding. Alcune informazioni vengono visualizzate al di fuori delle celle. In questo modo, la blockchain è divisa in due o più segmenti responsabili di diversi gruppi di transazioni. Esiste anche il rischio di attacchi hacker, poiché per elaborare gli shard è richiesta meno capacità di mining. A causa della suddivisione in più parti, i controlli di sicurezza richiedono algoritmi leggeri. Pertanto, i truffatori possono aggiungere transazioni false alla rete; un esempio è l’attacco 51 ％;
• un gruppo di soluzioni L2 al problema della scalabilità. L’approccio è un framework, un programma che funziona sopra la blockchain, che alleggerisce una rete esistente. Tali concetti si differenziano dalle soluzioni on-chain (decisioni all’interno del sistema coin) per l’intervento di un intermediario.

Il primo metodo richiede la divisione della rete e la creazione di una nuova coin. Quindi si perde il supporto alla compatibilità con la versione precedente dell’originale. Cioè, le valute in un caso del genere non hanno più omogeneità. In un ambiente crittografico, il fenomeno si chiama hardfork. Bitcoin Cash ha seguito questa strada. A seguito della divisione, nell’agosto 2017 ci fu una separazione dalla prima criptovaluta con un aumento della dimensione del blocco a 8 MB.

La seconda soluzione prevede la creazione di subnet separate del blocco con il trasferimento di parte delle informazioni oltre i suoi limiti. In questo caso, si verifica un softfork: una modifica del protocollo software senza dividere la coin. Simile al rilascio di una patch per un videogioco con componenti aggiuntivi. Un esempio è l’aggiornamento Segregated Witness. La dimensione del blocco è aumentata a 2 MB, con alcune informazioni archiviate al di fuori della principale catena delle transazioni.

La soluzione ha degli svantaggi: ogni shard sarà esposto al pericolo di un attacco informatico. Per ciascun segmento di questo tipo, viene utilizzata meno potenza rispetto a quella per unità.

Soluzioni di secondo livello

L’architettura delle prime blockchain, principalmente Bitcoin ed Ethereum, non era progettata per un gran numero di transazioni e utenti, e quindi ha una bassa larghezza di banda. Ad esempio, in Bitcoin è di 5-7 transazioni al secondo (TPS), in Ethereum è di circa 15 TPS.

La scalabilità può essere aumentata modificando il codice del protocollo blockchain usando funzioni come lo sharding. Ma richiede molto tempo e può richiedere anni. Inoltre, tali miglioramenti cambiano le basi dell’architettura, quindi la community del progetto non è sempre d’accordo a portarli avanti.

Le soluzioni L2 consentono almeno in parte di risolvere il problema della bassa larghezza di banda e delle commissioni elevate per i trasferimenti senza influire sul codice della blockchain principale. Il loro principale vantaggio è la possibilità di trasferire asset tra gli indirizzi del “primo livello” utilizzando il “secondo livello”, che può essere sia un protocollo off-chain separato sia una blockchain separata.

Quali soluzioni Layer 2 esistono per Bitcoin?

Il principale progetto L2 per la prima criptovaluta è Lightning Network (LN). Funziona su un protocollo che utilizza smart contract e i cosiddetti canali di stato. Lightning Network è stato lanciato nel 2015 e da allora si è sviluppato attivamente. Entro la fine di maggio 2022, la capacità totale dei canali LN ha raggiunto 3.900 BTC.

La funzione principale di LN è consentire ai detentori di bitcoin di effettuare scambi diretti senza scrivere informazioni nel suo registro. Per farlo, è necessario aprire un canale speciale usando una singola transazione on-chain e depositarvi dei bitcoin.

Dopo l’attivazione, il canale di pagamento consente di effettuare trasferimenti off-chain, cioè al di fuori della rete principale, con velocità molto più elevata e commissioni più basse. A differenza delle transazioni on-chain, le transazioni nei canali Lightning Network sono visibili solo ai loro utenti. Solo gli stati iniziale e finale delle transazioni vengono registrati nella blockchain principale.

Questo approccio riduce significativamente il carico sulla rete principale di Bitcoin: Lightning Network è in grado di elaborare migliaia di operazioni al secondo garantendo al contempo un elevato livello di sicurezza del sistema.

Quali soluzioni Layer 2 esistono per Ethereum?

Nonostante la sua bassa velocità, l’ecosistema Ethereum è il più richiesto per le applicazioni decentralizzate. Molti progetti popolari nei settori della finanza decentralizzata (DeFi) e dei token non fungibili (NFT) funzionano su di esso. Pertanto, il problema della scalabilità è particolarmente acuto per Ethereum.

Ora diversi importanti progetti L2 vengono sviluppati in parallelo:

• Polygon (MATIC);
• Arbitrum;
• Optimism.

La principale tecnologia per il loro funzionamento è Rollups, che ha due principali varianti:

• Optimistic Rollups. Con questa soluzione, le transazioni vengono eseguite nella rete L2 e poi, in grandi gruppi, combinate in un blocco compatto, che viene incluso dai validator nella rete principale di Ethereum. Gli Optimistic Rollups sono utilizzati in Arbitrum e Optimism.
• ZK-Rollups. Anche le transazioni nella rete di secondo livello vengono combinate in pacchetti e inviate alla rete Ethereum, ma la loro conferma avviene con l’aiuto di specifici verificatori, che costituiscono una prova crittografica della validità delle operazioni. Polygon è implementato sulla base di ZK-Rollups. Questa tecnologia per scalare Ethereum è considerata dal principale cofondatore della piattaforma, Vitalik Buterin.

Qualunque sia la soluzione L2, Ethereum come “primo livello” assume la funzione di verifica delle transazioni e di produzione dei blocchi, il registro in cui vengono registrati gli stati finali e il meccanismo di consenso. Pertanto, il progetto non deve creare una propria infrastruttura.

Esistono altri progetti Layer 2. Ad esempio, nel luglio 2022, la startup Matter Labs ha annunciato il lancio di zkSync 2.0. Un mese dopo, il progetto StarkWare ha lanciato il proprio protocollo, scritto nel linguaggio Cairo.

Facciamo un riepilogo

È facile notare che nel protocollo Bitcoin le risorse di rete vengono utilizzate in modo inefficiente. Ogni nodo elabora e trasmette i dati su un nuovo blocco solo per una piccola frazione del tempo. La larghezza di banda della rete viene utilizzata completamente solo per pochi secondi. Per il resto del tempo, questo nodo invia transazioni non confermate e dati di supporto. Questa osservazione ha ispirato i ricercatori a trovare schemi di protocollo più efficienti che potessero migliorare significativamente il throughput del sistema senza compromettere la sicurezza della rete e la decentralizzazione.

Ora la community crypto non è arrivata a una soluzione unica. Le dispute sorgono ancora, vengono creati nuovi coin e vengono rilasciati aggiornamenti del protocollo. Soluzioni efficaci sono già state sviluppate, ma rimane ancora il rischio del fattore umano. La questione sarà chiusa dallo sviluppo dell’intelligenza artificiale come intermediario delle transazioni.