Uno Schema di Proof of Work Cooperativa per Protocolli di Consenso Distribuito

Indice dei Contenuti

1. Introduzione

Questo articolo propone un perfezionamento del tradizionale schema di proof-of-work (PoW), che tipicamente consiste nel trovare un nonce che produca un output di hash crittografico con un numero specificato di zeri iniziali. L'innovazione fondamentale è uno schema di proof-of-work cooperativa progettato per consentire a più utenti autonomi di collaborare alla generazione della proof-of-work per le proprie transazioni. Questa collaborazione mira a stabilire un consenso sull'ordine delle transazioni all'interno di un sistema di registro distribuito.

La motivazione principale è allontanarsi dal modello competitivo di mining basato su commissioni (dove i miner competono per risolvere enigmi e incassare commissioni) verso un modello cooperativo basato su una tassa (dove gli utenti collaborano e pagano una tassa). Gli autori sostengono che questo cambiamento potrebbe mitigare diversi problemi:

• Riduzione del Consumo Energetico: Sostituendo la competizione spietata con una cooperazione parsimoniosa, lo sforzo computazionale complessivo (e quindi il consumo energetico) potrebbe essere significativamente ridotto.
• Aumento della Velocità di Elaborazione e dell'Equità: Una ridotta competizione tra miner potrebbe portare a una più rapida elaborazione delle transazioni e a un minor potenziale di discriminazione verso determinati gruppi di utenti.
• Sicurezza Rafforzata: Gli attacchi Denial-of-Service (DoS) diventano più costosi per l'attaccante a causa della tassa intrinseca sulle transazioni.

Lo schema è presentato come una soluzione nativa alla cooperazione, in contrasto con meccanismi esterni esistenti come i mining pool, che possono soffrire di problemi di disallineamento degli incentivi.

2. Consenso

Questa sezione stabilisce il problema fondamentale: raggiungere un consenso distribuito in una rete peer-to-peer senza un'autorità centrale. I peer comunicano tramite un protocollo di gossip e devono mantenere un registro condiviso e concordato delle transazioni.

La sfida principale è il ritardo di propagazione dei messaggi. In un ambiente ideale a bassa frequenza di transazioni, il consenso potrebbe essere raggiunto osservando una pausa sostenuta nel traffico di rete—una "fermata completa"—che indica che tutti i peer hanno probabilmente visto lo stesso insieme di messaggi. Questi messaggi potrebbero quindi essere ordinati in modo canonico (ad esempio, per hash) e aggiunti al registro.

Tuttavia, le frequenze di transazione del mondo reale sono troppo elevate per questo semplice schema. È qui che la proof-of-work agisce come un limitatore di frequenza. Richiedendo la risoluzione di un enigma computazionalmente costoso per ogni transazione (o blocco di transazioni), la PoW abbassa artificialmente la frequenza con cui nuovi eventi di consenso possono essere proposti. La difficoltà dell'enigma può essere calibrata per ottenere la bassa frequenza necessaria affinché il meccanismo di consenso "basato sulla pausa" funzioni efficacemente attraverso la rete.

3. Proof of Work Cooperativa

L'articolo formalizza lo schema cooperativo proposto. Sebbene i dettagli matematici completi siano anticipati per la sezione successiva, il cambiamento concettuale è chiaro. Invece di singoli miner che gareggiano per risolvere un enigma per una ricompensa di blocco, gli utenti che formano un insieme di transazioni collaborano per generare una singola proof-of-work per quell'insieme.

Il meccanismo deve garantire che:

1. La cooperazione sia verificabile e sicura.
2. Il lavoro collettivo soddisfi l'obiettivo di difficoltà della rete.
3. Il consenso risultante sull'ordine delle transazioni sia vincolante e a prova di manomissione.

La proposta "tassa sulla transazione" sostituisce la "commissione di transazione". Questa tassa è pagata dagli utenti che partecipano al round di mining cooperativo, internalizzando il costo della formazione del consenso all'interno del gruppo di utenti piuttosto che esternalizzandolo a una classe separata di miner.

4. Intuizione Fondamentale e Analisi

Intuizione Fondamentale: L'articolo di Kuijper non è solo una modifica alla PoW; è una riarchitettura fondamentale delle strutture incentivanti della blockchain. La vera svolta è riconoscere che il valore primario della PoW nel consenso non è solo il "lavoro" ma il lavoro come dispositivo di limitazione della frequenza. Il modello cooperativo ribalta la situazione rendendo questa limitazione della frequenza un processo collaborativo guidato dagli utenti, piuttosto che competitivo e guidato dai miner. Questo attacca direttamente la causa principale del dilemma energetico di Bitcoin—non l'hashing in sé, ma la gara economica che richiede sempre più hashing.

Flusso Logico: L'argomentazione procede con una logica elegante: 1) Il consenso richiede una bassa frequenza di eventi, 2) La PoW impone una bassa frequenza tramite il costo, 3) Pertanto, l'entità che sostiene il costo controlla il ritmo del consenso. La PoW tradizionale lascia che i miner controllino questo ritmo per profitto. Lo schema di Kuijper restituisce il controllo agli utenti facendo sì che sostengano direttamente il costo (tassa) per le proprie transazioni. Il passaggio dal vincolo tecnico (ritardo di propagazione) alla soluzione economica (sostegno cooperativo dei costi) è convincente.

Punti di Forza e Debolezze: Il punto di forza è l'elegante allineamento degli incentivi. Legando il costo del consenso direttamente ai proponenti delle transazioni, elimina il problema del valore estraibile dai miner (MEV) e della centralizzazione dei pool che affligge sistemi come Ethereum pre-Merge. Tuttavia, la debolezza evidente è il "problema di bootstrap"—come si avvia la cooperazione in un ambiente senza fiducia? L'articolo sorvola su questo critico problema di coordinamento. Come visto nelle analisi di teoria dei giochi applicata alla blockchain (ad esempio, lavori su arXiv riguardanti le dinamiche del consenso), raggiungere una cooperazione spontanea e stabile tra attori razionali e anonimi è notoriamente difficile senza un'impalcatura sociale o algoritmica preesistente. Lo schema sembra anche presupporre un'omogeneità della potenza di hashing degli utenti che non esiste, potenzialmente portando a nuove forme di centralizzazione in cui utenti con alta potenza dominano i gruppi cooperativi.

Spunti Pratici: Per i progettisti di protocolli, il punto chiave è esplorare modelli ibridi. Non scartare completamente la PoW competitiva; usarla come livello di fallback o per il checkpointing, consentendo al contempo la PoW cooperativa per batch di transazioni ad alta frequenza e basso valore. Implementare un meccanismo di staking insieme al lavoro cooperativo per risolvere il problema di bootstrap—gli utenti devono impegnare token per partecipare a un round cooperativo, penalizzando gli attori malevoli. Questo combina la sicurezza del Proof-of-Stake (PoS) con la limitazione di frequenza della PoW. Inoltre, il concetto di "tassa sulla transazione" dovrebbe essere rigorosamente modellato rispetto ai dati dei sistemi di pagamento del mondo reale per trovare una tariffa ottimale che scoraggi lo spam senza ostacolare l'usabilità.

5. Dettagli Tecnici e Formalizzazione Matematica

Lo schema di proof-of-work cooperativa può essere formalizzato come segue:

Sia $T = \{tx_1, tx_2, ..., tx_n\}$ un insieme di transazioni proposte da un gruppo di utenti $U = \{u_1, u_2, ..., u_m\}$.

Sia $H(\cdot)$ una funzione di hash crittografico (ad esempio, SHA-256). La PoW tradizionale richiede di trovare un nonce $N$ tale che per un blocco $B$, $H(B || N) < D$, dove $D$ è l'obiettivo di difficoltà.

Nel modello cooperativo, il "blocco" è l'insieme di transazioni concordato $T$. L'enigma è risolto collettivamente. Ogni utente $u_i$ contribuisce con una soluzione parziale (una "quota") $s_i$. La proof-of-work collettiva $P$ è una funzione di tutte le quote e dell'insieme di transazioni:

$P = F(T, s_1, s_2, ..., s_m)$

La condizione per una proof cooperativa valida diventa:

$H(P) < D$

La funzione $F$ deve essere costruita in modo che:

1. Richieda uno sforzo computazionale combinato significativo dalla maggioranza di $U$ per trovare input $s_i$ che producano $H(P) < D$.
2. Consenta la verifica che tutti gli $u_i \in U$ abbiano contribuito a $P$.
3. Impedisca a qualsiasi singolo utente o piccolo sottoinsieme di dominare la soluzione o di falsificare la partecipazione di altri.

Una potenziale costruzione per $F$ potrebbe coinvolgere schemi iterativi simili a multi-firma o funzioni di ritardo verificabili (VDF) combinate con impegni di hash, garantendo che il lavoro sia sequenziale e debba essere contribuito da parti diverse.

6. Quadro di Analisi e Caso Esemplificativo

Quadro: Valutazione dei Cambiamenti nel Meccanismo di Consenso

Possiamo analizzare questa proposta utilizzando un quadro che confronta dimensioni chiave:

Caso Esemplificativo: Batch di Microtransazioni

Immagina che 1000 utenti vogliano effettuare pagamenti piccoli e frequenti (ad esempio, all'interno di un marketplace di dati IoT).

• PoW Tradizionale: Ogni transazione attende che un miner la includa in un blocco, competendo con altre per la priorità delle commissioni. Alta latenza, alto costo effettivo.
• PoW Cooperativa: Questi 1000 utenti formano un gruppo temporaneo. Lavorano collettivamente su una singola PoW per un blocco contenente tutte le loro transazioni. Il lavoro è distribuito, quindi il costo individuale è basso. Una volta risolta la PoW, il blocco viene propagato. La "tassa" pagata è divisa tra loro, probabilmente inferiore alle commissioni individuali. Il consenso sull'ordine del loro batch è raggiunto direttamente.

Questo caso evidenzia il potenziale di aumento della velocità di elaborazione in specifici scenari ad alto volume e basso valore.

7. Prospettive Applicative e Direzioni Future

Prospettive Applicative:

• Blockchain di Consorzio Autorizzate: Ambiente ideale dove i partecipanti sono noti e hanno una relazione preesistente, risolvendo il problema di bootstrap. Utile per registri di supply chain o interbancari.
• Soluzioni di Scalabilità di Livello 2: Lo schema cooperativo potrebbe essere utilizzato per raggiungere il consenso all'interno di un insieme di partecipanti di un canale di stato o di una sidechain, con regolamento periodico su una catena principale.
• Oracoli di Dati Decentralizzati: Gruppi di nodi oracolo potrebbero utilizzare la PoW cooperativa per raggiungere il consenso sul valore di un dato prima di inviarlo on-chain, aggiungendo un costo alla segnalazione falsa.

Direzioni Future di Ricerca:

1. Dimostrazioni Formali di Sicurezza: Lo schema richiede un'analisi crittografica rigorosa per dimostrare la sua sicurezza contro attacchi Sybil, collusioni e altri modelli di minaccia in condizioni di rete realistiche.
2. Design del Meccanismo per la Formazione dei Gruppi: Come si formano dinamicamente i gruppi cooperativi? È necessaria ricerca sull'abbinamento algoritmico dei gruppi, potenzialmente utilizzando idee dalla teoria dei matching o dai processi stocastici.
3. Integrazione con Altri Modelli di Consenso: Esplorare ibridi con Proof-of-Stake (PoS) o Proof-of-Authority (PoA) per la selezione del gruppo o il livello di finalità.
4. Quantificazione dell'Impatto Energetico: Costruire modelli di simulazione dettagliati per quantificare i potenziali risparmi energetici rispetto alla PoW tradizionale in vari scenari di adozione e carico di transazioni.

8. Riferimenti Bibliografici

1. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.
2. Demers, A., et al. (1987). Epidemic Algorithms for Replicated Database Maintenance. Proceedings of the Sixth Annual ACM Symposium on Principles of Distributed Computing.
3. Eyal, I., & Sirer, E. G. (2014). Majority is not Enough: Bitcoin Mining is Vulnerable. International Conference on Financial Cryptography and Data Security.
4. Back, A. (2002). Hashcash - A Denial of Service Counter-Measure.
5. Buterin, V., et al. (2014). A Next-Generation Smart Contract and Decentralized Application Platform. Ethereum White Paper.
6. King, S., & Nadal, S. (2012). PPCoin: Peer-to-Peer Crypto-Currency with Proof-of-Stake.
7. Zhu, J., et al. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks. Proceedings of the IEEE International Conference on Computer Vision (ICCV). (Riferimento CycleGAN per l'analisi della struttura avversaria/di coordinamento)