TECH TALK #1 — La guida definitiva al P0LW

Una conversazione con Cheng Wang, inventore del PoLW e fondatore di Alephium

Questa è la prima di una serie di interviste sulle innovazioni tecniche portate nel mondo da Alephium. La discussione si è svolta a febbraio 2022, in formato virtuale alla presenza di gran parte del team di Alephium che ha contribuito alle domande e al conseguente scambio. Quanto segue è stato modificato per chiarezza, concisione e ottimizzato per la leggibilità. È stato seguito da un AMA che puoi trovare come video!

traduzione in italiano dell’articolo pubblicato da alephium.org, link a fine articolo.

La guida definitiva al P0LW

ORIGINI

Vladimir Moshnyager: Ciao Cheng, prima di immergermi nel meccanismo di consenso Proof-of-Less-work, che è l’argomento principale della nostra discussione di oggi, vorrei un po’ di contesto, e iniziare dall’inizio. L’inizio del tuo itinerario, e delle idee che sarebbero finite nella tua creazione: quando ti sei avvicinato alle criptovalute?

Cheng Wang: La prima volta che ho sentito parlare di Bitcoin è stato intorno al 2014 durante il mio dottorato di ricerca all’EPFL sulla ricerca sugli algoritmi di consenso. Il mio consulente mi ha chiesto se ne avessi sentito parlare, perché avrebbe potuto essere interessato a fare qualche ricerca su di esso, ma alla fine non l’abbiamo fatto. Era una ricerca molto vecchia scuola in cui rimanevamo molto teorici e non ci interessava molto delle potenziali applicazioni industriali.

Poi ho proposto il primo algoritmo di accordo bizantino in tempo lineare e l’ho pubblicato su Internet.
Nel 2015, Vitalik Buterin e Casey della Ethereum Foundation hanno letto il mio articolo. Hanno scoperto che ero anche in Svizzera e mi hanno invitato ad andare a Zugo presso la Ethereum Foundation per discutere con loro. È stato allora che mi sono immerso più a fondo in Bitcoin ed Ethereum per prepararmi all’incontro.

All’epoca mi sentivo più a mio agio con la semplicità di Bitcoin, come espresso nel suo whitepaper. Ethereum sembrava più complesso con una superficie di attacco molto più ampia ed ero preoccupato che le persone avrebbero cercato di abusarne.

Hai minato qualcosa prima di iniziare con ALPH?

Ho minato Ethereum per un po’ e poi ho minato Ergo. L’ho appena fatto da dilettante con due delle mie GPU.

Come ti sei interessato agli algoritmi di consenso?

È una coincidenza! Sono arrivata all’EPFL senza un tema in mente: sono stato accettato e ho avuto la libertà di scegliere su cosa volevo lavorare. Il mio background è in matematica e vengo dalla teoria dei numeri pura. Volevo lavorare sulla crittografia, ma c’erano già troppi dottorati di ricerca su questo, quindi mi hanno chiesto di scegliere qualcos’altro.

Ho esaminato l’elenco dei professori e degli argomenti e ho visto che la ricerca molto teorica sugli algoritmi di consenso. Ho fatto domanda e sono stato accettato.

Sono stato ricercatore lì per quasi tre anni e ho scritto un articolo sull’algoritmo di consenso bizantino asincrono a tempo lineare. Mi sono divertito molto a fare questa ricerca. È stata una svolta teorica sull’argomento e ho introdotto diverse tecniche che vengono utilizzate nei lavori di follow-up.

COS’È IL PoLW E COME FUNZIONA

Immergiamoci nel Proof-of-Less-Work (che d’ora in poi chiameremo PoLW). Come ti è venuta l’idea di PoLW? Quando è stato concepito e cos’è?

L’idea originale in realtà non è mia. Stavo seguendo il lavoro dei ricercatori nel campo degli algoritmi di consenso e mi sono imbattuto nel lavoro di un gruppo di ricercatori israeliani. Hanno trovato idee interessanti su come ridurre il consumo energetico della proof-of-work in Bitcoin senza sacrificare la sicurezza della rete.

Ho progettato qualcosa di leggermente diverso in modo che si adatti perfettamente ad Alephium: è più semplice perché non c’è una regolazione della difficoltà in base ai periodi, stiamo regolando la difficoltà per ogni blocco, come fa zCash. L’obiettivo iniziale era quello di ottimizzare il Proof of Work riducendo il consumo energetico senza sacrificare la sicurezza.

Non avevo idee profonde sul nome, quindi ho finito per chiamarlo Proof of Less Work, perché è quello che fa, e il nome sembra più attraente per le persone rispetto alla tecnologia che in realtà lo sostiene.

Il Proof-of-Work è ben noto per essere l’algoritmo di consenso di Bitcoin e, anche se viene criticato per il suo consumo energetico, è ben compreso e considerato abbastanza sicuro. Qual è la principale differenza tra PoLW e Proof-of-Work “classico” (che d’ora in poi chiameremo PoW)?

Nella proof of work classica, i miner utilizzano apparecchiature come GPU, FPGA O ASICS ed energia per risolvere i problemi di hashing: il costo del mining è la combinazione del costo delle apparecchiature e dei costi energetici.

In PoLW, dopo un certo punto, i miner spostano parte del costo esterno sul costo della rete interna bruciando alcune monete (e consumando proporzionalmente meno energia). In questo caso, i costi di mining sono sia esterni (energia, attrezzature) che interni (bruciare monete all’interno della rete).

Poiché bruciare monete ha un costo ma non brucia energia, è così che riduciamo il consumo di energia senza sacrificare la sicurezza: in PoLW, il costo è lo stesso di PoW, ma composto in modo diverso. Per illustrare questo punto, immagina un mondo in cui BTC e ALPH hanno lo stesso valore e all’incirca la stessa rete di miner, in questo mondo:

-> ottieni 1,25 BTC di ricompensa per il mining spendendo 1 BTC in (costi di equipaggiamento + energia),

-> ottieni 1,25 ALPH di ricompensa mineraria spendendo 0,15 ALPH in (equipaggiamento + costi energetici) e bruciando 0,85 ALPH

Nel secondo caso, il costo per il miner è lo stesso del primo caso, ma l’energia spesa è notevolmente diminuita. Ovviamente la proporzione tra la spesa esterna e la combustione di monete varierà, e ciò dipenderà dall’hashrate totale dei miner sulla rete.

Come funziona la parte “bruciante” dell’operazione? A chi appartiene l’ALPH che sta per essere bruciato? Dove va?

L’ALPH da bruciare proverrà dai wallet dei miner e farà parte dell’input della transazione coinbase. Ciò significa che una volta attivato il PoLW, dovrai avere ALPH per poter estrarre. Invece di aver bisogno solo di equipaggiamento ed energia, avrai bisogno di equipaggiamento, energia e monete.

Questo è uno dei motivi per cui PoLW non viene attivato fin dall’inizio della rete: una volta attivato, la rete non è più completamente permissionless, perché avrai bisogno di alcune monete prima di estrarre ALPH.

Per ora, vogliamo rendere più facile e completamente permissionless per i miner iniziare, quindi sarebbe poco pratico attivarlo ancora. Inoltre, abbiamo bisogno che la rete sia abbastanza decentralizzata prima che inizi la combustione delle monete.

Grazie! Dici che PoLW si attiva solo “dopo” un certo punto, cosa significa? Quando viene attivato PoLW? Quando inizia a bruciare le monete?

PoLW si attiverà quando l’hashrate totale di Alephium raggiungerà almeno 1 Exahash al secondo (1 Eh/s, ovvero 1 quintilione di calcoli al secondo!). Per fare un confronto, ad oggi (25 maggio 2022), è a 22 Terahash al secondo (22 Th/s), ovvero lo 0,0022% dell’hashrate richiesto per l’attivazione.

Il codice di consenso esiste ed è già implementato, ma dovremo scrivere codice aggiuntivo e comunicare per aiutare i miner ad adattarsi e istruirsi su questo cambiamento. Non ci sarà bisogno di un hardfork per attivarlo, poiché il valore di 1 Exahash al secondo è già hardcoded.

Fino ad allora non è necessario e continuiamo a funzionare come normali PoW. Probabilmente ci vorrà più di qualche anno prima di arrivarci, ma di sicuro dipenderà da come si svilupperà la nostra capitalizzazione di mercato e la moneta! Ci concentriamo sulla parte della costruzione!

Quanto deve essere bruciato dai minatori? Dipende dall’hashrate? I minatori hanno voce in capitolo?

Una volta attivato il PoLW, la proporzione di moneta da bruciare viene fissata per un determinato hashrate. È lo stesso per tutti i miner della rete.

In questo momento, la quantità di ALPH da bruciare è pari a 0,875 ovvero (7/8) della ricompensa teorica per l’hashrate superiore a 1Eh/s.

La soglia di attivazione PoLW di 1 Eh/s e il rapporto 0,875 (7/8) sono attualmente codificati e possono essere adattati in futuro se vogliamo ridurre ulteriormente il consumo energetico.

Come hai scelto il valore di 1 Eh/s? Come facciamo a sapere che questa quantità di hashing è sufficiente per proteggere la rete, anche a distanza di anni? Puoi darci un’idea di quanto hardware rappresenta?

Abbiamo scelto questo valore per primo perché è un valore elevato, il che significa che saremmo una catena abbastanza matura con un livello sufficiente di decentralizzazione quando lo raggiungeremo. Oggi è anche nel campo da baseball delle catene UTXO/PoW tier-2 (Bitcoin Cash, Zcash, ecc…). Oggi, Bitcoin ed Ethereum sopportano il peso maggiore delle lamentele sullo spreco ecologico di energia, quindi abbiamo pensato che se potessimo arrivare al livello di livello 2 e quindi consumare proporzionalmente meno energia saremmo dove vogliamo essere.

La rete continuerà a consumare energia, ma crediamo che il compromesso tra ciò che si ottiene per l’energia spesa (un’infrastruttura robusta, sicura e decentralizzata su cui costruire miriadi di applicazioni utili) sarà meglio compreso e accettato di quanto non lo sia oggi con Bitcoin, ad esempio.

Per darvi un’idea della portata di quel numero, se assumete più o meno 1 Gh/s per GPU moderna, ci vorrebbero 1 milione di GPU (che è nell’ordine di grandezza di Ethereum oggi) per raggiungere il limite di 1 Eh/s a quel punto PoLW si attiva!

È anche importante tenere presente che questi numeri contano solo a breve termine. Se raggiungiamo il livello Petahash (che è 1/1000 del limite di 1Eh/s), molto probabilmente significherà che la maggior parte del mining sulla rete di Alephium viene effettuato da FPGA e ASIC, il che significa che la rete sarà abbastanza ben protetta dagli attacchi con GPU-hashrate.

Nel whitepaper si dice che «Alephium utilizza solo 1/8 dell’energia rispetto a Bitcoin». La critica contro il consumo energetico di PoW e Bitcoin è orientata verso un ordine di grandezza del consumo di energia (e della fonte di quell’energia), pensi che 1/8 sia un miglioramento davvero significativo? Abbastanza per essere un vero punto di forza?

Si tratta di una nuova tecnologia, quindi per ora abbiamo scelto un livello di risparmio energetico relativamente conservativo (che inizierà a scattare a 1Eh/sec) che è già molto significativo: 7/8 in meno di consumo energetico, ovvero una riduzione di quasi l’88% rispetto al normale PoW!

Se si dimostra stabile e la comunità, le mining pool e i miner sono istruiti e a proprio agio con esso, allora non c’è motivo per cui non possiamo andare oltre e utilizzare 1/16 o addirittura 1/32 dell’energia consumata dal normale PoW, cambiando la proporzione di lavoro esterno/interno richiesto dal protocollo.

Ma dal momento che abbiamo in tutte le cose un approccio conservatore, senza clamore, lento e deliberato perché costruiamo a lungo termine, abbiamo iniziato dove ci sentiamo più a nostro agio!

Dal momento che PoLW ha una componente di costo interna, ha qualcosa a che fare con la Proof-of-Stake?

No, è completamente diverso. Innanzitutto, è diverso perché non si “puntano” monete per estrarre più monete (con il rischio di essere tagliati), si bruciano davvero monete esistenti, permettendoti di estrarne di nuove.

Poi, la distinzione più importante sta nel fatto che nel PoLW i miner sono ancora tenuti a pagare dei costi esterni: il costo delle apparecchiature e dell’energia consumata per calcolare gli hash. Questo è importante, perché nessuno può manipolare i prezzi dell’energia in tutto il mondo, quindi non c’è modo di manipolare l’hashrate globale e quindi assicurarsi un vantaggio sleale sulla rete.

In Proof of Stake, il costo è completamente interno alla rete, il che è pericoloso perché se puoi controllare molte monete, direttamente o indirettamente (tramite l’uso di derivati di monete in staking o wrapped token), allora è potenzialmente più economico e meno complicato influenzare l’ordine e la convalida di transazioni e blocchi, indebolendo così la sicurezza della rete.

Prova di meno lavoro, combinando l’esigenza del lavoro esterno e adattandola con “alcuni” costi interni in più, consente di ottenere il meglio di entrambi i mondi: rimanere sicuri e decentralizzati spendendo meno energia.

A proposito di Proof-of-Stake (PoS), perché avete scelto di ottimizzare su PoW piuttosto che costruire una rete PoS, come la maggior parte dei nuovi Layer1 (Solana, Avalanche, Cardano, ecc…) che sono emersi in questo ciclo?

Quando abbiamo iniziato a lavorare su Alephium, il PoS era su una traiettoria ascendente e tutte le nuove grandi monete erano per lo più PoS, o che miravano a diventare PoS. La narrazione dell’energia sprecata sulla PoW era già presente, ma non ancora così clamorosa come oggi.

In fin dei conti, la scelta di un meccanismo di consenso è (o può essere) una decisione di principio: cosa si vuole ottenere? Riteniamo che l’attenzione di Bitcoin su una forte decentralizzazione, proof of work e modello UTXO abbia fornito la migliore sicurezza per la sua rete, consentendole di essere all’altezza dei suoi valori proclamati di disintermediazione, permissionlessness e inclusività.

In termini di tecnologia, PoW è più semplice e meglio compreso di PoS: è stato testato sul campo da numerosi progetti per periodi di tempo relativamente lunghi e la comunità crypto ha familiarità con il suo modello di sicurezza. Sappiamo come farlo bene e le sue implementazioni sono anche più resistenti a molti attacchi.

In termini di scala, molti progetti Proof of Stake funzionano in realtà più come PoS delegati, in cui pochi validatori hanno un’influenza smisurata sulla creazione e la proposta di blocchi. Per ora, il PoS reale non è scalabile abbastanza, con un valore e un utilizzo on-chain sufficienti per essere considerato come se avesse resistito alla prova del tempo.
In realtà, l’attuale passaggio di Ethereum da PoW a PoS sarà il primo vero grande test per PoS in produzione. E ci sono voluti anni per arrivarci, superando le complessità del design PoS, nelle piccole e grandi cose. E ci sono già potenziali campanelli d’allarme.

In termini di progettazione e architettura della sicurezza, dal punto di vista non tecnologico, il PoS presenta un rischio molto più centralizzato a livello di pool a causa degli effetti di rete dello staking di liquidità. MEV (che sta estraendo molto valore da utenti ignari) presenta anche rischi più elevati nelle configurazioni PoS perché i proponenti di blocco sono preselezionati per ogni epoca di blocco.

In termini di distribuzione, il PoW sembra ottenere una distribuzione più equa delle monete rispetto al PoS. In Proof of Stake, puoi ottenere monete solo acquistando in una vendita privata o pubblica e/o sul mercato. L’esecuzione di un validatore può anche costare molto di più di un miner. In PoW, la maggior parte delle monete sono solitamente riservate al mining, lasciando una maggiore possibilità ai piccoli minatori di fare banca. I grandi fondi tendono a possedere gran parte delle monete PoS, il che è un bene per il prezzo, perché hanno meno bisogno di vendere, ma tendono anche a centralizzare le reti.

In termini di attacchi, il PoS ha un vantaggio intrinseco nell’avere team e persone vicine al team che controllano spesso più del 50% dei token: sono più resistenti agli attacchi del 51%… finché non lo sono più!

INFORMAZIONI SU MINING REWARD, FINALITY, ASICS E ALTRI ARGOMENTI DISTINTI

Abbiamo parlato molto del meccanismo di consenso qui, ma puoi spiegarci come funziona il meccanismo delle ricompense dei blocchi? Non è nemmeno così facile da capire, e la soluzione di Alephium sembra piuttosto originale!

Quando si fa mining su Alephium, un miner (o un pool di mining) riceve una ricompensa per il servizio fornito alla rete. Questa ricompensa è a sua volta composta da 2 componenti principali: le commissioni di transazione e le ricompense di mining.

Le commissioni di transazione sono abbastanza facili da capire: è la metà della somma totale di tutte le commissioni di transazione pagate dalle persone che effettuano transazioni in un determinato blocco (l’altra metà viene bruciata). (Piccola nota, nel momento della stesura della traduzione di questo articolo, le commissioni di transazione vengono bruciate per intero) con l’aggiornamento di rete chiamato (Leman), attivato il 30 marzo 2023, sono state apportate delle modifiche all’algoritmo, quindi da quel momento in poi le commissioni di rete vengono bruciate per intero. Trovi più informazioni sull’articolo L’aggiornamento della rete Leman è disponibile! (alephium.it) al paragrafo Algoritmo di regolazione della difficoltà (DAA) migliorato.

Le ricompense per il mining sono a loro volta divise in due: una componente basata sul tempo e una componente di hashrate.

La componente basata sul tempo inizia abbastanza in alto e diminuisce linearmente per 4 anni, perché vogliamo incentivare le persone a minare di più all’inizio per dare il via alla rete: aiuta a proteggerla e aumenta l’equa distribuzione delle monete in più tasche, il che è importante per la decentralizzazione di Alephium.

Allo stesso modo, la ricompensa basata sull’hashrate verrà utilizzata per incentivare i miner a minare fino a un certo punto, aumentando le emissioni. Ma poi, raggiungendo un livello maggiore di hashrate (di un ordine di grandezza), inizierà anche a diminuire perché è lì che si attiva PoLW. Puoi trovare informazioni più dettagliate su questo meccanismo nel nostro articolo qui.

Perché Alephium sta bruciando la metà delle commissioni di transazione?

In una misura non così dissimile da EIP1559 su Ethereum, pensiamo che le commissioni di transazione dovrebbero essere almeno in parte bruciate. Lo abbiamo fatto per lo stesso motivo di Ethereum: vogliamo commissioni di transazione abbastanza stabili e ci piace l’impatto deflazionistico che questo ha sulla nostra (massima) offerta.

Perché avete scelto l’algoritmo Blake3?

Blake3 è recente, essendo stato rilasciato nel 2020, è stato sviluppato da noti e rispettati professionisti dell’ecosistema crittografico: Jack O’Connor, Jean-Philippe Aumasson, Samuel Neves e Zooko Wilcox-O’Hearn. Conosciamo alcuni di loro e abbiamo una linea di comunicazione aperta con loro, il che è utile.

Volevamo un nuovo algoritmo di hash non utilizzato da nessun altro algoritmo PoW e abbiamo passato un bel po’ di tempo a pensarci. C’è un rischio nel creare il proprio algoritmo di hash, come il team di IOTA ha scoperto nel 2017. Quindi abbiamo scelto di seguire la strada più semplice utilizzando qualcosa di già esistente e collaudato: in primo luogo perché è più semplice da implementare, in secondo luogo rende più facile per gli sviluppatori sviluppare cose su di esso e in terzo luogo sarà molto più facile da ottimizzare.

Inoltre, è meno probabile che alcuni miner trovino un vantaggio indebito e godano di hashrate molto più elevati perché hanno trovato un vantaggio nella complessità: fornisci un campo di gioco più equo per tutti.

Questo algoritmo è minabile con FPGA e ASIC? Alephium ASIC è resistente?

Alephium è compatibile con l’ASIC. È una scelta di design che abbiamo fatto. A lungo termine, è quasi impossibile evitare gli ASICS: se la tua blockchain è popolare e le persone vogliono minarla, troveranno un modo per costruire un ASIC adeguato.

Quindi hai solo due soluzioni: fare un hardfork regolarmente per cambiare l’algoritmo come sta facendo Monero, oppure scegli un semplice algoritmo e accetti il fatto che a un certo punto le persone concepiranno un ASIC.

C’è un ulteriore vantaggio nel rendere la tua catena compatibile con gli ASIC, è che se non lo fai, sei bloccato con il mining della GPU e le persone potrebbero teoricamente affittare molta capacità della GPU e attaccare la tua catena. Mentre con l’ASIC (soprattutto se si utilizza un algoritmo che nessun altro utilizza), questo sarebbe fuori portata.

Questa è una domanda un po’ diversa, ma visto che siamo qui, ho pensato di chiedere. Perché hai scelto un tempo di blocco di 64 secondi? Quanto dura il tempo per arrivare alla fine in Alephium?

(Altra piccola nota qui, a partire dal 12 giugno 2024 grazie all’aggiornamento di rete chiamato Rhône, attivato per l’appunto il 12 giugno 2024, il tempo di blocco è passato da 64 a 16 secondi). Leggi l’articolo dedicato all’aggiornamento Rhône: L’Aggiornamento della rete Rhône è stato attivato! (alephium.it)

Questo è un argomento un po’ controverso. PoW in media ha tempi di blocco più lunghi rispetto a PoS. A breve termine, i blocchi che si susseguono troppo rapidamente metteranno a dura prova i carichi del sistema e della rete, con conseguente aumento del tasso di blocco orfano e indebolimento della sicurezza e aumento dei requisiti di spesa in conto capitale per i validatori. E a lunghissimo termine (grandezza di anni, decenni), è la sincronizzazione della blockchain quando si vuole partecipare che potrebbe diventare un problema molto difficile.

Inoltre, per gli attacchi MEV, non si dà alle persone abbastanza tempo per reagire alle transazioni nella mempool perché si creano nuovi blocchi troppo velocemente. Abbiamo scelto 64 secondi (un altro numero magico!) che è già più vicino al blocktime di Ethereum (15s) che a quello di Bitcoin (10 minuti), ma potrebbe arrivare a 5-10 secondi e andare comunque bene (se adottassimo un algoritmo ghost-like come ETH). La finalità sub-secondo sembra complicata e probabilmente non è una buona idea, almeno per ora.

Abbiamo scelto un po’ più a lungo del blocktime di Ethereum perché riteniamo che ETH produca molti blocchi uncles (concetto simile ai blocchi orfani in bitcoin) e questo rappresenta un bel sovraccarico di archiviazione ed esecuzione. Quindi abbiamo sacrificato un po’ di tempo alla finalità e alle transazioni al secondo per garantire un sistema più robusto a lungo termine.

La finalità in Alephium dipenderà tanto dal valore transato quanto dall’hashrate mining, dalle catene e dal tipo di attacco da cui ci si vuole difendere. Questo è simile in altre blockchain: sarai più paziente quando compri una casa che quando paghi per il caffè!

Per compensare questa questione del tempo di finalizzazione e per aumentare il numero di transazioni al secondo, sembra che la maggior parte delle blockchain avrà sidechain, rollup o sottoreti. È possibile costruire Layer2 su Alephium?

Crediamo che a lungo termine, lo spazio blockchain sarà un mix di Level1 e Level2 e/o un mix di blockchain collegate in molti modi. Stiamo sicuramente assistendo a un sacco di attività Layer2 in questi giorni!
Adoriamo gli esperimenti di zk-rollup in corso in questi giorni e pensiamo che sia una tecnologia straordinaria quella costruita lì in termini di sicurezza e velocità.
È anche possibile che i Level2 assumano un ruolo più specializzato e specifico per l’applicazione, come si può vedere con Aztec su Ethereum o Kujira nell’ecosistema Cosmos.

Il Lightning Network di Bitcoin è un interessante L2 che sta registrando una forte crescita. Si tratta di un’architettura interessante che preserva lo spazio su L1 e la velocità e il costo su L2. Poiché anche Alephium si basa sul modello UTXO, dovrebbe essere possibile costruire qualcosa di simile al protocollo lightning su di esso!

Grazie mille per questa discussione, è stata affascinante, illuminante e molto da assimilare!

Se vuoi saperne di più su PoLW, vai al successivo AMA! In video !