COSA SIGNIFICA SCALABILITÀ NELLA BLOCKCHAIN E PERCHÉ È UNA SFIDA?

Cos'è la scalabilità della blockchain?

La scalabilità, nel contesto della blockchain, si riferisce alla capacità di una rete blockchain di gestire un numero crescente di transazioni o una base di utenti in crescita senza comprometterne le prestazioni, la sicurezza o la decentralizzazione. L'obiettivo fondamentale della scalabilità è aumentare il throughput (transazioni al secondo), ridurre la latenza e controllare i costi associati all'utilizzo della rete, soprattutto con la crescita dell'adozione.

Ad esempio, Bitcoin, la rete blockchain originale, può elaborare circa 7 transazioni al secondo (TPS), mentre Ethereum, la piattaforma leader per smart contract, gestisce circa 15-30 TPS. Al contrario, i sistemi di pagamento tradizionali come Visa possono elaborare oltre 24.000 TPS. Questa enorme discrepanza dimostra la sfida di scalabilità che la tecnologia blockchain deve affrontare.

Esistono due ampie categorie di approcci alla scalabilità:

• Scalabilità on-chain: Apportare modifiche al protocollo blockchain principale per consentire un maggior numero di transazioni al secondo. Ciò potrebbe comportare l'aumento delle dimensioni dei blocchi, la riduzione del tempo di blocco o la modifica degli algoritmi di consenso.
• Scalabilità off-chain: delegare l'elaborazione delle transazioni a sistemi ausiliari o livelli secondari che interagiscono con la blockchain principale ma operano in modo indipendente per aumentare la produttività complessiva.

Una scalabilità efficace dovrebbe preservare la sicurezza e la decentralizzazione di una blockchain. Tuttavia, ciò rappresenta una sfida tecnica significativa, poiché le modifiche a un aspetto potrebbero comprometterne altri, portando al cosiddetto "trilemma della scalabilità".

Il trilemma della scalabilità

Il trilemma della scalabilità, coniato dal co-fondatore di Ethereum Vitalik Buterin, postula che i sistemi blockchain possano raggiungere al massimo due delle seguenti tre proprietà contemporaneamente:

• Decentralizzazione: Pari partecipazione di nodi indipendenti senza dover dipendere da autorità centrali.
• Sicurezza: Protezione da attacchi o manipolazioni.
• Scalabilità: Capacità di gestire volumi di transazioni maggiori in modo efficiente.

La difficoltà sta nell'ottimizzare tutti e tre. Aumentare la produttività potrebbe comportare blocchi più grandi, a vantaggio della scalabilità, ma questo spesso richiede maggiore potenza di calcolo, centralizzando la partecipazione dei nodi e indebolendo la decentralizzazione. Allo stesso modo, l'aggiunta di ulteriori passaggi di consenso può rafforzare la sicurezza, ma potenzialmente ridurre la scalabilità.

Con l'aumento dell'adozione della blockchain in tutti i settori, dalla finanza alle supply chain, risolvere il problema della scalabilità è fondamentale. Sviluppatori e ricercatori stanno esplorando attivamente metodi innovativi per scalare le reti blockchain mantenendone i valori fondamentali.

Perché scalare una blockchain è così difficile?

Scalare una rete blockchain è intrinsecamente difficile a causa di scelte progettuali fondamentali che privilegiano la decentralizzazione e la sicurezza. Questi principi progettuali, che offrono alcuni dei maggiori vantaggi della blockchain, come l'immutabilità e l'affidabilità, creano anche limitazioni nella velocità di elaborazione e nell'archiviazione dei dati.

1. Meccanismi di consenso

Al centro di qualsiasi rete blockchain c'è un meccanismo di consenso, ovvero il metodo con cui i partecipanti concordano sullo stato del registro. Meccanismi popolari come la Proof of Work (PoW) e la Proof of Stake (PoS) richiedono calcoli intensivi o sforzi di convalida distribuita per garantire che tutte le transazioni siano legittime.

Sebbene questi meccanismi proteggano da frodi e manomissioni, introducono anche latenza. Nel caso di Bitcoin, il tempo medio di blocco è di 10 minuti, limitando la velocità con cui le transazioni possono essere finalizzate. Aumentare le dimensioni dei blocchi per gestire più transazioni può essere utile, ma grava anche sui nodi con un maggiore carico di dati, scoraggiando la partecipazione e potenzialmente centralizzando il controllo.

2. Propagazione della rete

Un altro ostacolo è il tempo necessario per propagare i nuovi blocchi sull'intera rete. Nei sistemi decentralizzati, i nodi devono comunicare tra aree geografiche disperse. I blocchi più grandi richiedono più tempo per propagarsi, aumentando il rischio di blocchi orfani e problemi di consenso, che compromettono l'affidabilità e l'efficienza.

3. Requisiti di archiviazione dei dati e dei nodi

I dati della blockchain vengono archiviati in modo ridondante su ogni nodo completo. Con la crescita della blockchain, aumentano anche i requisiti di archiviazione e larghezza di banda per gestire un nodo. Senza un attento bilanciamento, questo porta a un minor numero di persone in grado di gestire i nodi, compromettendo ulteriormente la decentralizzazione. Ethereum, ad esempio, ha introdotto proposte di "affitto statale" per affrontare i problemi di archiviazione eccessiva dei dati che ostacolano la scalabilità.

4. Compatibilità con le versioni precedenti e forking

L'implementazione di miglioramenti della scalabilità richiede solitamente la modifica del protocollo principale della blockchain. Queste modifiche spesso si traducono in "hard fork", che dividono la catena e l'ecosistema esistenti. Ciò può causare confusione, frammentazione e perdita di consenso nella community. Mantenere la compatibilità con le versioni precedenti durante l'implementazione di aggiornamenti scalabili continua a rappresentare una sfida significativa.

5. Vulnerabilità di sicurezza

Gli sforzi di scalabilità possono introdurre inavvertitamente vettori di attacco aggiuntivi. Ad esempio, soluzioni di livello 2 come sidechain e rollup operano parzialmente off-chain e possono ereditare presupposti di sicurezza più deboli rispetto alla catena principale. Garantire una scalabilità più ampia senza rendere il sistema più vulnerabile è una preoccupazione costante per gli sviluppatori.

In sintesi, ogni tentativo di scalare una soluzione blockchain deve affrontare una serie di compromessi. Che si tratti di ottimizzazioni di protocollo o soluzioni off-chain, gli sviluppatori devono preservare i pilastri della blockchain – sicurezza e decentralizzazione – migliorando al contempo le prestazioni in un ambiente distribuito a livello globale. Non esiste una soluzione unica adatta a tutte le reti, da qui la diversità di strategie su diverse piattaforme.

Soluzioni per la scalabilità della blockchain

Date le sfide delineate, gli sviluppatori hanno adottato approcci multiformi per scalare le reti blockchain. Queste soluzioni mirano a punti critici come il volume delle transazioni, l'efficienza del consenso e l'archiviazione dei dati. Sono ampiamente classificate in metodi di scalabilità on-chain e off-chain, nonché modelli ibridi.

1. Soluzioni di Livello 2

• Canali di Stato: consentono a due parti di effettuare transazioni off-chain e di inviare solo il risultato finale alla catena principale, riducendo significativamente la congestione. Alcuni esempi includono Lightning Network di Bitcoin e Raiden Network di Ethereum.
• Plasma e Rollup: le catene Plasma operano come catene secondarie semi-autonome che raggruppano le transazioni prima di regolarle sulla catena principale. I rollup (ottimistici o a conoscenza zero) comprimono i dati delle transazioni e li elaborano off-chain, memorizzando le prove on-chain. Questo mantiene la sicurezza e migliora la produttività.

Le opzioni di Livello 2 sono sempre più favorite perché consentono aumenti significativi della capacità di transazione senza alterare il protocollo di base.

2. Sharding

Lo sharding comporta la suddivisione della blockchain in parti più piccole, o "frammenti", ciascuna in grado di elaborare le proprie transazioni e smart contract. Coordinati dalla catena principale, i frammenti possono scalare linearmente con le dimensioni della rete. Ethereum 2.0 prevede lo sharding come una funzionalità centrale di scalabilità; tuttavia, l'implementazione è complessa e in corso.

3. Meccanismi di consenso alternativi

Alcune blockchain più recenti adottano modelli di consenso che offrono intrinsecamente una migliore scalabilità:

• Delegated Proof of Stake (DPoS): utilizzata da EOS e Tron, la DPoS si basa su un set limitato di validatori, aumentando la velocità delle transazioni pur riducendo la decentralizzazione.
• Proof of History (PoH): utilizzata da Solana, la PoH consente un rapido sequenziamento delle transazioni, migliorando la produttività.

Questi meccanismi tentano di bilanciare sicurezza e scalabilità, sebbene ciascuno presenti limiti e rischi di centralizzazione.

4. Potatura della blockchain ed efficienza di archiviazione

Gli archivi blockchain completi sono consistenti e richiedono un'elevata capacità di archiviazione. Le tecniche di potatura, ovvero la rimozione di dati non necessari o storici, mirano a facilitare la partecipazione dei nodi. Alcune blockchain esplorano anche modelli di client stateless, in cui per la convalida sono necessari solo i dati sullo stato corrente, riducendo il carico complessivo.

5. Interoperabilità e sidechain

Sfruttando le sidechain, blockchain parallele collegate alla catena principale, è possibile distribuire il carico delle transazioni. Ad esempio, Polygon offre sidechain compatibili con Ethereum che alleggeriscono il carico di calcolo e di archiviazione. Protocolli di interoperabilità come Polkadot e Cosmos facilitano le transazioni cross-chain, creando un ecosistema multi-chain scalabile.

6. Conclusioni e prospettive future

Nessuna soluzione singola risolve il problema della scalabilità della blockchain. Il progresso è iterativo e spesso richiede compromessi. Piattaforme leader come Ethereum stanno gradualmente implementando sharding e rollup, mentre blockchain alternative esplorano nuove architetture. Nel frattempo, i ricercatori continuano a esplorare innovazioni, dai registri basati su DAG alla convalida delle transazioni assistita dall'intelligenza artificiale.

In definitiva, la capacità delle blockchain di scalare efficacemente determinerà la loro diffusione nel commercio globale, nella finanza e oltre. La scalabilità rimane sia un ostacolo tecnico che un'opportunità per rimodellare l'infrastruttura digitale con sistemi decentralizzati.