La Blockchain è una struttura dati condivisa e immutabile in cui le cui voci sono raggruppate in “blocchi”, concatenati in ordine cronologico, e la cui integrità è garantita dall’uso della crittografia. Tale tecnologia fu inventata da Satoshi Nakamoto per registrare le transazioni effettuate con i Bitcoin. Una volta scritti, i dati in un blocco non possono essere retroattivamente alterati senza che vengano modificati tutti i blocchi successivi ad esso e ciò, per la natura del protocollo e dello schema di validazione, necessiterebbe del consenso della maggioranza della rete.
Ad un blocco possono essere associate una o più transazioni e ogni blocco, inoltre, contiene un l’hash del blocco precedente e un timestamp.
Essa fa parte dei Distributed Ledger, rimando all’articolo linkato per maggiori informazioni.
Ogni Blockchain deve avere le seguenti caratteristiche:
- Definire la struttura di un blocco
- Gestire come approvare un nuovo blocco (algoritmo del consenso)
- Gestire come risolvere i conflitti, per cui due nodi producono simultaneamente due blocchi concorrenti collegati allo stesso blocco ma diversi nel contenuto (fork).
Definizione del blocco
Un blocco è la struttura dati core di una Blockchain, contiene sempre un header e un body. Nell’header vi è l’hash del blocco precedente, un timestamp e delle informazioni addizionali; nel body invece vi sono le transazioni da salvare.
Di seguito un esempio di come sono strutturati gli header delle Blockchain di Bitcoin e Ethereum.
Blocco Bitcoin
L’header di un blocco bitcoin è formato
| Bytes | Nome | Tipo | Significato |
|---|---|---|---|
| 32 | PrevHash | char[32] | Hash del blocco precedente |
| 32 | Merkle root | char[32] | Hash di tutti gli hash di tutte le transazioni nel blocco. |
| 4 | Timestamp | unit32 | Timestamp dell’ultima transazione in Unix hex timestamp |
| 4 | nBits | unit32 | Valore target: l’hash dello SHA-256 dell’header di un blocco dev’essere minore o uguale a questo valore per essere accettato dalla rete |
| 4 | Nonce | unit32 | Numero che permette allo SHA-256 dell’header del blocco di essere inferiore al target nBits. E’ la PoW del blocco. |
| 4 | Version | int32 | Indica quale versione delle regole di validazione di un blocco seguire. |
Blocco Ethereum
| Nome | Significato |
|---|---|
| Previous Block Hash | Hash del blocco precedente |
| Transaction Hash Root | Hash root generato da “Merkle Patricia Trie” |
| Receipt Root Hash | Hash receipt generato da “Merkle Patricia Trie” |
| State Root Hash | Hash world state generato da “Merkle Patricia Trie” |
| Timestamp | Timestamp di quando il mining è finito |
| Difficulty | Difficoltà nel trovare un hash corretto. Vedi https://2miners.com/eth-network-difficulty |
| Nonce | Valore utilizzabile una volta per funzioni di crittografia |
| Gas Limit | Valore massimo di gas utilizzabile per quel blocco |
| Gas Used | Somma di tutto il gas usato in tutte le transaction del blocco |
| Extra Data | Campo addizionale comodo per salvare dati extra |
| Number | Contatore del blocco. Il primo blocco ha number = 0. |
Accettazione di un nuovo blocco - gli algoritmi di consenso
Questi algoritmi sono il cuore di ogni Blockchain e gestiscono la modalità con cui un nuovo blocco viene aggiunto in tutta la rete.
Questi algoritmi devono impedire l’aggiunta di blocchi errati da parte di nodi malevoli (vedi il problema della doppia spesa e il Problema dei generali bizantini), la sincronizzazione tra i nodi della rete e un reward per il lavoro svolto da questi ultimi. Mantenere coerente la Blockchain tra tutti i nodi di calcolo è un problema non banale, studiato ormai da quasi cinquant’anni e che va sotto il nome del “problema del consenso”.
Esistono tre macro tipologie di algoritmi di consenso:
| Nome | Significato | Fattore richiesto | Esempi |
|---|---|---|---|
| Proof-of-Work | PoW | Potenza computazionale | Bitcoin, Ethereum e molte altre |
| Proof-of-Stake | PoS | Criptovaluta posseduta | Cardano, Ethereum 2.0 |
| Proof-of-History | PoH | Ibrido tra Pow e PoS | Solana |
| Proof-of-Capacity | PoC | Spazio libero sull’hard disk | Burstcoin, Btchd |
| Proof-of-Activity | PoA | Ibrido tra Pow e PoS | Decred, Espers |
| Proof-of-Burn | PoB | Numero di monete bruciate | Slimcoin |
La gestione del fork e dei blocchi orfani
Talvolta risulta possibile che alcuni nodi della rete producano quasi contemporaneamente più blocchi “concorrenti” (ossia collegati a uno stesso blocco già esistente, ma diversi tra loro nel contenuto): ciò dà origine a una biforcazione (fork) nella catena. Il protocollo di aggiornamento specifica quale regola i nodi debbano adottare per selezionare il blocco da accettare, tra quelli concorrenti. I blocchi non selezionati per l’inclusione nella catena sono chiamati “blocchi orfani”.
Blocchi orfani in Bitcoin
Quando due minatori riescono a risolvere un blocco quasi contemporaneamente, poiché la rete non accetta e distribuisce istantaneamente il blocco generato, ma piuttosto ha un ritardo, può accadere che un altro minatore risolva esattamente lo stesso blocco;. I due blocchi vengono generati in un tempo molto ravvicinato ed entrambi vengono distribuiti alla rete per la convalida. In questo caso alcuni minatori inizieranno a risolvere il blocco successivo in base all’hash del primo blocco e altri partiranno invece dall’altro blocco. Ad un certo punto uno dei due minatori troverà la soluzione del blocco successivo e lo consegnerà alla rete. I minatori prenderanno la catena più lunga, prediligendo quindi i nodi con maggiore PoW (sono riusciti a risolvere prima il problema matematico).
Il secondo blocco quindi non verrà più accettato dalla Blockchain divenendo così un blocco orfano, questi vengono conservati in un pool di blocchi orfani ma, di fatto, non servono a nulla.