Cos'è la Prova di lavoro / Proof of Work (PoW)?

Il protocollo Proof of Work, comunemente noto con l'acronimo PoW, non è un'invenzione recente, sebbene la sua popolarità derivi dall'esplosione delle risorse digitali. In sostanza, agisce come un pedaggio digitale progettato per scoraggiare comportamenti dannosi all'interno di una rete distribuita. Come ci riesce? Richiedendo all'utente di dimostrare di aver speso energia e tempo prima di poter eseguire un'azione.

Questo sistema si basa su uno scambio di sforzi. La rete richiede al client di risolvere un complesso enigma matematico che richiede una notevole potenza di calcolo. Una volta risolto, gli altri nodi convalidano il risultato quasi istantaneamente. Se la soluzione è corretta, viene concesso l'accesso alle risorse del sistema. Questa barriera d'ingresso impedisce a un malintenzionato di sovraccaricare l'infrastruttura con un numero infinito di richieste, cosa che manderebbe in tilt qualsiasi servizio convenzionale in pochi secondi.

Se cercate un esempio concreto, pensate ai captcha che compaiono quando vi registrate su un qualsiasi sito web in Spagna. Il server vi propone una sfida che voi, in quanto esseri umani, potete risolvere in pochi secondi, ma che una macchina fatica a elaborare su larga scala. Nel mondo dei computer, la sfida non può essere visiva, quindi si ricorre alla matematica. La sfida deve essere sufficientemente difficile da non essere gratuita, ma abbastanza gestibile da non mandare in crash il sistema.

La magia di questa strategia risiede nella sua asimmetria. Il client si impegna a fondo per trovare la soluzione – un processo computazionalmente oneroso – mentre la rete impiega pochissime risorse per verificare la validità del risultato. È come risolvere un Sudoku: trovare i numeri giusti potrebbe richiedere un'ora, ma chi ha già la soluzione completa può controllare se si è commesso un errore in soli tre secondi.

Satoshi Nakamoto non ha inventato la ruota; ha semplicemente scelto la migliore per il suo veicolo. Nel progettare l'architettura della sua famosa criptovaluta, ha ripreso il sistema HashCash, un'implementazione di Proof-of-Work originariamente sviluppata per combattere lo spam via email. Ciò che un tempo serviva a contrastare la posta indesiderata è ora la pietra angolare che garantisce immutabilità e sicurezza nell'emissione di nuovi token all'interno di reti decentralizzate. Attualmente, questo meccanismo rimane il punto di riferimento per coloro che privilegiano la massima sicurezza rispetto alla velocità delle transazioni.

L'origine della resistenza: la nascita degli algoritmi PoW

Nei primi anni Novanta, Internet cominciava già a comparire nelle case, ma la sua crescita portò con sé una delle piaghe più persistenti del web: lo spam. Ciò che ora filtriamo quasi inconsciamente con una cartella di "Spam" Nel 1992, si trattava di un grave problema tecnico in grado di mandare in crash interi server. I sistemi di posta elettronica non erano preparati all'ondata di messaggi di massa, lasciando spesso migliaia di utenti impossibilitati a comunicare.

Come si ferma qualcuno che può inviare milioni di messaggi senza alcun costo? La risposta non è arrivata da un ingegnere di sistemi, ma dal mondo accademico. Nel 1993, Cynthia Dwork e Moni Naor pubblicò un saggio che avrebbe cambiato le regole del gioco: «Determinazione dei prezzi tramite elaborazione o lotta alla posta indesiderata»La sua tesi era tanto dirompente quanto logica: se inviare un'e-mail richiede uno sforzo minimo, la soluzione è imporre un pedaggio digitale.

La proposta prevedeva di obbligare il mittente a risolvere una sfida matematica prima che il server accettasse il messaggio. Dwork e Naor idearono una serie di test computazionali, come il calcolo di specifiche radici quadrate o l'uso intensivo di funzioni hash. Allegando la soluzione a questa sfida nell'intestazione dell'e-mail, il destinatario poteva verificare in pochi millisecondi che il mittente non fosse un bot che inviava spam indiscriminatamente al server, ma qualcuno che aveva "pagato" con il proprio tempo di elaborazione.

Se il lavoro veniva svolto correttamente, l'email superava i controlli doganali; in caso contrario, finiva nel cestino digitale. Questo sistema non era pensato per impedire l'invio di email, ma piuttosto per renderlo economicamente insostenibile per i malintenzionati. Un secondo di tempo di elaborazione per email è trascurabile per chi invia dieci messaggi al giorno, ma per uno spammer che ha bisogno di inviarne milioni, il costo in termini di hardware ed energia elettrica diventa proibitivo.

Nonostante l'eleganza della soluzione, il mondo non era ancora pronto per la sua piena implementazione. Ci vollero diversi anni e l'evoluzione dell'hardware di consumo perché queste idee prendessero piede e diventassero il fondamento della sicurezza delle prime criptovalute. Oggi, consideriamo questa pietra miliare come il primo passo verso la decentralizzazione, dove la fiducia non è delegata a un'azienda, bensì alle leggi della termodinamica e della matematica.

Ritieni che un sistema basato sui costi di elaborazione sia ancora sostenibile oggi, con l'avvento del calcolo quantistico?

La creazione di HashCash

Il successivo salto evolutivo è avvenuto nel 1997 grazie a Adam Back, figura iconica del movimento cripto-anarchico. La sua creazione, il protocollo HashCashHa perfezionato precedenti teorie accademiche trasformandole in uno strumento pratico per la resilienza digitale. È interessante notare che, sebbene oggi associamo Back al concetto di Proof of Work, questo termine specifico non compariva nemmeno nel suo annuncio originale.

Ciò che Back ha introdotto è stato un concetto tecnico che ora è comune nel settore: la "protezione dalla doppia spesa". Mentre David Chaum Back aveva già esplorato questa idea anni prima nei suoi esperimenti con la moneta elettronica privata; l'aveva integrata in un sistema in cui il costo non dipendeva da un'autorità centrale, ma dalla potenza di calcolo del computer stesso.

HashCash funzionava in un modo tanto semplice quanto spietato. Per inviare un'email, il team doveva risolvere un enigma matematico basato su funzioni hash. Una volta trovata la soluzione, questa veniva "incisa" nell'intestazione del messaggio. Giunto al server di destinazione, il timbro veniva controllato in una frazione di secondo. Se il timbro era valido, l'email veniva recapitata; in caso contrario, veniva scartata senza esitazione.

Ma ecco il punto cruciale: Quello sforzo computazionale non era etereo; aveva un riflesso diretto nel mondo fisico.Si stima che l'elettricità necessaria per generare quel francobollo si aggiri intorno a un centesimo per messaggio. Per te, inviare dieci o venti email al giorno rappresenta una spesa trascurabile, quasi impercettibile sulla bolletta elettrica.

Tuttavia, per un attaccante che mirava a inondare la rete con milioni di messaggi di spam, la situazione cambiava radicalmente. Lo spam cessava di essere un'attività redditizia e si trasformava in un salasso finanziario. È così che la tecnologia ha iniziato a utilizzare le leggi della termodinamica per mettere ordine nel caos digitale. Attualmente, questo principio di "consumo di energia" rimane il fondamento su cui si basa la sicurezza delle principali criptovalute sul mercato, a dimostrazione del fatto che, a volte, il modo migliore per proteggere un sistema è renderlo proibitivamente costoso per chiunque tenti di corromperlo.

Considerando che HashCash è stato creato per la posta elettronica, riuscite a immaginare come sarebbe cambiato internet se fosse stato implementato di default in tutti i browser fin dall'inizio?

La nascita del termine Proof of Work

Finalmente, era il 1999, quando Markus Jakobsson y Ari Juels ha scritto un documento intitolato "Protocolli Proof of Work e Bread Pudding"; e così è stato coniato il termine "Prova di lavoro". Jakobsson e Juels lo descrivono così:

Si tratta di un protocollo in cui un voucher dimostra a un verificatore di aver impiegato un certo livello di sforzo computazionale in un intervallo di tempo specifico. Sebbene non sia definito come tale o formalmente affrontato, il proof-of-work è stato proposto come meccanismo per vari obiettivi di sicurezza, tra cui la misurazione dell'accesso al server, la creazione di capsule temporali digitali e la protezione dall'invio di posta indesiderata e altri attacchi Denial of Service.

Markus Jakobsson e Ari Juels
Proof of Work and Bread Pudding Protocols (1999) - Pagina 2

Inoltre, questo lavoro approfondisce la capacità delle prove di lavoro di aggiungere livelli di sicurezza. Che servono a garantire servizi critici dove la sicurezza è molto importante.

La Proof of Work arriva a Bitcoin

Satoshi Nakamoto ha pubblicato il documento tecnico di Bitcoin il 31 ottobre 2008. In esso, Nakamoto era chiaro sul fatto che la Proof of Work fosse un elemento chiave del protocollo Bitcoin. Nel riepilogo del white paper di Bitcoin Possiamo leggere quanto segue:

Proponiamo una soluzione al problema della doppia spesa utilizzando una rete peer-to-peer. La rete scala i tempi delle transazioni raggruppandole in una catena di Proof of Work basata su hash, formando un record che non può essere modificato senza ripetere la prova di lavoro.
Satoshi Nakamoto

Bitcoin: un sistema di pagamento elettronico peer-to-peer (2008) – Riassunto

In questo modo, Nakamoto ha utilizzato il lavoro di Adam Back, poiché Bitcoin utilizza il protocollo HashCash. Con questo, ha finito per rivoluzionare il mondo, presentando una tecnologia completamente innovativa, la blockchainQuesta tecnologia gli permise di creare la sua famosa invenzione, che si è evoluta fino ai giorni nostri.

Utilizzando il protocollo Proof of Work, ogni nuovo blocco creato deve risolvere un rompicapo matematico che può essere risolto solo per tentativi ed errori. Questi enigmi vengono risolti dai miner attraverso milioni di tentativi. La risoluzione dell'enigma comporterà la creazione del blocco, la conferma delle transazioni coinvolte in quel blocco e la generazione di nuovi bitcoin che il miner riceverà come ricompensa insieme alle commissioni implicite in ciascuna delle transazioni.

Il problema matematico consiste nel trovare i parametri che danno un certo risultato.. La particolarità di quel risultato è che si tratta di un hash, quindi è impossibile ottenere i parametri iniziali dall'hash, possono essere generati solo per tentativi ed errori.

Come funziona il protocollo PoW?

La Proof of Work funziona in modo abbastanza semplice. In effetti, il processo che viene svolto può essere suddiviso nelle seguenti fasi principali:

1. Fase 1: il client o nodo stabilisce una connessione alla rete. A questo punto, la rete ti assegna un'attività costosa in termini di calcolo. Questo compito deve essere risolto per ricevere un incentivo finanziario.
2. Fase 2: inizia la risoluzione del rompicapo; ciò comporta l'uso di molta potenza di calcolo per risolvere il puzzle consegnato. Questo processo è quello che viene chiamato mining.
3. Fase 3: una volta risolta l'attività di calcolo, il client la condivide con la rete per la verifica. A questo punto, viene rapidamente verificato che l'attività soddisfi i requisiti richiesti; in questo modo si accede alle risorse di rete. In caso contrario, l'accesso e la soluzione presentata del problema vengono rifiutati. È a questo punto che vengono effettuati i controlli di protezione dalla doppia spesa, una protezione che impedisce che si presentarsi più di una volta, un'attività già assegnata e verificata dalla rete.
4. Fase 4: Con la conferma che l'attività è stata completata, il client accede alle risorse di rete. Grazie a questo, ricevi un profitto per il lavoro di calcolo svolto.

Sono queste quattro fasi che consentono e modellano il funzionamento della Proof of Work. La facilità di questo modello consente di trasferirlo su diversi software per sfruttarne le potenzialità. Ma è nelle blockchain dove osserviamo una maggiore utilità, fornendo livelli di sicurezza eccezionali nonostante la bassa complessità del protocollo. E allo stesso tempo, consentendo a milioni di persone di partecipare contemporaneamente alla rete.

Funzionalità del protocollo PoW

1. È un protocollo molto sicuro. La Proof of Work garantisce alti livelli di sicurezza, se la rete è composta da migliaia di miner. In effetti, più minatori, più sicura è la rete. Questo lo rende ideale per l'uso nella costruzione di enormi reti distribuite.
2. È semplice e molto facile da implementare algoritmicamente. Uno dei principali vantaggi di PoW è che è molto facile da implementare. Questa facilità si traduce in una facile manutenzione del software che ne fa uso. Inoltre consente a gli audit in un modo molto più semplice per mantenere la sicurezza della rete.
3. È facilmente adattabile alle esigenze hardware, essendo in grado di elaborare la resistenza a determinate apparecchiature (ASIC, GPU, FPGA, CPU). Un altro vantaggio del protocollo è la sua adattabilità alla tecnologia. Può essere reso più facile o più difficile, al fine di adattarlo ai progressi tecnologici, consentendo all'evoluzione dell'hardware di non lasciarsi alle spalle la difficoltà del mining, che finisce accentrando il potere di mining in chi possiede un hardware più nuovo e potente.
4. Ha un'ottima resistenza agli Attacchi Denial of Services. La ragione principale per la creazione di protocolli PoW era: evitare il rifiuto dei servizi. Un compito che assolvono perfettamente e che ha notevolmente migliorato gli attuali schemi di protocollo.
5. Il sistema consuma una grande quantità d'energia elettrica. Il lavoro ad alta intensità di calcolo di PoW richiede grandi quantità d'energia elettrica. Le stime prevedono un consumo di 24 Terawatt d'energia all'anno e continuerà a crescere poiché è necessaria più potenza per svolgere questo lavoro intenso.

Inoltre, puoi rivedere più caratteristiche di questo protocollo e rivedere le somiglianze e le differenze rispetto al protocollo Proof of Stake nel Confronto PoW PoS che troverai in questo articolo completo.

Domande frequenti (FAQ) – Che cos'è la Prova di Lavoro (PoW)?