Cos’è Ouroboros? Il meccanismo di consenso di Cardano

Cos’è Ouroboros di Cardano?

Ouroboros è il meccanismo di consenso utilizzato dalla blockchain di Cardano per validare le transazioni e aggiungere nuovi blocchi alla blockchain. All’interno della blockchain, Ouroboros determina quali partecipanti ottengono il diritto di produrre un nuovo blocco e come i partecipanti della rete raggiungono un accordo sulla validità delle transazioni e sullo stato più recente del distributed ledger.

Ouroboros funziona come un meccanismo di Proof-of-Stake (PoS), ma cerca di distinguersi grazie a un sistema basato sulla ricerca accademica con proprietà di sicurezza formalmente dimostrate tramite prove matematiche.

Il meccanismo è stato sviluppato sotto la guida di Charles Hoskinson insieme al suo team di crittografi e informatici, nonché con ricercatori di istituzioni come l’Università di Edimburgo e IOHK (Input Output Hong Kong). Ciò che rende Ouroboros unico è che è stato uno dei primi protocolli Proof-of-Stake la cui sicurezza è stata revisionata da pari in pubblicazioni accademiche.

In breve

• Ouroboros è il meccanismo di consenso della blockchain di Cardano e determina come le transazioni vengono validate e come nuovi blocchi vengono aggiunti alla blockchain.
• Il protocollo funziona con una struttura temporale composta da epochs e slots, in cui per ogni slot viene determinato quale partecipante ottiene il diritto di produrre un nuovo blocco.
• Invece del mining ad alto consumo energetico, come nel Proof of Work, i blocchi vengono prodotti da partecipanti che hanno messo in staking ADA o hanno delegato i propri ADA a staking pools.
• Ouroboros è stato sviluppato sulla base della ricerca accademica ed è tra i primi protocolli Proof-of-Stake la cui sicurezza è stata studiata matematicamente e pubblicata con revisione tra pari.

Cosa significa Ouroboros?

Il nome Ouroboros può sembrare piuttosto complicato. Solo sentendo il nome potresti chiederti: perché scegliere un nome così difficile? Tuttavia, Charles Hoskinson (il fondatore di Cardano) e il suo team non lo hanno scelto a caso. Il nome Ouroboros è un antico simbolo di un serpente o di un drago che morde la propria coda formando un cerchio. Questo simbolo rappresenta l’infinito, la ciclicità e il continuo rinnovamento. Poiché la creatura consuma e ricrea continuamente se stessa, viene spesso interpretata come una rappresentazione del ciclo eterno della vita, della morte e della rinascita.

Il simbolo compare in diverse culture antiche, tra cui le tradizioni egizie, greche e alchemiche.

Nel contesto delle blockchain, questo simbolismo si adatta bene all’idea di un sistema che produce continuamente nuovi blocchi e si rinnova costantemente. La blockchain cresce continuamente man mano che vengono aggiunti nuovi blocchi, mentre la rete si mantiene attraverso meccanismi di consenso.

Con questo contesto, non è sorprendente che questo nome sia stato dato al meccanismo di consenso di una blockchain. È proprio per questo motivo che Cardano ha scelto il nome Ouroboros.

L’idea alla base di Ouroboros

Gli sviluppatori di Ouroboros e Cardano volevano creare una blockchain che fosse sicura, scalabile ed efficiente dal punto di vista energetico e, forse la cosa più importante, un meccanismo di consenso dimostrato matematicamente sicuro. Con Ouroboros hanno cercato di sviluppare un’alternativa alle blockchain ad alto consumo energetico, come Bitcoin e Litecoin, che utilizzano il Proof of Work (PoW).

Queste blockchain utilizzano miners che impiegano grandi quantità di potenza computazionale per validare le transazioni e aggiungere nuovi blocchi. Questo modello è sicuro, ma consuma molta energia.

Ouroboros cerca di raggiungere lo stesso livello di sicurezza senza questa competizione ad alto consumo energetico. Invece, il protocollo utilizza la partecipazione economica alla rete come base per il consenso. La probabilità che un partecipante possa produrre un nuovo blocco dipende dalla quantità di ADA che mette in staking. Questo è chiamato staking.

Il modello è supportato scientificamente. I ricercatori hanno creato prove matematiche che dimostrano che la rete rimane sicura finché la maggioranza dello stake si comporta in modo onesto.

Ouroboros funziona come un meccanismo di consenso che utilizza i cosiddetti epochs e slots. Il sistema utilizza una struttura temporale fissa per determinare chi può aggiungere un blocco alla blockchain. Invece di miners che competono con la potenza computazionale come nel Proof of Work, Ouroboros seleziona i partecipanti che possono produrre blocchi in base alla quantità di ADA messa in staking.

Un epoch è un periodo più lungo all’interno della rete. Un epoch è composto da un gran numero di slots. Uno slot è una breve finestra temporale durante la quale, in linea di principio, può essere prodotto un blocco.

All’interno di un epoch, i nuovi blocchi vengono distribuiti tra gli slots. All’interno di uno slot viene determinato chi può validare e aggiungere il nuovo blocco contenente transazioni al distributed ledger.

Ouroboros considera la quota di uno staking pool. Maggiore è la quantità di ADA in staking all’interno di uno staking pool, maggiore è la probabilità che quel pool ottenga il diritto di produrre un blocco in uno slot specifico. In questo modo, la produzione dei blocchi è collegata all’interesse economico nella rete piuttosto che alla potenza computazionale.

Poiché il produttore del blocco viene scelto in base agli ADA messi in staking, nella pratica sono stati creati molti staking pools. Uno staking pool gestisce l’infrastruttura tecnica necessaria per elaborare le transazioni e produrre nuovi blocchi. Gli utenti possono delegare i propri ADA a questi pool, aumentando la probabilità che vengano prodotti blocchi utilizzando i loro token ADA in staking. Gli ADA delegati rimangono di proprietà dell’utente, ma contribuiscono allo stake totale del pool. Più stake rappresenta un pool, maggiore è la probabilità che venga selezionato come produttore in più slots.

Quando uno staking pool viene selezionato per uno slot specifico, quel pool può creare un nuovo blocco durante quella finestra temporale. Questo blocco contiene transazioni valide che non sono ancora state aggiunte alla blockchain. Il pool diffonde poi il blocco al resto della rete. Altri nodes verificano successivamente se il blocco è valido. Controllano ad esempio se le transazioni sono corrette, se non si verifica double spending (double spending) e se il blocco è stato prodotto secondo le regole del protocollo. Se il nuovo blocco è valido, lo aggiungono alla propria versione della blockchain.

Un aspetto importante di Ouroboros è che la sicurezza della rete dipende da una maggioranza onesta dello stake. Finché la maggior parte degli ADA messi in staking è controllata da partecipanti onesti, la rete rimane affidabile e diventa estremamente difficile per attori malintenzionati manipolare la blockchain. Questa è una differenza fondamentale rispetto al Proof of Work, dove la sicurezza dipende principalmente dalla maggioranza della potenza computazionale.

Qual è la differenza tra Ouroboros e il Proof of Stake tradizionale?

Ouroboros è una forma di Proof of Stake (PoS), ma differisce per diversi aspetti da altri modelli PoS, come quello utilizzato da Ethereum.

Una differenza importante è che Ouroboros è stato sviluppato sulla base della ricerca scientifica. Il protocollo è stato progettato da ricercatori e successivamente esaminato da altri scienziati. Molti sistemi Proof-of-Stake più vecchi sono stati costruiti principalmente da sviluppatori senza un’ampia ricerca accademica sulla loro sicurezza.

Inoltre, Ouroboros ha introdotto una chiara struttura temporale con epochs e slots, rendendo la produzione dei blocchi più prevedibile e organizzata. In alcuni sistemi PoS tradizionali, la produzione dei blocchi viene assegnata in modo meno strutturato, ad esempio tramite una selezione casuale di validatori in base al loro stake. Questi validatori ottengono quindi la possibilità di produrre un blocco quando il protocollo li seleziona.

Un’altra differenza è l’uso degli stake pools. Ouroboros incoraggia la decentralizzazione attraverso gli staking pools, consentendo agli utenti di delegare i propri ADA senza dover gestire personalmente un node.

Aggiornamenti di Ouroboros

Dallo sviluppo di Ouroboros e Cardano, Ouroboros è stato migliorato più volte. Ogni aggiornamento ha contribuito a migliorare sicurezza, scalabilità e stabilità. Di seguito sono spiegati gli aggiornamenti più importanti.

Ouroboros Classic

Ouroboros Classic è la versione originale del protocollo ed è stata presentata nel 2017 in una pubblicazione accademica. È stato uno dei primi sistemi Proof-of-Stake la cui sicurezza è stata dimostrata matematicamente. Questa versione ha costituito la base della rete Cardano originale.

Il protocollo ha introdotto il concetto di epochs e slots e utilizza la quantità di ADA in staking per determinare quale node può produrre un blocco.

Ouroboros BFT

Ouroboros BFT (Byzantine Fault Tolerance) è stato un aggiornamento temporaneo utilizzato durante la transizione dalla prima versione di Cardano a una rete completamente decentralizzata.

Questa versione ha reso possibile una transizione sicura tra diversi protocolli senza dover riavviare la blockchain o perdere la sua cronologia. È stato utilizzato principalmente durante le fasi Byron e Shelley di Cardano.

Ouroboros Praos

Ouroboros Praos è la versione del protocollo che attualmente costituisce la base della rete Cardano. Questo aggiornamento ha migliorato principalmente la sicurezza e il modo in cui vengono selezionati i produttori di blocchi.

Praos ha inoltre reso più difficile per gli attaccanti sapere in anticipo quale node produrrà un blocco, poiché la selezione di uno slot rimane parzialmente segreta. Anche la casualità nel processo di selezione è stata migliorata, contribuendo a proteggere la rete dalle manipolazioni.

Ouroboros Genesis

Ouroboros Genesis è un ulteriore miglioramento di Praos e si concentra principalmente sui nodes che sono nuovi nella rete o che tornano online dopo molto tempo.

Normalmente un nuovo node deve sincronizzare l’intera blockchain. Genesis introduce meccanismi che impediscono a tale node di essere ingannato da una parte malintenzionata che tenta di mostrare una blockchain alternativa e falsa (un cosiddetto long range attack). Questo rende più sicuro per i nuovi nodes unirsi alla rete.

Vantaggi di Ouroboros

Ouroboros presenta diversi vantaggi:

• Basso consumo energetico
  Ouroboros utilizza Proof of Stake invece del mining ad alto consumo energetico. Di conseguenza, la rete consuma molta meno elettricità rispetto alle blockchain che utilizzano Proof of Work.
• Alto livello di decentralizzazione
  Gli utenti possono delegare i propri ADA a diversi staking pools, rafforzando la decentralizzazione della rete. Questo consente a molti partecipanti di contribuire alla rete senza dover gestire personalmente un node.
• Progettazione basata su ricerca scientifica
  Il protocollo è stato sviluppato sulla base della ricerca accademica ed esaminato da scienziati. Questo aiuta a migliorare la sicurezza e l’affidabilità della rete.
• Scalabilità
  Grazie all’uso di epochs e slots, la produzione dei blocchi può essere organizzata in modo efficiente.

Svantaggi di Ouroboros

Oltre ai vantaggi, Ouroboros presenta anche svantaggi e rischi:

• Complessità del protocollo
  Ouroboros è tecnicamente piuttosto complesso e basato su crittografia avanzata. Questo può rendere più difficile comprendere completamente il sistema.
• Rischio di centralizzazione
  Se grandi staking pools ricevono molte deleghe, un numero relativamente piccolo di pool potrebbe produrre una grande parte dei nuovi blocchi, mettendo sotto pressione la decentralizzazione.
• Dipendenza da incentivi economici
  Il sistema funziona meglio quando i partecipanti si comportano onestamente perché hanno un interesse finanziario nella rete. Se grandi quantità di stake sono controllate da attori malintenzionati, possono sorgere rischi.
• Sviluppo più lento
  Poiché Cardano pone grande enfasi sulla ricerca accademica e sulla revisione tra pari, alcune nuove funzionalità possono essere introdotte più lentamente rispetto ad altri progetti blockchain.

In conclusione

Ouroboros è il meccanismo di consenso che costituisce la base della blockchain di Cardano e determina come vengono validate le transazioni e aggiunti nuovi blocchi. A differenza dei sistemi ad alto consumo energetico come il Proof of Work, Ouroboros utilizza il Proof of Stake, in cui i partecipanti hanno la possibilità di produrre blocchi in base alla quantità di ADA che hanno messo in staking. Grazie all’uso di epochs e slots, la rete può organizzare la produzione dei blocchi in modo strutturato ed efficiente.

Ciò che distingue Ouroboros da molti altri meccanismi di consenso è il forte focus sulla ricerca accademica e sulle prove formali di sicurezza. Il protocollo è stato progettato da ricercatori ed è stato pubblicato in studi revisionati tra pari, il che significa che la sicurezza del sistema è supportata matematicamente. Inoltre, gli staking pools permettono agli utenti di partecipare facilmente alla rete senza dover gestire personalmente un node.

Allo stesso tempo, Ouroboros presenta anche alcune sfide. La complessità tecnica del protocollo può rendere più difficile comprenderne completamente il funzionamento, e una forte concentrazione di stake nei grandi staking pools può mettere sotto pressione la decentralizzazione. Nonostante queste considerazioni, Ouroboros è ampiamente considerato un importante esempio di come la ricerca scientifica e la tecnologia blockchain possano essere combinate per sviluppare un meccanismo di consenso sicuro ed efficiente dal punto di vista energetico.