The Merge: come Ethereum è passato al Proof-of-Stake

La blockchain di Ethereum ha cambiato meccanismo di consenso: il Proof-of-Work è stato sostituito dal Proof-of-Stake. Al culmine di un piano pluriennale, il nuovo consensus layer PoS è stato “agganciato” alla chain principale, in un processo chiamato The Merge. Questo aggiornamento green è stato paragonato ad un cambio di “motore”: da benzina ad elettrico, dal mining allo staking, a macchina in corsa! 

Scopriamo cos’è la Beacon Chain, la componente che ha reso Ethereum 2.0 Proof-of-Stake, come è avvenuto il Merge e cosa prevede la roadmap futura della Ethereum Foundation.

La visione di Ethereum: l’era Serenity

Chissà chi sarebbe oggi Vitalik Buterin se Bitcoin non fosse mai esistito. Senza il “sistema p2p per il denaro digitale” di Satoshi Nakamoto, l’ideatore di Ethereum avrebbe ugualmente creduto nella realizzazione di un “World Computer”, capace di decentralizzare qualsiasi processo?

Chi può saperlo, possiamo solo fantasticare. La storia, però, ci ha consegnato Ethereum, la seconda pietra miliare del mondo crypto dopo Bitcoin, all’insegna della programmabilità della blockchain. Questa qualità, supportata dagli smart contract, si è sviluppata gradualmente, attraverso l’evoluzione del protocollo; un piano definito fin dall’inizio, pensato in 4 “ere”: Frontier, Homestead, Metropolis e Serenity. 

Questo post di Vinay Gupta, infatti, presentava le fasi di Ethereum già nel 2015, subito dopo l’Initial Coin Offering (luglio 2014). Serenity, in particolare, prevedeva un sostanziale cambiamento per Ethereum: l’algoritmo di consenso Proof-of-Work (PoW) sarebbe stato sostituito dal Proof-of-Stake (PoS). I blocchi della blockchain di Ethereum, quindi, sarebbero stati validati dai nodi con ETH in staking e non più attraverso l’attività di mining.

Grazie al passaggio da PoW a PoS, Ethereum avrebbe, essenzialmente, eliminato il consumo energetico del mining e impedito la centralizzazione della produzione dei blocchi, dovuta alla specializzazione degli hardware dei miner. Questi e altri vantaggi del PoS rispetto al PoW avrebbero favorito la visione a lungo termine di Ethereum, che verte sui concetti di Scalabilità, Sicurezza e Sostenibilità. 

Serenity, però, era solo una dichiarazione d’intenti: gli specifici aggiornamenti tecnici, per realizzare questo programma pluriennale, non potevano ovviamente essere previsti con così largo anticipo. Nonostante ciò, l’esplosione della “difficulty bomb”, il meccanismo che avrebbe reso Ethereum Proof-of-Stake, era già stata programmata.

Da Ethereum 2.0 al Merge: la Difficulty Bomb

Anni dopo, la transizione da PoW a PoS di Ethereum è realtà. Il piano Serenity ha avuto successo, anche se con un nome diverso: “The Merge”. In poche parole, questo processo è la fusione tra il nuovo consensus layer Proof-of-Stake, chiamato Beacon Chain, e la mainnet di Ethereum (o execution layer), che ha sostituito il vecchio Proof-of-Work.

Ethereum ha usato questo “doppio livello” per testare ed aggiornare il meccanismo Proof-of-Stake, senza rischiare di interferire con gli importanti (e costosi) processi della blockchain principale. La community, però, ha tradotto questa strategia in una narrativa che, almeno ora, risulta fuorviante: non esiste un “eth1” e un “eth2”, così come la denominazione “Ethereum 2.0” non è più accurata, sebbene sia appunto molto utilizzata. Come spiegato in questa pagina, la roadmap si è evoluta ed esiste un solo “Ethereum”: il Merge non è un sequel, il prodotto è unico. Questo chiarimento vuole anche proteggere la community dai tentativi di scam, come gli swap in falsi token ETH2.

Sono state proposte diverse alternative per attuare il passaggio ad Ethereum Proof-of-Stake, fino alla scelta del Merge con la Beacon Chain, ma il traguardo è sempre stato il PoS. Leggendo la storia degli aggiornamenti, infatti, si può notare che il meccanismo per incentivare il cambio dell’algoritmo di consenso era già stato introdotto nell’aggiornamento Frontier Thawing (2015): la difficulty bomb.

In poche parole, una difficulty bomb è un aumento esponenziale nella difficoltà di mining che, rendendo i calcoli dei miner troppo complessi, impedisce la produzione di nuovi blocchi. Questo meccanismo è stato programmato per “congelare” la blockchain Proof-of-Work di Ethereum in una cosiddetta Ice Age, “era glaciale”: a quel punto, l’unica alternativa per i nodi sarebbe stata supportare il Merge con la Beacon Chain e, quindi, passare ad Ethereum Proof-of-Stake. Proprio ciò che è avvenuto attorno alle 8:45 (CEST) del 15 settembre 2022. 

L’inizio del “countdown” per l’esplosione è stato rimandato di aggiornamento in aggiornamento, finché il nuovo consensus layer PoS non è stato pronto al Merge: approfondiamo dunque cos’è la Beacon Chain e come fare staking su Ethereum.

Come funziona lo Staking su Ethereum e la Beacon Chain

Vitalik Buterin parlava di Proof-of-Stake già nel 2014: in questo post elogiava i vantaggi dell’algoritmo di consenso PoS creato da Sunny King, ma evidenziava la mancanza di un meccanismo per punire i comportamenti disonesti. In poche parole, per contrastare i rischi di 51% attack e Double Spending, Vitalik ha quindi proposto di introdurre lo “slashing”: i validatori sleali perdono la ricompensa per blocco e parte del loro stake.

Questo concetto è stato applicato al Proof-of-Stake di Ethereum, insieme ad altre regole: capiamo insieme come funziona lo staking su Ethereum 2.0. Ogni 12 secondi un nodo con stake è scelto casualmente per produrre un blocco; dopodichè, le transazioni raggruppate vengono ri-eseguite da un gruppo di validatori, anch’essi casuali, per “votare” sulla loro validità. I blocchi reputati corretti dalla maggioranza vengono dunque aggiunti alla blockchain, gli altri rifiutati. 

Inoltre, per fare staking su Ethereum ci sono ben 4 opzioni, già presentate in questo articolo su come fare staking: in generale, per aprire un nodo ti verranno chiesti 32 ETH, ma puoi delegare anche somme più piccole a staking pool o bloccarle in alcuni exchange decentralizzati, condividendone però le ricompense di validazione. 

In ogni caso, in Ethereum ogni nodo ha le stesse probabilità di essere scelto per produrre un blocco. Inoltre, il potere di voto, conferito dallo staking durante il processo di validazione, è sempre proporzionale allo stake effettivo del nodo: un valore che non può superare i 32 ETH. Insomma, i validatori possono mettere in stake tutti gli ETH che vogliono, ma il loro “peso” non potrà mai superare questa soglia: un’altra misura anti-centralizzazione. Le penalità di slashing, ovviamente, possono diminuire lo stake effettivo.

Queste “leggi” sono state codificate nella Beacon Chain, curata dal nuovo network di nodi con stake, indipendenti dall’execution layer. Questi infatti, prima del Merge, non hanno certificato le transazioni della mainnet PoW, ma hanno solamente partecipato al consenso sui reciproci bilanci. L’uso della difficulty bomb, combinato a questo espediente, ha permesso di simulare il Merge su 3 testnet: Ropsten, Sepolia e Goerli. Dopodichè, il 6 settembre 2022 l’aggiornamento Bellatrix ha preparato la Beacon Chain al Merge con il network principale che, come anticipato, è avvenuto il 15 settembre con l’aggiornamento Paris.

Il Merge ha unito Beacon Chain e Mainnet di Ethereum in una sola blockchain, per effetto della difficulty bomb. Infatti, una volta raggiunta l’estrema difficoltà di mining prefissata (Terminal Total Difficulty), è stato impossibile produrre altri blocchi attraverso il Proof-of-Work, stimolando così il passaggio al Proof-of-Stake. Questo processo ha permesso ad Ethereum di conservare la “cronologia” contenuta nei passati blocchi, agganciando il primo blocco PoS direttamente all’ultimo blocco PoW.

Il passo successivo a The Merge doveva, per forza, consentire agli staker di Ethereum di prelevare i propri ETH bloccati sulla Beacon Chain. Ciò è avvenuto il 12 aprile 2023. Se vuoi approfondire questo update puoi leggere il nostro articolo di blog dedicato!Il Merge e Shanghai, però, sono stati solo la prima e la seconda tappa della nuova roadmap di Ethereum: decentralizzazione e scalabilità saranno gli obiettivi del futuro e lo sharding, a tal proposito, è il primo meccanismo che verrà introdotto nei prossimi aggiornamenti.

Post-Merge: gli ultimi aggiornamenti di Ethereum

I più attenti avranno notato che l’implementazione dello sharding, nella roadmap originale di Ethereum, doveva precedere il Merge. La prima forma di questa soluzione di scalabilità, tuttavia, venne resa superflua dalla diffusione dei Rollup Layer 2, così il passaggio di Ethereum al PoS divenne la priorità.

The Surge, un pacchetto di aggiornamenti immediatamente successivo a The Merge secondo la Roadmap, ha riproposto lo sharding sotto una nuova veste, nel nuovo approccio di Danksharding.

Questa importante pietra miliare per Ether contiene al suo interno tanti diversi aggiornamenti il cui obiettivo principale è rendere i rollup di Ethereum molto più economici. Come? Grazie alla divisione orizzontale della sua blockchain nei cosiddetti “blob”: pacchetti di transazioni molto più leggeri.

Il primo passo di questo processo, che è stato portato a termine a marzo del 2024, prevedeva il Proto-Danksharding, attivato grazie all’aggiornamento Cancun + Deneb (Dencun) o EIP-4844. Questo update ha introdotto un nuovo metodo, più economico, per aggiungere dati ai blocchi. 

Dopo l’attivazione di Dencun i sopracitati blob vengono eliminati automaticamente dopo un periodo di tempo fisso (1-3 mesi). Ciò significa che i rollup possono inviare i propri dati in modo molto più economico, condizione che si riflette sul costo delle commissioni di transazione.

Tuttavia, il Danksharding non è ancora stato completato. Quando ciò accadrà, sarà possibile liberare un’enorme quantità di spazio sulla blockchain, utilizzabile dai rollup che vorranno immagazzinare i dati delle “loro” transazioni.  In altre parole questo consentirà ad Ethereum di supportare centinaia di soluzioni di scalabilitàcon facilità riuscendo a processare milioni di transazioni al secondo.

Detto questo, però, la roadmap di Ethereum non riguarda soltanto la scalabilità, e quindi la velocità, il costo e il numero di transazioni processabili. La rete creata da Vitalik Buterin sta lavorando anche per migliorare l’esperienza utente, per incrementare la sicurezza e per impermeabilizzare la sua infrastruttura contro le sfide del futuro. Ecco i prossimi step in questo senso:

Lo studio e l’implementazione di questi cambiamenti, come per The Merge, richiederanno tempo ed impegno, ma come disse Vinay Gupta parlando di Serenity: “Reinventare l’era digitale non è facile, ma qualcuno deve farlo. In questo momento, siamo noi”. Ethereum 2.0 sarà la blockchain della prossima epoca? Lo scopriremo di blocco in blocco.