Blockchain: cos’è e quali sono le sue proprietà

di Danilo Bruschi - Dipartimento di Informatica “G. degli Antoni”- Università degli Studi di Milano

Nata nel 1991 da un’idea di Haber e Stornetta, la blockchain è salita agli onori delle cronache con Bitcoin e ha rapidamente conquistato l’attenzione del mondo per la sua capacità di rivoluzionare il modo in cui conduciamo affari e interagiamo tra di noi. Questa tecnologia, che consente di registrare informazioni in modo trasparente, sicuro e immutabile, sta già trasformando settori come la finanza, la logistica e la supply chain. Contestualizzata in una rete di utenti, la sua principale caratteristica è quella di consentire lo svolgimento di una serie di processi che nel mondo analogico si svolgevano sotto il controllo di un’autorità centrale, in modalità completamente decentrata in cui il controllo delle operazioni viene esercitato da tutti gli utenti della rete. In una blockchain la correttezza delle informazioni registrate è costantemente verificata e confermata almeno dalla maggioranza dei nodi eliminando la necessità di un intermediario affidabile, come ad esempio una istituzione pubblica o finanziaria. 

L'esempio più famoso in questo senso è costituito dalle criptovalute emesse senza il controllo di alcuna autorità centrale, altri esempi meno famosi sono: la gestione della produzione e dello scambio di energia rinnovabile, la gestione di ogni fase della produzione e della distribuzione di un prodotto (quali ad esempio farmaci, alimentari, concimi). Per poter garantire le proprietà di trasparenza e immutabilità, la blockchain si appoggia su una serie di strumenti e tecnologie di una certa complessità riconducibili in gran parte alla crittografia a chiave pubblica introdotta nel 1972 da Diffie e Hellman, a cui si aggiungono alcune strutture dati complesse. 

Scopo di questo primo contributo è fornire al lettore gli strumenti per capire il funzionamento di una blockchain evitando di addentrarci nei dettagli matematici e informatici, tutt’altro che banali, adottati da questa tecnologia. In un contributo successivo tratteremo invece temi di contorno all’uso della blockchain ma molto d’attualità, quali: l’anonimato, la sostenibilità e le diverse tipologie di blockchain che si stanno facendo strada nei diversi contesti applicativi. Nel seguito tratteremo principalmente di blockchain pubbliche, rimandando all’ultima sezione del contributo il distinguo tra le diverse tipologie di blockchain.

Cos’è una Blockchain

Per cogliere la necessità di disporre di una blockchain è necessario definire un contesto di riferimento che è costituito da una “rete” di utenti, cioè un gruppo di persone che comunicano tra di loro attraverso strumenti digitali e usano queste connessioni per svolgere una serie di servizi - tipicamente acquisto e vendita di beni di varia natura. Nello svolgimento di questi servizi gli utenti vogliono però essere certi che gli stessi siano svolti evitando truffe ed abusi. L’idea della blockchain è di fornire questa proprietà garantendo a tutti gli utenti l’accesso ad un “libro mastro” in cui siano memorizzate tutte le operazioni svolte da ciascun utente. Un libro mastro che gode di una proprietà particolare: non può essere manomesso senza che gli utenti se ne possano accorgere e non contiene “transazioni false”. La blockchain è una versione digitale di questo libro mastro. Concretamente si tratta di un file/database potenzialmente replicato tra tutti gli utenti della rete, in cui sono memorizzate tutte le transazioni che intercorrono tra gli utenti della rete. Si tratta di un archivio di dimensioni non trascurabili ma nell’era dei big data questo non è un problema (per la cronaca: a maggio 2024 la blockchain di Bitcoin occupava circa 6 Tera Byte di dati). Cosa estremamente importante: ogni transazione all’interno della blockchain è digitalmente firmata dall’utente che ha originato la transazione al fine di garantirne l’integrità e la non ripudiabilità. 

Una transazione, prima di essere scritta sulla blockchain, deve sottostare ad una verifica oltre che formale anche sostanziale. Ad esempio, bisogna evitare che un commerciante tenti di vendere più volte lo stesso prodotto, o che un acquirente possegga effettivamente il denaro necessario ad effettuare un acquisto. 

Chi verifica la correttezza delle transazioni?

Teoricamente ogni utente della rete può svolgere questa verifica consultando la blockchain. Per questioni di efficienza ma anche per evitare abusi, in pratica solo alcuni super-nodi svolgono queste funzioni, sottoponendo poi il risultato del loro lavoro alla verifica dell’intera rete. Questi super-nodi sono chiamati miners nell’ambito di bitcoin e validator nell’ambito di Ethereum - le due criptovalute attualmente più diffuse. Le transazioni validate sono raccolte dai vari super-nodi della rete e, quando queste raggiungono un numero prestabilito, sono accorpate in un blocco (vedi Figura 1 in cui è rappresentata una blockchain in cui ciascun blocco contiene 3 transazioni). Ogni blocco contiene un numero limitato di transazioni (di solito qualche centinaio), la dimensione massima di un blocco viene definita dal contesto di riferimento, ad esempio Bitcoin attualmente prevede che un blocco abbia una dimensione massima di 4 Megabyte. Una volta riempito un blocco ed aggiunte alcune informazioni di contorno, si procede attraverso l’uso di particolari funzioni, chiamate funzioni hash crittografiche, a calcolarne un’impronta o digest (di fatto una sequenza di 64 caratteri) che lo caratterizza univocamente. Ad esempio, questo è il digest del blocco numero 877,664 di Bitcoin, 00000000000000000001e 901370c766a918b1febb14c81e1a7c25f98dee2fbe5. Le funzioni di hash calcolano questa impronta usando tutti i dati presenti in un blocco (quindi non solo le transazioni) e offrono la garanzia probabilistica che ogni blocco all’interno della blockchain sarà caratterizzato da un digest diverso. 

Serve la conferma della maggioranza dei nodi

Una volta che un super-nodo ha costituito un blocco di transazioni e calcolato la sua impronta, lo propone alla rete per il suo inserimento nella blockchain, dove sarà inserito solo dopo aver ricevuto la conferma dalla maggioranza dei nodi. Poiché i super nodi lavorano in parallelo ciascuno ignorando il lavoro degli altri, può succedere che più super-nodi propongano contemporaneamente alla rete il proprio blocco. Per consentire alla rete di raggiungere un accordo di fronte a più proposte, si procede con l’esecuzione di un algoritmo di consenso il cui scopo è proprio quello di far emergere un blocco su cui la maggioranza degli utenti è d’accordo e allineare così tutti i nodi della rete allo stesso livello di conoscenza. Nel caso di Bitcoin, il super-nodo che ha generato il blocco scelto attraverso l’algoritmo di consenso viene remunerato con un certo ammontare in bitcoin, e questo è l’unico modo con cui sono generati nuovi bitcoin. Una volta che un blocco è stato “approvato” dalla rete, i super-nodi iniziano a predisporre il prossimo blocco e così via, dando vita ad una catena illimitata di blocchi. Esistono diversi algoritmi di consenso e la scelta di questo algoritmo è uno dei tratti caratteristici delle diverse tecnologie di blockchaim.

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