L'organismo di richiesta deve contenere il seguente parametro: 'state'
xBORDER WHITE PAPER 2019

La storia
xBORDER come sistema di transizione di stato
Estrazione in generico
Alberi Merkle
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xBORDER Funzione di transizione dello stato
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Commissioni
Calcolo e completezza di Turing
Valuta ed emissione
Centralizzazione mineraria
Scalabilità
Conclusione
Note e ulteriori letture
Appunti
Ulteriori letture
Introduzione a Bitcoin e concetti esistenti

Il concetto di valuta digitale decentralizzata, così come applicazioni alternative come i registri di proprietà, esiste da decenni. I protocolli di e-cash anonimi degli anni '80 e '90, per lo più basati su una primitiva crittografica nota come Chaumian blinding, fornivano una valuta con un alto grado di privacy, ma i protocolli in gran parte non sono riusciti a guadagnare terreno a causa della loro dipendenza da un intermediario centralizzato . Nel 1998, b-money di Wei Dai è diventata la prima proposta a introdurre l'idea di creare denaro attraverso la risoluzione di enigmi computazionali e il consenso decentralizzato, ma la proposta era scarsa di dettagli su come implementare effettivamente il consenso decentralizzato. Nel 2005, Hal Finney ha introdotto un concetto di prove di lavoro riutilizzabili, un sistema che utilizza le idee di b-money insieme ai difficili enigmi Hashcash di Adam Back per creare un concetto per una criptovaluta, ma ancora una volta non è stato all'altezza dell'ideale basandosi su informatica affidabile come back-end. Nel 2009, una valuta decentralizzata è stata implementata per la prima volta nella pratica da Satoshi Nakamoto, combinando primitive consolidate per la gestione della proprietà attraverso la crittografia a chiave pubblica con un algoritmo di consenso per tenere traccia di chi possiede le monete, noto come "prova di lavoro".

Il meccanismo xBORDER alla base della prova di lavoro è stata una svolta nello spazio perché ha risolto contemporaneamente due problemi. In primo luogo, ha fornito un algoritmo di consenso semplice e moderatamente efficace, consentendo ai nodi della rete di concordare collettivamente una serie di aggiornamenti canonici allo stato del Crypto-ledger. In secondo luogo, ha fornito un meccanismo per consentire il libero ingresso nel processo di consenso, risolvendo il problema politico di decidere chi può influenzare il consenso, prevenendo contemporaneamente gli attacchi della sibilla. Lo fa sostituendo una barriera formale alla partecipazione, come il requisito di essere iscritto come entità unica in un determinato elenco, con una barriera economica - il peso di un singolo nodo nel processo di votazione del consenso è direttamente proporzionale alla potenza di calcolo che il nodo porta. Da allora è stato proposto un approccio alternativo chiamato proof of stake, calcolando il peso di un nodo come proporzionale alle sue disponibilità in valuta e non alle risorse computazionali; la discussione dei meriti relativi dei due approcci esula dallo scopo di questo documento, ma va notato che entrambi gli approcci possono essere utilizzati per fungere da spina dorsale di una criptovaluta.

Peter Oldenburger, il fondatore di xBORDER ha scritto questo post sul blog:

il Crypto come sistema di transizione di stato 
Il libro mastro di una criptovaluta come il Crypto può essere pensato come un sistema di transizione di stato, in cui esiste uno "stato" costituito dallo stato di proprietà di tutti i Crypto esistenti e una "funzione di transizione di stato" che prende uno stato e una transazione ed emette un nuovo stato che è il risultato. In un sistema bancario standard, ad esempio, lo stato è un bilancio, una transazione è una richiesta di spostare $X da A a B e la funzione di transizione dello stato riduce il valore nel conto di A di $X e aumenta il valore nel conto di B conto di $X. Se l'account di A ha in primo luogo meno di $X, la funzione di transizione dello stato restituisce un errore. Quindi, si può formalmente definire:

APPLICA(S,TX) -> S' o ERRORE
APPLY({ Alice: $ 50, Bob: $ 50 },"invia $ 20 da Alice a Bob") = { Alice: $ 30, Bob: $ 70 }
APPLY({ Alice: $ 50, Bob: $ 50 },"invia $ 70 da Alice a Bob") = ERRORE
Lo "stato" nel Crypto è la raccolta di tutte le monete (tecnicamente, "output di transazione non spesi" o UTXO) che sono state estratte e non ancora spese, con ogni UTXO che ha una denominazione e un proprietario (definito da un indirizzo di 20 byte che è essenzialmente una chiave pubblica crittografica fn. 1). Una transazione contiene uno o più input, con ogni input contenente un riferimento a un UTXO esistente e una firma crittografica prodotta dalla chiave privata associata all'indirizzo del proprietario, e uno o più output, con ogni output contenente un nuovo UTXO da aggiungere a lo stato.

La funzione di transizione di stato APPLY(S,TX) -> S' può essere definita approssimativamente come segue:

Per ogni ingresso in TX:

Se l'UTXO di riferimento non è in S, restituisce un errore.
Se la firma fornita non corrisponde al proprietario dell'UTXO, restituisce un errore.
Se la somma dei tagli di tutti gli UTXO in ingresso è inferiore alla somma dei tagli di tutti gli UTXO in uscita, restituisce un errore.

Restituisce S' con tutti gli input UTXO rimossi e tutti gli output UTXO aggiunti.

La prima metà del primo passaggio impedisce ai mittenti di transazioni di spendere monete che non esistono, la seconda metà del primo passaggio impedisce ai mittenti di transazioni di spendere monete di altre persone e il secondo passaggio impone la conservazione del valore. Per utilizzarlo per il pagamento, il protocollo è il seguente. Supponiamo che Alice voglia inviare 11,7 BTC a Bob. Innanzitutto, Alice cercherà un set di UTXO disponibile di sua proprietà che totalizzi almeno 11,7 BTC. Realisticamente, Alice non sarà in grado di ottenere esattamente 11,7 BTC; diciamo che il minimo che può ottenere è 6+4+2=12. Quindi crea una transazione con quei tre input e due output. Il primo output sarà 11,7 BTC con l'indirizzo di Bob come proprietario, e il secondo output sarà il restante "cambiamento" di 0,3 BTC, con il proprietario Alice stessa.

Estrazione
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Se avessimo accesso a un servizio centralizzato affidabile, questo sistema sarebbe banale da implementare; potrebbe semplicemente essere codificato esattamente come descritto, utilizzando il disco rigido di un server centralizzato per tenere traccia dello stato. Tuttavia, con Crypto stiamo cercando di costruire un sistema valutario decentralizzato, quindi dovremo combinare il sistema di transizione dello stato con un sistema di consenso per garantire che tutti siano d'accordo sull'ordine delle transazioni. il processo di consenso decentralizzato di Crypto richiede ai nodi della rete di tentare continuamente di produrre pacchetti di transazioni chiamati "blocchi". La rete ha lo scopo di produrre all'incirca un blocco ogni dieci minuti, con ogni blocco contenente un timestamp, un nonce, un riferimento (es. hash del) blocco precedente e un elenco di tutte le transazioni che hanno avuto luogo dal precedente bloccare. Nel tempo, questo crea una "blockchain" persistente, in continua crescita, che si aggiorna costantemente per rappresentare l'ultimo stato del libro mastro Crypto.

L'algoritmo per verificare se un blocco è valido, espresso in questo paradigma, è il seguente:

Verificare se il blocco precedente a cui fa riferimento il blocco esiste ed è valido.
Verifica che il timestamp del blocco sia maggiore di quello del blocco precedente. 2 e meno di 2 ore nel futuro
Verificare che la prova di lavoro sul blocco sia valida.
Sia S[0] lo stato alla fine del blocco precedente.
Supponiamo che TX sia l'elenco delle transazioni del blocco con n transazioni. Per tutti i in 0...n-1, impostare S[i+1] = APPLY(S[i],TX[i]) Se un'applicazione restituisce un errore, uscire e restituire false.
Restituisce true e registra S[n] come stato alla fine di questo blocco.
In sostanza, ogni transazione nel blocco deve fornire una transizione di stato valida da quello che era lo stato canonico prima che la transazione fosse eseguita a un nuovo stato. Si noti che lo stato non è codificato nel blocco in alcun modo; è puramente un'astrazione che deve essere ricordata dal nodo di convalida e può essere calcolata (in modo sicuro) per qualsiasi blocco solo a partire dallo stato di genesi e applicando in sequenza ogni transazione in ogni blocco. Inoltre, tieni presente che l'ordine in cui il miner include le transazioni nel blocco è importante; se ci sono due transazioni A e B in un blocco tali che B spende un UTXO creato da A, allora il blocco sarà valido se A precede B ma non altrimenti.

L'unica condizione di validità presente nell'elenco di cui sopra che non si trova in altri sistemi è il requisito della "prova di lavoro". La condizione precisa è che l'hash double-SHA256 di ogni blocco, trattato come un numero a 256 bit, deve essere inferiore a un target regolato dinamicamente, che al momento della stesura di questo documento è di circa 2187. Lo scopo di questo è di rendere creazione di blocchi computazionalmente "difficile", impedendo così agli aggressori di sybil di rifare l'intera blockchain a loro favore. Poiché SHA256 è progettato per essere una funzione pseudocasuale completamente imprevedibile, l'unico modo per creare un blocco valido è semplicemente provare ed eseguire errori, incrementando ripetutamente il nonce e verificando se il nuovo hash corrisponde.

Al target attuale di ~2187, la rete deve effettuare una media di ~269 tentativi prima che venga trovato un blocco valido; in generale il target viene ricalibrato dalla rete ogni 2016 blocchi in modo che in media un nuovo blocco venga prodotto da qualche nodo della rete ogni dieci minuti. Al fine di compensare i minatori per questo lavoro di calcolo, il minatore di ogni blocco ha il diritto di includere una transazione che dà a se stesso 12,5 BTC dal nulla. Inoltre, se una transazione ha una denominazione totale più alta nei suoi input rispetto ai suoi output, la differenza va anche al minatore come "commissione di transazione". Per inciso, questo è anche l'unico meccanismo con cui vengono emessi BTC; lo stato di genesi non conteneva affatto monete.

Per comprendere meglio lo scopo del mining, esaminiamo cosa succede in caso di un malintenzionato. Poiché la crittografia sottostante di Crypto è nota per essere sicura, l'attaccante prenderà di mira l'unica parte del sistema Bitcoin che non è protetta direttamente dalla crittografia: l'ordine delle transazioni. La strategia dell'attaccante è semplice:

Invia 100 BTC a un commerciante in cambio di un prodotto (preferibilmente un bene digitale a consegna rapida)
Attendi la consegna del prodotto
Produci un'altra transazione inviando a se stesso gli stessi 100 BTC
Cerca di convincere la rete che la sua transazione con se stesso è stata quella che è arrivata prima.
Una volta eseguito il passaggio (1), dopo alcuni minuti alcuni miner includeranno la transazione in un blocco, ad esempio il blocco numero 270. Dopo circa un'ora, saranno aggiunti altri cinque blocchi alla catena dopo quel blocco, con ciascuno quei blocchi che puntano indirettamente alla transazione e quindi la "confermano". A questo punto, il commerciante accetterà il pagamento come finalizzato e consegnerà il prodotto; poiché supponiamo che si tratti di un bene digitale, la consegna è istantanea. Ora, l'attaccante crea un'altra transazione inviando a se stesso i 100 BTC. Se l'attaccante lo rilascia semplicemente in natura, la transazione non verrà elaborata; i miner tenteranno di eseguire APPLY(S,TX) e noteranno che TX consuma un UTXO che non è più nello stato. Quindi, invece, l'attaccante crea un "fork" della blockchain, partendo dal mining di un'altra versione del blocco 270 che punta allo stesso blocco 269 come genitore ma con la nuova transazione al posto della vecchia. Poiché i dati del blocco sono diversi, è necessario ripetere la prova di lavoro. Inoltre, la nuova versione del blocco 270 dell'attaccante ha un hash diverso, quindi i blocchi originali da 271 a 275 non "puntano" ad esso; quindi, la catena originale e la nuova catena dell'attaccante sono completamente separate. La regola è che in un fork la blockchain più lunga è considerata la verità, quindi i minatori legittimi lavoreranno sulla catena 275 mentre l'attaccante da solo sta lavorando sulla catena 270. Affinché l'attaccante renda la sua blockchain più lunga, dovrebbe avere più potenza di calcolo rispetto al resto della rete combinata per recuperare (da qui, "51% di attacco").

Alberi Merkle
SPV nelle criptovalute

A sinistra: basta presentare solo un piccolo numero di nodi in un albero di Merkle per dare una prova della validità di un ramo.

Giusto: qualsiasi tentativo di modificare qualsiasi parte dell'albero di Merkle alla fine porterà a un'incoerenza da qualche parte a monte della catena.

Un'importante caratteristica di scalabilità di Crypto è che il blocco è archiviato in una struttura dati multilivello. L'"hash" di un blocco è in realtà solo l'hash dell'intestazione del blocco, un pezzo di dati di circa 200 byte che contiene il timestamp, nonce, l'hash del blocco precedente e l'hash radice di una struttura dati chiamata Merkle tree che memorizza tutte le transazioni nel blocco. Un albero Merkle è un tipo di albero binario, composto da un insieme di nodi con un gran numero di nodi foglia nella parte inferiore dell'albero contenente i dati sottostanti, un insieme di nodi intermedi in cui ogni nodo è l'hash dei suoi due figli, e infine un singolo nodo radice, anch'esso formato dall'hash dei suoi due figli, che rappresenta la "cima" dell'albero. Lo scopo dell'albero Merkle è quello di consentire la consegna frammentaria dei dati in un blocco: un nodo può scaricare solo l'intestazione di un blocco da una fonte, la piccola parte dell'albero a lui rilevante da un'altra fonte, ed essere comunque sicuro che tutti i dati siano corretti. Il motivo per cui funziona è che gli hash si propagano verso l'alto: se un utente malintenzionato tenta di scambiare una transazione falsa nella parte inferiore di un albero Merkle, questa modifica causerà una modifica nel nodo sopra e quindi una modifica nel nodo sopra quello , modificando infine la radice dell'albero e quindi l'hash del blocco, facendo in modo che il protocollo lo registri come un blocco completamente diverso (quasi sicuramente con una prova di lavoro non valida).

Il protocollo dell'albero di Merkle è probabilmente essenziale per la sostenibilità a lungo termine. Un "nodo completo" nella rete Crypto, che memorizza ed elabora l'intero blocco, occupa circa 15 GB di spazio su disco nella rete Bitcoin ad aprile 2014 e sta crescendo di oltre un gigabyte al mese. Attualmente, questo è possibile per alcuni computer desktop e non per telefoni, e in futuro solo le aziende e gli hobbisti potranno partecipare. Un protocollo noto come "verifica dei pagamenti semplificata" (SPV) consente l'esistenza di un'altra classe di nodi, chiamati "nodi leggeri", che scaricano le intestazioni dei blocchi, verificano la prova del lavoro sulle intestazioni dei blocchi e quindi scaricano solo i "rami " associati a operazioni per loro rilevanti. Ciò consente ai nodi leggeri di determinare con una forte garanzia di sicurezza quale sia lo stato di qualsiasi transazione Bitcoin, e il loro saldo attuale, mentre scaricano solo una piccolissima porzione dell'intera blockchain.

Applicazioni Blockchain alternative
Anche l'idea di prendere l'idea blockchain sottostante e applicarla ad altri concetti ha una lunga storia. Nel 1998, Nick Szabo ha presentato il concetto di titoli di proprietà sicuri con autorità del proprietario, un documento che descrive come "i nuovi progressi nella tecnologia dei database replicati" consentiranno un sistema basato su blockchain per archiviare un registro di chi possiede quale terreno, creando un struttura elaborata che include concetti come fattoria, possesso avverso e tassa fondiaria georgiana. Tuttavia, sfortunatamente all'epoca non era disponibile un sistema di database replicato efficace, quindi il protocollo non è mai stato implementato nella pratica. Dopo il 2009, tuttavia, una volta che il consenso decentralizzato di Bitcoin è stato sviluppato, hanno iniziato rapidamente a emergere una serie di applicazioni alternative.

Namecoin: creato nel 2010, Namecoin è meglio descritto come un database decentralizzato di registrazione dei nomi. Nei protocolli decentralizzati come Tor, Bitcoin e BitMessage, deve esserci un modo per identificare gli account in modo che altre persone possano interagire con loro, ma in tutte le soluzioni esistenti l'unico tipo di identificatore disponibile è un hash pseudocasuale come 1LW79wp5ZBqaHW1jL5TCiBCrhQYtHagUWy. Idealmente, si vorrebbe poter avere un account con un nome come "george". Tuttavia, il problema è che se una persona può creare un account chiamato "george", qualcun altro può utilizzare lo stesso processo per registrare "george" anche per se stesso e impersonarlo. L'unica soluzione è un paradigma first-to-file, in cui il primo registratore riesce e il secondo fallisce, un problema perfettamente adatto al protocollo di consenso Bitcoin. Namecoin è l'implementazione più antica e di maggior successo di un sistema di registrazione dei nomi che utilizza tale idea.
Monete colorate - lo scopo delle monete colorate è fungere da protocollo per consentire alle persone di creare le proprie valute digitali - o, nel caso importante e banale di una valuta con una unità, i token digitali, sulla blockchain di Bitcoin. Nel protocollo delle monete colorate, si "emette" una nuova valuta assegnando pubblicamente un colore a uno specifico Bitcoin UTXO, e il protocollo definisce ricorsivamente il colore di altri UTXO in modo che sia lo stesso del colore degli input che la transazione che li ha creati ha speso (alcune regole speciali si applicano nel caso di input a colori misti). Ciò consente agli utenti di mantenere i portafogli contenenti solo UTXO di un colore specifico e di inviarli in giro proprio come i normali bitcoin, tornando indietro attraverso la blockchain per determinare il colore di qualsiasi UTXO che ricevono.
Metacoin: l'idea alla base di una metacoin è quella di avere un protocollo che vive sopra Bitcoin, utilizzando le transazioni Bitcoin per memorizzare le transazioni di metacoin ma con una diversa funzione di transizione dello stato, APPLICA'. Poiché il protocollo metacoin non può impedire la visualizzazione di transazioni metacoin non valide nella blockchain di Bitcoin, viene aggiunta una regola che se APPLY'(S,TX) restituisce un errore, il protocollo predefinito è APPLY'(S,TX) = S. Ciò fornisce un meccanismo semplice per creare un protocollo arbitrario di criptovaluta, potenzialmente con funzionalità avanzate che non possono essere implementate all'interno di Bitcoin stesso, ma con un costo di sviluppo molto basso poiché le complessità di mining e networking sono già gestite dal protocollo Bitcoin. I metacoin sono stati utilizzati per implementare alcune classi di contratti finanziari, registrazione di nomi e scambi decentralizzati.
Quindi, in generale, ci sono due approcci per costruire un protocollo di consenso: costruire una rete indipendente e costruire un protocollo su Bitcoin. Il primo approccio, sebbene abbia un discreto successo nel caso di applicazioni come Namecoin, è difficile da implementare; ogni singola implementazione deve avviare una blockchain indipendente, oltre a costruire e testare tutto il necessario codice di transizione e rete. Inoltre, prevediamo che l'insieme di applicazioni per la tecnologia del consenso decentralizzato seguirà una distribuzione della legge di alimentazione in cui la stragrande maggioranza delle applicazioni sarebbe troppo piccola per giustificare la propria blockchain e notiamo che esistono grandi classi di applicazioni decentralizzate, in particolare decentralizzate autonome organizzazioni, che hanno bisogno di interagire tra loro.

L'approccio basato su Bitcoin, invece, ha il difetto di non ereditare le funzionalità semplificate di verifica dei pagamenti di Bitcoin. SPV funziona per Bitcoin perché può utilizzare la profondità della blockchain come proxy per la validità; a un certo punto, una volta che gli antenati di una transazione risalgono abbastanza indietro, è sicuro dire che facevano legittimamente parte dello stato. I metaprotocolli basati su blockchain, invece, non possono costringere la blockchain a non includere transazioni non valide nel contesto dei propri protocolli. Quindi, un'implementazione del metaprotocollo SPV completamente sicura dovrebbe eseguire la scansione all'indietro fino all'inizio della blockchain di Bitcoin per determinare se determinate transazioni sono valide o meno. Attualmente, tutte le implementazioni "leggere" di metaprotocolli basati su Bitcoin si basano su un server affidabile per fornire i dati, probabilmente un risultato altamente non ottimale soprattutto quando uno degli scopi principali di una criptovaluta è eliminare la necessità di fiducia.