Come funzionerà la Nominated Proof-of-Stake in Polkadot

La blockchain Polkadot implementerà la Nominated proof-of-stake (NPoS), un nuovo tipo di schema utilizzato per selezionare i validatori che possono partecipare al protocollo di consenso. In questo post forniremo un'introduzione alla NPoS e uno sguardo all'interno della ricerca svolta presso la Web3 Foundation. Spiegheremo anche il modo particolare in cui i validatori vengono eletti. Quindi, come funziona NPoS in Polkadot?

Validatori e nominatori

Un paio di volte al giorno, il sistema elegge un gruppo di entità chiamate validatori, che nelle prossime successive ricopriranno un ruolo chiave in protocolli altamente sensibili come la block production e il finality gadget. Il loro lavoro è impegnativo in quanto devono eseguire operazioni costose, garantire un'elevata reattività delle comunicazioni e costruire una reputazione di affidabilità a lungo termine. Devono anche mettere in stake i loro DOT, il token nativo di Polkadot, come garanzia di buon comportamento, e questo stake viene slashed, “decurtati DOT”, ogni volta che deviano dal loro protocollo. Al contrario, guadagnano reward quando rispettano le regole. Qualsiasi nodo all'altezza del compito può offrirsi pubblicamente come candidato validatore. Tuttavia, per ragioni operative, può essere eletto solo un numero limitato di validatori, che potrebbero essere un centinaio o migliaia.

Il sistema incoraggia anche qualsiasi titolare di DOT a partecipare come nominatore. Un nominatore pubblica un elenco di candidati validatori di cui si fida e mette in stake una quantità di DOT per supportarli. Se alcuni di questi candidati vengono eletti come validatori, condivide con loro le reward o le sanzioni in base ai DOT in stake . A differenza dei validatori, un numero illimitato di parti può partecipare come nominatori. Finché un nominatore è diligente nella sua scelta e supporta solo i candidati validatori con buone pratiche di sicurezza, il suo ruolo comporta un basso rischio e fornisce una continua fonte di entrate. Ci sono altri ruoli speciali nella rete Polkadot, ma ci concentriamo solo sulla relazione tra questi due ruoli.

Lo schema NPoS

Questa accordo nominatore e validatore offre forti garanzie di sicurezza. Consente al sistema di selezionare validatori con enormi quantità di Token in stake aggregati, molto più elevate delle partecipazioni DOT di qualsiasi singolo soggetto, e di eliminare i candidati con una partecipazione bassa. In effetti, in futuro prevediamo che un numero considerevole di tutta la fornitura di DOT sarà in staking in NPoS. Ciò rende molto difficile per un'entità ostile eleggere i validatori (poiché devono costruirsi una buona reputazione per ottenere il supporto richiesto) e molto costoso attaccare il sistema (perché qualsiasi attacco comporterà la riduzione (slashed) di grandi quantità di DOT).

Il nostro schema NPoS è molto più efficiente del proof-of-work (PoW) e più veloce del proof-of-stake (PoS) standard: consente praticamente a tutti gli holder in possesso di DOT di partecipare continuamente, mantenendo così alti livelli di sicurezza, e contemporaneamente mantenendo il numero di validatori limitato e quindi tutte le operazioni di rete essenziali efficienti.

Il processo elettorale

Come vengono eletti i validatori, con i voti dei nominatori? A differenza di altri progetti basati su PoS in cui i validatori sono ponderati in base al numero di token in stake, Polkadot offre ai validatori eletti lo stesso potere di voto nel protocollo di consenso. Per riflettere questo fatto, la quota in stake dei nominatori dovrebbe essere distribuita tra i validatori eletti il ​​più equamente possibile, pur rispettando le preferenze dei nominatori. Nel team di ricerca della Web3 Foundation, utilizziamo strumenti che vanno dalla teoria elettorale alla teoria dei giochi, fino all'ottimizzazione discreta, per sviluppare un processo elettorale efficiente che offra una rappresentazione equa e sicurezza, e che possa essere applicato in futuro a qualsiasi blockchain che utilizzi NPoS. Di seguito illustreremo questi obiettivi e alcuni esempi.

Rappresentazione equa. Alla fine del XIX secolo, il matematico svedese Lars Edvard Phragmén propose un metodo per eleggere i membri del parlamento del suo paese. Notò che i metodi elettorali dell'epoca tendevano a dare tutti i seggi al partito politico più popolare; al contrario, il suo nuovo metodo assicurava che il numero di seggi assegnati a ciascun partito fosse proporzionale ai voti assegnati, quindi da una maggiore rappresentanza alle minoranze. La proprietà ottenuta con il suo metodo è formalmente nota come rappresentanza proporzionale giustificata ed è molto adatta per l'elezione NPoS perché garantisce che qualsiasi pool di nodi sia rappresentato proporzionalmente al loro stake, né sovrarappresentato né sottorappresentato dai validatori eletti. La nostra euristica si basa sul metodo suggerito da Phragmén e garantisce questa proprietà in ogni elezione.

L'illustrazione rappresenta un tipico input per il processo elettorale, con i nominatori a sinistra che hanno diversi importi di stake e sono collegati da linee ai candidati validatori a destra di cui si fidano (per semplicità, i validatori non hanno quote proprie in questo esempio, anche se in uno scenario reale le avrebbero). Supponiamo di dover eleggere 4 validatori (n=4). La proprietà di rappresentazione equa si traduce approssimativamente nella regola che qualsiasi nominatore che detenga almeno un n-esimo dello stake totale ha la garanzia di avere almeno uno dei suoi validatori di fiducia eletto. Poiché lo stake totale è di 40 DOT e un quarto di essi è di 10 DOT, è garantito che i primi due nominatori siano rappresentati da un validatore. Nell'immagine sottostante vediamo tre possibili risultati elettorali: uno che viola la proprietà di rappresentanza equa e due che la raggiungono.

Sicurezza. Se un nominatore fa eleggere due o più dei suoi validatori di fiducia, dobbiamo distribuire lo stake tra loro, in modo tale che i supporti dei validatori siano il più equilibrati possibile. Ricordiamo che vogliamo rendere il più difficile possibile l’elezione di un validatore per un pool antagonista, il quale può raggiungere questo risultato solo se ottiene un sostegno sufficientemente elevato. Pertanto, equipariamo il livello di sicurezza di un risultato elettorale all'importo minimo di sostegno di un qualsiasi validatore eletto. Per gli ultimi due risultati elettorali con un'equa rappresentanza, forniamo distribuzioni di stake mostrando che raggiungono livelli di sicurezza rispettivamente di 6 e 9.

Il risultato elettorale a destra raggiunge un livello di sicurezza più elevato e chiaramente fa un lavoro migliore nel dividere la quota dei nominatori a supporto dei validatori di dimensioni uguali. L'obiettivo del processo elettorale NPoS è quindi quello di fornire un risultato che raggiunga un'equa rappresentanza e un livello di sicurezza il più elevato possibile. Questo dà origine a un problema di ottimizzazione piuttosto impegnativo (è NP-completo), per il quale abbiamo sviluppato euristiche approssimative veloci con forti garanzie di sicurezza e scalabilità.

Siamo entusiasti degli sviluppi tecnici portati avanti da Polkadot e delle possibilità offerte da NPoS e altri schemi altamente efficienti sviluppati nello spazio blockchain. Potete saperne di più sulla pagina di ricerca della Web3 Foundation e sul wiki di Polkadot. Per rimanere informati sugli sviluppi di Polkadot, seguite Polkadot su Twitter e iscrivitevi alla newsletter.