Struttura di Ethereum

Lo Stack

Il client ethereum è in connessione continua con la rete distribuita di nodi ethereum e mantiene in sincronia una copia locale del blockchain.

Il client espone un'interfaccia RPC (Remote Procedure Call) accessibile da client web tramite la libreria web3.js (JavaScript).

Struttura del Blocco

Un blocco è composto di:

• testata
• lista transazioni
• lista delle testate degli Uncle

Struttura della Testata

• Parent hash - del blocco precedente
• Ommers hash - della lista delle testate di Uncles
• State root - hash della radice del Trie di stato
• Transaction root - hash della radice del Trie delle transazioni
• Receipts root - hash della radice del Trie delle ricevute
• Logs bloom - filtro che punta all'indirizzo del logger ed entries di log
• Difficulty - livello corrente di difficoltà
• Number - numero sequenziale del blocco corrente; il Blocco Genesis è lo zero
• Gas limit - limite di consumo di gas dell'intero blocco
• Gas used - consumo di gas di tutte le transazioni
• Timestamp - data ed ora di generazione del blocco
• Extra data - altri dati relativi al blocco
• Mixhash - coinvolto nel calcolo dello hash di difficoltà
• Nonce - da aggiustare per il calcolo della difficoltà

Macchina a Stati

Ethereum è una macchina a stati basata su transazioni.

Una transazione porta da uno stato iniziale ad uno stato finale

Transazioni

Una transazione è un messaggio firmato incluso in un blocco, e può essere di due tipi:

• Message Call - semplice interscambio di informazioni
• Contract Creation - per un nuovo contratto, anche transazione puramente monetaria

Una transazione ha i campi:

• Nonce - identificativo incrementato ad ogni transazione
• Gas Price - costo della transazione in Wei.
• Gas Limit - massimo numero di Wei che il mittente è disposto a pagare
• To - destinatario
• Value - valore trasferito
• Signature - firma crittografica della transazione

Tutte le transazioni sono raccolte in un Patricia Trie, e lo hash della sua radice è un campo della testata del blocco corrente.

Validazione delle Transazioni

Una transazione è valida se:

• ben formata
• la firma della transazione è valida
• il nonce della transazione è uguale a quello dell'emittente
• non ha ecceduto i limiti di gas
• il mittente ha fondi per coprire la commissione

Vi è un Sottostato di Transazione, creato durante la transazione e processato al suo termine. E' composto da:

• Suicide Set - lista degli account da eliminare al termine della transazione
• Log Series - lista di eventi da comunicare ad applicativi esterni
• Refund Balance - saldo del gas che deve essere reso

Validazione del Blocco

La validazione di un blocco è composta da:

• Validazione del Blocco Precedente
• Validazione degli Uncles - devono essere blocchi validi a loro volta
  • a profondità non superiore a 6 dal blocco corrente
  • non più di 2
• Validazione delle Transazioni
• Validazione dello Stato
• Validazione del Timestamp - successivo a quello del blocco precedente
  • Viene tollerato fino a 15 minuti nel futuro
• Validazione del Nonce - compatibile con la difficoltà

Accounts

Un account è un'unità intenzionale che causa il cambiamento di stato tramite transazioni.

Ci sono due tipi di account:

• Externally Owned Accounts (EOA) - non può inviare codice associato alle transazioni
• Contract Accounts - invia il codice del contratto assieme alla transazione

Mining

Processo con cui si genera nuova valuta.

Il miner esegue le funzioni:

• Riceve le nuove transazioni trasmesse in rete e determina quale processare
• Determina i blocchi Uncle da includere nel blocco corrente
• Calcola lo hash necessario per un nuovo blocco
• Aggiorna il saldo contabile con la ricompensa per la produzione del blocco corrente
• Calcola lo stato finale risultante da tutte le transazioni
• Sottomette il blocco alla rete e spera di vincere

Il mining si compie solo con un cliente pieno:

• Chiunque lo può fare
• Connettersi alla rete e compiere una sincronizzazione
  • Può impiegare del tempo

Consenso

Il Meccanismo di consenso è basato su GHOST (Greedy Heaviest Observed SubTree), un algoritmo di Zohar e Sompolinski, progettato per minimizzare il numero di Stale Blocks.

E' comunque un metodo nella categoria Proof of Work.

Gli Stale Blocks, in Ethereum chiamati Uncle o Ommer vengono inclusi nel Blockchain. Il ramo con più blocchi vince, anche se qualcuno è un uncle, perchè evidentemente ha generato più sforzo, anche se non di successo.

In Bitcoin il ramo più lungo vince:

In Ethereum il ramo più pesante vince:

Obiezioni:

• appesantimento del Blockchain
• tentazione di trovare uncles e non blocchi validi

Difficoltà

Sono considerati blocchi validi quelli che superano un certo livello di difficoltà. Questa è data da un numero intero e calcolata con l'algoritmo Ethash. (https://github.com/ethereum/wiki/wiki/Ethash)

L'algoritmo è complesso e l'unica soluzione è data da un approccio di forza bruta. Ethash è concepito per favorire grandi quantità di RAM, anzichè potenza di CPU. Questo consente l'uso di GPU anzichè di ASIC.

Le piattaforme di riferimento per i miners sono:

• Ubuntu Linux ultima versione
• EthOS - un linux modificato per il mining di Ethereum (http://ethosdistro.com/)

La difficoltà varia ad ogni blocco nuovo, nel tentativo di mantenere costante il rateo di generazione blocchi a circa 15 secondi. La difficoltà è calcolata dall'espressione:

block_diff = parent_diff + parent_diff / 2048 *  
max(1 - (block_timestamp - parent_timestamp) / 10, -99) +  
int(2**((block.number / 100000) - 2))

La difficoltà aumenta se il rateo è inferiore a 10 secondi, diminuisce se superiore a 20 secondi.

La difficoltà inoltre aumenta esponenzialmente ogni 100.000 blocchi.

Time Bomb

Anche detta Ice Age. L'incremento esponenziale di difficoltà è voluto, per costringere i miners col tempo a passare dal consenso Proof of Work al consenso Proof of Stake, implementato del protocollo Casper e finalizzato nella release Serenity.

Gas

E' un microcosto per l'esecuzione di contratti.

• Ogni istruzione ha un prezzo in gas.
• La transazione indica il costo massimo accettabile.

Il fatto che esiste un limite impedisce loop infiniti per errore o per attacchi di Diniego di Servizio.

In caso di gas insufficiente il contratto non viene eseguito e lo stato non viene cambiato. Il mittente si vede però comunque detratto del gas, come commissione.

Il contratto è eseguito da ogni nodo miner. Solo il vincente pone sul Blockchain il nuovo stato dopo la transazione. Il miner vincente riscuote il gas di commissione. Il gas rimanente dopo l'esecuzione e la commissione è ritornato al mittente.

Il contratto viene attivato (triggered) o da un'altra transazione, oppure da un messaggio.

Ricompensa del Miner

Ogni miner riceve la ricompensa corrente per la generazione di un nuovo blocco, al momento di 5 Eth.

Inoltre riceve il gas di commissione per le transazioni incluse nel blocco.

I miners dei blocchi Uncle ricevono i 7/8 della ricompensa.

Anche i miners dei blocchi Stale ricevono una ricompensa, di 1/32 del valore di quella del blocco accettato.