Parachains, Bridge e Sidechain

Con la lezione di oggi vedremo nel dettaglio queste 3 tecnologie che permettono di ampliare la connettività fra blockchain, confrontandole e conoscendole a livello tecnico. Sono tutte tecnologie che permettono il trasferimento di token e di dati tra diverse reti, aumentando il processo di interoperabilità sfruttando metodi diversi.

In particolare, vedremo Polkadot e la sua struttura di parachains innovativa, i bridge e le loro classificazioni e utilizzi, ed infine le sidechains, prima fra tutte Polygon e la sua “rete di supporto” per Ethereum.

1. I 4 layers della blockchain

Prima di vedere il primo tipo di tecnologia, ovvero la Parachain, dobbiamo avere chiara la definizione e le differenze di layer strutturali proprio perché molte tecnologie sviluppate su blockchain hanno scopi differenti poiché sviluppate su layer differenti.

Con layers si intendono i diversi livelli strutturali di ogni blockchain. Ogni livello ha uno scopo specifico e permette l’inclusione di un tipo di tecnologia aggiuntivo, consentendo quindi alla blockchain stessa di esistere e di avere particolari funzionalità.

Ogni blockchain è composta da una serie di regole e procedure, chiamate protocolli, scritte a livello di codice informatico. Questi protocolli definiscono le caratteristiche della blockchain quali decentralizzazione, sicurezza, scalabilità, usabilità, ecosistema e governance.

Vediamo nel dettaglio i diversi layers:

• Layer 0: non è altro che la base della blockchain stessa, ovvero ciò che serve ad essa per poter funzionare: internet e hardware. Questi elementi permettono il corretto funzionamento della blockchain e la possibilità di aggiungere il Layer-1.
• Layer-1: considerato il layer principale poiché contiene i protocolli che permettono la crittografia e la sicurezza della blockchain, nonché il meccanismo e l’architettura della blockchain. Un esempio è Bitcoin PoW al lancio nel 2009, ancora privo del Lightning Network e quindi del layer-2. Un altro esempio di questo layer è il network Ethereum.
• Layer-2: il livello che permette la specializzazione della blockchain aggiungendo funzionalità off-chain alla blockchain base creata con il layer-1. I protocolli usano il layer-2 per aumentare la scalabilità trasferendo alcune interazioni del layer-1 al nuovo livello.  Questo layer può includere: smart contracts, transazioni e virtual enviroments. L’esempio principale di questo layer è il Lightning Network di BTC.
• Layer-3: Il terzo layer rappresenta ‘la facciata’ dei primi due layers. È una sorta di applicazione e interfaccia grafica per l’utente, in modo da poter operare direttamente sulla blockchain. È il terzo livello che crea il cosiddetto use-case per il mondo reale. Contiene infatti le dApps, le DAO e gli agenti autonomi. Questi 3 elementi possono essere di ogni tipo e possono ‘comunicare’ direttamente con la blockchain attraverso vari protocolli inseriti all’interno dell’applicazione. Esempi di questo layer possono essere tutte le app DeFi come SushiSwap, PancakeSwap.

Ora che abbiamo in mente come sono strutturati i layers di una blockchain, vediamo le Parachains, in particolare introducendo Polkadot, ovvero la prima blockchain ad utilizzare questo modello per la costruzione della propria rete.

2. Polkadot

Definizione

Polkadot nasce per creare un internet decentralizzato costruito sul layer-0 dove gli utenti hanno il controllo. È un protocollo multichain che facilita il trasferimento cross-chain di qualsiasi informazione contenuta sulla blockchain.

Per farla semplice, questo tipo di protocollo permette il trasferimento non solo di coin o token, come la maggior parte delle blockchain, ma anche di dati di ogni tipo, facilitando quindi l’introduzione di utilizzi applicativi innovativi per questo tipo di tecnologia: database di scuole, Censimenti statali, database aziendali privati ecc.

Infatti Polkadot non solo collega le blockchain pubbliche, ma anche quelle private, creando una vera e propria internet di informazioni compatibili con tutte le blockchain.

Come funziona

Il network di Polkadot si basa sul modello sharded.

Il modello sharded è un tipo di costruzione basato sulla partizione orizzontale dei dati in un database. Ogni ‘frammento’ viene separato dal server mantenendo una parte di dati propria e una parte di dati del main server per facilitarne la distribuzione e il carico.

Polkadot utilizza questo modello per la sua blockchain. Infatti la sua blockchain può essere vista come una sorta di database centrale, il quale è la mainchain (chiamata Relay Chain dal team Polkadot), collegata a tanti piccoli frammenti (chiamati parachains) che lavorano tutti per la Relay Chain. La natura parallela del modello sharded risolve il problema di scalabilità del network. Questa divisione tra relay chain e parachains è essenzialmente un sistema di multichain.

Inoltre, queste parachains costruiscono e propongono i blocchi ai validatori sulla Relay Chain, dove vengono effettuati rigorosi controlli sulla sicurezza dei blocchi proposti prima di essere approvati e inseriti all’interno della chain finale. Dato che la Relay Chain si occupa della sicurezza, il collegamento tra le parachains e la Relay Chain è costuituito da un nodo chiamato Collators, il quale non ha nessun protocollo di sicurezza per rendere il network più veloce.

Polkadot inoltre ha all’interno del suo ecosistema di parachains dei bridge (che vedremo nel dettaglio fra poco), i quali permettono i trasferimenti tra diverse parachains in modo semplice e immediato.

3. Cross-chain Bridge

Definizione

Come seconda tecnologia vediamo i Cross-chain bridge, o più comunemente chiamati Bridge.

I bridge sono protocolli che permettono di trasferire dei fondi da una blockchain all’altra come una sorta di ponte. Ci sono svariati Network che permettono l’utilizzo della DeFi, ma molte di queste non sono compatibili fra loro a causa di regole, protocolli e governance differenti. Gli utenti però vogliono semplicemente trasferire i propri token da un network all’altro. Si affidano quindi ai sistemi di bridge, solitamente delle dapps, che permettono questo tipo di trasferimento.

Funzionamento

Il funzionamento dei bridge è semplice: quando si vuole trasferire un fondo da una blockchain all’altra, il Bridge fa da tramite fra le due in modo da prelevare i fondi dal nostro conto1 e depositarli sul conto2.

Questo metodo però è differente in base alla tipologia di bridge, infatti varia se il bridge è centralizzato oppure se è uno smart contract.

• Centralized bridge: noi ad esempio vogliamo trasferire degli ether dalla rete ethereum alla rete BSC (Binance Smart Chain). Per farlo, depositiamo i nostri ETH all’interno di una liquidity pool nella chain1. Nella chain2 sarà presente un’altra liquidity pool che avrà al suo interno i bETH, ovvero gli ETH compatibili con la rete BSC. Un liquidity provider, che coordinerà la transazione, visualizza gli ETH che inseriamo nella prima pool e preleva dalla seconda pool la stessa quantità, ma in bETH, inviandoci la somma sulla seconda chain.
• Decentralized bridge (smart contract): il metodo dello scambio rimane pressoché simile, ma lo smart contract anziché prelevare la somma da una pool, blocca i nostri fondi sulla prima chain (rendendoli inutilizzabili) e minterà la stessa quantità di token sulla seconda chain. I fondi sulla chain1 rimarranno bloccati finché la stessa quantità di token sulla chain2 non verrà burnata o bloccata per un passaggio inverso.

Aspetti positivi dei bridge

I bridge sono utili per svariati motivi, i principali sono:

• DeFi: prendiamo il caso in cui abbiamo degli Ethereum e vogliamo investirli in una staking pool. Curves, la piattaforma principale di DeFi su Ethereum ci offre un APY 0.5%, percentuale molto bassa considerando le fees che bisogna spendere su Ethereum per ogni transazione sulla rete. Controlliamo su un’altra rete, ad esempio Solana, e notiamo che su una sua piattaforma DeFi troviamo una pool di token ETH con un APY del 20%. Ovviamente è più conveniente la pool su Solana, perciò utilizziamo il bridge per trasferire gli ETH da Ethereum a token ETH compatibili con Solana per poter investire i nostri ETH su una piattaforma DeFi di Solana.
• Fees: le fees della rete Ethereum, che al momento è la rete più implementata e utilizzata, sono molto alte poiché le transazioni non sono ancora sul modello Proof of Stake, perciò spesso ci si ritrova a pagare anche fees di commissione pari a 20 dollari per transazioni di 4/5 dollari. Utiliziamo quindi un bridge per trasferire i nostri eth sulla rete polygon per poter compiere transazioni in eth senza spendere un capitale in fees.

Aspetti negativi dei bridge

• Spesso sono centralizzati poiché per poter compiere questo tipo di operazioni non è possibile usare degli smart contracts o altri tipi di programmi come con le classiche dapps, perciò sono meno sicuri di blockchain decentralizzate.
• Sono spesso lenti e alcune transazioni usano perfino giorni per compiersi poiché le liquidity pool che i centralized bridge usano possono svuotarsi e bisogna aspettare che un secondo utente effettui una transazione inversa alla nostra per avere ciò che ci serve sull’altra chain.

4. Polygon (MATIC)

Infine, vediamo le sidechains, studiando nel dettaglio Polygon e la sua infrastruttura in grado di risolvere i problemi di Ethereum, potenziandone la rete.

MATIC nasce nel 2017 con l’obiettivo di risolvere i due problemi principali di ethereum: la scalabilità e l’interoperabilità del network. Ethereum infatti riesce ad eseguire 20 transazioni al secondo, cifra davvero bassa paragonata ad altri competitor come Solana (65.000) o XRP (50.000). Per quanto riguarda l’interoperabilità, la rete di ethereum può utilizzare solo token ERC-20, tutti gli altri token non sono compatibili.

MATIC quindi riesce a risolvere questi due problemi utilizzando la side-chain e un SDK, un Software Developement Kit, ovvero una sorta di layout che permette agli sviluppatori di creare blockchain interoperabili con la rete MATIC e quindi la rete Ethereum.

La side-chain è una blockchain semi-indipendente costruita sul layer-2 di una main-chain per migliorarla o velocizzarla. Per quanto riguarda MATIC, il suo network è diviso in due layers:

• Layer-1 | Polygon Networks Layer: è l’ecosistema del network di tutte le blockchain sviluppate grazie al SDK. Ognuna di esse ha la propria community che produce blocchi e crea appunto la multi-chain di MATIC nella sua interezza.
• Layer-2 | Execution Layer: questo è fondamentalmente il livello in cui è stata implementata la EVM (Ethereum Virtual Machine) che permette il corretto svolgimento degli smart contracts delle varie blockchain del primo layer di MATIC sulla main-chain di Ethereum.

Ethereum di per sé è già una sorta di multi-chain, infatti la EVM è un linguaggio che è compatibile con oltre 150 blockchain differenti. Il problema risiede appunto nella scalabilità nativa della rete, poiché ‘intasa’ le transazioni di ETH e di tutte le altre chain sviluppate con EVM. MATIC quindi offre dei potenziamenti alla rete per aumentarne la scalabilità:

• POS Chain: la blockchain di MATIC basata su un layer di tipo Proof of Stake permette più transazioni al secondo, aumentando il numero fino a 65.000 tps;
• Plasma: è un protocollo che permette di fare dei movimenti tra una chain e l’altra, utilizzato per portare off-chain alcune transazioni e riportarle on-chain una volta completate. MATIC sfrutta questo protocollo come Bridge.
• Rollups: I Rollups non sono altro che dei metodi per alleggerire la rete di Ethereum, spostando le transazioni dal layer-1 di ETH al layer-2 dello stesso, ributtando poi gli output delle transazioni direttamente sul layer-1. Esistono due tipi di Rollup:

• ZK-Rollups: permettono di immagazzinare un certo quantitativo di transazioni in blocchi di un’unica transazione più grossa per risparmiare fees di transazioni;
• Optimistic Rollups: sono uno strumento che funzionano sul top di layer e permettono a chiunque di creare un blocco di transazioni, senza sicurezze o controlli.

Il layer-2 di Polygon, tornando al problema interoperabilità, permette di avere svariate blockchain minori costruite con l’EVM e quindi con la possibilità di comunicare fra loro, direttamente con la rete Ethereum e con la rete Polygon. Questo permette di avere una vera e propria rete di blockchain compatibili fra loro per scambio di dati, di token e infinite implementazioni e dapps.