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SNARKChain: Proof-of-Useful-Work Blockchain Consensus with General-Purpose SNARK Marketplace

Questo articolo introduce SNARKChain, un nuovo protocollo di consenso Proof-of-Useful-Work che protegge la blockchain integrando la generazione di prove SNARK esternalizzata dai client direttamente nel processo di mining, eliminando così lo spreco di energia e stabilendo il primo mercato decentralizzato per le prove SNARK al livello del consenso.

Autori originali: Samuel Oleksak, Richard Gazdik, Martin Peresini, Ivan Homoliak

Pubblicato 2026-07-14

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CC BY 4.0

Autori originali: Samuel Oleksak, Richard Gazdik, Martin Peresini, Ivan Homoliak

Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Questa è una spiegazione generata dall'IA dell'articolo qui sotto. Non è stata scritta né approvata dagli autori. Per precisione tecnica, consulta l'articolo originale. Leggi il disclaimer completo

Immaginate il mondo della blockchain come un enorme, globale registro digitale che tutti si fidano, ma che nessuno controlla singolarmente. Per mantenere questo registro al sicuro dai cattivi, la maggior parte delle blockchain utilizza un sistema chiamato Proof of Work (PoW). Pensatelo come a una gigantesca, tecnologica caccia al tesoro dove i computer corrono per risolvere problemi matematici incredibilmente difficili. Il primo che li risolve ottiene il diritto di scrivere la pagina successiva nel registro e guadagna una ricompensa.

Il problema? Questi enigmi sono come bruciare una biblioteca solo per tenere acceso un fuoco. Consumano un'enorme quantità di elettricità ma non producono nulla di utile al di fuori della blockchain stessa. Alcuni rapporti suggeriscono che una famosa blockchain (Bitcoin) potrebbe essere responsabile di tanta anidride carbonica quanta ne emette l'intera nazione della Grecia in un anno!

Entra in scena SNARKChain, una nuova idea di un team di ricercatori dell'Università Tecnologica di Brno. Si sono chiesti: E se gli enigmi "inutili" che risolviamo per mantenere sicura la blockchain potessero in realtà fare qualcosa di utile per il mondo reale?

La Grande Idea: Risolvere Enigmi che Contano

I ricercatori propongono un sistema chiamato Proof of Useful Work (PoUW). Invece di consumare energia in problemi matematici casuali, i minatori risolverebbero enigmi che generano zk-SNARKs.

Per capire gli zk-SNARKs, immaginate un mago che può dimostrare di conoscere una password segreta senza mai pronunciare la password ad alta voce. Questi sono strumenti potenti per la privacy e la sicurezza nel mondo digitale, ma sono incredibilmente pesanti da creare. Richiedono computer massicci e molto tempo, rendendoli troppo costosi per le persone comuni che devono generarli autonomamente.

SNARKChain trasforma la blockchain in un mercato decentralizzato. Ecco come avviene la magia:

I Client (persone che hanno bisogno di queste prove magiche) pubblicano una richiesta sulla blockchain.
I Minatori (i computer che mantengono sicura la rete) scelgono queste richieste.
Mentre lavorano per mettere in sicurezza la blockchain, generano queste prove utili come "sottoprodotto".
Se un minatore risolve l'enigma correttamente, ottiene il diritto di aggiungere un nuovo blocco alla catena e guadagnare una ricompensa.

Questa è la prima volta che, secondo gli autori, un mercato del genere è stato costruito direttamente nel livello fondamentale di sicurezza di una blockchain.

La Parte Difficile: Mantenere la Correttezza

I ricercatori sapevano che non bastava semplicemente scambiare un enigma con un altro. Dovevano assicurarsi che il sistema non violasse le regole d'oro della sicurezza blockchain. Dovevano risolvere alcuni problemi specifici:

1. Il Problema del "Lavoro Rubato"
Ai vecchi tempi, se un minatore risolveva un enigma ma non vinceva la corsa per aggiungere il blocco, il suo lavoro veniva sprecato. In SNARKChain, se un minatore genera una prova ma perde la lotteria per pubblicare il blolo, quella prova è inutile per chiunque altro perché è legata a un "parametro di integrità" specifico e unico (un'impronta digitale del blocco corrente). Questo impedisce ai malintenzionati di rubare il duro lavoro di qualcun altro per usarlo per sé.

2. Il Problema del "Chi è Ricco Diventa Più Ricco"
Se il sistema premiasse solo il computer più veloce, solo le più grandi e costose farm di mining vincerebbero. I ricercatori hanno progettato un sistema di lotteria per risolvere questo problema.

Immaginate che un minatore generi una prova. Inve di controllare solo se è "abbastanza buona", il sistema lancia un dado digitale.
Più grande e complesso è la prova, maggiore è la probabilità di vincere la lotteria.
Ciò significa che un minatore più piccolo con un computer più debole ha comunque una possibilità equa di vincere, purché continui a lavorare. Gli autori hanno eseguito delle simulazioni (modelli informatici) per testare questo, e i risultati hanno suggerato che le ricompense sono distribuite equamente in base a quanto lavoro ogni minatore effettivamente compie.

3. Il Problema del "Ingorgo"
E se tutti cercassero di risolvere la stessa richiesta contemporaneamente? I ricercatori hanno proposto un sistema di "compartimentazione" (bucketing). Pensatelo come a un ufficio postale con molte diverse fessure per la posta. Invece di far lottare tutti per un'unica fessura, le richieste vengono smistate in diversi compartimenti in base a un codice. I minatori scelgono un compartimento e lavorano solo sulle richieste all'interno di esso. Questo impedisce ai minatori di intralciarsi a vicenda e sprecare energia. Le loro simulazioni hanno mostrato che l'uso di più compartimenti riduce significamente il lavoro sprecato.

Cosa Dice il Documento (e Cosa Non Dice)

Gli autori sono molto cauti riguardo a ciò che affermano. Essi suggeriscono che il loro sistema funzioni e hanno dimostrato le loro proprietà di sicurezza attraverso simulazioni. Non hanno affermato di aver costruito una blockchain completa e funzionante che sia stata testata nel mondo reale per anni.

Hanno anche esplicitamente scartato alcune idee che potrebbero sembrare ovvie ma che non funzionano:

Rifiutano l'idea di "ammortamento": Non si possono semplicemente raggruppare più prove insieme per renderle più facili. Il sistema è progettato in modo che ogni singola prova debba essere calcolata da zero, garantendo che nessuno possa imbrogliare facendo meno lavoro.
Rifiutano l'idea del pre-calcolo: Un minatore non può risolvere segretamente un enigma oggi per un blocco che non esisterà fino alla prossima settimana. L'enigma cambia ogni secondo in base allo stato attuale della blockchain, quindi devi risolverlo proprio ora.

In Sintesi

I ricercatori hanno progettato un sistema in cui l'energia spesa per mettere in sicurezza una blockchain non viene sprecata. Inveve, quell'energia viene utilizzata per creare prove crittografiche preziose che aiutano altre parti di internet a rimanere private e sicure.

Sebbene abbiano dimostrato attraverso simulazioni che la matematica regge e che il sistema è equo, riconoscono che l'implementazione nel mondo reale è un passo futuro. Hanno costruito il progetto per una blockchain che non si limita a bruciare energia, ma che in realtà fa qualcosa di utile, trasformando il "lavoro inutile" del passato nel "lavoro utile" del futuro.

Riassunto Tecnico: SNARKChain – Blockchain con Proof-of-Useful-Work e Marketplace di SNARK General-Purpose

1. Definizione del Problema

La Proof of Work (PoW) rimane il protocollo di consenso permissionless più sicuro, ma soffre di una significativa inefficienza ambientale a causa della sua dipendenza da enigmi computazionalmente intensivi che non producono valore al di fuori della blockchain (ad esempio, collisioni di hash). La Proof of Useful Work (PoUW) mira a sostituire questi enigmi arbitrari con compiti che generano valore nel mondo reale, come simulazioni scientifiche o prove crittografiche. Tuttavia, le proposte esistenti di PoUW spesso non riescono a soddisfare i rigorosi requisiti di sicurezza della PoW, specificamente per quanto riguarda la freschezza (resistenza agli attacchi di replay), l'integrità dell'embedding della catena e il legame dell'identità del miner.

Simultaneamente, la generazione di Zero-Knowledge Succinct Non-interactive Arguments of Knowledge (zk-SNARKs) è computazionalmente proibitiva per molti utenti, rendendo necessario l'outsourcing. Sebbene esistano marketplace decentralizzati per la generazione di SNARK, essi operano tipicamente a livello applicativo o sono limitati a circuiti specializzati, fallendo nell'integrare la generazione di prove direttamente nel livello di consenso pur mantenendo capacità general-purpose.

2. Metodologia

Gli autori propongono SNARKChain, un nuovo protocollo di consenso in cui il "lavoro utile" è la generazione di prove SNARK delegate dai client. Il sistema funziona come un marketplace decentralizzato dove i miner computano le prove per proteggere la rete.

Architettura Core

La rete è composta da tre ruoli di partecipanti:

Client: Invia transazioni di moneta e "transazioni di prova" contenenti circuiti aritmetici e parametri per richiedere la generazione di SNARK.
Miner (Full Nodes): Selezionano le transazioni, generano le prove SNARK richieste e competono per pubblicare i blocchi. Ricevono ricompense per i blocchi che contengono prove valide.
Circuit Registry Nodes: Una sottorete con staking responsabile della registrazione decentralizzata dei circuiti aritmetici, dello stoccaggio delle chiavi di proving/verification e della partecipazione alla Secure Multi-Party Computation (SMPC) per il setup fidato.

Meccanismo di Consenso: La Lotteria e l'Integrità

Per affrontare le sfide specifiche della PoUW, il protocollo introduce un Meccanismo di Lotteria e un Legame di Integrità:

Selezione dei Blocchi basata sulla Lotteria: Invece di richiedere ai miner di raggiungere una soglia di difficoltà fissa (il che porta alla centralizzazione da parte del miner più potente), il protocollo utilizza una lotteria pesata. Ogni volta che un miner genera una nuova prova per un blocco, attiva un controllo della lotteria. La probabilità di vincita ( $P_{win}$ ) è proporzionale alla complessità ( $C_i$ ) della prova generata rispetto al target di difficoltà attuale ( $\kappa$ ):
$P_{win}(i) = \frac{C_i}{\kappa}$
Questo garantisce la progress-freeness: la probabilità di vincita dipende solo dalla prova più recentemente generata, non dal tempo già trascorso nel mining.
Parametro di Integrità ( $\eta$ ): Per prevenire il furto di prove e gli attacchi di replay, ogni circuito aritmetico viene modificato per includere un parametro pubblico di integrity. Questo parametro è derivato dall'hash dell'header del blocco che si sta costruendo. Se un miner fallisce la lotteria, deve ricalcolare il parametro di integrità per includere la nuova prova generata, creando una catena di prove criptograficamente legata all'interno del blocco. Ciò assicura che una prova non possa essere riutilizzata in un blocco diverso senza invalidare la verifica.
Prevenzione dell'Ammortamento: Per evitare che i miner ottengano vantaggi sleali tramite il batching delle prove, il sistema utilizza un parametro mask (che combina l'indirizzo del miner e il conteggio dell'uso del circuito) e assicura che il cambiamento degli input pubblici (come il parametro di integrità) invalidi l'intera valutazione QAP in Groth16, richiedendo una ricalcolazione completa.
Bucketing: Per ridurre il lavoro sprecato causato dalle sovrapposizioni di transazioni quando più miner lavorano in parallelo, il protocollo partiziona lo spazio delle transazioni in "bucket" basati sui prefissi degli hash delle transazioni. I miner selezionano un bucket, garantendo set di transazioni disgiunti e minimizzando i conflitti.

Dettagli Crittografici

Il sistema utilizza gli SNARK Groth16. Gli autori hanno scelto Groth16 per la sua dimensione costante della prova (128 byte) e il tempo di proving lineare rispetto al numero di vincoli. Il protocollo supporta circuiti general-purpose (definiti in DSL come ZoKrates o Circom) piuttosto che essere limitato a un singolo circuito specializzato.

3. Contributi Chiave

L'articolo rivendica i seguenti contributi:

Primo Marketplace di SNARK al Livello di Consenso: La proposta rappresenta il primo marketplace decentralizzato per la generazione di zk-SNARK general-purpose che opera direttamente al livello di consenso, dove la generazione della prova è inseparabile dalla sicurezza del blocco.
Design del Protocollo PoUW: Un approccio innovativo per delegare la computazione intensiva degli SNARK ai nodi, soddisfacendo tutte le proprietà critiche della PoW (asimmetria, granularità, assenza di ammortamento, indipendenza, efficienza, inconfutabilità, freschezza, determinismo, progress-freeness e verificabilità pubblica).
Gestione degli Input Privati: L'articolo propone un metodo (dettagliato nell'Appendice) per gestire le prove con parametri privati tramite l'outsourcing dell'oscuramento del witness, affrontando il limite dei parametri solo pubblici nella progettazione iniziale.
Analisi della Sicurezza: Un'analisi formale e una simulazione (utilizzando Stochastic Time Colored Petri Nets) dimostrano che il protocollo mantiene proprietà di equità e sicurezza.

4. Risultati e Valutazione

Gli autori hanno valutato il protocollo utilizzando un modello Petri net per testare quattro ipotesi:

H1 (Equità): La distribuzione dei premi è commisurata con la potenza di mining. Le simulazioni hanno confermato che le ricompense per i blocchi scalano linearmente con la potenza computazionale. Tuttavia, le ricompense per le prove hanno mostrato una dipendenza quadratica dalla potenza, suggerendo che le ricompense per le prove dovrebbero essere minimizzate rispetto alle ricompense per i blocchi per prevenire la centralizzazione dei mining pool.
H2 (Indipendenza): La complessità delle prove selezionate non altera in modo iniquo le ricompense. I risultati hanno indicato che i miner con una preferenza per prove più grandi non ottenevano ricompense per i blocchi sproporzionate, sebbene generassero più prove.
H3 (Centralizzazione vs. Efficienza): L'introduzione di un parametro ( $\psi$ ) per favorire catene di prove più lunghe riduce il lavoro sprecato ma aumenta la centralizzazione. Il compromesso suggerisce che, sebbene l'efficienza possa essere migliorata, ciò rischia di compromettere la fairness della rete.
H4 (Bucketing): L'aumento del numero di bucket riduce significativamente il lavoro sprecato causato dalle sovrapposizioni di transazioni. La simulazione ha mostrato che un numero maggiore di bucket correla con una percentuale inferiore di lavoro sprecato.

L'analisi conferma che Groth16 offre la necessaria scalabilità lineare per il tempo di generazione delle prove, rendendo il protocollo prevedibile e scalabile.

5. Significato e Rivendicazioni

L'articolo posiziona SNARKChain come una soluzione alle doppie sfide dello spreco energetico delle blockchain e dell'alto costo della generazione di zk-SNARK.

Sicurezza: A differenza delle precedenti proposte di PoUW, questo sistema integra l'integrità della catena e l'identità del miner direttamente nelle soluzioni degli enigmi, soddisfacendo i rigorosi requisiti di "freschezza" e "inconfutabilità" della PoW.
Utilità: Trasforma lo "spreco" della PoW in prove crittografiche di valore che possono essere utilizzate per privacy, scalabilità e interoperabilità cross-chain in applicazioni più ampie.
Novità: Gli autori affermano che, a loro conoscenza, questo è il primo sistema che riesce a integrare con successo la generazione di SNARK general-purpose nel livello di consenso soddisfacendo tutte le necessarie proprietà della PoW.

Il lavoro conclude che, sebbene rimangano delle sfide (come il compromesso tra lavoro sprecato e centralizzazione tramite il parametro $\psi$ ), il protocollo proposto offre una via percorribile verso blockchain sicure ed efficienti dal punto di vista energetico che producono sottoprodotti crittografici utili.