Celestia: la prima blockchain modulare su Cosmos del 2023

In questa guida parliamo di Celestia, una blockchain modulare che verrà lanciata all’inizio del 2023 nell’ecosistema di Cosmos Network.

Si tratta uno dei lanci più attesi nell’ecosistema di Cosmos con la mainnet che verrà lanciata durante il corso del 2023 dopo la fase di test. L’idea centrale della blockchain di Celestia è quello di separare il livello di esecuzione delle transazioni dal livello di consenso, in modo che quest’ultimo sia responsabile solo dell’ordinamento delle transazioni e della disponibilità dei dati (data avalaibility).

Per ottenere questo obiettivo Celestia propone un modello architetturale di blockchain modulare, diverso dal tradizionale approccio di blockchain monolitica.

In questa guida introduciamo brevemente alcuni concetti base della blockchain di Celestia, la sua architettura basata su rollup e layer modulari e cerchiamo di capire quali potranno essere le evoluzioni future.

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Che cos’è Celestia?

Celestia rappresenta una blockchain modulare in grado di separare i layer di consenso e dati dal livello di esecuzione, in modo da garantire a chiunque di costruire la propria blockchain con costi minimi.

L’obiettivo è quello di costruire un ecosistema in cui i vari livelli (layers) di dati ed esecuzione possano lavorare in modo modulare e siano facilmente integrabili tra loro. La visione di Celestia consiste nel costruire la prossima generazione di blockchain scalabili.

Celestia

Abbiamo già parlato di architetture e layers di una blockchain in questo articolo e in un video sul nostro canale YouTube quando abbiamo parlato di Rollups e della scalabilità di Ethereum.

Cosmos Network ha già una architettura modulare ma sono le componenti software a cooperare insieme in una blockchain che comunque rimane “monolitica”. In futuro, ad esempio, alcune componenti dell’architettura di Cosmos potrebbero usare Celestia come livello di dati o utilizzare le fraud proof di Celestia per aumentare il livello di sicurezza di Cosmos.

Insomma lo sviluppo di questa architettura apre scenari molto interessanti.

Questo approccio consentirà di aumentare throughput delle transazioni e ridurre i costi delle applicazioni che usano molti dati. Per throughput si intende la quantità di dati trasmessi per unità di tempo. Maggiore è questa quantità, più efficiente è la chain nel processare dati e transazioni.

Il team di Celestia è di tutto rispetto, troviamo infatti:

  • Mustafa Al-Bassam: è il CEO di Celestia è il co-fondatore di Chainspace, una piattaforma di smart contract acquisita da Facebook. E’ presente nel whitepaper e in vari documenti che trattano argomenti come lo sharding, le fraud proof e la disponibilità dei dati
  • Ismail Khoffi: è il CTO di Celestia ed ingegnere che si è occupato di Tendermint (il modello di consenso usato da Cosmos) e fa parte della Interchain Foundation
  • John Adler: è uno dei ricercatori che ha lavorato su Ethereum 2.0 ed ha creato anche una prima specifica per gli Optimistic Rollups

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Cosmos Network: l’architetura di base

Cosmos è una rete decentralizzata di blockchain parallele e indipendenti, un ecosistema di applicazioni e servizi interconnessi.

Cosmos è una blockcchain decentralizzata che consente di costruire blockchain parallele. Il centro di tutto ed è anche la blockchain principale è Cosmos Hub che funziona come una sorta di fulcro, un layer 1 su cui ci basano molti progetti.

Partiamo con l’architettura di base di Cosmos che si propone di superare di superare i limiti delle blockchain tradizionali.

Nella guida relativa alla blockchain, che trovate sul sito, abbiamo visto quelle che sono le fasi della costruzione di una chain.

Blockchain: architettura logica

Una blockchain concettualmente (livello logico) può essere divisa per livelli:

  • un livello applicativo
  • un livello di consenso
  • un livello di rete o networking vero e proprio.

La fase di costruzione richiede lo sviluppo della rete, un algoritmo di consenso e lo strato delle applicazioni.

Vediamo l’architettura di Cosmos in questa slide.

Cosmos Architettura

Cosmos, quindi, ha creato questa architettura modulare fatta da zone e hub:

  • zone: che non sono altro che blockchain eterogenee tradizionali
  • hub: cioè blockchain speciali che consentono di collegare le varie zone tra loro. Il primo hub lanciato per la costruzione della rete si chiama Cosmos Hub ed ATOM è il suo token.

Le comunicazioni tra queste componenti vengono ottimizzate attraverso connessioni IBC.

IBC sta per Inter Blockchain Communication Protocol ed è un protocollo cross chain che permette le transazioni a tutte quelle blockchain compatibili col mondo Cosmos. Cioè permette di trasferire fondi in modo semplice e trasparente da una blockchain ad un’altra.

Nell’architettura di Cosmos, ogni zona stabilisce delle connessioni limitate con pochi hub e dunque questo meccanismo consente la scalabilità, che come abbiamo detto era uno dei limiti delle blockchain tradizionali.

L’architettura di Cosmos è modulare, vediamo come si compone:

Partiamo dal basso:

  • A livello base abbiamo le componenti di rete e di consenso, ovvero i protocolli di comunicazione tra i diversi nodi. Cosmos, per superare i limiti delle blochain tradizionali, utilizza il framework Tendermint, una soluzione che tramite astrazione impacchetta le componenti di consenso e di rete in un motore generico e replicabile. In questo modo gli sviluppatori si possono concentrare sullo sviluppo di applicazioni senza impazzire con i complessi protocolli sottostanti
  • Nello strato centrale abbiamo un livello applicativo ovvero abbiamo l’Application Blockchain Interface
  • Cosmos SDK, un framework che permette lo sviluppo di applicazioni (è possibile usare i tradizionali linguaggi di programmazione come Java, C++, Go e così via)

Per un approfondimento completo sul funzionamento di Cosmos potete consultare qui la nostra guida ed un video su Cosmos che trovate sul nostro canale YouTube.

Problemi: disponibilità dei dati e scalabilità

Uno dei problemi che cerca di risolvere Celestia è il cosiddetto “Data avalaibility problem”. Quando si cerca di scalare una blockchain di livello 1, nel momento in cui si aumenta la dimensione dei blocchi, fondamentalmente aumenta la centralizzazione.

La disponibilità dei dati è fondamentale per la sicurezza, ognuno deve poter verificare il registro delle transazioni. Quando la dimensione della chain aumenta questo diventa un problema, in quanto bisognerebbe scaricare una mole di dati enormi per fare le verifiche.

Una delle soluzioni a questo problema consiste nel prendere un campione di dati incrementando la dimensione del blocco ma mantenendo la decentralizzazione. Questo rende possibile scaricare una piccola porzione di dati rendendo possibile la verifica di blocchi molto grandi a costi irrisori.

Data Avalaibility Problem

Questa soluzione è stata proposta in un paper in cui c’è sia il fondatore di Celestia che Vitalik Buterin. Questo metodo si chiama “Data Avalaibility Sampling”.

Il secondo problema che cerca di risolvere è quello della scalabilità. E una delle soluzioni è proposta da un altro membro del team (John Adler), uno dei primi a introdurre il concetto di Rollups.

Cerchiamo allora di capire il funzionamento di Celestia, partendo da questi problemi da risolvere.

Come funziona Celestia

Celestia si pone l’obiettivo di creare un nuovo paradigma nella progettazione delle blockchain. Gli elementi fondamentali della tecnologia di Celestia sono:

  • la separazione tra consenso ed esecuzione
  • la disponibilità dei dati attraverso le fraud proof
  • l’esecuzione tramite rollups

L’idea alla base del funzionamento di Celestia, è quello della separazione tra livello di consenso e livello di esecuzione.

Questi possono lavorare così in modo indipendente ed in particolare il livello di consenso di occuperà di:

  • ordinare le transazioni
  • garantire che i dati siano disponibili

Le blockchain tradizionali sfruttano un livello di consenso in cui le transazioni vengono anche eseguite e validate.

Disaccoppiando questi livelli gli sviluppatori potranno così avere maggiore potete di personalizzazione per le applicazioni costruire su Celestia.

Per quanto riguarda la disponibilità dei dati, Celestia utilizza una tecnologia in grado di utilizzare solo un piccolo “campione” di dati per verificare attraverso delle statistiche che il blocco venga codificato. Si tratta del Data Sampling di cui abbiamo parlato nel paragrafo precedente.

Questi dati vengono codificati da nodi leggeri (light client) in modo che in caso di errore la rete possa essere informata tramite una fraud proof. Abbiamo parlato di questo poco tempo fa quando abbiamo visto gli Optimistic Rollups.

Più nodi partecipano al campionamento dei dati, più la chain può processare dati in modo sicuro. In questo modo si può aumentare la dimensione del blocco senza incidere sui costi di verifica e assicurando la decentralizzazione, in quanto è possibile fare le verifiche scaricando piccole porzioni di dati.

L’esecuzione avviene off-chain tramite rollup. Ricordiamo che i rollup ottimistici richiedono la disponibilità dei dati per rilevare le frodi mentre quelli Zero Knowledge (ZK-Rollups) hanno bisogno dei dati per ricostruire lo stato.

Celestia utilizza, infine, dei client leggeri per garantire l’interoperabilità. In questo modo il collegamento tra blockchain può avvenire in modo molto semplice, proprio come quando si fa il deploy di uno smart contract.

Blockchain modulare vs Blockchain monolitica

Celestia è una blockchain modulare. Ma che significa questo termine? Il concetto di modularità esiste in Informatica ed è in genere applicato al software.

Quando si parla di sviluppo di software modulare si fa riferimento ad un paradigma che consente di sviluppare un software suddividendoli in moduli. Questo concetto ci è molto utile per capire che più componenti software modulari non costituiscono una blockchain modulare.

Le blockchain tradizionali sono costruite tramite un approccio “monolitico” in cui ogni chain fa un po’ di tutto: dall’esecuzione delle transazioni fino alla convalida dei blocchi.

Una blockchain modulare, invece, cerca di costruire dei componenti specializzati in un compito o task. In particolare una blockchain modulare separa il livello di esecuzione da quello di consenso.

Come abbiamo visto in questi anni, le blockchain monolitiche presentano dei problemi di scalabilità pur mantenendo la decentralizzazione.

Con le blockchain modulari si punta ad un cambio di paradigma nella costruzione della catena. Invece di costruire una chain che fa tutto, è possibile costruire varie blockchain specializzate in compiti diversi. Ognuna di esse sarà responsabile di uno specifico compito.

In questo schema possiamo capire meglio questo concetto di modularità.

Blockchain Monolitica vs Modulare

Una blockchain tradizionale (monolitica) presenta alcuni svantaggi:

  • Requisiti hardware elevati: man mano che aumenta la complessità ed il numero di transazioni da processare aumenta la necessità di hardware più potenti. Ad esempio i nodi Solana richiedono un hardware potente per poter processare le transazioni
  • Necessità di validatori affidabili: le chain proof of stake per funzionare hanno bisogno di nodi validatori che siano affidabili per gestire le regole di consenso della blockchain
  • Controllo limitato: ogni sviluppatore è costretto a seguire le regole della blockchain per poter distribuire le proprie applicazioni. Quindi deve utilizzare i linguaggi di programmazione imposti da quella rete e tutte le regole della community

Cosmos, definito come l’Internet of Blockchain, presenta queste “limitazioni” se così vogliamo chiamarle. Permette di costruire blockchain indipendenti. Per avviarle, però, è necessario costruire il proprio set di validatori, occuparsi delle regole di consenso e di sicurezza.

Distribuire una applicazione su blockckchain di questo tipo comporta il fatto di non poter apportare modifiche fuori dalle regole di quella chain in quanto non si è autonomi. Qui entra in gioco il concetto di sovranità (sovereignty) che viene persa completamente sviluppando su reti monolitiche.

Perchè sorge la necessità di una blockchain modulare?

Secondo Celestia tre sono i concetti fondamentali per ottenere una chain che sia effettivamente modulare:

  1. Sicurezza condivisa: con questa caratteristica è possibile utilizzare la sicurezza condivisa in modo comune da Celestia senza la necessità di avviare un nuovo set di validatori. Ad esempio è possibile utilizzare i rollup o costruire bridge sicuri. In un certo senso è un meccanismo di consenso più equo. Anche chi ha pochi validatori, ad esempio, può accedere comunque alla sicurezza fornita da una chain specializzata
  2. Scalabilità: separando le funzioni, Celestia può ad esempio specializzarsi nel fornire dati come ad esempio ai rollup per i layer 2 (L2) e dunque consentire ai layer 1 di elaborare più transazioni ed essere più scalabili
  3. Sovranità: le blockchain tradizionali impongono regole predeterminate come quello sul consenso o sui linguaggi di programmazione da usare per gli smart contract. Con una blockchain modulare gli sviluppatori possono apportare modifiche senza avere il permesso e dunque hanno maggiore indipendenza, magari seguendo le regole della propria community. Ad esempio possono decidere di migliorare l’ambiente di esecuzione o apportare miglioramenti significativi.

Le funzionalità di una blockchain e la visione di Celestia

Da un punto di vista tecnico possiamo pensare ad una blockchain come una macchina a stati. Si parte da uno stato, si applica una sequenza di transazioni che porta ad uno stato finale condiviso.

Per ottenere questo abbiamo bisogno di alcune funzioni di base:

  • Execution: l’esecuzione delle transazioni deve garantire che solo quelle valide siano portate a termine, in modo da arrivare ad uno stato finale consistente
  • Settlment: ci devono essere delle regole prestabilite in grado di verificare se le transazioni sono valide, risolvere eventuali dispute su frodi, e connettere altri livelli di esecuzione
  • Consensus: ci deve essere accordo sull’ordine delle transazioni
  • Data Availability (DA): i dati delle transazioni devono essere disponibili per essere verificati. Tutte le funzioni precedenti hanno bisogno di questi dati

Le blockchain tradizionali o monolitiche implementano tutte queste funzioni nel layer base di consenso. Si tratta quindi di un livello che è costretto a svolgere molti compiti e non può essere ottimizzato.

Celestia intende con una blockchain modulare separare tutte queste funzioni in più livelli specializzati.

Blockchain modulare

Come vedete in questo schema il livello di base si occupa quindi solo della disponibilità dei dati (Data Availability) mentre i livelli di esecuzione (execution) e regole (settlment) si occupano di un compito speficico e dunque possono essere ottimizzati.

Possiamo pensare dunque a più livelli di esecuzione, ovvero i rollups, in grado di utilizzare in modo indipendente i livelli di Settlment e Data availability.

E arriviamo ad una definizione più precisa.

Cos’è una blockchain modulare? Una blockchain modulare è quindi una blockchain che delega esternamente almeno uno dei seguenti componenti: consenso, esecuzione, disponibilità dei dati.

Ethereum vs Cosmos

Cerchiamo di capire meglio cosa è Celestia facendo un parallelo tra Cosmos ed Ethereum. Come vedete in questa slide presa dal Cosmoverse:

Ethereum vs Cosmos

Ethereum rappresenta un ambiente che garantisce la sicurezza condivisa e che rende facile lo sviluppo. Ad esempio i layer 2 come Polygon o Arbitrum possono attingere alla sicurezza del layer 1 sottostante preoccupandosi di mettere i piedi la loro architettura di validatori e preoccupandosi dell’esecuzione.

Questi però devono sottostare alle regole imposte da Ethereum, non hanno autonomia, non possono ad esempio fare personalizzazioni o fare un fork. E’ però facile sviluppare, basta infatti creare uno smart contract e distribuirlo.

Nel Network di Cosmos invece accade l’opposto. Gli strumenti messi a disposizione dal Cosmos SDK consentono di sviluppare in autonomia la propria chain e quindi sviluppare soluzioni scalabili. In questo caso, però devono preoccuparsi di gestire anche l’aspetto della sicurezza. Pensiamo ad esempio a Cronos, che è costruita con gli strumenti di Cosmos ma non può ereditarne i meccanismi di consenso e sicurezza.

Vantaggi di Celestia: un ecosistema modulare

L’approccio di Celestia dunque è leggermente diverso. Come vedete in questa slide:

Cosmos confronto con Celestia

in Cosmos abbiamo il Cosmos SDK che si occupa dell’esecuzione e Tendermint che svolge i compiti di disponibilità dei dati e consenso. In un certo senso abbiamo una architettura software modulare. Queste componenti lavorano insieme per creare la logica di funzionamento della blockchain di Cosmos.

In Celestia, invece, cerca di estendere questi concetti proponendo una blockchain singola che si occupa del consenso e della disponibilità dei dati senza fare alcuna esecuzione, e un’altra blockchain costruita con i rollup che si occupa dell’esecuzione e delle applicazioni.

Passiamo quindi dal concetto (logico) di un ecosistema monolitico ad un ecosistema modulare.

In Cosmos abbiamo quindi una serie di blockchain che comunicano con IBC ognuna con un proprio Consensus Network. Possiamo pensarle come entità separate ed indipendenti e dunque è necessario limitare il numero di connessioni tra loro per questioni di sicurezza.

In Celestia,invece, le varie blockchain potranno condividere un unico e comune network per il consenso e la disponibilità dei dati. Quando si vuole creare una nuova blockchain basta aggiungerla al network di consenso, una soluzione se vogliamo “plug and play” per dirla brutalmente che consente di ereditarne la sicurezza.

Queste blockchain indipendenti che condividono la sicurezza, possono avere una più sicura interoperabilità tra loro.

In sintesi ecco quali sono i vantaggi di Celestia:

  • consente di sviluppare una blockchain in modo semplice proprio come si fa con uno smart contract
  • rende più efficiente lo scaling grazie al “sampling” dei dati
  • rende più sicura l’interoperabilità tra le chain avendo a disposizione un layer di sicurezza da cui ereditare
  • consente alle community la sovranità e una maggiore autonomia, permette di scegliere il proprio ambiente di sviluppo e di personalizzare ogni aspetto

Il futuro di Cosmos può essere sintetizzato da questa slide del Cosmoverse:

Cosmos + Celestia

come vedete Cosmos e Celestia insieme consentono di implementare tutte e quattro le funzioni base di una blockchain efficiente di cui abbiamo parlato in precedenza ovvero disponibilità dei dati, sovranità, consenso ed esecuzione.

Lo sviluppo di Celestia: Optimint ed estensioni di Cosmos SDK

Lo sviluppo procede secondo i piani. E’ stata come prima cosa lanciata la testnet di Celestia ed un explorer in cui è possibile monitorare le transazioni.

Ecco come si presenta l’explorer della Testnet:

Celestia Tesnet

Stanno poi sviluppando Optimint, un framework sofware che consente di fare il deploy delle applicazioni scritte con Cosmos SDK su Celestia.

In pratica funziona da sostituto di Tendermint in quanto le chain sviluppate su Celestia utilizzeranno il consenso fornito da Celestia stessa e dunque non necessitano di meccanismi di consenso completi.

In più stanno creando una estensione del Cosmos SDK per supportare le fraud proofs, in modo che le applicazioni possano essere eseguite come rollup. Anche IBC verrà esteso per supportare i rollup.

Airdrop Celestia

Quello di Celestia si preannuncia come l’airdrop più interessante in arrivo nel 2023 nel mondo Cosmos.

Celestia avrà infatti un token di governance e funzionerà secondo il modello Proof of Stake. Probabilmente verrà utilizzato un meccanismo di burning simile a quello usato da Ethereum per compensare l’emissione di nuovi token in modo da preservarne il valore.

Ad oggi ancora non è noto quale sarà il nome del token di Celestia.

Celestia: Video Analisi

Per concludere questo articolo oggi partiamo con una serie di video dedicati ai “Nuovi progetti Crypto”. Cercheremo di analizzare dei potenziali progetti interessanti dal punto di vista tecnologico:

Celestia: la prima blockchain modulare su Cosmos e l’airdrop più atteso del 2023
In questa video parliamo di Celestia, una blockchain modulare che verrà lanciata all’inizio del 2023 nell’ecosistema di Cosmos Network.Si tratta uno dei lanc…
Celestia: la prima blockchain modulare su Cosmos e l'airdrop più atteso del 2023

The video was uploaded on 13/1/2023.

You can view the video here.

The video lasts for 21 minutes and 2 seconds.

Celestia Blockchain: le domande frequenti

Cos’è Celestia?

Celestia è una blockchain modulare che consente di separare il consenso dall’esecuzione rendendo disponibili i dati. Chiunque può creare la propria blockchain senza dover progettare e mantenere una nuova rete di consenso dall’inizio.

Qual è il token di Celestia?

Ancora non è stato reso noto quale sarà il token di Celestia. E’ previsto comunque il lancio del token di governance della rete Celestia, probabilmente con un Airdrop.

Cos’è il problema della disponibilità dei dati?

La disponibilità dei dati è fondamentale per la sicurezza, ognuno deve poter verificare il registro delle transazioni. Quando la dimensione della chain aumenta questo diventa un problema, in quanto bisognerebbe scaricare una mole di dati enormi per fare le verifiche. Grazie al data samplig proposto da Celestia, è possibile fare le verifiche scaricando una piccola porzione di dati

Conclusioni

In questo articolo di ricerca abbiamo cercato di sintetizzare quelli che sono le caratteristiche di Celestia, la prima blockchain modulare costruita nell’ecosistema di Cosmos.

Celestia è uno dei lanci più attesi del 2023 e si propone di risolvere due problemi fondamentali: quello della disponibilità dei dati (data availability) e dell’esecuzione (execution).

Separando il livello di consenso da quello di esecuzione è possibile costruire blockchain indipendenti. In questo approccio gli sviluppatori non sono costretti ad implementare tutti i livelli della propria chain ma possono sfruttare l’infrastruttura modulare esistente.

Quella di Celestia è dunque una visione di una blockchain modulare basata sulla collaborazione e sull’autonomia.

Un obiettivo ambizioso che rende Celestia un progetto molto interessante da seguire e monitorare nel 2023.

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