Los diferentes tipos de algoritmos de consenso

Un algoritmo de consenso es un procedimiento utilizado en ciencias de la computación en el que los participantes de una red distribuida acuerdan el estado de la red o el estado de un único valor de datos y establecen confianza entre pares desconocidos en la red.

Los algoritmos de consenso están diseñados para que los miembros de una blockchain lleguen a un acuerdo para validar una transacción en la red, cambiar parámetros de la red, decidir qué nodos son confiables para procesar nuevos bloques y otras funciones importantes.

No dejes que la naturaleza técnica de este artículo te confunda; encontrar “consenso” está a nuestro alrededor en todas partes; es una noción muy humana, pero simplemente aplicada a algo que puede ser automatizado.

Para empezar, en sistemas centralizados, las tareas de consenso son realizadas por una autoridad central.

En sistemas descentralizados como Bitcoin, tenemos una red compuesta por cientos, miles e incluso cientos de miles de mineros o nodos que se unen para realizar una o múltiples tareas y proporcionar un ecosistema confiable y eficiente.

Pensando en el consenso descentralizado con este ejemplo, supongamos que estás en un grupo de cuatro amigos, y uno de los miembros, Alex, presenta a una quinta persona, Bob. Cuando Bob se va, lo más probable es que el grupo comience a hablar sobre Bob (este es el protocolo) para ver si les gustó (el resultado será el “consenso”).

José: “Bob parece un buen tipo.”

Kevin: “Sí, buen tipo. ¿Cómo lo conociste?”

Alex: “Estaba en una de mis clases de finanzas en la universidad; compartíamos consejos de trading de criptomonedas, y terminó siendo un tipo bastante divertido.”

Kevin: “Genial, pero sus memes eran muy raros.”

John: “Simplemente no entiendes la cultura de los memes.”

José: “Sí, no pasas mucho tiempo desplazándote por TikTok; pensé que eran bastante graciosos.”

En este ejemplo, se llegó a un “consenso” sobre si Bob se integra bien al grupo de amigos. A menudo hay un consenso necesario de opinión incluso en ausencia de compromisos o contratos específicos. Un participante, Kevin, es reacio a dejar entrar a Bob en el grupo, pero José, Alex y John están de acuerdo con Bob.

En este caso, si tuviéramos que codificar el ejemplo anterior en un algoritmo de consenso: Entonces será 3 “es genial” y 1 “es genial pero no estoy seguro sobre XYZ” que aún resulta en un “es genial.” La mayoría gana, así que Bob podrá pasar el rato con los chicos cool a pesar de la opinión de Kevin.

Bitcoin, por ejemplo, está diseñado para encontrar consenso sobre si las nuevas transacciones son válidas (“genial”) o no.

Aquí revisaremos los tipos de algoritmos de consenso de blockchain más populares —y no tan populares— en redes públicas y privadas.

¿Qué es Proof of Work?

Proof of Work (PoW) es el algoritmo de consenso más popular y antiguo que llegó con la creación de Bitcoin en 2009 por Satoshi Nakamoto. Un sistema PoW consiste en una red global de mineros —llamados nodos de red— que compiten para resolver acertijos matemáticos. El minero que resuelve con éxito el acertijo gana el derecho a agregar un nuevo bloque a la blockchain y recibe una recompensa pagada en criptomonedas recién creadas.

Proof of work es básicamente la forma de un minero de mostrar evidencia de que ha proporcionado poder computacional para lograr consenso en la red y validar la autenticidad de cada bloque. Además, cada bloque (transacción) se organiza en orden secuencial, eliminando el riesgo de doble gasto.

Hasta ahora, PoW ha sido el mecanismo de consenso más seguro para las blockchains de criptomonedas. Alterar la red requeriría que un atacante volviera a minar todos los bloques existentes en la cadena. Cuanto más crece la blockchain, más difícil es monopolizar el poder computacional de la red, ya que requeriría un consumo de energía enorme y equipo costoso.

Una vez que un minero resuelve un acertijo, encuentra un nonce (abreviatura de número usado una vez) que produce un hash con un valor menor o igual al establecido por la dificultad de la red.

El nonce es una parte central de los sistemas PoW, ya que permitirá al minero crear un encabezado de bloque hashado con la función hash SHA-256, lo que significa poner un número de referencia para un bloque en una cadena. El encabezado del bloque también contiene una marca de tiempo y el hash del bloque anterior.

Los Contras de PoW

Los mineros necesitan proporcionar un considerable poder computacional para resolver los acertijos. Pero dado que los cálculos son complejos, la cantidad de energía que consume un solo S9 Antminer es generalmente entre 1400 y 1500 vatios por hora para una tasa de hash de 14.5 TH/s. El S19, una versión más potente, consume 3250 vatios por hora a una tasa de hash de 110 TH/s.

Con algo de matemáticas, podemos calcular la cantidad de energía que consumen los centros de datos o las empresas mineras con cientos o miles de equipos de minería en una sola ubicación diariamente. El alto consumo de energía y el daño ambiental son las principales críticas que se hacen al proof of work.

Para poner esto en perspectiva, antes de que Ethereum cambiara a Proof of Stake, los mineros de Ethereum en todo el mundo consumían alrededor de 10 TWh/año, lo mismo que la República Checa.

El ruido fuerte también perjudica los niveles de audición humana —por encima de 80 dBa. Por eso, los equipos de minería suelen mantenerse en sótanos o instalaciones de minería para evitar perturbar las actividades cotidianas.

¿Qué es Proof of Stake?

Proof of Stake (PoS) es el segundo algoritmo de consenso más popular. En lugar de mineros, las blockchains PoS tienen validadores de red que utilizan sus monedas/tokens como evidencia de su compromiso con la red en lugar de poder computacional.

El staking significa “bloquear” activos criptográficos por un período en una plataforma blockchain, que, a cambio, recompensa a los usuarios con más criptomonedas.

PoW vs. PoS: Principales Diferencias

En PoS, los usuarios pueden apostar una porción de sus activos con el único propósito de generar ingresos pasivos. La otra opción es convertirse en un validador. A diferencia de los sistemas PoW, los validadores no compiten para crear nuevos bloques, ya que son elegidos al azar por un algoritmo. Cuantas más monedas/tokens apueste un usuario, mayores serán sus posibilidades de convertirse en un validador y crear nuevos bloques en la blockchain.

En los sistemas PoW, el tiempo para generar nuevos bloques está determinado por la dificultad de minería; cuanto más participantes se unan a la red, mayor será el poder de hash, es decir, el poder computacional requerido para minar nuevos bloques. Por el contrario, las blockchains PoS tienen un tiempo de generación de bloques fijo dividido en slots —el tiempo que tarda en crearse un bloque— y épocas, que son unidades de tiempo que consisten en slots.

Para explicar esto mejor, un slot en Ethereum consiste en 12 segundos, que es la cantidad de tiempo que tarda la red en crear un bloque, y 32 slots crean una época. Por lo tanto, una época es de 6.4 minutos. Cada slot en una blockchain PoS tiene un número predeterminado de validadores que votan sobre la validez del bloque que se propone. Si el bloque es válido, se agrega a la cadena, y el proponente del bloque y los atestadores reciben recompensas en ETH.

Las blockchains PoS castigan a los actores maliciosos por atacar la red con ataques al estilo del 51%, lo que se llama slashing, donde validadores honestos expulsan al validador malicioso de la red y drenan su saldo. Esto desanima a los actores maliciosos de atacar la red, ya que el número requerido de fondos apostados es considerablemente alto. En el caso de Ethereum, 32 ETH.

Pros de PoS:

• Menos intensivo en energía en comparación con PoW
• Más adecuado para trabajar con soluciones de capa 2 que PoW
• Capaz de lograr un mayor rendimiento ya que el consenso se establece antes de que se pasen los bloques.
• Menos costoso que las blockchains PoW ya que no requiere hardware de élite para crear nuevos bloques.

Contras de PoS

• Los sistemas PoS aún están sujetos a la centralización si los validadores con un gran número de tokens apostados pueden influir en la red.
• Menos probado en términos de seguridad en comparación con las blockchains PoW.

¿Qué es Proof of History?

Proof of History (PoH) es un algoritmo de consenso presentado por la blockchain de Solana y consiste en colocar una marca de tiempo en todos los eventos de la red para probar que tuvieron lugar en un momento dado. PoH se puede describir como un reloj criptográfico que confirma transacciones en orden secuencial.

Solana combina su enfoque PoH con PoS. Por lo tanto, los participantes de la red deben apostar SOL para convertirse en validadores y procesar nuevos bloques, y el mecanismo PoH verifica la validez de esas transacciones que ocurren en tiempo real. En otras palabras, PoH mantiene la seguridad, mientras que PoS trae una red de validadores que pueden verificar las marcas de tiempo y confirmar las transacciones.

Sin embargo, Solana sacrifica la descentralización para proporcionar un rendimiento de transacción ultrarrápido. La blockchain se basa en una arquitectura semicentralizada en la que un solo nodo es elegido como líder, encargado de implementar una única fuente de tiempo, es decir, el reloj PoH, y todos los demás nodos deben seguir las secuencias de tiempo en consecuencia. Los líderes son elegidos periódicamente a través de elecciones PoS.

Mientras Solana es una de las blockchains más rápidas de la industria, sufre regularmente de tiempos de inactividad. Desde su lanzamiento en 2020, la red ha sufrido aproximadamente diez tiempos de inactividad, cinco de los cuales ocurrieron en 2022. La principal razón de estas interrupciones es un “nodo mal configurado.”

¿Qué es Delegated Proof of Stake?

Delegated Proof of Stake (DPoS) es una variación del concepto de PoS en la que la comunidad juega un rol central.

En las blockchains DPoS, los miembros de la comunidad apuestan sus criptomonedas para votar por los próximos testigos o delegados para la producción de bloques. Para hacer esto, los usuarios deben agrupar sus tokens en el fondo de staking de la blockchain y luego vincular los fondos a un delegado específico.

DPoS fue desarrollado por el ex CTO de EOS, Dan Larimer, quien implementó el algoritmo en BitShares en 2015. Larimer y otros defensores de DPoS han dicho que DPoS amplía el alcance democrático ya que es la comunidad la que elige al próximo validador. Hoy en día, blockchains como TRON y Cardano utilizan DPoS.

Sin embargo, la crítica hacia DPoS es que su metodología favorece a los usuarios adinerados. Aquellos con un gran número de tokens pueden tener una mayor influencia en la red. Vitalik Buterin fue uno de los primeros detractores de DPoS, afirmando en una publicación de blog que este algoritmo de consenso incentiva a los testigos a formar cárteles y sobornar a los votantes para obtener apoyo.

¿Qué es Proof of Authority?

Proof of Authority (PoA) es un algoritmo de consenso en el que solo los miembros autorizados pueden interactuar con la blockchain, realizar transacciones, hacer o sugerir cambios en los parámetros de la red, revisar el historial de transacciones, etc.

El término fue acuñado por Gavin Wood, un desarrollador de blockchain que cofundó Ethereum, Polkadot y Kusama Network.

En una blockchain PoA, todo gira en torno a la reputación: los participantes de la red están apostando sus identidades en lugar de monedas. Proporcionan un nivel más alto de escalabilidad y rendimiento, ya que solo depende de un número limitado de validadores. Podemos pensar que este es un modelo altamente centralizado, pero las blockchains PoA suelen ser privadas y se adaptan mejor a empresas y organizaciones que utilizan tecnología blockchain para mejorar negocios y sistemas operativos.

¿Qué es Proof of Elapsed Time?

Proof of Elapsed Time (PoET) es otro algoritmo de consenso que funciona mejor con blockchains privadas.

El algoritmo PoET fue presentado por primera vez por desarrolladores de software de Intel e implementado en Hyperledger Sawtooth, dirigido a blockchains privadas e instituciones.

El algoritmo puede no ser tan popular como otras blockchains, ya que no fue definido adecuadamente. Pero la idea era presentar un motor listo para usar, al estilo de Nakamoto, que permitiera a las blockchains privadas elegir al próximo productor de bloques. ¿Y cómo diferencian? Bueno, el algoritmo genera un “tiempo de espera aleatorio” para cada nodo de la red, y durante ese tiempo el nodo debe “dormir.” El nodo con el período de espera más corto se despierta primero y gana el derecho a producir un bloque en la cadena.

Así que, la principal diferencia es que los mineros en PoET no están funcionando 24/7 y consumen menos energía. Además, en una red PoW, los mineros compiten para hash el próximo encabezado de bloque, mientras que en PoET es más un sistema de selección aleatoria.

Preguntas Frecuentes sobre Algoritmos de Consenso:

¿Se volverá Ethereum más rápido ahora que ha pasado a PoS?

Una idea errónea común es que Ethereum escalará automáticamente ahora que es una blockchain basada en PoS. Sin embargo, esta transición se realizó para mejorar Ethereum al:

• Reducir el consumo de energía
• Reducir las barreras de entrada al eliminar los requisitos de hardware
• Permitir sanciones económicas por el mal comportamiento de los nodos
• Introducir un nuevo modelo para las emisiones de tokens
• Y una mejor infraestructura para trabajar con soluciones de capa 2 de Ethereum.

¿Qué son las blockchains sin permiso y con permiso?

Una blockchain sin permiso se refiere a una blockchain pública en la que cualquiera puede realizar transacciones, revisar el historial de transacciones, apostar monedas, convertirse en validador, etc. Por otro lado, en las blockchains con permiso (privadas), solo los miembros con permiso pueden acceder a la red para realizar transacciones, interactuar con nodos de la red, rastrear la actividad en cadena, etc.

¿Es PoW el algoritmo de consenso más seguro? PoW tiene su parte justa de desventajas, pero hasta ahora, ha sido la forma más probada y confiable de mantener el consenso y la seguridad de una red en una blockchain.

Reflexiones Finales: algoritmo de consenso explicado

La blockchain es una tecnología capaz de resolver muchos desafíos y puntos críticos dentro de diferentes industrias, no solo banca y finanzas. Sin embargo, tiene sus propios inconvenientes. Por lo tanto, los desarrolladores han creado múltiples tipos y versiones de algoritmos de consenso para abordar problemas comunes, como la centralización, la falta de escalabilidad y el bajo rendimiento.

Pero hablar sobre el futuro de los algoritmos de blockchain es difícil debido a un desafío: El Trilema de Blockchain. Primero descrito por Vitalik Buterin, establece la incapacidad de las redes blockchain para proporcionar dos de los tres beneficios: descentralización, seguridad y escalabilidad. Hay varias plataformas blockchain, como Fantom y Solana, que han implementado sus propias versiones híbridas de algoritmos de consenso en un intento de resolver el trilema de blockchain, pero ninguna ha tenido realmente éxito hasta ahora.

Se han hecho otros enfoques técnicos para mejorar las propiedades de la blockchain, y uno de los más populares son las soluciones de capa 2, que son cadenas conectadas a una capa 1, por ejemplo, Arbitrum con Ethereum, y el sharding, que divide toda la blockchain en muchas redes más pequeñas. Buterin considera el sharding como el mejor enfoque para proporcionar las tres propiedades de una blockchain perfecta.