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 se diseñan para que los miembros de una blockchain lleguen a un acuerdo para validar una transacción en la red, cambiar parámetros de 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 aplicada a algo que puede automatizarse.

**Para empezar, en sistemas centralizados, las tareas de consenso las realiza 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 fiable y eficiente.

Pensando en el consenso descentralizado con este ejemplo, supón 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 empiece a hablar sobre Bob (esto es el protocolo) para ver si les gustó (el resultado será el “consenso”)

José: “Bob parece un tipo genial.”

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

Alex: “Estaba en una de mis clases de finanzas en la universidad; compartiríamos consejos de trading de cripto y al final resultó ser un tipo bastante divertido.”

Kevin: “Qué bien, pero sus memes eran súper raros.”

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

José: “Sí, tampoco paso mucho tiempo desplazándome por TikTok; me parecieron bastante divertidos.”

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

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

Bitcoin, por ejemplo, está construido para encontrar consenso sobre si las nuevas transacciones son válidas (“geniales”) 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 más 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 el acertijo con éxito gana el derecho de añadir un nuevo bloque a la blockchain y recibe una recompensa pagada en una criptomoneda recién creada.

La prueba de trabajo es básicamente la manera en que un minero demuestra que ha proporcionado poder computacional para lograr el consenso de 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 blockchains de criptomonedas. Alterar la red requeriría que un atacante re-minara todos los bloques existentes en la cadena. Cuanto más crece la blockchain, más difícil es monopolizar el poder de cómputo de la red, ya que requeriría un consumo de energía enorme y equipos costosos.

Una vez que un minero resuelve un acertijo, encuentra un nonce (abreviatura de número usado una sola 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 le permitirá al minero crear un encabezado de bloque hasheado 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 poder computacional considerable para resolver los acertijos. Pero como los cálculos son complejos, la cantidad de energía que consume un único S9 Antminer suele estar entre 1400 – 1500 vatios por hora para una hashrate de 14.5 TH/s. El S19, una versión más potente, consume 3250 vatios por hora con una hashrate de 110 TH/s.

Con algo de matemáticas, podemos calcular la cantidad de energía que los centros de datos o las empresas mineras consumen con cientos o miles de equipos de minería en una sola ubicación a diario. El alto consumo de energía y el daño ambiental son la principal crítica que se hace a la prueba de trabajo.

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

El ruido fuerte también daña los niveles de audición humana —por encima de 80 dBa. Por eso, normalmente los equipos de minería se mantienen en sótanos o instalaciones de minería para evitar molestar 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 usan sus monedas/tokens como evidencia de su compromiso con la red, en lugar de usar poder de cómputo.

Hacer staking significa “bloquear” activos cripto por un período en una plataforma blockchain, y, a cambio, recompensa a los usuarios con más criptomoneda.

PoW vs. PoS: Diferencias principales

En PoS, los usuarios pueden hacer staking de una parte 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 un algoritmo los elige aleatoriamente. Cuantas más monedas/tokens haga staking un usuario, mayores serán sus probabilidades de convertirse en un validador y crear nuevos bloques en la blockchain.

En los sistemas PoW, el tiempo para generar nuevos bloques lo determina la dificultad de minado; cuanto más participantes se unan a la red, mayor será la hashpower, es decir, el poder computacional necesario para minar nuevos bloques. En cambio, las blockchains PoS tienen un tiempo fijo de generación de bloques dividido en slots —el tiempo que toma crear un bloque— y epochs, que son unidades de tiempo compuestas por slots.

Para explicarlo mejor, un slot en Ethereum consiste en 12 segundos, que es el tiempo que le toma a la red crear un bloque, y 32 slots crean un epoch. Por lo tanto, un epoch 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 añade a la cadena, y el proponente del bloque y los attestors reciben recompensas en ETH.

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

Ventajas de PoS:

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

Desventajas de PoS

• Los sistemas PoS todavía están sujetos a la centralización si los validadores con una gran cantidad de tokens en staking 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 a todos los eventos en la red para demostrar que ocurrieron en un momento dado. **PoH puede describirse como un reloj criptográfico que confirma transacciones en orden secuencial.

Solana combina su enfoque de PoH con PoS. Por lo tanto, los participantes de la red tienen que hacer staking de 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 aporta una red de validadores que pueden verificar las marcas de tiempo y confirmar las transacciones.

Sin embargo, Solana sacrifica la descentralización para ofrecer un rendimiento de transacciones ultrarrápido. La blockchain se apoya en una arquitectura semidescentralizada en la que un único nodo es elegido como el líder, que es el 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 se eligen periódicamente mediante elecciones PoS.

Aunque Solana es una de las blockchains más rápidas de la industria, regularmente sufre caídas. Desde su lanzamiento en 2020, la red ha sufrido aproximadamente diez caídas, cinco de las cuales ocurrieron en 2022. La razón principal 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 desempeña un papel central.**

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

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 quien elige el siguiente validador. Hoy, blockchains como TRON y Cardano usan DPoS.

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

¿Qué es Proof of Authority?

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

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

En una blockchain PoA, **todo se trata de reputación: los participantes de la red están haciendo staking de 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 esto es un modelo fuertemente centralizado, pero las blockchains PoA normalmente son privadas y se ajustan mejor a empresas y organizaciones que usan 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 podría no ser tan popular como otras blockchains porque no se definió adecuadamente. Pero la idea era presentar un motor listo para usar, estilo Nakamoto, que permitiera a las blockchains privadas elegir el siguiente productor de bloques. ¿Y en qué se diferencian? Bueno, el algoritmo genera un “tiempo de espera aleatorio” para cada nodo de la red, y durante ese tiempo el nodo debe “dormirse”. El nodo con el periodo de espera más corto se despierta primero y gana el derecho de producir un bloque en la cadena.

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

Preguntas frecuentes sobre algoritmos de consenso:

¿Ethereum se volverá más rápido ahora que ha cambiado a PoS?

Un malentendido común es que Ethereum escalará automáticamente ahora que es una blockchain basada en PoS. Sin embargo, esta transición se hizo para mejorar Ethereum mediante:

• Reducir el consumo de energía
• Reducir las barreras de entrada eliminando requisitos de hardware
• Permitir penalizaciones económicas por mala conducta de nodos
• Introducir un nuevo modelo para las emisiones de tokens
• Y una mejor infraestructura para trabajar con soluciones de Ethereum Layer-2.

**¿Qué son blockchains permissionless y permissioned?: **

Una blockchain permissionless se refiere a una blockchain pública en la que cualquiera puede realizar transacciones, revisar el historial de transacciones, hacer staking de monedas, convertirse en un validador, etc. En cambio, en blockchains permissioned (privadas), solo los miembros con permiso pueden acceder a la red para realizar transacciones, interactuar con nodos de red, rastrear actividad on-chain, 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

Blockchain es una tecnología capaz de resolver muchos desafíos y puntos problemáticos dentro de diferentes industrias, no solo banca y finanzas. Sin embargo, también tiene su propia cuota de contratiempos. Por eso, 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 Blockchain Trilemma. Explicado primero por Vitalik Buterin, afirma 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 por resolver el trilema de blockchain, pero ninguna ha sido realmente exitosa hasta ahora.

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