Algoritmos de consenso en la blockchain

Las redes de criptomonedas difieren entre sí en la organización del trabajo. Dado que existe descentralización, es necesario implementar un registro distribuido. Esto es necesario para conciliar las transacciones evitando costes adicionales.

En este artículo, nos centraremos en los populares algoritmos de blockchain para conocer sus funciones y los factores que afectan al rendimiento y a la seguridad.

¿Qué es un algoritmo de consenso de blockchain?

Un mecanismo de consenso es un procedimiento mediante el cual todos los pares de una red alcanzan un acuerdo general sobre el estado actual del registro distribuido. Así, los algoritmos de consenso garantizan la fiabilidad en la red blockchain y establecen relaciones de confianza entre socios desconocidos en un entorno de computación distribuida. Un protocolo negociado asegura que cada nuevo bloque que se añade a una cadena de bloques sea la única versión de la verdad acordada por todos los nodos de esa cadena. Los modelos de consenso de blockchain constan de algunos objetivos específicos, como alcanzar un acuerdo, la cooperación, la igualdad entre nodos y la participación obligatoria de cada nodo en el proceso de negociación. Así, el algoritmo de consenso pretende encontrar un acuerdo común que beneficie a toda la red. Además, este algoritmo implementa:

• frecuencia de generación de bloques;
• evitar el riesgo de que se carguen fondos adicionales;
• verificación de los datos del bloque.

En pocas palabras, el algoritmo de consenso evita errores en las redes descentralizadas. Además, la tarea del mecanismo es implementar condiciones mutuamente beneficiosas para todos los participantes.

Algoritmos de consenso: tipos

Las monedas digitales se desarrollan en diversas blockchains. Los algoritmos de consenso también varían en esas blockchains.

Más del 90% del mercado de las criptomonedas se basa en tres principales algoritmos armonizados:

Proof of Work (PoW)

Proof of Stake (PoS)

Delegated Proof of Stake (DPoS)

Sin embargo, consideraremos no solo los mecanismos subyacentes, sino también otros que, aunque no hayan sido adoptados por muchos proyectos, son muy interesantes de explorar y pueden desempeñar un papel importante en nuestro futuro.

1. Proof of Work (PoW)

Este algoritmo de consenso se utiliza para seleccionar al minero que generará el siguiente bloque de la cadena. Bitcoin, Litecoin y muchos otros mastodontes de la industria blockchain utilizan PoW en su funcionamiento. La idea principal de este algoritmo es resolver un complejo problema matemático aleatorio generado por una blockchain y difundir una solución. Una característica de este algoritmo es la complejidad de resolver el problema, pero puede volver a verificarse fácilmente. Este rompecabezas matemático requiere una gran potencia de cálculo y, por ello, el nodo que resuelve el rompecabezas antes que el resto puede producir el siguiente bloque. PoW trata de garantizar que un ataque a la red sea excesivamente costoso y requiera altos gastos energéticos, ya que los mineros consumen energía para proporcionar servicios de medición y seguridad de la red. Entre las desventajas de este mecanismo se consideran la escalabilidad limitada y el bajo rendimiento.

2. Proof of Stake (PoS)

Quizá esta sea la alternativa más común a PoW: incluso Ethereum había pasado recientemente de un consenso PoW a PoS. En este tipo de algoritmo de consenso, en lugar de invertir en equipos costosos para resolver un rompecabezas complejo, los llamados validadores invierten en monedas de la red, bloqueando parte de sus monedas como apuesta (staking). Después de eso, todos los validadores comienzan a verificar los bloques, apostando por el bloque que creen que puede añadirse a la cadena. En función de los bloques reales añadidos a la blockchain, todos los validadores reciben una recompensa proporcional a sus tasas, y su participación aumenta en consecuencia. Al final, para generar un nuevo bloque, el validador se selecciona en función de su participación económica en la red. Así, el algoritmo PoS incentiva a los validadores mediante un mecanismo de incentivos para alcanzar el consenso. Entre las ventajas de este mecanismo se consideran una mayor escalabilidad a nivel base y un posible ahorro energético en comparación con PoW. Las desventajas incluyen el riesgo de centralización, que a su vez conduce a una disminución de la seguridad. Ethereum, Peercoin, Lisk, PIVX y otras blockchains operan con PoS.

3. Delegated Proof Of Stake (DPoS)

El mecanismo DPoS es una evolución de PoS, pero es un tipo diferente de algoritmo de consenso basado en sistemas de votación. En lugar de seleccionar nodos individuales aleatoriamente para realizar una verificación, la comunidad de poseedores de tokens utiliza su participación (apuesta) para votar por un número seleccionado de nodos de confianza, a menudo llamados delegados. Ellos son responsables de verificar las transacciones y mantener la red, y reciben como recompensa una parte de las comisiones de transacción. DPoS puede compararse con una democracia representativa: los participantes votan por un representante de confianza para proteger la red en su nombre. Los votantes pueden sustituir a los delegados si actúan en contra de los intereses de la mayoría de las partes interesadas. El algoritmo DPoS fue inventado por Dan Larimer y se utiliza en proyectos en los que se originó, como BitShares, Steem y EOS, pero también tiene demanda en otras redes, como Tezos y Ark. Las ventajas de DPoS son la alta escalabilidad y una distribución más amplia de la inflación (una distribución más uniforme de los tokens recién emitidos entre los validadores), y las desventajas son una seguridad insuficiente y una tendencia constante hacia la centralización de la red.

4. Proof of Elapsed Time (PoET)

PoET es uno de los algoritmos de consenso más justos, ya que selecciona el siguiente bloque utilizando únicamente medios honestos. Se utiliza ampliamente en muchas blockchains privadas y corporativas, en particular Hyperledger. En este algoritmo, cada validador de la red obtiene una oportunidad real de crear su bloque. Todos los nodos lo hacen esperando un intervalo de tiempo aleatorio y añadiendo al bloque un acuse de recibo de su espera. Los bloques creados se transfieren a la red para su consideración por el resto de los participantes. El ganador es el validador que tiene el valor de temporizador más bajo en la parte de prueba. El bloque del nodo validador ganador se añade a la blockchain. Hay comprobaciones adicionales en el algoritmo para evitar que un nodo concreto gane siempre la elección, generando el valor de temporizador más bajo. En cuanto a las ventajas: se puede destacar la alta eficiencia y el bajo consumo de recursos; como desventajas, un bajo nivel de seguridad y la dependencia de un tercero que desarrolla un conjunto de instrucciones para el procesador.

5. Proof of Authority (PoA)

PoA es un algoritmo de consenso basado en la reputación que utiliza el valor de la identidad y la reputación de los validadores de bloques. En marzo de 2017, el equipo de desarrollo de Ethereum, liderado por Gavin Wood, propuso PoA como solución para los ataques de spam en la red de pruebas Ropstein de Ethereum. PoA se parece a PoS, excepto que los validadores, en lugar de monedas, aportan su reputación. Los nodos/validadores de confianza son elegidos por los líderes de la red, lo que hace que PoA solo sea útil para blockchains privadas. Se utiliza en VeChain Thor, Microsoft Azure y otros. Ventajas: alta velocidad de transacción, escalabilidad y bajo coste de mantenimiento de la red. Desventajas: renuncia a la descentralización y posible comportamiento malicioso de los participantes de la red, algo casi imposible de evitar.

6. Proof of Capacity (PoC)

En el consenso Proof of Capacity, los validadores invierten espacio de su disco duro en lugar de invertir en equipos costosos o quemar monedas. Cuantos más medios tengan para comprobar el espacio del disco duro, más posibilidades tendrán de participar en la minería del siguiente bloque y recibir una recompensa por él. Al usar almacenamiento en lugar de cómputo con ASICs, las blockchains basadas en PoC son mucho más eficientes energéticamente. PoC cuenta con proyectos como Filecoin, Storj y Burstcoin. La ventaja obvia de este enfoque es la eficiencia energética; las desventajas residen en una seguridad insuficiente debido a la exposición a ataques.

También existen otros algoritmos de consenso, como:

• Proof of Activity;
• Proof of Space and Time;
• Proof of Weight;
• Proof of Storage;
• Proof of Importance;
• Proof of Participation;
• Proof of History;
• Leased Proof of Stake;
• Proof of Burn;
• Practical Byzantine Fault Tolerance.

Pero su uso en este momento puede atribuirse más a casos privados e innovaciones, lo que puede servir como tema para un artículo aparte.

Resumen

Cada uno de los algoritmos presentados tiene sus puntos fuertes y débiles, así como posibles usos. Considerándolo desde esta perspectiva, es razonable asumir que no compiten entre sí. Es importante elegir uno de forma razonable según los requisitos de la red empresarial. 

La implementación de PoW es segura y descentralizada. PoW es un excelente mecanismo de consenso para las criptomonedas. Sin embargo, es completamente inadecuado para las redes sociales y los juegos blockchain. 

En la naciente industria blockchain, es importante seguir investigando para descubrir nuevas arquitecturas de blockchain. Los nuevos mecanismos de consenso abrirán nuevas opciones para el uso de la tecnología blockchain y de criptomonedas en particular.