Proof-of-work vs. Proof-of-stake
Guía para principiantes
Proof-of-work (PoW) y proof-of-stake (PoS) son los dos mecanismos de consenso más habituales que usan las redes de blockchain públicas. Estos sistemas aportan seguridad a la red e incentivan a un grupo descentralizado de participantes a cooperar para que la red funcione.
Cualquier persona puede participar en un sistema público basado en blockchain. Ninguna empresa, banco central o Gobierno gestiona por sí solo el funcionamiento de estas redes. Esto quiere decir que nadie ostenta un control directo sobre blockchains populares, como Bitcoin, Ethereum, Dogecoin o Monero.
Ello se debe a que estas tecnologías están descentralizadas. Al igual que sucede con Internet, no existe una persona o grupo responsable de su conservación y mantenimiento. En su lugar, esta responsabilidad se comparte entre miles de personas en todo el mundo. Sin embargo, con la descentralización surgen algunas preguntas importantes:
- ¿Cómo se crea un sistema fiable y sin intermediarios que sea resistente a los agentes maliciosos?
- Si cualquiera puede unirse a una red, ¿cómo se promueve la participación honesta y se disuade a los agentes malintencionados?
- Sin un gestor general, ¿cómo se elige quién puede proponer, verificar y registrar datos en la blockchain?
Aquí es donde entran en juego el proof-of-work (PoW) y el proof-of-stake (PoS), más conocidos como mecanismos de consenso de la blockchain.
¿Qué es un mecanismo de consenso?
El consenso hace referencia a un acuerdo sobre un determinado dato entre un sistema o grupo de personas.
El consenso de la blockchain es un estado de acuerdo entre una red distribuida de ordenadores en lo relativo al orden y la validez de la información que se almacena en una base de datos compartida.
La blockchain de Bitcoin y otras blockchains posteriores fueron revolucionarias porque dieron solución a un problema que llevaba mucho tiempo sin resolverse: el problema de los generales bizantinos.
El problema de los generales bizantinos es un problema clásico de la informática distribuida que trata la cuestión de la confianza. Es un problema de consenso entre pelotones distribuidos, donde varios generales intentan coordinar un ataque a una ciudad. Según el problema, los generales no pueden comunicarse directamente entre sí y algunos de ellos pueden ser traidores que envían mensajes falsos a los otros.
En el contexto de las blockchains, el problema de los generales bizantinos es una cuestión de consenso. En una red de blockchain, hay múltiples nodos que intentan llegar a un consenso sobre el estado del libro mayor. Sin embargo, algunos de los nodos pueden ser maliciosos e intentar enviar información falsa a los otros nodos. El problema es que los demás nodos deben poder confiar en la información que reciben para poder llegar a un consenso.
Las blockchains resuelven el problema de los generales bizantinos mediante el uso de un algoritmo de consenso para incentivar a todos los participantes de la red a ponerse de acuerdo sobre una única versión de la verdad. Esto se logra haciendo que cada nodo de la red valide las transacciones y llegue a un acuerdo sobre la validez de la transacción. Luego, el sistema registra este consenso en la blockchain, creando así una fuente de verdad inmutable, segura y compartida colectivamente. El mecanismo de consenso garantiza que todos los participantes de la red tengan la misma versión de la verdad y que la transacción sea válida.
Los científicos informáticos concibieron este problema en la década de 1980, pero sus conceptos subyacentes provienen de un campo más antiguo de la economía; la teoría de los juegos. Los matemáticos John Von Neumann y Oskar Morgenstern fueron pioneros en la teoría de los juegos 30 años antes del problema de los generales bizantinos. Su investigación analizó los resultados de los juegos basándose en los comportamientos individuales de los jugadores, las recompensas y los castigos.
Los mecanismos de consenso de la blockchain incorporan estos principios teóricos. Se incentiva a los jugadores que participan en una red de blockchain a actuar honestamente, tanto por ellos mismos como por el bien de la red. Los actores malintencionados, por otro lado, afrontan sanciones por su comportamiento deshonesto.
Lo interesante es entender las formas totalmente diferentes que emplean los sistemas PoW y PoS para lograr el consenso sin intermediarios.
¿Qué es proof-of-work (PoW)?
Proof-of-work es un tipo de mecanismo de consenso que requiere que los usuarios de la red, llamados “mineros”, dediquen capacidad informática para completar una tarea.
El mecanismo de consenso de proof-of-work (PoW) se presentó por primera vez a principios de los años 90 como un sistema para evitar el correo no deseado. El método requería que los usuarios resolvieran un problema criptográfico antes de poder enviar un email.
En el caso de los usuarios legítimos que solo enviaban algunos emails, resolver esta única prueba criptográfica era una tarea fácil. Sin embargo, para un actor poco honrado que pretenda enviar correos electrónicos no deseados en masa, la tarea resultaba mucho más costosa, ya que requería potencia computacional.
Bitcoin y proof-of-work
En enero de 2009, el autor del white paper de Bitcoin, con el seudónimo Satoshi Nakamoto, lanzó el protocolo de Bitcoin. Este sistema de efectivo electrónico de igual a igual presentaba una versión adaptada del mecanismo PoW para resolver el problema de los generales bizantinos.
El mecanismo de consenso PoW usado en el protocolo de Bitcoin incorpora una competición basada en la criptografía. Los usuarios compiten por el derecho a proponer nuevas entradas en el libro mayor usando sus ordenadores.
A través del proceso de minería de bitcoin, los mineros generan códigos aleatorios de longitud fija llamados hashes. Para crear estos hashes, ejecutan entradas al azar a través de un algoritmo de hashing criptográfico. De este modo, se obtienen códigos únicos de 64 hexadecimales (códigos que solo contienen números del 0 al 9 y letras de la A a la F).
Los mineros generan hashes de forma aleatoria hasta que uno tiene en la parte delantera los mismos ceros o más que el hash objetivo.
El hash objetivo es un número fijado por el algoritmo de ajuste de dificultad del protocolo de la blockchain.
Cuando un minero con éxito supera el hash objetivo, obtiene el derecho a proponer un nuevo bloque de transacciones para unirse a la blockchain. Si la red considera válido el bloque propuesto, el minero recibe una recompensa por bloques a cambio de sus esfuerzos. En cambio, si la red determina que el bloque no es válido o es fraudulento, los nodos rechazan el bloque y el esfuerzo del minero se desperdicia.
Si quieres saber más sobre la criptografía en la que se basan las criptomonedas, puedes consultar nuestra guía para principiantes sobre cómo las criptomonedas usan la criptografía.
Incentivos y distribución de recompensas
A cambio de su esfuerzo, los mineros que tienen éxito ganan bitcoins recién acuñados y cualquier tarifa aplicable a las transacciones que hayan añadido al nuevo bloque. A este reconocimiento se le conoce como recompensa por bloques.
Los mineros individuales pueden combinar sus recursos informáticos usando grupos de minería para aumentar sus probabilidades de ganar la competición minera. Cualquier recompensa por bloques que se haya obtenido se divide proporcionalmente entre los participantes del grupo.
Las recompensas por bloques suelen cumplir una política monetaria estricta y predefinida en la que las recompensas se reducen sistemáticamente con el tiempo. Bitcoin, por ejemplo, reduce a la mitad el número de monedas recién acuñadas concedidas por bloque cada 210.000 bloques (aproximadamente una vez cada cuatro años). Con el tiempo, esta reducción, conocida como halving de Bitcoin, hace disminuir la emisión de nuevas monedas para su puesta en circulación.
Puedes leer más sobre los halvings de Bitcoin en el informe de Kraken Intelligence, The Halving:Trends & Implications of Bitcoin's Supply Inflation Mechanism.
Verificación y emisión
Una vez que el minero ganador ha propuesto un nuevo bloque de transacciones, los mineros restantes de la red verifican de forma independiente esas transacciones. Una vez que llegan a un consenso sobre la validez de la información almacenada en el bloque, este se une permanentemente a la blockchain.
Al exigir que todos los usuarios de la red confirmen de forma independiente las transacciones propuestas antes de finalizarlas, es casi imposible gastar dos veces el balance propio. La posibilidad de gastar dos veces las mismas monedas solo se convierte en una amenaza si el 51% o más de los validadores son poco honestos. Sin embargo, este tipo de ataque se vuelve exponencialmente más difícil de llevar a cabo a medida que crece la red de blockchain.
Después de que finalice la competición de minería para cada nuevo bloque, todo vuelve a empezar basándose en el tiempo de bloque que cada protocolo está programado para seguir. En el caso de Bitcoin, se descubren nuevos bloques aproximadamente cada 10 minutos, pero los tiempos de bloque varían entre las distintas criptomonedas. Otras criptomonedas, como Litecoin y ZCash, crean nuevos bloques cada 2,5 minutos y 75 segundos, respectivamente.
Esta característica no solo mantiene la seguridad de la red, sino que también garantiza que las nuevas unidades de criptomoneda se pongan en circulación a un ritmo fijo y predeterminado.
Ventajas e inconvenientes del PoW
Una de las ventajas de utilizar un sistema PoW es la seguridad. Las transacciones fraudulentas en blockchains de PoW consolidadas requieren ingentes cantidades de potencia computacional para ejecutarse.
Los actores poco honestos solo pueden cometer fraude si controlan la mayoría, o más del 50%, de la potencia computacional de la red. Este tipo de vulnerabilidad se conoce como ataque del 51%. Si alguien pudiera controlar más del 51% de la red, podría reordenar las transacciones, duplicar los balances y bloquear ciertos pagos entrantes.
Es muy difícil atacar los sistemas de PoW porque se necesitan equipos especializados y una enorme cantidad de energía para explotar la red.
Sin embargo, la cantidad de energía que consumen las blockchains basadas en PoW es una crítica común entre los detractores de las criptomonedas. Con todo, es importante considerar que este consumo es una característica intencional. En la mayoría de los casos, cuanto mayor sea el poder de hash, mayor será la seguridad de la red.
Para distinguir entre hechos y ficción en el sector de la criptominería, consulta nuestra guía Desmontando los mitos sobre las criptomonedas: Guía "Bitcoin está destruyendo el medioambiente".
En última instancia, para maximizar las ganancias, los mineros de PoW deben mantener sus gastos operativos en los niveles más bajos posibles y obtener energía barata y fiable. Muchos mineros usan una combinación de energías sostenibles para mantener los costes en niveles reducidos y mitigar las preocupaciones medioambientales.
Ejemplos de blockchains de proof-of-work
¿Qué es proof-of-stake (PoS)?
A diferencia de la competencia directa del proof-of-work, el proof-of-stake (PoS) usa un conjunto de incentivos diferentes para garantizar que los participantes de la red actúen con honestidad.
Tres años después del lanzamiento del Bitcoin, dos desarrolladores llamados Scott Nadal y Sunny King crearon el mecanismo de consenso de PoS. Su objetivo principal era elaborar un sistema energéticamente más eficiente que el proof-of-work.
Con el proof-of-stake (PoS), los participantes de la red compran y bloquean los tokens nativos de un protocolo para validar nuevos bloques de transacciones. A cambio, pueden ganar recompensas de staking (normalmente se abonan como intereses sobre los activos en staking).
Muchas blockchains de PoS líderes, como Ethereum, Cardano, Algorand y Polkadot, emplean sus propios algoritmos de selección para elegir qué participantes obtienen el derecho a proponer nuevos bloques.
Los participantes con más tokens en staking generalmente tienen más probabilidades de validar nuevos bloques, pero hay un grado de aleatoriedad programado en estos algoritmos particulares.
Esta aleatorización está diseñada para mejorar la equidad e implica que todos los participantes del staking tienen la posibilidad de ganar recompensas.
Ignite (anteriormente llamado Tendermint) es otro mecanismo de consenso popular de estilo PoS mediante el cual los validadores realizan votos de confirmación y previos a la votación y la asignación para los nuevos bloques que se unen a la blockchain. Los bloques con una mayoría de ⅔ de votos quedan asignados a la blockchain.
El PoS usa un enfoque similar al del PoW para incentivar el comportamiento honesto, ya que exige a los validadores que inviertan su propio dinero. Asimismo, el coste varía mucho según los protocolos, incluido el relativo a la ejecución de nodos validadores.
El equipo de nodo validador de PoS suele ser mucho menos costoso en general en comparación con el equipo necesario para extraer de forma rentable criptomonedas de PoW populares, como Bitcoin (BTC).
Incentivos y distribución de recompensas
En la mayoría de las blockchains de PoS, los validadores de la red son nominados para verificar bloques de transacciones, en lugar de enfrentarse entre sí para proponer nuevos bloques. A cambio, los validadores obtienen recompensas, a veces en forma de intereses anuales fijos, por contribuir a la seguridad de la red.
Las personas que carecen de la experiencia técnica o no reúnen los requisitos mínimos de activos para convertirse en un validador de PoS independiente pueden combinar sus fondos con los de otros inversores.
En este caso, varios inversores más pequeños pueden agrupar fondos para formar una única unidad de participación. Se elige a personas o grupos de personas con conocimientos especializados para que mantengan y operen estos grupos de staking. A continuación, los inversores dividen las recompensas proporcionalmente entre ellos y los operadores del grupo de staking.
Así como los mecanismos de consenso de PoS incitan a los validadores a comportarse honestamente, también pueden imponer penalizaciones por no ajustarse a las reglas del protocolo. Si un validador u operador delegado de un grupo de staking actúa de manera fraudulenta, algunos protocolos pueden confiscar parcial o completamente sus activos en staking. Este mecanismo, conocido como "slashing", incentiva aún más el buen comportamiento en la red.
Verificación y emisión
Para participar en el proceso de staking, la mayoría de los protocolos de blockchain de PoS requieren que los usuarios bloqueen antes una cantidad mínima de tokens.
En el caso de la nueva blockchain de PoS de Ethereum, se necesitan 32 ether, la criptomoneda nativa de la blockchain, para convertirse en un validador. Sin embargo, han surgido protocolos de staking líquidos que reducen drásticamente esta enorme barrera de entrada.
En la blockchain de PoS de Polkadot, el requisito de staking mínimo puede ser tan bajo como 10 DOT o tan alto como 350 DOT. DOT es la criptomoneda nativa de Polkadot.
Al igual que ocurre en las blockchains basadas en PoW, la red debe verificar de forma independiente los bloques de transacciones recientemente propuestos en las blockchains de PoS antes de que puedan unirse a la blockchain.
Las cadenas de PoS también siguen un calendario de emisión transparente que permite a toda la red ver cómo las nuevas monedas entran en circulación.
Ventajas e inconvenientes del PoS
La principal ventaja de las blockchains de proof-of-stake es que son significativamente más eficientes en términos energéticos que los protocolos PoW. Como se designa a los validadores del PoS para validar bloques en lugar de competir con equipos costosos, usan menos energía.
El principal inconveniente de los mecanismos de consenso de PoS son los problemas de centralización del staking.
En las blockchains de PoS, la cantidad de tokens con los que se hace staking determina principalmente la probabilidad de que el titular resulte seleccionado para validar bloques de transacciones y ganar recompensas. Por esto, los sistemas de PoS podrían favorecer a aquellos con más tokens, en detrimento de quienes tengan menos activos en juego, lo que algunos consideran que conduce a la centralización de la red.
Debido a esta deficiencia, son muchos los que piensan que un número reducido de grandes grupos de staking y de grandes inversores podrían hacerse con el control centralizado de la validación de los bloques. Este factor va en contra de los principios básicos de la criptomoneda y reduce la seguridad general de la red.
Otro problema para algunas blockchains de PoS es la iliquidez. A veces, los usuarios no pueden acceder a sus activos en staking hasta que finaliza un periodo de bloqueo. Este problema reduce la liquidez del mercado de la criptomoneda subyacente e impide que los inversores accedan a sus fondos en staking durante movimientos críticos del mercado.
Ambos mecanismos de consenso resuelven el problema de los generales bizantinos, pero de maneras muy diferentes. El mecanismo de consenso de PoW es un sistema probado que puede proporcionar unos niveles de seguridad increíblemente altos. Por su parte, los mecanismos de consenso de PoS se están volviendo cada vez más populares como una alternativa escalable y energéticamente más eficiente.
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