¿Cuáles son los protocolos de consenso más destacados?

Los protocolos de consenso son mecanismos fundamentales para la economía descentralizada. Por eso es importante que los conozcas bien.

En el ecosistema descentralizado, los balances de criptoactivos de los usuarios se registran en la blockchain y, por esa razón, resulta esencial que todos los nodos que participan en la cadena de bloques mantengan una copia idéntica de esta base de datos. De lo contrario, se acabaría compartiendo información contradictoria, perjudicando el propósito fundamental de la tecnología blockchain. 

Si bien la criptografía, acompañada de otras tecnologías, garantiza que los usuarios aprovechen sus propios activos y no los de otros, aún existe la necesidad de un sistema seguro y confiable en el que los usuarios se puedan apoyar para determinar si los fondos se gastaron o no. 

En su momento Satoshi Nakamoto, el creador de bitcoin, propuso el protocolo Proof of Work (PoW; Prueba de trabajo) para coordinar a los participantes. Más adelante explicaremos cómo funciona PoW, pero, en primera instancia, hay que aclarar un asunto importante: algunas características en común de los diferentes algoritmos de consenso que existen. 

En un protocolo de consenso la transparencia es fundamental, ya que se debe detectar fehacientemente si alguien hace trampa. Además, los usuarios que quieran validar transacciones y añadir bloques en la blockchain deben aportar una participación. Esta manera de ayudar a la red, se puede realizar a través de diferentes acciones o conceptos, tales como potencia computacional, aportación de criptomonedas, o incluso ostentando reputación. 

Pero ¿por qué derrochar energía, bloquear criptomonedas o poner en juego la reputación? La respuesta es sencilla: hay disponible una recompensa. En casi todas las ocasiones, este premio consiste en la criptomoneda nativa del proyecto, la cual se obtiene a través de las comisiones que pagan los usuarios que interactúan con el protocolo.

Tipos de protocolos de consenso

Proof of Work (PoW)

Proof of Work (Prueba de trabajo, en español) fue el primer protocolo, propuesto por Satoshi Nakamoto para bitcoin. Su nombre surge porque la red requiere de una gran cantidad de potencia de procesamiento.

Si bien ganó presencia tras ser implementado en la blockchain de Bitcoin, este protocolo fue creado en los años 90, como una herramienta para evitar los ataques de spam en correos electrónicos.

Usando este protocolo de consenso, cada bloque creado en la blockchain se deberá resolver mediante un cálculo matemático a prueba y error. Dichos cálculos son resueltos por los validadores (conocidos como mineros), quienes realizan millones de intentos y usan muchísimo poder de cómputo.  

 Al resolver el problema matemático, se obtiene un resultado: la creación del bloque, la confirmación de las transacciones dentro del mismo y la generación de nuevos bitcoins. En consecuencia, los mineros reciben recompensas, además de las comisiones implicadas en cada una de las operaciones del bloque. 

PoW demanda un alto poder computacional, para resolver los cálculos mediante una función hash (capacidades que transforman datos en códigos alfanuméricos), lo que implica un importante gasto de energía. 

En el mismo sentido, al requerir grandes cantidades de recursos computacionales (hardware) para generar nuevos bloques, los costos operativos de PoW son extremadamente altos. Además de los costos excesivos que involucra armar una minería, a este algoritmo se le crítica el impacto negativo que tiene en el consumo energético y el medioambiente. 

Las primeras cinco criptomonedas (según su capitalización de mercado) que utilizan este protocolo de consenso son: bitcoin, Dogecoin, Litecoin, Ethereum Classic y Monero. De igual forma, hay más de 50 criptoactivos que también lo utilizan. 

Proof of Stake (PoS)

Proof of Stake (en español: Prueba de participación) surgió como una alternativa a PoW, luego de la creación de bitcoin. En este algoritmo, no existe el concepto de minero, hardware especializado o consumo excesivo de energía. Lo único que demanda es una PC estándar.

En PoW, el usuario aporta un recurso externo (como el equipo de minería y la energía utilizada), mientras que en PoS el validador utiliza un recurso interno: la criptomoneda del protocolo. Si bien los términos difieren con cada protocolo, en general hay una cantidad preestablecida de fondos que el usuario debe poseer para ser elegible en la participación del consenso. 

Por ejemplo, en Ethereum, con su reciente cambio de protocolo (de PoW a PoS), los validadores, que se encargan de proponer bloques, requieren el bloqueo de un mínimo de ETHs (ethers) para poder realizar esta labor -y no exige un equipo de minería y un consumo eléctrico elevado.

 En PoS, los validadores se eligen aleatoriamente para revisar, crear y confirmar bloques. El bloqueo de los criptoactivos tiene un objetivo: incentivar el buen comportamiento de los validadores; un usuario puede perder una parte (o la totalidad) de su bloqueo por proponer transacciones no válidas dentro del bloque o por desconectarse de la red. 

Esta penalización busca que los validadores actúen honestamente -mostrando que esta disposición es más rentable que actuar deshonestamente. Lo mismo pasa en PoW, en donde se requiere una inversión inicial para los equipos de minería y un consumo excesivo de energía, lo que promueve la visión de que es más productivo ser un minero digno que uno indigno. 

Si realiza todos los procesos de manera correcta y es seleccionado para validar un bloque, el usuario recibirá una porción -determinada en función de los criptoactivos que haya bloqueado- de las comisiones de las transacciones que se hicieron dentro del bloque. Cuantos más fondos se bloqueen, mayor será la recompensa que se puede ganar. 

Además de Ethereum, este protocolo de consenso se utiliza en otras cadenas de bloque, por ejemplo: Cardano, Solana, Algorand y Tezos, entre otras. 

Delegated Proof of Stake (DPoS)

Delegated Proof of Stake (o Prueba de participación delegada) fue creado por Daniel Larimer en 2014. Este protocolo de consenso brinda altos niveles de seguridad y garantiza la escalabilidad de la blockchain. 

Para que DPoS  funcione efectivamente, todos los participantes de la red eligen, vía votación, a una determinada cantidad de usuarios a los que se denomina “testigos” o “delegados”. Estos testigos serán los encargados de validar las transacciones y los bloques.

DPoS opera con un esquema de turnos, es decir, cada testigo tendrá la oportunidad de generar un bloque y cobrar una recompensa por ello. Si no está disponible cuando llega su ocasión, el testigo tendrá que esperar a un nuevo turno. 

La elección de los testigos por votación es algo que nace de la relación con PoS, ya que, para favorecer la descentralización, las acciones que se lleven a cabo dentro de la red se someten a votación. ¿Qué temas se someten al voto?: las recompensas, la cantidad de testigos y la penalización de los delegados si no cumplen con lo acordado, entre otros aspectos. 

El funcionamiento de este protocolo de consenso se puede dividir en tres partes: 

• En primer lugar, la votación de testigos, que se hace en tiempo real y toma en cuenta la cantidad de criptoactivos que el usuario tenga en su poder. Cuantos más posea, más alta será su reputación y confiabilidad. 

• La segunda etapa de este protocolo es la generación de bloques -realizado en exclusiva por los testigos, quienes agregan los bloques a la blockchain. Este punto del funcionamiento de DPoS es sencillo, ya que cada delegado tiene la capacidad de crear un bloque. Por cada bloque generado y transacción validada, los testigos reciben un incentivo económico. 

• La última parte del funcionamiento: el análisis del comportamiento de los testigos. Esta fase permite que la comunidad revise constantemente la actividad de los testigos elegidos. Si ven algo que no les gusta, los usuarios pueden expulsar a un delegado mediante la votación; con esto se busca el mejor funcionamiento de la red, así como evitar abusos de poder por parte de los testigos.

Este protocolo de consenso se usó por primera vez en la plataforma BitShares, un proyecto creado por el mismo Daniel Larimer que funciona como un exchange descentralizado. Otras iniciativas que utilizan DPoS son: EOS, Lisk y Tron.

Proof of Activity (PoA)

Proof of Activity (o Prueba de actividad) es una mezcla de los mecanismos de consenso PoW y PoS. Fue presentado por primera vez, en 2012, por Charlie Lee, creador de Litecoin, durante un foro de Bitcoin Talk.

En este protocolo, el proceso arranca con PoW, donde varios mineros intentan superarse unos a otros, con mayor poder de cómputo, para encontrar un nuevo bloque. En el momento que se encuentra uno nuevo, el sistema cambia a PoS. Según los detalles del encabezado de este nuevo bloque, se selecciona a un nuevo grupo aleatorio de validadores. Cuantos más criptoactivos posea el validador, tendrá más posibilidades de ser seleccionado, tal como sucede en PoS. 

A continuación, comienza el proceso, por parte de los validadores, de llenar el bloque de transacciones; una vez lleno se convierte en un bloque completo. Posteriormente, las tarifas/recompensas se dividen entre el minero que creó el bloque y los diversos validadores que contribuyeron en la aceptación de transacciones. 

Por combinar PoW y PoS, este protocolo de consenso generó críticas, dado que se necesita demasiada energía (para minar el bloque) al momento de usar PoW. Por otro lado, cuando se utiliza PoS, los validadores que posean más criptoactivos tienen más posibilidades de ser quienes validan las transacciones y, en consecuencia, de ganar más recompensas.

La criptomoneda más conocida que usa PoA como mecanismo de consenso es Decred (DCR). Los bloques se crean cada cinco minutos aproximadamente. El proceso de minería de Decred inicia con los mineros tratando de solucionar un problema matemático criptográfico. Luego, cuando se ha encontrado la solución y la red la verifica, el sistema se convierte en PoS y elige aleatoriamente a los cinco validadores que se encargarán de aprobar las transacciones. 

Sin embargo, la aleatoriedad que se aplica termina por no ser 100% equitativa, ya que seguimos dependiendo de cuántos DCRs bloqueados tenga el validador (más DCRs, más chances). Una vez que se haya llenado el bloque de transacciones y esté todo correcto, el minero y los validadores son recompensados con DCRs. 

Proof of Authority (PoA)

Proof of Authority (Prueba de autoridad en español) no es lo mismo que Proof of Activity, aunque recurren a las mismas siglas (PoA). Este protocolo funciona con sus validadores con base en la reputación y fue propuesto por Gavin Wood, ex director de Tecnología (CTO) de Ethereum y fundador de Polkadot.  

El funcionamiento de este PoA ocurre de la siguiente manera:

Se eligen validadores de forma aleatoria, pero la selección e inclusión final se concreta mediante un sistema de votación, para evitar usuarios maliciosos que puedan afectar la operación.

PoA recurre a los conceptos de identidad y reputación. El validador debe revelar de forma voluntaria quién es. Al hacerse pública esta información, es fácil establecer responsabilidades en el funcionamiento de la red. Cualquier acto indebido recaerá en esa persona o en la institución a la que representa; es decir, una acción nociva puede destruir su reputación en todas partes. 

En cuanto al consenso, PoA se basa en un número limitado de validadores de bloque, y esto hace que el sistema se convierta en una red altamente escalable. Los bloques y las transacciones son verificadas y validadas por los participantes previamente aprobados, que pueden ser personas o entidades que no usan criptoactivos como garantía, sino que utilizan su propia reputación para actuar como moderadores del sistema. 

Esta característica difiere un poco de la esencia de la cadena de bloques, ya que involucra una validación de identidad, mientras que los protocolos de blockchain se jactan generalmente de no necesitar esta acción para habilitar la participación. 

Este mecanismo de consenso fue creado especialmente para una centralización distribuida, lo que generó interés entre las cadenas de bloques privadas, como la de JP Morgan. Aunque PoA se aprovecha en redes de prueba como Kovan y Rinkeby de Ethereum, hay redes privadas que también lo están utilizando. 

Otro caso de uso es POA Network, una red pública para contratos inteligentes que funciona como una sidechain (cadena lateral) de Ethereum. Hyperledger y Ripple también utilizan el protocolo PoA en sus blockchain. ¿Otro ejemplo de aplicación de PoA?: VeChain, una blockchain pública de nivel empresarial -especializada en el manejo transparente de información corporativa- que se usa en la gestión de cadenas de suministro y logística.

Proof of Burn (PoB)

Proof of Burn (en español: Prueba de quemado) fue diseñado en 2012 por Iain Stewart, quien en el foro Bitcoin Talk afirmó que “las monedas quemadas representaban a los sistemas de minería”. 

PoB tiene una forma particular de alcanzar el consenso y validar las transacciones dentro de la blockchain. Con este protocolo, los mineros deben enviar criptoactivos a direcciones públicas y verificables (reconocidas como “Eater Addresses” o “Direcciones comedor”), los cuales no podrán recuperar nunca. Es decir, los mineros tienen que invertir en la blockchain, aportando criptoactivos, para demostrar su compromiso con la red. 

El objetivo de Proof of Burn es motivar a los mineros de bloques para que sacrifiquen la riqueza a corto plazo, y opten por los privilegios de por vida y por la posibilidad de crear nuevos bloques. Esto forjaría un compromiso de largo plazo entre ambas partes. Asimismo, el quemado de criptoactivos influirá directamente en el valor de los mismos, porque este sistema generaría escasez, limitando la inflación y aumentando la demanda. 

La principal motivación de este protocolo de consenso es fomentar un trabajo realmente costoso de realizar (consumir y destruir recursos de valor monetario, como lo son los criptoactivos) con el fin de conseguir capacidad para minar dentro de la blockchain.

Por otro lado, el proceso de quemado de tokens y criptomonedas se realiza de forma virtual. Solo se necesitan dos direcciones de carteras (la del minero y la del eater o comedor), por lo que no se requiere de un equipo de minería (hardware) para realizar la quema. Esto elimina a las compañías centralizadas que comercializan hardware y generan un desequilibrio de oportunidades entre los mineros. 

Al incentivar a los mineros a realizar inversiones (quema) con el criptoactivo del proyecto, PoB asegura el comportamiento honesto y confiable de los mineros en la red, quienes no querrán perder sus aportaciones. 

Las criptoactivos que utilizan este mecanismo de consenso son: Slimcoin (SLM), Counterparty (XCP) y Factom (FCT). Por ejemplo, Counterparty, utiliza PoB para la creación de sus tokens: los usuarios envían bitcoins a una eater address y reciben el token XCP como cambio.

Proof of Capacity (PoC) / Proof of Space (PoSpace)

La Prueba de capacidad, también conocida como Prueba de espacio, fundamenta su consenso en un aspecto particular: la cantidad de espacio disponible en el disco duro de un minero. 

En PoC/PoSpace, los mineros generan una lista de todos los hashes posibles antes de que se complete un bloque. A este proceso se le llama “trazado” y es almacenado en un disco duro. En ese sentido, los mineros que tengan más capacidad de almacenamiento, tendrán más soluciones guardadas y mayores posibilidades de resolver el problema matemático. Como resultado, esto genera más chances de ganar las recompensas. 

Una de las propiedades más positivas de este sistema: no requiere de un equipo costoso o especializado (como en PoW), lo que abre el abanico de posibilidades para que las personas promedio puedan participar en las validaciones de la red. También es una alternativa menos demandante de energía eléctrica y su descentralización es efectiva. 

Sin embargo, no es un protocolo de consenso que los desarrolladores de blockchain estén optando por utilizar, ya que existe una cierta preocupación por los ataques de malware (una aplicación que se usa para infectar el ordenador y dañar al usuario, robando sus datos personales y financieros)

Aun así, PoC/PoSpace se está aprovechando en proyectos como Storj, Burst, SpaceMint y Chia.

Proof of Elapsed Time (PoET)

Prueba de tiempo transcurrido (PoET, por sus siglas en inglés) se usa generalmente en cadenas de bloques autorizadas, es decir, en blockchains que requieren que los participantes se identifiquen. PoET aprovecha la computación para imponer tiempos de espera aleatorios a los validadores que quieren construir bloques.

Fue creado por Intel en 2016 y se basa en un conjunto de instrucciones de CPU llamado Software Guard Extensions (SXG). El algoritmo es una “lotería”, ya que asigna, de manera aleatoria, distintos tiempos de espera a cada validador de la red. 

Mientras esperan, los validadores se encuentran en “reposo”. El primero en “despertar” -es decir, el que tiene el menor tiempo de espera- se lleva los derechos de minero. Una de las propiedades positivas de este protocolo es que los participantes tienen las mismas posibilidades de ser ganadores, lo que, a su vez, garantiza la equidad dentro de la cadena de bloques.
PoET se utiliza principalmente en el proyecto Hyperledger Sawtooth; por el momento no hay criptoactivos que aprovechen este protocolo de consenso. Hyperledger Sawtooth es un libro mayor distribuido que se asemeja a una cadena de bloques, el cual fue diseñado para usos empresariales como la logística.

Proof of History (PoH)

La Prueba de historia, como su nombre indica, proporciona prueba de eventos históricos. Fue desarrollado por Solana y permite a los validadores de la red confiar en los timestamps (marcas temporales) de los bloques, además de ofrecer la posibilidad de verificar criptográficamente el momento y orden en que los mensajes, transacciones o eventos ocurren en la red. 

Se creó con el propósito de evitar que los validadores tengan que comunicarse entre sí para coordinar qué pasó durante cierto tiempo. Funciona como un protocolo con marcas de tiempo exactas de todo lo que pasa en la blockchain. Esto permite corroborar los eventos que pasaron en un momento determinado. De esta forma, se pueden conocer los eventos pasados de un criptoactivo, de una dirección de cartera o de un contrato inteligente, solo hay que mirar los registros temporales de ese elemento en particular (desde su origen hasta la actualidad).

Aunque dicha capacidad está disponible en todas las cadenas de bloques, la diferencia radica en cómo lo hace PoH. Por ejemplo, en PoS se necesita que los validadores se hablen entre sí y estén de acuerdo en qué pasó en un tiempo determinado. Una vez que logran un consenso sobre el tema, lo dejan asentado en la blockchain.

PoH, por el contrario, crea directamente ese registro histórico (con las pruebas de qué pasó en un momento y lugar determinados de la blockchain), sin la necesidad de los validadores. Esto hace que la cadena de bloques sea más escalable y rápida en sus transacciones.  

PoH promete por su innovación. Reduce el peso de procesamiento de la blockchain, la hace más rápida y más eficiente energéticamente que otros protocolos de consenso. No obstante, el protocolo solo ha sido probado por Solana y aún no está implementado en gran escala. De ahí que, en el largo plazo, no haya certezas respecto a su funcionamiento y potencial. 

Proof of Importance (PoI)

La Prueba de importancia (PoI, por sus siglas en inglés) selecciona a sus mineros a través de un proceso llamado “cosecha”, el cual se basa en algunos criterios, como la cantidad y el tamaño de las transacciones de los últimos 30 días, la cantidad de activos adquiridos y la actividad en la red. 

Esto implica que los validadores con los puntajes/criterios más altos, tienen la probabilidad de ser elegidos para “cosechar” un bloque y así recibir las correspondientes recompensas de las tarifas de transacción. 

Aunque su mecanismo de consenso es parecido a PoS, la Prueba de importancia, al utilizar métricas adicionales, conduce a un beneficio: elimina la tendencia a recompensar a los validadores que tienen más tokens bloqueados y, por el contrario, premia a los usuarios que más participen (en función de los criterios anteriormente señalados).

Conclusiones

Como se comentó al principio, los protocolos de consenso son vitales para el funcionamiento de las criptomonedas y las cadenas de bloques. También, como repasamos, existe una variedad de algoritmos que los proyectos aprovechan para sus economías digitales, pero todos se centran en un punto: validar de manera correcta y honesta las transacciones dentro de la red. 

Se cree que Proof of Work, el mecanismo pionero gracias a bitcoin, es la mayor innovación para poner de acuerdo a los usuarios sobre infinidad de transacciones y eventos que ocurren dentro de una cadena de bloques. Para el momento en que lees esta nota (noviembre de 2022), bitcoin suma 758.419 bloques minados, y dentro de cada uno hay más de 2.000 transacciones. 

Por otro lado, Proof Of Stake fue la causa principal de “The Merge” de Ethereum. Vitalik Buterin, líder del proyecto más importante después de bitcoin, consideró que este cambio lograría una mejora sustancial en el consumo de energía y en el poder de cómputo que necesitaban los validadores para atender las transacciones. 

El resto de los protocolos de consenso existentes no solo sustentan a los sistemas de dinero digital de los proyectos, también brindan soporte a las cadenas de bloques que permiten a los desarrolladores crear una red distribuida y segura. 

Así, los sistemas de consenso son una pieza clave en el armado de estas tecnologías. Ciertamente, PoW es la opción que hoy predomina. Sin embargo, ya existen investigaciones y creaciones, como las que mostramos en este tutorial, que prometen ser los reemplazos del protocolo más usado en la actualidad. En nuestro ámbito, lo sabemos bien, la innovación no se detiene.

Durante los próximos años, sin duda, los protocolos de consenso seguirán muy presentes en nuestro radar. De ahí la importancia de conocerlos, entendiendo su operación y capacidades.

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