Los algoritmos de consenso: Proof-of-work

¿Qué es el algoritmo de consenso proof-of-work?

Proof-of-work es el algoritmo de consenso de la blockchain de Bitcoin. Se denomina proof-of-work porque requiere algún tipo de trabajo (normalmente de procesamiento informático) de los nodos participantes (mineros) en la red Bitcoin.

En pocas palabras, un algoritmo de consenso es un conjunto de reglas que gobierna una red blockchain. Es un acuerdo sobre las reglas de una blockchain concreta y sobre cómo los usuarios pueden participar en la red.

¿Qué son los mineros?

Dejando de lado por el momento los pozos mineros (en inglés, "mining pools"), los mineros son un grupo especial de usuarios de Bitcoin que llevan a cabo la validación de las transacciones en la blockchain. Los mineros han descargado la blockchain completa de Bitcoin y han optado por ejecutarla en potentes ordenadores.

Estos usuarios (nodos) de la red Bitcoin se denominan "mineros" porque comprueban y demuestran la exactitud de una transacción en un proceso llamado minería, similar al cálculo de un complejo problema matemático. A lo largo de este proceso, se incentiva a los mineros para que actúen de forma que beneficie a todos los miembros de la comunidad Bitcoin, ya que la honradez es rentable.

Una vez que se difunde una solicitud para registrar y llevar a cabo una transacción en la blockchain, normalmente se seleccionan las transacciones con la comisión más alta ofrecida para que pasen al siguiente bloque de la blockchain.

Para llegar a un consenso sobre un bloque válido en la blockchain, el algoritmo de Bitcoin establece una dificultad como parámetro que debe cumplirse para que un bloque sea válido. Esta "dificultad" es modificada periódicamente por la red Bitcoin en función de la potencia de cálculo de los mineros. La dificultad puede disminuir o aumentar para mantener constante la velocidad a la que se añaden nuevos bloques.

Un número arbitrario llamado nonce (la abreviatura de "number only used once", o "número que solo se usa una vez") se añade al bloque por un motivo de encriptación. Los mineros modifican el nonce hasta encontrar un valor que dé al hash del bloque el nivel de dificultad requerido. Una vez cumplido este requisito, el bloque no puede modificarse sin rehacer el trabajo.

Un número arbitrario llamado nonce (la abreviatura de "number only used once", o "número que solo se usa una vez") se añade al bloque por un motivo de encriptación.

A continuación, el nodo realiza un "hash" del conjunto de datos seleccionado. La palabra "hash" tiene su origen en la palabra francesa hacher, que significa "cortar en trozos pequeños".

Durante el hash, se utiliza un algoritmo llamado función hash para convertir un valor (el conjunto de datos seleccionado) en un tamaño fijo como salida: el valor hash. De esta manera se enmascara el valor original.

Una función hash no puede ser objeto de ingeniería inversa, lo que significa que el valor hash no puede utilizarse para averiguar los datos originales. Así, el valor hash es una "huella digital" que proporciona una autentificación completa y garantiza que no se ha producido ninguna manipulación del contenido transmitido. Cada valor hash contiene información sobre todas las transacciones anteriores de la red.

La dificultad es modificada con frecuencia por la red Bitcoin en función de la potencia de cálculo de los mineros.

El nuevo hash generado se comprueba con la dificultad actual. Un valor hash siempre tiene que contener un número específico de bits cero. Si el hash cumple los criterios de dificultad, se transmite a los demás mineros de la red. Si no lo hace, se selecciona otro nonce y se hace un hash. Los mineros generan muchos hashes con diferentes nonces hasta que encuentran uno que cumpla los criterios necesarios. Este proceso repetitivo se conoce como "minería" y ahora sabes por qué requiere tanta energía.

Por lo tanto, el primer minero que encuentra un hash válido valida el bloque en un nuevo bloque y obtiene una recompensa de bloque en Bitcoin. Actualmente, la recompensa por bloque de Bitcoin es de 12,5 BTC y se mina un nuevo bloque aproximadamente cada diez minutos.

Cada vez que aparece un nuevo bloque, hay una nueva oportunidad para que un minero diferente sea recompensado. Por esta razón, la verificación de las transacciones en la blockchain de Bitcoin es como una interminable fiebre del oro, con miles de mineros de todo el mundo minando simultáneamente para ser los primeros en descubrir un bloque.

Consenso en la blockchain

Siempre es la versión más larga de la blockchain de Bitcoin que existe la que se reconoce como la verdadera blockchain de Bitcoin. Si surge una disputa sobre las normas de gestión y validación de las transacciones entre la mayoría de los participantes en la red de mineros, dicha discusión puede acabar dando lugar a una cadena independiente de una blockchain, lo que se conoce como fork.

Sin embargo, la mayoría de las veces, los mineros no tienen ninguna razón real para infringir las normas debido al enorme coste, tanto en tiempo como en dinero, que requiere la minería continua.

La red Bitcoin, y por extensión, el algoritmo de consenso proof-of-work, ha eliminado la necesidad de que los usuarios depositen su confianza en un banco tradicional. En lugar de que las transacciones se almacenen en un lugar central, como un banco, las transacciones tienen lugar en una red pública para que todo el mundo pueda verlas. Una vez realizada, una transacción nunca puede ser revertida ni modificada.

Cuando una cantidad de Bitcoin pasa de una persona a otra, se considera una transacción de la que la red necesita llevar un registro.

Las desventajas del proof-of-work

Como proceso, proof-of-work ha sido históricamente lento en cuanto a la velocidad de procesamiento de las transacciones. La medida más común de transacciones Bitcoin por segundo ha sido de siete transacciones, lo cual es minúsculo en comparación con las 1.700 estimadas de la red VISA.

Además, se necesitan grandes cantidades de energía para el proceso de minería en la blockchain de Bitcoin. En Alemania, por ejemplo, minar solo 1 (un) Bitcoin implicó un coste medio de más de 12.000 euros en 2018. Por esta razón, los mineros intentan mejorar sus posibilidades uniéndose a pozos mineros. En algunos casos, los servicios de minería en la nube pueden ser la única opción viable para que el usuario medio participe, debido a un proceso que implica un consumo intensivo de recursos.

Otra desventaja del proceso proof-of-work es que los grupos de minería más grandes tienen más potencia de cálculo a su disposición y, por lo tanto, mayores posibilidades de minar bloques válidos, lo que pone a los mineros individuales en desventaja.

Protocolos como Lightning Network tienen como objetivo mejorar la velocidad y la escalabilidad de la red Bitcoin. Lightning Network, que en la actualidad solo se ha implementado de forma muy básica, es un protocolo de segunda capa sobre la red Bitcoin proyectado para aliviar la presión que supone un gran número de transacciones de la blockchain central de Bitcoin.

Protocolos como Lightning Network tienen como objetivo mejorar la velocidad y la escalabilidad de la red Bitcoin.

Al permitir el establecimiento de canales de pago entre dos partes en una capa separada durante el tiempo que sea necesario, Lightning Network es la razón por la que algún día los usuarios podrían utilizar Bitcoin para pagar una taza de café. Al mismo tiempo, numerosas empresas están trabajando en el desarrollo de hardware de minería que funcione con fuentes de energía renovables en lugar de la electricidad tradicional.

Las ventajas del proof-of-work

Otros mecanismos y algoritmos pueden ser superiores a proof-of-work. Sin embargo, proof-of-work es el más consolidado y probado contra los ataques si consideramos la relativa juventud de Bitcoin y la tecnología blockchain. El elevado coste también es un factor que refuerza el consenso y disuade a los participantes de la red de dedicar recursos a cadenas alternativas. Por lo tanto, es muy probable que el algoritmo proof-of-work sea continuamente mejorado por los desarrolladores para solucionar sus deficiencias.