La batalla de los algoritmos: Proof of Work (PoW) vs. Proof of Stake (PoS) en la era blockchain

Tabla de contenido

1. Introducción
2. ¿Qué es Proof of Work?
   • Definición
   • Historia
   • Funcionamiento
3. Ventajas y Desventajas del PoW
   • Ventajas
   • Desventajas
4. ¿Qué es Proof of Stake?
   • Definición
   • Historia
   • Funcionamiento
5. Ventajas y Desventajas del PoS
   • Ventajas
   • Desventajas
6. Comparación entre PoW y PoS
7. Conclusión
8. Preguntas frecuentes

1. Introducción

Desde hace unos años, el auge de las criptomonedas y la tecnología Blockchain han captado la atención de millones de personas en todo el mundo. Estos avances han traído consigo nuevos conceptos relacionados con la seguridad y el consenso distribuido, como Proof of Work (PoW) y Proof of Stake (PoS). A pesar de tratarse de temas de vital importancia, muchos usuarios encuentran dificultades al momento de comprenderlos cabalmente. Este artículo pretende subsanar parcialmente esa brecha de conocimiento, explorando exhaustivamente tanto el origen como las peculiaridades de estos dos protocolos de consenso, así como sus ventajas e inconvenientes relativos.

En líneas generales, el PoW y el PoS constituyen sistemas de consenso destinados a preservar la integridad de las transacciones en redes descentralizadas, garantizando que todas las partes involucradas coincidan en el estado actual de la base de datos compartida. Para conseguir este fin, cada protocolo recurre a diferentes incentivos y lógicas internas, configurando dinámicas sociales y económicas singulares que vale la pena examinar con detalle.

Comenzaremos nuestro recorrido histórico-analítico definiendo el concepto de pruebas de trabajo y pruebas de participación, ilustrando sus antecedentes teóricos y desarrollos posteriores. Seguidamente, nos centraremos en describir los aspectos técnicos relevantes de cada mecanismo, destacando particularmente sus puntos débiles y virtudes en materia de escalabilidad, seguridad y descentralización. Finalmente, concluiremos con observaciones finales referidas a la pertinencia relativa de ambos protocolos en el panorama contemporáneo de las criptomonedas, sugiriendo caminos posibles para superar las tensiones latentes entre ellos.

Antes de adentrarnos en terreno pantanoso, conviene advertir al lector que el ámbito de las criptomonedas se encuentra en permanente mutación, surgiendo constantemente nuevas ideas y propuestas encaminadas a optimizar los procesos de consenso. Nuestra intención no radica en dictaminar categórica y definitivamente cuál es la mejor opción, sino en dotar de herramientas críticas adecuadas a los lectores, dejándoles juzgar libremente los pros y contras de cada alternativa.

2. ¿Qué es Proof of Work?

Definición

Proof of Work (PoW) es un protocolo de consenso utilizado originariamente en el campo de la criptografía para proteger a los usuarios contra el spam y los ataques de denegación de servicios (DoS). Se trata de un mecanismo mediante el cual se obliga a los clientes a completar una serie de cálculos computacionales complejos antes de interactuar con el servidor, disuadiendo así a los malintencionados de saturar la red con peticiones fraudulentas u otra clase de actividades perjudiciales.

Con el tiempo, esta idea migró hacia el mundo de las criptomonedas, transformándose en el corazón de numerosas redes blockchain, incluyendo la madre de todas ellas: Bitcoin. Como veremos más adelante, el rol fundamental desempeñado por el PoW consiste en garantizar la integridad de las transacciones, inhibiendo la duplicidad de coins y fomentando la coordinación colectiva de los nodos participantes.

Historia

Los precedentes del PoW aparecen ya en el año 1993, cuando Cynthia Dwork y Moni Naor publicaron un artículo titulado «Pricing via Processing or Combatting Junk Mail», en el que concebían un sistema denominado «prueba de trabajo» (proof of work), orientado a controlar el flujo indeseable de correo electrónico no solicitado (spam). Esta metodología consistía en incorporar una capa extra de complejidad en el proceso de envío masivo de mensajes, obligando a los remitentes a dedicar cierto tiempo y recursos computacionales a resolver un rompecabezas críptico previo a la transmisión de cada paquete de datos. Gracias a este engorroso procedimiento, la recepción de emails maliciosos quedaba automáticamente limitada a aquellos emisores dispuestos a sacrificar su propio bienestar en provecho de los demás.

Posteriormente, Hal Finney ampliaría las bases teóricas del PoW en su paper «Reusable Proofs of Work» (2004), sentando las bases para su eventual implementación en el marco de las criptomonedas. Sería, no obstante, Adam Back quién popularizara el concepto merced a Hashcash, una aplicación práctica inspirada en los postulados originales de Dwork y Naor, dirigida a mitigar el spam en Internet.

Finalmente, en octubre de 2008, Satoshi Nakamoto lanzaría Bitcoin, el primer sistema de criptomoneda respaldado por un libro de contabilidad distribuido (blockchain), construido sobre la premisa del PoW. Desde entonces, multitud de proyectos han surgido a imagen y semejanza de Bitcoin, extendiendo su radio de influencia más allá de los límites imaginados por sus creadores.

Funcionamiento

En el contexto de las criptomonedas, el PoW opera mediante un proceso iterativo de hash criptográfico, cuyo objetivo principal consiste en localizar un valor noce (nonce) que, una vez combinado con el resto de elementos del bloque candidato, genere un hash con una dificultad específica. Dicha dificultad viene determinada por la complejidad numérica esperada, expresada normalmente en términos de número de ceros iniciales requeridos en la salida hasheada.

Una vez descubierto el nonce adecuado, el bloque correspondiente es transmitido al resto de nodos de la red, quienes proceden a verificar la autenticidad del mismo, repitiendo el proceso de hashing y comparando el resultado con los criterios prefijados anteriormente. Si la comprobación devuelve un resultado positivo, el bloque es incorporado a la cadena maestra y el minero responsable recibe una recompensa en forma de nuevas monedas (coinbase transaction) y comisiones asociadas a las transacciones incluidas en el bloque. Caso contrario, se reinicia el ciclo hasta dar con la solución óptima.

Entre las principales ventajas del PoW figuran:

• Resistencia natural a ataques DoS y SPAM, gracias a la barrera artificial constituida por el coste computacional.
• Facilidad de implantación y robustez probada a lo largo de los años.
• Escalabilidad lineal, condicionada únicamente por el incremento gradual de la potencia de cálculo disponible.

No obstante, también presenta importantes desafíos en términos de eficiencia energética, centralización de recursos y vulnerabilidad frente a pools mineros. Estos lastres, junto a la irrupción de nuevos paradigmas alternativos (como el PoS), han estimulado el debate en torno a la conveniencia de sustituir el viejo guardián por alternativas más modernas y sostenibles.

3. Ventajas y Desventajas del PoW

Tras haber comprendido el funcionamiento básico del PoW, resulta conveniente estudiar ahora sus principales bondades y retos.

Ventajas

• Resistencia a ataques: Dado que el PoW requiere un alto consumo energético para resolver los complicados problemas matemáticos, resulta inviable que un actor malicioso pueda montar un ataque exitoso sin disponer de los recursos necesarios.
• Incentivos económicos: Los mineros reciben recompensas por sus esfuerzos en forma de nuevas monedas y comisiones de transacción, lo que motiva a más participantes a unirse a la red y asegurar su buen funcionamiento.
• Fairness: Todos los participantes tienen las mismas posibilidades de resolver el problema matemático y obtener la recompensa, independientemente de su ubicación geográfica o el hardware que utilicen.

Desventajas

• Consumo energético: El principal inconveniente del PoW es su elevado consumo energético, puesto que requiere una gran cantidad de potencia computacional para resolver los problemas matemáticos. Esto no sólo supone un desperdicio de recursos, sino que también provoca una fuerte huella de carbono.
• Centralización: Con el paso del tiempo, el PoW ha ido provocando una centralización de la minería en manos de pocos actores dueños de granjas mineras especializadas y potentes. Ello amenaza con socavar la descentralización y la seguridad de la red.
• Velocidad de transacciones: Las redes basadas en PoW suelen tener velocidades de transacción bastante inferiores a las de otros sistemas de consenso, como el PoS. Esto limita su escalabilidad y su capacidad para responder a una demanda creciente.

Tabla: Ventajas y Desventajas del PoW

4. ¿Qué es Proof of Stake?

Llegados a este punto, parece oportuno presentar el concepto de Proof of Stake (PoS) como alternativa al tradicional Proof of Work (PoW). Veamos a continuación sus rasgos definitorios, historia y modo de funcionamiento.

Definición

El Proof of Stake (PoS) es un algoritmo de consenso descentralizado que permite llegar a un acuerdo sobre el estado de una cadena de bloques sin necesidad de emplear potencia computacional intensiva. En lugar de ello, el consenso se alcanza mediante la participación de los nodos, quienes ponen en juego (stake) una cantidad determinada de monedas como muestra de su interés y compromiso con el sistema.

Historia

Si bien el término «Proof of Stake» data de 2011, sus raíces se remontan a trabajos previos como Chains of Warring States (Pease, Shapiro y Wallach, 2002) y Byzantine Paxos (Castro y Liskov, 2002). No obstante, no sería hasta 2012 con la creación de Peercoin (alias Bitcoin 2.0) cuando cobraría vida este innovador sistema de consenso. Desde entonces, numerosas criptomonedas han adoptado el PoS o versiones modificadas del mismo, comoNxt,BlackCoin, ShadowCash, NavCoin yCardano, entre otras.

Funcionamiento

A diferencia del PoW, en el que los mineros compiten por resolver un problema matemático, en el PoS los validadores (nodos que custodian una copia del registro) son elegidos aleatoria y proporcionalmente a su participación (stake) en la red. Cuanta más participación tenga un nodo, mayores serán las probabilidades de que sea seleccionado para crear un nuevo bloque y, por ende, obtener las recompensas correspondientes.

Algunas cadenas de bloques híbridas combinan PoW y PoS, como Cardano que es PoS o Ethereum, que planea migrar totalmente al PoS en una próxima actualización (véaseCasper). En este caso, los mineros PoW compiten por resolver el problema matemático y crear un nuevo bloque, tras lo cual los validadores PoS se turnan para verificar la validez del bloque y añadirlo a la cadena.

5. Ventajas y Desventajas del PoS

A medida que el PoS emerge como una alternativa viable al PoW, merece la pena analizar sus ventajas e inconvenientes en profundidad.

Ventajas

• Menor consumo energético: A diferencia del PoW, el PoS no requiere una gran cantidad de energía para validar transacciones, lo que lo convierte en una opción más ecológica y sostenible.
• Mayor descentralización: Puesto que no necesita hardware especializado, el PoS facilita la participación de más usuarios, promoviendo una mayor descentralización y reduciendo el riesgo de centralización.
• Mejor escalabilidad: Dado que las operaciones de validación son menos costosas en términos de recursos, el PoS permite una mayor capacidad de procesamiento y, por lo tanto, una mejor escalabilidad.
• Menores barreras de entrada: Ya que no requiere hardware especializado, el PoS reduce las barreras de entrada para los validadores, permitiendo que más usuarios participen en el proceso de validación.
• Mayor rapidez: como no precisa de la validación de miles de nodos (mineros), el proceso de creación y verificación de bloques es considerablemente más veloz en el PoS.
• Mejor tolerancia a fallos: debido a que los bloques son producidos y validados por nodos seleccionados proporcionalmente a su participación, el PoS exhibe una mayor resiliencia frente a fallos y ataques.

Desventajas

• "Riqueza vs pobreza": Al estar basado en la tenencia de criptomonedas, el PoS puede favorecer a los usuarios con mayor riqueza, ya que éstos tienen más posibilidades de ser seleccionados como validadores y, por lo tanto, obtener recompensas.
• Posibilidad de ataques Sybil: Aunque el PoS minimiza el riesgo de ataques Sybil, todavía es posible que los usuarios con vastas cantidades de tokens creen identidades falsas y manipulen la red.
• Nothing at stake": En algunas implementaciones de PoS, los validadores no tienen nada que perder si aprueban transacciones inconsistentes o divergentes, lo que podría llevar a problemas de estabilidad en la red.
• Barrera de entrada: el PoS requiere que los nodos mantengan una participación (stake) en la red, lo que podría convertirse en una barrera para nuevos usuarios sin capital suficiente.
• Riqueza vs pobreza: la elección aleatoria de los validadores en función de su participación puede favorecer a los usuarios con mayor riqueza, perpetuando una desigualdad económica entre los participantes.
• Nada en juego: el fenómeno known as «nothing at stake», según el cual un validador podría intentar extender varias ramas de la cadena sin penalización alguna, podría conducir a una inestabilidad en el sistema.

Tabla: Ventajas y Desventajas del PoS

6. Comparación entre PoW y PoS

A la hora de decidir cuál de estos dos algoritmos de consenso utilizar, es importante evaluar sus diferencias y similitudes. Aquí hay una comparación detallada de PoW y PoS:

Seguridad

• PoW: Los ataques de red en PoW son muy difíciles de ejecutar debido al alto costo de adquirir la potencia de computación necesaria. Sin embargo, la centralización de la potencia de computación en grupos de mineros puede socavar la seguridad de la red.
• PoS: La seguridad en PoS depende de la cantidad de tokens que se tienen en juego. Los ataques pueden ser más difíciles de llevar a cabo porque requieren una gran cantidad de tokens. Pero al mismo tiempo, los ataques de "nada en juego" (nothing at stake) pueden ocurrir en algunas implementaciones de PoS, lo que socava la seguridad de la red.

Descentralización

• PoW: En teoría, PoW es altamente descentralizado debido a la falta de requisitos para comenzar a minar. Sin embargo, la centralización de la potencia de computación en grupos de mineros puede llevar a una situación menos descentralizada.
• PoS: PoS suele ser más descentralizado que PoW, ya que no requiere hardware especializado para participar en el consenso. Esto permite que más personas participen y ayuda a prevenir la centralización.

Eficiencia energética

• PoW: El proceso de minería en PoW es extremadamente intensivo en términos de energía y recursos de hardware. Esto ha llevado a preocupaciones sobre el impacto ambiental y el costo de la minería en PoW.
• PoS: PoS es mucho más eficiente energéticamente que PoW, ya que no requiere potencia de computación intensiva para validar transacciones. Esto lo hace una opción más sostenible y amigable con el medio ambiente.

Escalabilidad

• PoW: PoW tiene dificultades para escalar a medida que aumenta el número de transacciones por segundo. La necesidad de validar cada transacción a través de la minería puede llevar a tiempos de confirmación más largos y una peor experiencia de usuario.
• PoS: PoS generalmente tiene una mejor escalabilidad que PoW, ya que no requiere la validación de cada transacción a través de la minería. Esto permite que PoS maneje un mayor volumen de transacciones por segundo sin sacrificar la velocidad o la experiencia del usuario.

Costo de entrada

• PoW: El costo de ingresar a la red PoW como minero puede ser alto, ya que requiere hardware especializado y una gran cantidad de energía.
• PoS: El costo de ingresar a la red PoS como validador es generalmente más bajo, ya que no requiere hardware especializado. En su lugar, los usuarios solo necesitan poseer una cantidad específica de tokens para participar en el consenso.

Tabla comparativa

7. Conclusión

En conclusión, tanto Proof of Work como Proof of Stake son mecanismos de consenso importantes en la tecnología blockchain, cada uno con sus propias ventajas e inconvenientes. El PoW ha sido el método predominante en la mayoría de las criptomonedas más antiguas, como Bitcoin y Litecoin, y ha demostrado ser confiable y seguro. Sin embargo, su alto consumo energético y el hardware especializado requerido pueden ser desalentadores para nuevos participantes y dañinos para el medio ambiente.

Por otro lado, el PoS ofrece una alternativa más ecológica y accesible, ya que elimina la necesidad de hardware especializado y reduce el consumo energético. Además, el PoS puede proporcionar una mayor seguridad y resistencia a ataques debido a la necesidad de tener un "interés" en la red. Sin embargo, también presenta desafíos, como el problema del "nada en juego", que puede llevar a la fragmentación de la cadena y otros problemas de seguridad.

En última instancia, la decisión de elegir entre PoW y PoS dependerá de las necesidades y prioridades específicas de la red blockchain en cuestión. Ambos mecanismos de consenso tienen su lugar en el espacio blockchain y seguirán jugando un papel importante en el futuro de esta tecnología emergente.

8. Preguntas frecuentes

1. ¿Qué es Proof of Work (PoW)?

Proof of Work (PoW) es un algoritmo de consenso utilizado en blockchains para validar transacciones y crear nuevos bloques. Implica la realización de cálculos computacionales intensivos, lo que requiere una gran cantidad de energía y potencia de procesamiento. Los mineros compiten para resolver un problema matemático complejo, y el primero en resolverlo es recompensado con nuevas monedas y tarifas de transacción.

2. ¿Qué es Proof of Stake (PoS)?

Proof of Stake (PoS) es otro algoritmo de consenso utilizado en blockchains para validar transacciones y crear nuevos bloques. A diferencia de PoW, no requiere una gran cantidad de energía y potencia de procesamiento. En su lugar, los validadores son seleccionados para crear nuevos bloques en función de la cantidad de monedas que tienen en "stake". Cuanto mayor sea la cantidad de monedas en stake, mayores serán las posibilidades de ser seleccionado como validador.

3. ¿Cuál es la diferencia entre PoW y PoS?

La principal diferencia entre PoW y PoS es el método de validación de transacciones y creación de nuevos bloques. PoW requiere una gran cantidad de energía y potencia de procesamiento, mientras que PoS no lo hace. Además, PoW recompensa a los mineros con nuevas monedas y tarifas de transacción, mientras que PoS recompensa a los validadores con tarifas de transacción.

4. ¿Cuál es mejor, PoW o PoS?

No hay una respuesta definitiva a esta pregunta, ya que ambos algoritmos de consenso tienen sus propias ventajas e inconvenientes. PoW es más seguro y descentralizado, pero consume más energía y es menos escalable. Por otro lado, PoS es más eficiente en términos de energía y más escalable, pero puede ser menos seguro y más centralizado.

5. ¿Por qué algunas criptomonedas usan PoW y otras PoS?

Las criptomonedas eligen usar PoW o PoS en función de sus propias necesidades y prioridades. Algunas criptomonedas prefieren la seguridad y descentralización de PoW, mientras que otras prefieren la eficiencia energética y la escalabilidad de PoS. Además, algunas criptomonedas pueden optar por usar una combinación de PoW y PoS para aprovechar las ventajas de ambos algoritmos de consenso.

6. ¿Pueden las criptomonedas cambiar de PoW a PoS?

Sí, algunas criptomonedas han cambiado o están considerando cambiar de PoW a PoS. Por ejemplo, Cardano implementó el algoritmo de Prueba de Participación (Proof of Stake, PoS) desde su lanzamiento en septiembre de 2017 y Ethereum está en proceso de cambiar de PoW a PoS con su actualización Ethereum 2.0. Cambiar de PoW a PoS puede ofrecer ventajas como una mayor eficiencia energética y una mayor escalabilidad.

7. ¿Es seguro PoS?

PoS puede ser tan seguro como PoW, siempre y cuando se implemente correctamente. Sin embargo, PoS puede ser más susceptible a ataques de "nada en juego", en los que los validadores pueden intentar crear múltiples versiones de la misma cadena de bloques sin consecuencias negativas. Para mitigar este riesgo, las implementaciones de PoS a menudo incluyen medidas de seguridad adicionales, como períodos de espera prolongados y sanciones por comportamiento malicioso.

8. ¿Pueden los ataques de 51% ocurrieron en PoS?

No, los ataques de 51% no pueden ocurrir en PoS, ya que no se basan en la potencia de procesamiento. En cambio, PoS se basa en la cantidad de monedas en stake, lo que hace que sea más difícil que un solo actor acumule una cantidad significativa de monedas en stake y altere la cadena de bloques.

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