Repensar el consenso para un Blockchain más sostenible: de PoW a PoS

Mantener un registro de información en redes públicas de Blockchain (como Bitcoin, Ethereum u otras) implica resolver el denominado “Problema de los generales bizantinos”: varios contingentes de un mismo ejército cercan una ciudad enemiga, y tienen que ponerse de acuerdo, en un entorno hostil (donde los emisarios que se envíen entre los distintos campamentos podrían ser asesinados por el enemigo, y perderse los mensajes; o peor, con potenciales traidores entre ellos, que pueden matar a los emisarios, o alterar las órdenes recibidas) para atacar de forma coordinada la ciudad.

Si consiguen que la suma de la mayoría de las fuerzas de que disponen ataque a la vez, podrán ganar la batalla (pero si no consiguen un número mínimo de fuerzas que ataquen de forma coordinada, perderán).

Cómo coordinarse cuando no existe una autoridad centralizada

En el ámbito de las redes públicas de Blockchain el reto es cómo poner de acuerdo a los distintos usuarios de la red, conectados entre sí por un medio inseguro (conexiones P2P a través de Internet) en el que es posible que la información no viaje uniformemente (o incluso sea alterada, o se pierda por el camino) para que tomen de forma coordinada una decisión (cual será el siguiente bloque de la cadena, y por tanto, qué transacciones se reconocen como válidas) sin que exista una autoridad centralizada que dirija el proceso.

La clave para resolver este problema es aplicar teoría de juegos, implementando un mecanismo denominado “prueba de trabajo” (Proof of Work o PoW). Su objetivo es incentivar el comportamiento de unos actores, los mineros, para que utilicen su capacidad de cómputo generando nuevos bloques que contienen información aceptada de forma consensuada por toda la red, siguiendo las reglas definidas en una competición que implica realizar cálculos muy costosos computacionalmente.

A cambio de esa labor los mineros reciben una compensación (en el caso de Bitcoin obtienen 6,25 bitcoins más las comisiones de las transacciones incluidas en los bloques que generan).

El “problema del 51%”

Potencialmente un minero que tuviera una mayoría de la capacidad de computación global de estas redes (por ejemplo, por disponer de ordenadores cuánticos…) podría alterar su funcionamiento provocando sucesos no esperados (ralentizar la confirmación de nuevas transacciones, bloquear los pagos relacionados con una entidad específica, o provocar bifurcaciones de la cadena de bloques de forma premeditada que le permitiera gastar dos veces una misma criptomoneda a cambio de bienes o servicios ya consumidos). A esta situación se le conoce como “problema del 51%”.

En la práctica, sin embargo, si un minero consiguiera esta capacidad de cómputo y la utilizara para generar comportamientos anómalos como los identificados el principal perjudicado sería él mismo, puesto que provocaría una crisis en la red que pondría en riesgo seguir obteniendo más recompensas por generar nuevos bloques, por no hablar del probable crash en el mercado que haría derrumbarse el precio de la criptomoneda existente en dicha red (y por tanto, los ingresos que obtiene por su actividad).

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Resulta mucho más productivo para este minero seguir las reglas definidas y obtener ese rendimiento que “hacer trampas” y arriesgar el retorno de su inversión en la infraestructura necesaria para conseguir esa capacidad de computación.

El impacto medioambiental de las tecnologías Blockchain

Para que este resultado se garantice, el “efecto red” es clave (la cantidad de mineros trabajando en la red para competir por la generación de nuevos bloques). Cuanto mayor sea el coste para conseguir un porcentaje relevante de la capacidad de cómputo de la red, mayor será el incentivo para dedicar dicha infraestructura al cumplimiento de las reglas establecidas en dicha red.

Y ahí es donde nos encontramos con un problema: el impacto medioambiental de estas tecnologías, a medida que se ha incrementado la capacidad computacional de redes como Bitcoin, que requieren de hardware especializado y consumen grandes cantidades de electricidad para su funcionamiento.

En la gráfica se puede observar cómo la curva que representa la capacidad computacional de la red de Bitcoin a lo largo del tiempo no para de crecer, superando en la actualidad 200 trillones de operaciones por segundo.

Si bien hay un debate abierto sobre este impacto de la minería en redes públicas de Blockchain, comparativamente con otras actividades que también demandan un uso intensivo de infraestructura y generan también una importante huella medioambiental, y pese a que hay cada vez más proyectos que tratan de aprovechar energías renovables para la minería, existe un problema real derivado de la necesidad de energía para sostener el proceso de PoW y se plantean distintas iniciativas para modificar radicalmente la forma en que una red de Blockchain alcanza el consenso, destacando la alternativa que denominamos Prueba de Participación (Proof of Stake o PoS).

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El objetivo de sustituir PoW por PoS en redes públicas de Blockchain es conseguir un mecanismo que sea tan seguro como la minería, pero que no esté basado en la necesidad de capacidad de cómputo para participar en el proceso de validación de nuevos bloques, sino en un proceso aleatorio en el que cuanta más criptomoneda de la red se posea, más probabilidades existen de ser elegido para generar un nuevo bloque (y recibir una recompensa por ello).

El caso más relevante de transición de PoW a PoS es el de Ethereum, la red pública por excelencia para el uso de smart contracts en servicios descentralizados. Desde el inicio de Ethereum en 2015 ya se contemplaba a futuro esta transición, pero no se ha iniciado hasta el año 2020.

Beacon Chain, nuevo mecanismo de consenso para Ethereum

En este año se empezó a desplegar una red denominada Beacon Chain que es la encargada de gestionar este nuevo mecanismo de consenso en Ethereum. Esta red, en pruebas desde agosto de 2020, se integrará con la red principal de Ethereum en los próximos meses, en un evento denominado The Merge que transformará la manera en que esta red alcanza el consenso en la generación de nuevos bloques sin afectar a todos los smart contracts, datos y servicios basados en ellos que existen en la actualidad. Un reto más que considerable, teniendo en cuenta el volumen de negocio que gestiona.

Cuando esto suceda ya no existirán mineros, sino validadores que previamente habrán realizado un depósito de 32 Ether (la criptomoneda de Ethereum) como garantía para participar en el proceso de selección de los actores que generarán y validarán nuevos bloques en la red de Ethereum.

A la fecha en que escribo el artículo, el valor de ese depósito de 32 Ether asciende a unos 98.000 dólares, y existen ya más de 351.000 validadores que han depositado más de 11 millones de Ether para ser elegidos y participar en el proceso.

En cada ronda la Beacon Chain elige aleatoriamente, de entre todos los validadores disponibles, uno denominado proposer, que será quién decida el nuevo bloque a generar en Ethereum y las transacciones que irán recogidas en él, y un conjunto de validadores que actuarán como attester revisando y aceptando (o no) ese bloque generado, para que sea incorporado a la red (a un ritmo de un nuevo bloque cada 12 segundos).

Cómo funciona Beacon Chain

Este proceso no requiere de complicados cálculos como el caso de PoS, por lo que no se necesita una capacidad de cómputo relevante para ser un validador, únicamente ejecutar un software específico que permite conectar con la Beacon Chain y participar en el mecanismo de consenso.

Si durante ese proceso tanto proposer como attester se comportan correctamente recibirán una recompensa por su labor (más alta en el primer caso). Si no responden cuando son elegidos, o se comportan de forma incorrecta, recibirán una penalización (cuyo importe depende del daño que su comportamiento pueda provocar en el funcionamiento de la red), que se detraerá del depósito que realizaron para ser elegibles en el proceso.

Beacon Chain incentiva el cumplimiento de las reglas del juego de Ethereum: comportarse correctamente maximiza el beneficio

Si un actor es penalizado de forma recurrente podrá incluso llegar a perder todo su depósito y ser expulsado como validador, por lo que este mecanismo incentiva el comportamiento según las reglas definidas, para generar nuevos bloques en la red de forma coordinada y segura.

La probabilidad de ser elegido en el proceso es directamente proporcional al número de depósitos realizados, por lo que quien más cantidad de Ether haya aportado como garantía, más probabilidades tendrá de ser seleccionado, y por tanto, mayor rendimiento obtendrá con el nuevo proceso de PoS.

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Pura teoría de juegos: puesto que comportarse correctamente maximiza el beneficio, y hacer trampas lo minimiza, quien más Ether tenga más incentivado se verá a jugar según las reglas (por la cuenta que le trae).

La evolución de Ethereum

La evolución de Ethereum no se queda únicamente en la migración de PoW a PoS, existen más fases en el futuro para incrementar la capacidad de la red mediante múltiples cadenas de bloques donde estarán desplegados los smart contracts, que funcionarán en paralelo, y la Beacon Chain será quien se encargue de garantizar la seguridad y coordinar el proceso de generación de nuevos bloques en todas las cadenas que compondrán Ethereum.

Pero todavía no hay siquiera una fecha definida para esa fase final, quedan muchas decisiones por tomar, desarrollos y pruebas por realizar. Y previo a todo, confirmar que 2022 será el año de The Merge si no sucede nada imprevisto con el proceso de implantación de Proof of Stake sobre la red actual. Rien ne va plus, o como dicen en este ecosistema descentralizado, WAGMI (We All Gonna Make It).

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