Capas de una blockchain: Guía de la capa de consenso y tipos de consenso blockchain

En la tecnología blockchain, la seguridad y el funcionamiento dependen de varios niveles o capas estructurales. Cada capa cumple un rol específico para que la red opere de forma descentralizada, segura y eficiente. Entre ellas, la capa de consenso destaca como el núcleo que permite a los nodos acordar el estado válido de la cadena de bloques.

En esta guía, exploraremos las distintas capas de una blockchain, y explicaremos detalladamente los principales mecanismos de consenso, incluyendo sus ventajas, desventajas y casos de uso.

Una blockchain típica se puede imaginar en capas apiladas, donde cada nivel agrega funcionalidades clave. A grandes rasgos, las capas de la arquitectura blockchain son:

• Capa de infraestructura (Capa 0): incluye los servidores, ordenadores y dispositivos físicos que ejecutan la red. Son los nodos de la red distribuida, encargados de almacenar los datos y ejecutar el software de la cadena de bloques. Esta capa básica abarca la conexión a Internet y el hardware que sostienen la red.

• Capa de datos: define cómo se estructuran y almacenan los datos en la blockchain. Consiste en el libro mayor distribuido compuesto por bloques enlazados criptográficamente (listas enlazadas de transacciones, árboles de Merkle, hashes de bloques, etc.). Garantiza la integridad de la información mediante criptografía, de forma que los bloques confirmados no puedan alterarse.

• Capa de red (P2P): es la encargada de la comunicación entre nodos en un modelo peer-to-peer. Gestiona cómo los nodos se descubren entre sí, intercambian mensajes y propagan transacciones y bloques por la red. Esta capa asegura que la blockchain funcione sin un servidor central, con todos los nodos comunicándose directamente para compartir datos.

• Capa de consenso: es fundamental para que una blockchain exista. Aquí es donde los nodos validadores acuerdan qué bloques son válidos y en qué orden se agregan al libro mayor. En otras palabras, la capa de consenso define el protocolo de consenso que la red utiliza para validar transacciones y lograr que todos los participantes confíen en un único historial compartido. Sin esta capa, los nodos no podrían ponerse de acuerdo sobre el estado de la cadena, haciendo imposible la seguridad y la coherencia de la blockchain. La capa de consenso valida los bloques, los ordena y garantiza que todos los nodos honestos estén de acuerdo en el mismo registro. Más adelante profundizaremos en esta capa y sus mecanismos.

• Capa de ejecución: en algunas arquitecturas se distingue una capa encargada de ejecutar las reglas de la blockchain y las operaciones programables. Aquí residen, por ejemplo, las máquinas virtuales (como la EVM en Ethereum) y las reglas de ejecución de contratos inteligentes o chaincode. Esta capa toma las transacciones acordadas en la capa de consenso y las ejecuta para modificar el estado (cuentas, contratos, etc.) de manera determinista.

• Capa de aplicación: es la capa más alta, donde interactúan los usuarios y las aplicaciones descentralizadas (dApps). Incluye las interfaces de usuario, APIs y smart contracts que utilizan la blockchain como infraestructura. Por ejemplo, las billeteras, las aplicaciones DeFi, juegos NFT, etc., operan en la capa de aplicación, la cual a su vez se comunica con la blockchain subyacente para enviar transacciones y consultar datos.

Todas estas capas juntas conforman la infraestructura blockchain. La capa de consenso, en particular, juega un papel crucial en la seguridad y descentralización, ya que es donde se define cómo los nodos alcanzan acuerdos unánimes.

El consenso en blockchain se refiere al proceso por el cual una red distribuida de nodos acuerda cuál será el próximo bloque de transacciones válido que se añadirá a la cadena.

Dado que en una blockchain no hay una autoridad central, los participantes deben confiar en un protocolo automatizado para decidir de forma colectiva y confiable el historial de transacciones aceptado por la mayoría, buscando que todas las copias del libro mayor estén sincronizadas y reflejen solo transacciones válidas. Esto previene problemas como registros inconsistentes, gastos dobles y otros ataques, garantizando la integridad de la red.

Su objetivo principal es triple:

• Asegurar que todos los nodos coincidan en una única versión del historial.
• Incentivar el comportamiento honesto de los participantes.
• Proteger la red frente a posibles ataques.

Para lograrlo, los validadores aceptan conjunto de reglas, incentivos y penalizaciones que regulan cómo se crean y validan nuevos bloques. En caso de actuar de forma maliciosa o negligente, pueden ser penalizados por el protocolo, como medida disuasoria.

La capa de consenso es clave porque de ella dependen propiedades fundamentales de la blockchain: la seguridad (dificultad de ataques), la descentralización (ausencia de control central, participación abierta) y la inmutabilidad del historial (una vez acordado un bloque, no puede revertirse fácilmente).

Un buen protocolo de consenso permite que cientos o miles de nodos lleguen a un acuerdo sin tener que confiar ciegamente unos en otros, más bien confiando en las reglas del protocolo.

A lo largo de los años han surgido numerosos algoritmos de consenso, algunos completamente originales y otros variantes o mejoras de conceptos previos. A continuación describimos los tipos más comunes de consenso en blockchain.

Proof-of-Work (PoW): seguridad a cambio de esfuerzo computacional

La Prueba de Trabajo (en inglés Proof-of-Work, PoW) fue el primer mecanismo de consenso ampliamente adoptado en blockchains públicas. Debe su fama a ser el algoritmo que asegura la red de Bitcoin, propuesta por Satoshi Nakamoto en 2008. Desde entonces, ha demostrado ser un modelo seguro y resistente a ataques, ya que desincentiva el comportamiento malicioso al exigir un gran gasto de energía y hardware para participar.

En este sistema, los nodos validadores, conocidos como mineros, compiten entre sí resolviendo acertijos criptográficos complejos. El primero en resolverlo tiene el derecho de añadir un nuevo bloque a la cadena y recibe una recompensa en forma de criptomonedas (más las comisiones por transacción).

Ventajas:

• Seguridad robusta y comprobada durante más de una década.
• Descentralización efectiva: cualquiera con los recursos necesarios puede participar.
• Historial inmutable: reescribir la cadena requeriría rehacer todo el trabajo posterior, lo cual resulta inviable.

Desventajas:

• Alto consumo energético: la minería demanda enormes cantidades de electricidad para realizar cálculos, lo que tiene un impacto ambiental significativo y costos operativos muy altos.
• Baja escalabilidad: las redes PoW suelen procesar un número reducido de transacciones por segundo y con altas latencias en la confirmación
• Coste de entrada elevado: participar requiere hardware especializado y acceso a energía barata.

Proof-of-Stake (PoS): seguridad basada en participación económica

A diferencia del PoW donde la seguridad depende del gasto energético para resolver problemas, en la Prueba de Participación (Proof-of-Stake, PoS) la seguridad se basa en la posesión y bloqueo de tokens nativos de la red por parte de los participantes (lo que se conoce como staking). Es decir, los participantes deben bloquear una cantidad determinada de tokens (stake) para ser seleccionados y validar bloques. Cuanto mayor sea ese stake, más altas serán sus probabilidades de ser elegidos para proponer el siguiente bloque.

Un aspecto clave de PoS es el concepto de slashing (penalización): si un validador incumple las reglas, su depósito en stake puede ser recortado o confiscado parcial/totalmente como castigo.

Por otro lado, participar en el consenso es mucho más barato energéticamente: no se necesita resolver cálculos inútiles, solo mantener un servidor funcionando y bloqueando fondos.

Entre los ejemplos de blockchains con PoS podemos encontrar: Ethereum De hecho, la migración de Ethereum de PoW a PoS en 2022 fue un momento histórico para la industria: no solo redujo drásticamente el consumo energético de la red, sino que también consolidó el mecanismo PoS como el nuevo estándar para las blockchains de próxima generación.

Ventajas:

• Alta eficiencia energética: sin necesidad de hardware ni alto consumo eléctrico.
• Mayor escalabilidad: confirmaciones rápidas y soporte para sharding para aumentar el rendimiento.
• Amplia participación: cualquier usuario con fondos puede participar haciendo staking (ya sea como validador completo o delegando a un validador).

Desventajas:

• Riesgo de centralización: PoS tiende a favorecer a quienes poseen más tokens, ya que tienen mayor probabilidad de validar bloques y obtener recompensas. 🎥 Diferencias entre centralización vs. descentralizacion.
• Ataque del 51%: si un actor logra adquirir más del 51% de los tokens en stake, podría potencialmente comprometer la red. No obstance, también devaluaría la moneda, desincentivando así al atacante.

Delegated Proof-of-Stake (DPoS): gobernanza delegada y democratizada

La Prueba de Participación Delegada (Delegated Proof-of-Stake, DPoS) es una evolución del modelo PoS que introduce un componente de gobernanza delegada y representación. Es decir, en lugar de que todos los validadores participen directamente en la validación de bloques, los usuarios de la red votan para elegir un número limitado de validadores, quienes se encargan de validar transacciones y producir bloques en su nombre.

Un ejemplo de redes que usan este tipo de mecanismo de consenso son las redes del ecosistema de Cosmos, EOS y TRON.

Ventajas

• Alta eficiencia y velocidad: al tener menos validadores, consiguen tiempos de bloque muy cortos y miles de transacciones por segundo.
• Gobernanza activa: los usuarios pueden votar o cambiar de validador delegado en todo momento mediante un sistema de gobernanza on-chain.
• Flexibilidad para actualizaciones: Al estar los validadores conocidos y en menor número, suele ser más fácil desplegar actualizaciones o cambios de protocolo

Desventajas

• Riesgo de centralización al depender de un conjunto reducido de validadores.
• Riesgo de plutocracia: en la práctica quienes poseen más tokens tienen más poder de voto, y puede llevar a que unos pocos grandes holders (ballenas) decidan quién valida.
• Posibles carteles de validadores: los validadores podrían coordinarse entre sí para repartirse el poder o las recompensas, traicionando la intención de representación justa de los votantes.

Proof-of-History (PoH): el tiempo como prueba de confianza

La Prueba de Historia (Proof-of-History, PoH) es una tecnología desarrollada por Solana para acelerar su blockchain mediante marcas de tiempo verificables. A diferencia de otras redes donde los nodos deben coordinarse para acordar el orden de las transacciones, PoH genera una secuencia cronológica segura que elimina esa necesidad, lo que permite procesar miles de transacciones por segundo.

PoH en sí mismo no reemplaza totalmente a PoW o PoS, más bien actúa como un complemento para aumentar la eficiencia temporal de la red. Mientras con PoH establece el orden temporal de los eventos, con PoS se encarga de seleccionar y recompensar a los validadores.

Esta combinación potencia el rendimiento, pero tiene un coste: requiere hardware de alto rendimiento, lo que puede limitar la participación y aumentar el riesgo de centralización.

Ventajas:

• Alta velocidad: miles de TPS sin sincronización constante.
• Escalable y seguro: permite procesar transacciones a velocidades muy altas, casi en tiempo real, sin necesidad de más validadores.
• Complementariedad: PoH es flexible y se puede integrar con otros algoritm

Desventajas:

• Requisitos elevados de hardware: para soportar ese rendimiento, exige nodos validadores con hardware potente excluyendo a operadores con menos recursos.
• Riesgo de centralización: la alta exigencia técnica hace que haya relativamente menos validadores activos en comparación con, por ejemplo, Ethereum.
• Complejidad y menor adopción: PoH es bastante específico y complejo de entender/implementar.

Proof-of-Authority (PoA): consenso basado en reputación

A diferencia de PoW o PoS, la Prueba de Autoridad (Proof-of-Authority, PoA) no requiere potencia de cómputo ni staking. En su lugar, un grupo reducido de validadores con identidad pública y reputación validan los bloques. Es decir, si tienen algo que perder, sea nombre, cargo o responsabilidad legal, tienen más incentivos para actuar con honestidad.

PoA es ideal para blockchains permissionless donde ya existe confianza entre participantes. Se usa en entornos empresariales como redes logísticas, gubernamentales o bancarias. Ejemplos: VeChain, POA Network o xDai.

Ventajas:

• Alta eficiencia: dado que los validadores son pocos y confiables, pueden procesar bloques muy rápidamente con tiempos de bloque de apenas unos segundos.
• Energía mínima: no requiere grandes consumos de energía ni hardware especializado.
• Previsibilidad: al conocerse la identidad de cada validador, cualquier intento malicioso tendría consecuencias legales.

Desventajas:

• Menor resiliencia: pocos validadores también implican menos redundancia. Si algunos caen, la red puede frenarse más fácilmente.
• Alta centralización: el control de la red recae en entidades específicas. Si esos nodos se coluden o fallan, la red se ve comprometida.
• No es trustless: al tener que confiar en actores conocidos, se restringe a blockchains privadas, de pruebas o sidechains complementarias.

Otros mecanismos de consenso

Aunque los anteriores mecanismos de consenso son los más conocidos y adoptados, el ecosistema blockchain ha dado lugar a modelos alternativos que intentan resolver problemas específicos como el alto consumo energético, la concentración de poder, o la dificultad para escalar.

Algunos de estos mecanismos combinan ideas de PoW y PoS, mientras que otros apuestan por enfoques completamente distintos: quemar tokens, usar espacio en disco, o premiar la participación activa. Algunos ejemplos son:

• Proof-of-Burn (PoB): se “queman tokens” tokens enviándolos a direcciones inaccesibles para obtener derecho a validar bloques. Favorece el compromiso a largo plazo y reduce la inflación. ¿El coste? Destruir valor económico real.
• Proof-of-Capacity (PoC): utiliza espacio de almacenamiento en disco en lugar de potencia de cómputo. Cuanto más almacenamiento tengas, más opciones de validar. Es eficiente, pero puede centralizarse y requiere mucho espacio físico.
• Proof-of-Elapsed Time (PoET): desarrollado por Intel. Asigna tiempos de espera aleatorios a cada nodo usando hardware confiable, y el primero en terminar su espera propone el bloque. Es justo y eficiente, pero depende de tecnología propietaria y no es apto para redes públicas.
• Proof-of-Importance (PoI): selecciona validadores según su actividad en la red, no solo por tener tokens. Premia la participación real, pero su cálculo es complejo y su adopción aún es baja.

Conclusión El mecanismo de consenso es la base de la confianza en blockchain. Puedes pensar en él como el sistema nervioso que hace posible que una red funcione sin intermediarios, de forma segura y coordinada.

Aunque PoW y PoS siguen siendo los más conocidos, cada vez surgen más alternativas que exploran nuevas formas de lograr consenso, con ventajas muy concretas según las necesidades del proyecto.

Pero si hay algo que queremos que recuerdes, es esto: no existe un único mecanismo ideal. Todo depende del equilibrio que se busque entre seguridad, escalabilidad y descentralización. ¿Con cuál te quedas tú?