Por qué los entornos de ejecución confiables serán parte integral de las cadenas de bloques de prueba de participación

Desde la invención de Bitcoin, hemos visto una tremenda efusión de creatividad informática en la comunidad abierta. A pesar de su evidente éxito, Bitcoin tiene varias deficiencias. Es demasiado lento, demasiado caro, el precio es demasiado volátil y las transacciones son demasiado públicas.

Varios proyectos de criptomonedas en el espacio público han tratado de resolver estos desafíos. Existe un interés particular en la comunidad para resolver el desafío de la escalabilidad. El algoritmo de consenso de prueba de trabajo de Bitcoin solo admite siete transacciones por segundo. Otras cadenas de bloques como Ethereum 1.0, que también se basa en el algoritmo de consenso de prueba de trabajo, también muestran un rendimiento mediocre. Esto tiene un impacto adverso en las tarifas de transacción. Las tarifas de transacción varían según la cantidad de tráfico en la red. A veces, las tarifas pueden ser inferiores a $ 1 y, en otras ocasiones, superiores a $ 50.

Las cadenas de bloques de prueba de trabajo también consumen mucha energía. En el momento de escribir este artículo, el proceso de creación de Bitcoin consume alrededor de 91 teravatios-hora de electricidad al año. Esta es más energía que la utilizada por Finlandia, una nación de alrededor de 5,5 millones.

Si bien hay una sección de comentaristas que piensan que esto es un costo necesario para proteger todo el sistema financiero de forma segura, en lugar de solo el costo de operar un sistema de pago digital, hay otra sección que piensa que este costo podría eliminarse mediante desarrollar protocolos de consenso de prueba de participación. Los protocolos de consenso de prueba de participación también ofrecen rendimientos mucho más altos. Algunos proyectos de blockchain apuntan a entregar más de 100,000 transacciones por segundo. En este nivel de rendimiento, las cadenas de bloques podrían rivalizar con los procesadores de pagos centralizados como Visa.

El cambio hacia el consenso de prueba de participación es bastante significativo. Tendermint es un marco popular de consenso de prueba de participación. Varios proyectos como Binance DEX, Oasis Network, Secret Network, Provenance Blockchain y muchos más utilizan el marco Tendermint. Ethereum está en transición para convertirse en una red basada en prueba de participación. Es probable que Ethereum 2.0 se lance en 2022, pero la red ya tiene más de 300 000 validadores. Después de que Ethereum haga la transición, es probable que varias cadenas de bloques basadas en Ethereum Virtual Machine (EVM) hagan lo mismo. Además, hay varias cadenas de bloques que no son EVM, como Cardano, Solana, Algorand, Tezos y Celo, que utilizan el consenso de prueba de participación.

Las cadenas de bloques de prueba de participación introducen nuevos requisitos

A medida que se afianzan las cadenas de bloques de prueba de participación, es importante profundizar en los cambios que se están desarrollando.

Primero, no hay más “minería”. En cambio, hay «replanteo». Staking es un proceso de poner en juego la moneda blockchain nativa para obtener el derecho de validar transacciones. La criptomoneda apostada se vuelve inutilizable para las transacciones, es decir, no se puede usar para realizar pagos o interactuar con contratos inteligentes. Los validadores que apuestan en criptomonedas y procesan transacciones ganan una fracción de las tarifas que pagan las entidades que envían transacciones a la cadena de bloques. Los rendimientos de las apuestas a menudo están en el rango de 5% a 15%.

En segundo lugar, a diferencia de la prueba de trabajo, la prueba de participación es un protocolo de consenso basado en la votación. Una vez que un validador apuesta en criptomonedas, se compromete a permanecer en línea y votar sobre las transacciones. Si por alguna razón, una cantidad sustancial de validadores se desconectan, el procesamiento de transacciones se detendría por completo. Esto se debe a que se requiere una gran mayoría de votos para agregar nuevos bloques a la cadena de bloques. Esta es una gran diferencia con las cadenas de bloques de prueba de trabajo en las que los mineros pueden ir y venir cuando quieran, y sus recompensas a largo plazo dependerán de la cantidad de trabajo que hayan hecho mientras participaban en el protocolo de consenso. En las cadenas de bloques de prueba de participación, los nodos de validación son penalizados y se les quita una parte de su participación si no permanecen en línea y votan sobre las transacciones.

En tercer lugar, en las cadenas de bloques de prueba de trabajo, si un minero se porta mal, por ejemplo, al intentar bifurcar la cadena de bloques, termina lastimándose. Minar encima de un bloque incorrecto es una pérdida de esfuerzo. Esto no es cierto en las cadenas de bloques de prueba de participación. Si hay una bifurcación en la cadena de bloques, se incentiva un nodo de validación para que admita tanto la cadena principal como la bifurcación. Esto se debe a que siempre existe una pequeña posibilidad de que la cadena bifurcada resulte ser la cadena principal a largo plazo.

Castigar el mal comportamiento de blockchain

Las primeras cadenas de bloques de prueba de participación ignoraron este problema y dependían de los nodos de validación que participaban en el consenso sin comportarse mal. Pero esta no es una buena suposición a largo plazo, por lo que los diseños más nuevos introducen un concepto llamado «recorte». En caso de que un nodo de validación observe que otro nodo se ha portado mal, por ejemplo, al votar por dos bloques separados a la misma altura, entonces el observador puede cortar el nodo malicioso. El nodo cortado pierde parte de su criptomoneda apostada. La magnitud de una criptomoneda reducida depende de la cadena de bloques específica. Cada cadena de bloques tiene sus propias reglas.

En cuarto lugar, en las cadenas de bloques de prueba de participación, las configuraciones incorrectas pueden provocar cortes. Una mala configuración típica es aquella en la que múltiples validadores, que pueden ser propiedad de la misma entidad o ser operados por ella, terminan usando la misma clave para validar transacciones. Es fácil ver cómo esto puede conducir a la tala.

Finalmente, las primeras cadenas de bloques de prueba de participación tenían un límite estricto sobre cuántos validadores podían participar en el consenso. Esto se debe a que cada validador firma un bloque dos veces, una durante la fase de preparación del protocolo y otra durante la fase de confirmación. Estas firmas se suman y podrían ocupar bastante espacio en el bloque. Esto significaba que las cadenas de bloques de prueba de participación estaban más centralizadas que las cadenas de bloques de prueba de trabajo. Este es un problema grave para los defensores de la descentralización y, en consecuencia, las cadenas de bloques de prueba de participación más nuevas se están desplazando hacia sistemas criptográficos más nuevos que admiten la agregación de firmas. Por ejemplo, el criptosistema Boneh-Lynn-Shacham (BLS) admite la agregación de firmas. Usando el criptosistema BLS, se pueden agregar miles de firmas de tal manera que la firma agregada ocupe el espacio de una sola firma.

Cómo los entornos de ejecución confiables pueden ser parte integral de las cadenas de bloques de prueba de participación

Si bien la filosofía central de las cadenas de bloques gira en torno al concepto de falta de confianza, los entornos de ejecución confiables pueden ser parte integral de las cadenas de bloques de prueba de participación.

Gestión segura de claves de validación de larga duración

Para las cadenas de bloques de prueba de participación, las claves de validación deben administrarse de forma segura. Idealmente, tales claves nunca deberían estar disponibles en texto claro. Deben generarse y usarse dentro de entornos de ejecución confiables. Además, los entornos de ejecución confiables deben garantizar la recuperación ante desastres y la alta disponibilidad. Deben estar siempre en línea para satisfacer las demandas de los nodos de validación.

Ejecución segura de código crítico

Los entornos de ejecución confiables de hoy en día son capaces de más que una administración segura de claves. También se pueden usar para implementar código crítico que opera con alta integridad. En el caso de los validadores de prueba de participación, es importante que los mensajes en conflicto no estén firmados. La firma de mensajes contradictorios puede dar lugar a sanciones económicas de acuerdo con varios protocolos de blockchain de prueba de participación. El código que rastrea el estado de la cadena de bloques y garantiza que los validadores no firmen mensajes contradictorios debe ejecutarse con gran integridad.

Conclusiones

El ecosistema blockchain está cambiando de maneras muy fundamentales. Hay un gran cambio hacia el uso del consenso de prueba de participación porque ofrece un mayor rendimiento y una menor huella de energía en comparación con un algoritmo de consenso de prueba de trabajo. Este no es un cambio insignificante.

Los nodos de validación deben permanecer en línea y se penalizan por desconectarse. Administrar claves de forma segura y siempre en línea es un desafío.

Para que el protocolo funcione a escala, varias cadenas de bloques han introducido castigos por mala conducta. Los nodos de validación continúan sufriendo estos castigos debido a configuraciones incorrectas o ataques maliciosos a ellos. Para conservar la naturaleza distribuida a gran escala de las cadenas de bloques, se están adoptando nuevos criptosistemas. Es probable que los entornos de ejecución confiables que ofrecen recuperación ante desastres, alta disponibilidad, admitan nuevos criptosistemas como BLS y permitan la ejecución de código personalizado con alta integridad sean una parte integral de este cambio de prueba de trabajo a prueba de participación. cadenas de bloques

Pralhad Deshpande, Ph.D., es arquitecto senior de soluciones en Fortanix.