La Prueba de Trabajo (PoW) es similar a certificaciones de la vida real como diplomas o licencias de conducir, donde la validación se logra a través de exámenes (por ejemplo, pasar pruebas relevantes). En el mundo criptográfico, PoW sirve como el modelo de consenso fundamental para las redes de blockchain, estableciendo el estándar para que los nodos alcancen consenso. Este modelo confirma transacciones y genera nuevos bloques en la blockchain, estableciendo un mecanismo de incentivos que recompensa a los nodos que generan bloques con éxito.

La Propuesta de PoW

La investigación académica relacionada con PoW comenzó a principios de la década de 1990. En 1993, la científica informática estadounidense y profesora de la Universidad de Harvard, Cynthia Dwork, propuso el concepto de PoW para abordar problemas de correo no deseado. En 1997, Adam Back inventó la tecnología HashCash, aplicando el mecanismo PoW para contrarrestar ataques de denegación de servicio y abuso de correo no deseado. Esto requería que cada remitente de correo electrónico realizara una pequeña cantidad de cálculos de hash, causando intencionalmente un breve retraso.
La tecnología HashCash posteriormente se utilizó ampliamente para el filtrado de spam e implementada por Microsoft en productos como Hotmail, Exchange y Outlook. En 2008, Satoshi Nakamoto aplicó el concepto de PoW al consenso de blockchain en el documento seminal "Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System", introduciendo el algoritmo de consenso PoW para el sistema Bitcoin.

Principio

El algoritmo de consenso PoW se basa en funciones hash. Para una cadena de entrada dada s, la función hash H(s) produce una salida de longitud fija, y el cálculo de H(s) es eficiente. Las funciones hash utilizadas en sistemas blockchain como Bitcoin y Ethereum deben cumplir con los siguientes tres criterios:

1. Resistencia a colisiones: Debería ser improbable que dos entradas diferentes produzcan la misma salida de hash.
2. Irreversibilidad: Dado un hash de salida H(s), debería ser computacionalmente imposible ingeniería inversa la entrada sss.
3. Imprevisibilidad: Aparte de los métodos de fuerza bruta, ningún otro método debería poder producir una entrada que se haya a un valor objetivo específico.

Cómo funciona

El algoritmo de consenso PoW sigue estos pasos:

1. Establecimiento del nivel de dificultad: El sistema especifica un valor de dificultad global, que determina el resultado de la computación hash requerido para el siguiente bloque. Generalmente, el valor hash debe ser menor que cierto umbral. A medida que la red se expande, el nivel de dificultad aumenta y el sistema ajusta periódicamente la dificultad.
2. Empaquetando transacciones: Los nodos recopilan múltiples mensajes de transacción y los empaquetan en el cuerpo de un nuevo bloque.
3. Ensamblaje del encabezado del bloque: Los nodos ensamblan el encabezado del bloque, que típicamente incluye el valor hash del bloque anterior, el valor hash de las transacciones en el nuevo bloque, el valor de dificultad actual, una marca de tiempo y un valor de nonce aleatorio.
4. Cómputo de hash: Los nodos utilizan el algoritmo de hash especificado (por ejemplo, doble SHA-256 en Bitcoin) para calcular el hash del encabezado del bloque. Si el hash no cumple con los requisitos de dificultad, los nodos modifican el nonce y vuelven a calcular el hash. El nodo que calcula con éxito un hash que cumple con los requisitos de dificultad difunde el nuevo bloque a la red.
   
5. Verificación y aceptación: Los nodos que reciben el bloque difundido verifican su validez (por ejemplo, mediante el hash doble SHA-256 del encabezado del bloque en Bitcoin). Si la verificación es exitosa, aceptan el nuevo bloque y lo agregan a su copia local del libro mayor distribuido.
6. Competencia por el siguiente bloque: los nodos comienzan a competir por el derecho de agregar el siguiente bloque.
   En el algoritmo de PoW, solo el nodo que primero calcula un hash que cumple con los requisitos de dificultad obtiene el derecho de agregar el nuevo bloque al libro mayor distribuido. Luego, otros nodos replican el nuevo bloque para mantener la consistencia en todo el libro mayor distribuido.

Limitaciones

El algoritmo de consenso PoW depende de la potencia computacional para asignar el derecho de registrar transacciones. A medida que la escala de las redes blockchain crece, esto resulta en un desperdicio significativo de recursos computacionales y electricidad. En 2020, la red de Bitcoin consumió 134.89 mil millones de kilovatios-hora, equivalente al consumo anual de electricidad de una provincia. Este alto consumo de energía es una limitación importante de PoW.
Además, el algoritmo de consenso PoW conlleva un largo tiempo de cálculo que resulta en tiempos de espera prolongados para obtener derechos de grabación, prolongando así los ciclos de confirmación de transacciones y reduciendo la eficiencia de generación de bloques. Por ejemplo, Bitcoin genera un bloque aproximadamente cada 10 minutos, limitando sus transacciones por segundo (TPS) y destacando las limitaciones de eficiencia del algoritmo de consenso PoW.