https://doi.org/10.37815/rte.v33n2.828

Artículos originales

Análisis
comparativo de Métodos de Consenso sobre plataformas Blockchain

Comparative analysis of Consensus Methods on Blockchain platforms

Ximena Campaña Iza1 https://orcid.org/0000-0001-5929-2085, Xavier Zumba Sampedro1 https://orcid.org/0000-0002-8292-5490, Mario Raúl Morales3 http://orcid.org/0000-0002-7493-8072, Santiago Morales Cardoso1 http://orcid.org/0000-0002-3833-9654

1Facultad de Ingeniería y Ciencias
Aplicadas, Universidad Central del Ecuador, Quito, Ecuador

[email-masked], [email-masked], [email-masked]

3Universidad de Alicante, Alicante, España

[email-masked]

Enviado:         2021/06/29

Aceptado:       2021/09/28

Publicado:      2021/11/30

Resumen

En la presente investigación
se plantea realizar un análisis comparativo entre los diferentes métodos de
consenso existentes, los cuales son los encargados de registrar, validar y
realizar transacciones dentro de la tecnología Blockchain.
Se identifica la presencia de propiedades consideradas como esenciales para su
aplicabilidad y eficacia. Se considera características relevantes que permitan
determinar cuál o cuáles de los diferentes métodos de consenso ayudan a mejorar
problemas de escalabilidad o seguridad que tiene, hasta el momento, esta
tecnología en cada plataforma. Se determina el valor de cada una de las
características y posteriormente se asigna ponderaciones. Cada una de las
características consideradas para la comparación no poseen la misma relevancia,
por lo cual, se realiza una nueva ponderación que permite obtener resultados de acuerdo al valor e importancia de éstas en cada uno de
los protocolos. Finalmente, se determina que los protocolos con mejores
características son Tolerancia Delegada de Fallas Bizantinas, Prueba de Participación
Delegada y Prueba de Trabajo; siendo Tolerancia Delegada de Fallas Bizantinas el mejor
método por realizar 10.000
transacciones por segundo con baja latencia y un bajo consumo de recursos,
entre las características más relevantes.

Palabras clave: criptomoneda, cadena de bloques,
tecnología primaria, métodos de consenso, minería.

Abstract

A comparative analysis between different existing
methods for registering, validating, and carrying out transactions within
Blockchain technology was performed in this research. Properties considered
essential because of their applicability and efficacy were identified. Relevant
characteristics to determine which of the different consensus methods help
improve scalability or security problems that this technology has, so far, in
each platform, were considered. These characteristics do not have the same
importance. Therefore, a new score that allows obtaining results according to
the value and relevance of its protocols was introduced.  The protocols with the best characteristics
were: Delegated Tolerance of Byzantine Faults, Delegated Proof of
Participation, and Proof of Work; being Delegated Tolerance of Byzantine
Faults, the best method to, among the most relevant characteristics, carry out
10000 transactions per second with low latency and low resource consumption.

Keywords: criptocurrency, blockhchain, primary technology, consensus
methods, mining.

Introducción

Blockchain (BC) o cadena de bloques es considerada una
tecnología primaria (Conti, Kumar, Lal, & Ruj, 2018) y, definida como la
aplicación principal de las criptomonedas que permite la inmutabilidad e
integridad de los datos (Mora et al., 2021). Se conoce como un libro de
contabilidad distribuido para registrar transacciones, mantenido por varios
nodos sin autoridad central mediante un método criptográfico distribuido (Cachin &
Vukolić, 2017).

BC tiene numerosos beneficios como descentralización, persistencia,
anonimato y auditabilidad. Varios estudios se centran en el uso de la tecnología
Blockchain en diversos aspectos de aplicación que va
desde las criptomonedas, servicios financieros, gestión de riesgos, internet de
las cosas (IoT) hasta servicios públicos y sociales.
BC fundamenta la validez de las transacciones mediante mecanismos conocidos
como Métodos de Consenso. La presente investigación tiene como objetivo
comparar los Métodos de Consenso sobre Plataformas Blockchain
a través de la identificación de sus principales características para
garantizar el aprovechamiento óptimo de los mismos. Adicionalmente, la novedad que presenta este trabajo
radica en la evaluación de Métodos de Consenso de acuerdo con la eficiencia que
presentan y su aplicabilidad en distintos campos.

En los siguientes párrafos se revisan varios conceptos utilizados a lo
largo del presente trabajo.

Criptomoneda

Conocidas como una clase de activos en crecimiento (Grobys
et al., 2019) o monedas digitales que dependen de algoritmos criptográficos
para proporcionar a los usuarios un medio de intercambio seguro, creación de
dinero y transacciones. Definidas legalmente como "monedas digitales
convertibles" o como un "equivalente digital de efectivo" (Papadopoulos, 2015).

Bitcoin es la criptomoneda más conocida que registra sus transacciones
monetarias en tecnología BC (Swan, 2018);
se trata de un sistema de pago electrónico criptográficamente seguro, basado en
el esquema de clave pública (Conti et al., 2018).
Es la primera aplicación desarrollada con tal tecnología y se piensa que fue
creada en 2008 por Satoshi Nakamoto (Islam et
al., 2019). La escalabilidad es una de sus desventajas, lo que ocasiona
que se torne lenta (Mora et al., 2019);
no obstante, usa un mecanismo conocido como Lightning Network que proporciona pagos ágiles fuera de la cadena (Zhang & Lee, 2019).

Actualmente es la criptodivisa más exitosa y ha impulsado la creación de
nuevas monedas digitales que mantienen el concepto de descentralización (Conti, Kumar, Lal, & Ruj, 2018) tal como Ethereum, Ripple, Litecoin, Dash, NEM, Stellar y NEO (Ruozhou et al., 2019).

Cadena
de bloques

BC permite la inmutabilidad e integridad de los datos en los que se
mantiene un registro de las transacciones (Viriyasitavat & Hoonsopon, 2018). Es una base de
datos distribuida o libro de contabilidad distribuido controlado por múltiples
entidades (Cachin & Vukolić, 2017) y es resistente a la
manipulación (Salimitari & Chatterjee, 2019), lo cual brinda
resistencia a la censura, es decir, ninguna autoridad central puede impedir que
una de las partes realice negocios en la red (Swan, 2018)
y, todas las personas pueden compartir y acceder (Salimitari & Chatterjee, 2019). Las transacciones
son registradas cronológicamente en el libro mayor (Swan, 2018); mientras más larga
sea la cadena, más complicado será falsificarla (Tahar
et al., 2018).

Se resume a BC como un sistema que ofrece servicios confiables a un
conjunto de nodos o mineros que no confían plenamente entre sí o, como un
protocolo distribuido seguro (Cachin & Vukolić, 2017) basado en un método
de consenso para ponerse de acuerdo sobre los nuevos datos (Salimitari & Chatterjee, 2019) como la
transferencia segura de instancias únicas de valor mediante internet para
mantener la integridad y autenticidad de documentos (Swan, 2018).

Una característica principal de BC es la intervención de mineros o nodos
que validan y agrupan transacciones en bloques y posteriormente los agregan a
la cadena (Islam et al., 2019). En la
actualidad BC tiene mayor apertura (Morales et al., 2020) y conduce a una gran
cantidad de nuevos métodos de consenso (Viriyasitavat & Hoonsopon, 2018). Existen tres tipos
de BC: i) públicos, que son descentralizados, ii)
privados, el acceso depende de un tercero, iii)
consorcio, son cadenas híbridas entre las dos anteriores (Salimitari & Chatterjee, 2019).

Mineros

Son personas o grandes empresas que poseen poder de cómputo limitado (Islam et al., 2019), no necesitan de una autenticación
previa para unirse a la red (Conti et al., 2018)
y son los encargados de efectuar métodos de consenso en un sistema BC (Viriyasitavat & Hoonsopon, 2018). Cada uno de los
mineros almacena una copia local de BC y reciben recompensas para garantizar
que la cadena se mantenga con honestidad (Conti
et al., 2018). El proceso de registrar un nuevo bloque a la cadena se
denomina minería (Fairley, 2017). Un bloque obtiene más credibilidad
cuando se construyen sobre él más bloques (Salimitari & Chatterjee, 2019).

Los nodos o mineros pueden comportarse de manera maliciosa originando el
Problema del General Bizantino (Swan, 2018)
y pueden afectar la comunicación en la red (Cachin & Vukolić, 2017). Estos nodos
maliciosos reciben el nombre de fallas bizantinas (Gramoli, 2017). Para evitar este
comportamiento y garantizar un servicio continuo, los mineros ejecutan un
protocolo o método de consenso tolerante a fallas (Cachin & Vukolić, 2017).

Método
de consenso

BC se actualiza cuando hay un acuerdo utilizando un método de consenso (Swan, 2018). Los métodos o protocolos de consenso son la columna vertebral o
núcleo de cualquier aplicación BC (Viriyasitavat & Hoonsopon, 2018). Un sistema basado
en BC es tan seguro y robusto como su método de consenso y, la elección de un
método está basada en los requisitos que un sistema necesita para ser
implementado (Salimitari & Chatterjee, 2019).

Los protocolos de consenso aseguran que el libro mayor sea compartido e
inalterable durante toda su vida (Nawari & Ravindran, 2019), evita eliminar
registros o agregar información que no haya sido validada, garantizando de esta
forma su integridad; verifica la continuidad del servicio siendo tolerante a
fallas para asegurar que los mineros estén de acuerdo con el orden que se
agregan las entradas en la BC (Conti et al.,
2018), siendo el orden único los mineros incorporan bloques a la cadena actualizando
de esta manera el libro mayor distribuido (Cachin & Vukolić, 2017).

El consenso se determina como un acuerdo general entre todos los nodos del
estado actual del libro mayor (Swan, 2018)
y la efectividad de un protocolo de consenso depende también del rendimiento y
estabilidad de la red, comúnmente necesitan de altos cálculos computacionales y
capacidades de comunicación (Salimitari & Chatterjee, 2019).

Según (Viriyasitavat & Hoonsopon, 2018) existen propiedades
claves para definir la aplicabilidad y eficacia de los protocolos de consenso:

Seguridad: garantiza
que no suceda algo anormal. Un algoritmo de consenso es seguro si por lo
menos un minero honesto produce una salida válida, luego los demás mineros
reciben la misma salida.

Validez: un
algoritmo de consenso confirma la validez si todos los mineros honestos
que intervienen en un acuerdo generan un valor y todas las peticiones
válidas se procesarán eventualmente.

Tolerancia a fallas:
un método de consenso ofrece tolerancia a fallas si es resistente a
errores que producen algunos nodos que intervienen en un consenso en un
momento dado.

En los siguientes párrafos se describen los principales métodos de consenso
analizados.

Prueba de trabajo

Proof of Work (PoW)
está basado en un complejo y criptográfico rompecabezas matemático (Conti et al., 2018), difícil de calcular pero fácil de verificar por un patrón de poder (Nawari & Ravindran, 2019); es descentralizado
por lo cual los participantes no necesitan autenticación para unirse a la red (Conti et al., 2018). Asegura la continuidad de
la red y tolerancia a fallas (Viriyasitavat & Hoonsopon, 2018), brindando así
transparencia, robustez, incorruptibilidad de la red (Nawari & Ravindran, 2019) y un alto nivel de
seguridad (Young, 2019) a los usuarios
contra ataques Sybil que podrían dañar el
funcionamiento del método de consenso y conducir a un posible ataque de doble
gasto (Conti et al., 2018).

La mayor desventaja de PoW es el consumo de
energía al realizar los cálculos hash para la verificación en el proceso de
minería, la que a su vez depende de la potencia de los recursos informáticos de
un minero. Es susceptible a sufrir ataques del 51%, una situación en la que un
adversario aparta a los mineros honestos del proceso minero, lo cual debilita
el protocolo de consenso (Conti et al., 2018). Es el algoritmo más conocido
utilizado por Bitcoin que posee 1 MB de tamaño de bloque, tiempo promedio para
resolver cada bloque de 10 minutos (Salimitari & Chatterjee, 2019), es
computacionalmente costoso y permite realizar 7 transacciones por segundo (TPS)
(Frumkin, 2019). También es usado por las monedas
virtuales Ethereum y Litecoin (Fairley, 2017). Existen métodos de consenso basados en
PoW que son mencionados a continuación (Salimitari & Chatterjee, 2019):

·  Prueba de
capacidad

Proof of Capacity (PoC) es similar a PoW, fue presentado como un protocolo básico de la
criptomoneda Burst. En lugar de depender de la
potencia informática de los mineros, se basa en su capacidad de disco duro, lo
cual lo convierte en un método de consenso más eficiente energéticamente. La
función hash que utiliza este método de consenso es Shabal,
donde, los hash son complejos y lentos de calcular y,
además están precompuestos y almacenados en la unidad
de disco duro (Porta, 2019).

·  Prueba de tiempo
transcurrido

Proof of Elapsed
Time (PoET), es propuesto por Intel y funciona de forma parecida
a PoW pero con un consumo de
energía menor. Los mineros deben resolver un hash, pero a diferencia de una
competencia entre mineros por resolver el siguiente bloque, el minero ganador o
líder es elegido de manera aleatoria en función de un tiempo de espera
obligatorio y cuyo temporizador expira primero (Cachin & Vukolić, 2017).  Posee una baja latencia y un alto
rendimiento. Su desventaja es la dependencia de Intel  (Salimitari & Chatterjee, 2019).

Prueba de
participación

Proof of Stake
(PoS), es el segundo método de consenso más frecuente en BC.
A diferencia de PoW no genera una competencia entre
nodos, la lotería selecciona un nodo para que sea el encargado de resolver el
siguiente bloque (Salimitari & Chatterjee, 2019). Este nodo es
conocido como falsificador y es elegido de manera determinista, conforme a su
participación en la red (Debus, 2017)
o conforme a su riqueza en términos de esa criptomoneda (Swan, 2018). El nodo
seleccionado usa una firma digital para demostrar su propiedad sobre la
participación en lugar de resolver un problema de hash complejo, de esta forma
no necesita altos recursos computacionales (Debus, 2017) y lo convierte en un
método de consenso seguro (Young, 2019).

Es un protocolo de consenso de ahorro de energía al aprovechar un incentivo
monetario; sin embargo, al requerir mayor cantidad de participación de nodos,
ocasiona que la cadena de bloques esté centralizada (Salimitari & Chatterjee, 2019) y no necesariamente
lo convierte en más eficiente que PoW (Swan, 2018). Además, se origina
un problema conocido como “nada en juego” que consiste en que un nodo
seleccionado no tiene nada que perder si se comporta de manera maliciosa, de
forma que podría crear dos conjuntos de bloques nuevos para obtener más
recompensas por las tarifas de transacción (Salimitari & Chatterjee, 2019).

En este protocolo de consenso no existe minería (Fairley, 2017) y, por lo tanto, no hay recompensa
minera. Los mineros son recompensados únicamente con una tarifa de transacción (Salimitari & Chatterjee, 2019). Criptomonedas como Peercoin, Shadowcash, Nxt, Blackcoin, Cardano, entre
otros, usan PoS como método de consenso (Fairley, 2017). Peercoin
puede realizar 8 TPS con una latencia de 8,5 minutos; al igual que Bitcoin,
posee un tamaño de bloque de 1 MB (peercoinDocs, s.f.). Cardano puede
realizar hasta 250 TPS con un retardo de 10 minutos (Frumkin, 2019). Este método también presenta
variaciones que se analizan seguidamente:

·  Prueba de
participación delegada

Delegated Proof of
Stake o DPoS, es un método de
consenso democrático representativo, es decir, todas las partes interesadas
votan para elegir algunos nodos como testigos y delegados. Los nodos testigos
son los responsables de crear nuevos bloques y son recompensados, mientras que
los nodos delegados son los encargados de mantener la red y sugerir cambios
tales como el tamaño de los bloques, tarifas de transacciones o monto de
recompensa (Salimitari & Chatterjee, 2019); si los testigos no
pueden generar bloques en sus turnos, serán despedidos y reemplazados (Zhang & Lee, 2019).

DPoS mejora el rendimiento y latencia en comparación a PoS, convirtiéndolo en un protocolo de consenso de bajo
costo (Zhang & Lee, 2019) y con un nivel de
seguridad bajo (Young, 2019). Cuenta con
mecanismos incorporados para detectar y descartar a un delegado o testigo
malicioso (Larimer, 2014). Bitshares y
EOS son criptomonedas que utilizan este método de consenso (Zhang & Lee, 2019). EOS puede realizar
5.000 TPS y posee una latencia de 1.5 segundos (Frumkin, 2019).

·  Prueba de
participación alquilada

Leased Proof of
Stake o LPoS, pretende solucionar el
problema de centralidad de PoS. Permite que los nodos
con bajos saldos participen en la verificación de bloques al agregar una opción
de arrendamiento permitiendo a los poseedores de riqueza con saldos más altos
alquilar sus fondos a nodos con saldos bajos por un período de tiempo específico
(Salimitari & Chatterjee, 2019); mientras mayor sea
la cantidad arrendada a un nodo, las posibilidades de que ese nodo sea elegido
para crear el siguiente bloque son mayores (CoinsTelegram, 2018). Una vez que los
nodos resuelven un bloque, dividirán proporcionalmente la recompensa con los
poseedores de riqueza (WavesDocs, s.f.).

·  Prueba de
importancia

Proof of Importance (PoI)
se encuentra en criptomonedas como NEM (Option Finance, s.f.). Además de
considerar los saldos de los nodos para resolver el siguiente bloque, toma en
cuenta más factores como la reputación de un nodo que es determinado por una
función definida por el sistema particular y el número de transacciones
ocurridas hacia o desde ese nodo (Salimitari & Chatterjee, 2019). De esta forma todos
los nodos tienen la oportunidad de ser recompensados en función de su lealtad y
esfuerzo (Option Finance, s.f.). En consecuencia,
este protocolo de consenso considera la actividad productiva de la red de los
nodos, que es más eficiente que solo el equilibrio de los nodos (Nem, s.f.).

·  Prueba de actividad

Proof of Activity
(PoA), es un método de consenso híbrido basado en PoW y PoS, además es robusto
contra ataques DDoS (Salimitari & Chatterjee, 2019). Los mineros
intentan solucionar una función hash en una carrera para encontrar el siguiente
bloque como se realiza en PoW; sin embargo, el bloque
resuelto únicamente contendrá un encabezado y la dirección del minero sin
ninguna transacción. Posteriormente, usando PoS, se
agregan las transacciones al bloque y conforme con el encabezado del bloque
resuelto, se selecciona un grupo de nodos validadores o mineros para firmar el
nuevo bloque con el fin de llegar a un acuerdo (Zheng
et al., 2018).

PoA aumenta la defensa contra los ataques del 51% debido a
que el atacante requerirá tener el 51% o más del poder minero total de la red y
el 51% o más de las monedas insertadas en la red para concluir con éxito el
ataque (Seth, 2018).

·  Prueba de
quemadura

Proof of Burn (PoB)
es un método basado en la quema de monedas o envío de monedas a una dirección
irrecuperable (Salimitari & Chatterjee, 2019). Al quemar monedas
los usuarios pueden mostrar su interés en la red obteniendo, de esta forma, el
poder de minar y verificar las transacciones (Prasanna, 2019); los mineros tienen prioridad para
resolver el siguiente bloque acorde con la cantidad de monedas que han quemado (Debus, 2017). Slimcoin
es una criptomoneda que usa este método (Salimitari & Chatterjee, 2019).

Métodos de acuerdo
bizantino

A continuación, se presentan algunos métodos basados en el problema de los
generales bizantinos:

·  Tolerancia práctica de fallas
bizantinas

Practical Byzantine Fault
Tolerance (PBFT) es un método en el que todos los nodos o
mineros son confiables y conocidos (Fairley, 2017) y deben intervenir en el proceso de
votación para agregar el siguiente bloque; el consenso se logra cuando más de
dos tercios de los nodos están de acuerdo con ese bloque (Salimitari & Chatterjee, 2019). Para cada bloque de
transacciones, el algoritmo selecciona al azar un conjunto pequeño de usuarios
únicos de manera segura y justa; además oculta la identidad de estos usuarios
hasta confirmar el bloqueo para protegerlos de los atacantes (Swan, 2018).

PBFT es capaz de tolerar el comportamiento malicioso de hasta un tercio de
todos los nodos para permitir la continuidad de las operaciones del sistema (Fairley, 2017). En comparación con PoW, este método alcanza el acuerdo de manera más rápida y
económica, no necesita tener activos similares a PoS
para participar en el proceso de consenso (Salimitari & Chatterjee, 2019).

Este método es apropiado para ser usado en BC privadas como Hyperledger. Debido a su escalabilidad limitada y su
tolerancia relativamente baja frente a actividades maliciosas no lo hacen
adecuado para BC públicas (Debus, 2017). PBFT posee un alto
rendimiento, baja latencia, bajo uso de recursos computacionales y brinda
seguridad (Salimitari & Chatterjee, 2019); sin embargo, puede
ser vulnerable frente ataques Sybil cuando la red no
posee muchos nodos (Blagojevic, 2019). Zilliqa es
una criptomoneda que utiliza este protocolo y realiza 2.828 TPS (Frumkin, 2019).

·  Tolerancia delegada de fallas
bizantinas

Delegated Byzantine Fault
Tolerance (dBFT) se diferencia de
PBFT al no necesitar la participación de todos los nodos para agregar un nuevo
bloque. En este método, algunos nodos son seleccionados como delegados de otros
nodos (Salimitari & Chatterjee, 2019), cualquier nodo
puede ser delegado siempre y cuando posea equipos de computación adecuados, una
identidad validada y 1.000 GAS que es la recompensa que reciben por su
participación en la red (Comben, 2019).

Conforme a determinadas reglas es similar al protocolo PBFT, por ejemplo,
ambas admiten únicamente un tercio de nodos
maliciosos. Además, dBFT puede eliminar nodos
maliciosos o poco confiables de la cadena (Salimitari & Chatterjee, 2019). Una de sus
características es la finalidad absoluta, es decir, al final de la última
confirmación un bloque no puede ser bifurcado y, por lo tanto, una transacción
no puede ser revertida. Para que un bloque sea agregado a la cadena, más de un
tercio de delegados alcanzan un acuerdo y validan (Comben, 2019).

PBFT presenta una latencia promedio entre 15 y 20 segundos para la creación
de bloques (Comben, 2019). NEO es una criptomoneda que utiliza
este algoritmo (Zheng et al., 2018) y
actualmente realiza 10.000 TPS con una latencia de 15 segundos (Frumkin, 2019).

·  Protocolo de consenso estelar

Stellar Consensus Protocol (SCP) Se basa en una
variación de PBFT conocida como tolerancia de falla bizantina federada (FBFT) y
brinda servicios de microfinanzas en plataformas BC. Sus nodos llamados
federados, ejecutan un protocolo de consenso local entre sus integrantes. Es
descentralizado, abierto al público y tiene una latencia muy baja, unos
segundos como máximo, haciéndola similar a las transacciones web (Salimitari
& Chatterjee, 2019); es el primer protocolo basado en
Acuerdos Bizantinos Federados (FBA) que proporciona a los usuarios la libertad
para seleccionar entre diferentes combinaciones de otros nodos en los que puede
confiar para llegar a un acuerdo (Koller, 2017).

Posee un alto rendimiento, baja latencia, uso de recursos computacionales
relativamente bajo (Dinh et al., 2018) y
brinda seguridad aun cuando los nodos fallan o nodos maliciosos se unen a la
red (Blockchain Support, 2019).

Materiales y Métodos

Esta investigación usó un método exploratorio de carácter secundario (QuestionPro, 2020). En función de los
métodos de consenso existentes, se identificaron sus principales
características para posteriormente realizar una comparación y determinar aquel
protocolo que posee las mejores propiedades. El proceso de estudio se conformó
de los siguientes pasos:

·
Selección de métodos de consenso: Permitió reducir el
número de protocolos de consenso analizados previamente mediante la
identificación de información que sustenten las propiedades Seguridad, Validez
y Tolerancia a fallas.

·
Definición de criterios de análisis: Además del cumplimiento
de las tres propiedades principales, se determinaron otros aspectos a evaluar
para su comparación.

·
Comparación de los protocolos: Se determinó cada uno de
los valores para los parámetros correspondientes a los Método de Consenso.

En este último paso, adicionalmente se realizaron otras
tareas:

·
Estandarización de datos a valores cualitativos: Algunas
características lograron mostrar valores numéricos en diferentes escalas; de
tal manera, mediante criterios se transformaron los datos numéricos a valores
cualitativos.

·
Ponderación de características: Mediante la escala Likert
se cambiaron los valores cualitativos a valores numéricos en la escala de 1 a
3, lo que permitió sumar sus valores y determinar aquel método que posee
mejores características.

·
Ponderación por convenio: Se consideró si todas las
características tienen la misma relevancia, para lo cual, se hizo uso de
ponderación por convenio, cuyo objetivo fue asignar pesos a los parámetros de acuerdo a un criterio.

Selección de
Métodos de Consenso

Las principales propiedades que debe cumplir un protocolo de consenso para
su aplicabilidad y eficiencia son seguridad, validez y tolerancia a fallas (Viriyasitavat & Hoonsopon, 2018), por lo cual, se
descartaron los métodos en los que no se pudo validar tales propiedades.

Al analizar los protocolos para definir la presencia o ausencia de las
características antes mencionadas, se determinó que los métodos que cumplieron
con las tres condiciones principales fueron: Prueba de trabajo, Prueba de
participación, Prueba de participación delegada, Tolerancia práctica de fallas
bizantinas y Tolerancia delegada de fallas bizantinas. Para los parámetros
Seguridad y Tolerancia a Fallas, se consideró la presencia de estas características
aun cuando sus niveles sean bajos.

Selección
de Criterios de Análisis

Existen otras características consideradas relevantes al momento de
utilizar un algoritmo de consenso. En la Tabla 1 se describen las
principales cualidades mencionadas en varios artículos científicos:

Tabla 1

Características de los Métodos de
Consenso

CARACTERÍSTICAS

CONCEPTO

Rendimiento

Número de
transacciones que se pueden procesar por unidad de tiempo.

Escalabilidad

Tamaño de una
red blockchain, es decir, el número de usuarios que
puede aceptar.

Disponibilidad

Muestra la accesibilidad
de los mineros a la red.

Latencia

Indica la
cantidad de tiempo que tardan los mineros en llegar a un acuerdo, es decir,
el tiempo de transacción.

Consumo
energético

La cantidad de
recursos computacionales usados por los métodos de consenso.

Descentralización

Nivel de acceso
a la información para todos los nodos o mineros.

Tamaño de
bloque

Su valor
depende de la estructura de la cadena de bloques.

Generación de
bloques

Persona
encargada de agregar el siguiente bloque a blockchain.

Nivel de
seguridad

Garantía que
los datos no sean alterados o modificados.

Tolerancia a
fallas

Resistencia a
errores producidos por nodos maliciosos.

Comparación de los Métodos de Consenso

En características tales como rendimiento, latencia, tamaño de bloque y
tolerancia a fallas se identificó su valor real; sin embargo, el resto de cualidades únicamente fueron representadas por una
valoración cualitativa como Alto, Medio o Bajo como es el caso de
escalabilidad, consumo energético, descentralización y nivel de seguridad. En
el caso del parámetro disponibilidad se consideró la facilidad de acceso al
libro mayor que puede ser público o privado. En la característica generación de
bloque los valores posibles fueron: cualquier persona, elección de
representante y miembro autorizado. En la Tabla 2 se detalla cada una de
las propiedades mencionadas con sus respectivos valores por cada método de
consenso:

Tabla 2

CARACTERÍSTICA

PoW

PoS

DPoS

PBFT

dBFT

Rendimiento

7 TPS

250 TPS

5.000 TPS

2.828 TPS

10.000 TPS

Escalabilidad

Alto

Alto

Medio

Medio

Medio

Disponibilidad

Pública

Pública

Pública

Privada

Privada

Latencia

10 min.

10 min.

1.5 seg.

No disponible

15 seg.

Consumo Energético

Alto

Medio

Medio

Bajo

Medio

Descentralización

Alto

Alto

Medio

Medio

Medio

Tamaño de bloque

1 MB

1 MB

No disponible

No disponible

No disponible

Generación de Bloques

Cualquier
persona

Cualquier
persona

Elección de
representante

Miembro
Autorizado

Miembro
Autorizado

Nivel de seguridad

Alto

Alto

Relativamente
bajo

Relativamente
bajo

Medio

Tolerancia a fallas

<51% de
mineros maliciosos

<51% de
mineros maliciosos

<51% de
mineros maliciosos

1/3 de mineros
maliciosos

1/3 de mineros
maliciosos

Estandarización
de Datos a Valores Cualitativos

Estandarización de datos a valores cualitativos

A base de los valores cuantitativos obtenidos en las variables rendimiento,
latencia, tamaño de bloque y tolerancia a fallas, se transformaron a valores
cualitativos Alto, Medio o Bajo simulando una escala de Likert (McLeod, 2019).

En el caso de la variable tamaño de bloque, se ha mostrado su valor
únicamente en Prueba de Trabajo y Prueba de Participación, siendo en ambos
casos 1 MB, por lo tanto, su valoración cualitativa está dado por la ausencia o
presencia de esta característica.

En la Tabla
3 se observa los valores
cualitativos asignados para su posterior comparación. En las características
que no ha podido determinarse su valor se visualizará “No disponible”.

Tabla 3

Valores Cualitativos

CARACTERÍSTICA

ESCALA

VALOR CUALITATIVO

Rendimiento

>=
5.000 – < 10.000

Alto

>=
2000 – < 5000

Medio

>
de 1 – < 2000

Bajo

Latencia

>=
5 min

Alto

>=15
seg. – < 60 seg

Medio

<
15 seg

Bajo

Tolerancia a Fallas

<
de 51% de nodos maliciosos

Bajo

1/3
de nodos maliciosos

Alto

Disponibilidad

Público

Privado

Tamaño de Bloque

Valor Presente

Valor no Disponible

Ponderación de
características

Para analizar de mejor manera los resultados e identificar qué protocolos
son aquellos que cumplen con los mejores estándares en cada una de las
características, conforme a la escala de Likert se puede asignar más o menos puntos
(Palacios, 2002) de
acuerdo a la descripción cualitativa que poseen; por lo tanto, en la Tabla 4 se determina la
siguiente ponderación:

Tabla 4

Valores Cuantitativos

VALOR
CUALITATIVO

PONDERACIÓN

Alto

3

Medio

2

Bajo

1

Público

2

Privado

1

Valor Presente

1

Valor no Disponible

0

Cualquier persona

3

Elección representante

2

Miembro autorizado

1

Nota: Para las variables latencia y consumo de energía estos valores varían, mientras menor
tiempo o consumo posea, es mejor. Alto equivale a 1, Medio 2 y Bajo 3.

Ponderación por convenio

De acuerdo a (Palacios, 2002),
los autores consideran que cada una de las características analizadas no poseen
la misma relevancia; los pesos asignados se observan en la Tabla 5:

Tabla 5

Ponderación por Convenio

CARACTERÍSTICA

PONDERACIÓN

Rendimiento

15%

Escalabilidad

18%

Disponibilidad

10%

Latencia

10%

Consumo Energético

5%

Descentralización

5%

Tamaño de bloque

2%

Generación de Bloques

1%

Nivel de seguridad

18%

Tolerancia a fallas

18%

TOTAL

100%

De los valores recopilados en la
investigación, el valor cualitativo asignado a cada uno, el peso asignado a
cada métrica cualitativa y, finalmente los resultados luego de realizar la
ponderación por convenio se visualizan en la Tabla 6.

Tabla 6

Resultados Análisis

PoW

PoS

DPoS

PBFT

dBFT

Característica

Valor Cualitativo

Val. Pond

Valor Cualitativo

Val. Pond

Valor Cualitativo

Val. Pond

Valor Cualitativo

Val. Pond

Valor Cualitativo

Val. Pond

Rendimiento

Bajo

1

0,15

Bajo

1

0,15

Alto

3

0,45

Medio

2

0,3

Alto

3

0,45

Escalabilidad

Alto

3

0,54

Alto

3

0,54

Medio

2

0,36

Medio

2

0,36

Medio

2

0,36

Disponibilidad

Pública

2

0,2

Pública

2

0,2

Pública

2

0,2

Privada

1

0,1

Privada

1

0,1

Latencia

Alto

1

0,1

Alto

1

0,1

Bajo

3

0,3

No disponible

0

0

Medio

2

0,2

Consumo
Energético

Alto

1

0,05

Medio

2

0,1

Medio

2

0,1

Bajo

3

0,15

Medio

2

0,1

Descentralización

Alto

3

0,15

Alto

3

0,15

Medio

2

0,1

Medio

2

0,1

Medio

2

0,1

Tamaño
de bloque

Valor presente

1

0,02

Valor presente

1

0,2

No disponible

0

0

No disponible

0

0

No disponible

0

0

Generación
de Bloques

Cualquier persona

3

0,3

Cualquier persona

3

0,3

Elección de represent.

2

0,2

Miembro Autorizado

1

0,1

Miembro Autorizado

1

0,01

Nivel
de seguridad

Alto

3

0,54

Alto

3

0,54

Bajo

1

0,18

Bajo

1

0,18

Medio

2

0,36

Tolerancia
a fallas

Bajo

1

0,18

Bajo

1

0,18

Bajo

1

0,18

Alto

3

0,54

Alto

3

0,54

Total Ponderación

19

1,96

20

2,01

18

1,89

15

1,74

18

2,22

Resultados y Discusión

Considerando únicamente la suma de las ponderaciones asignadas se obtiene
los siguientes resultados de la Figura 1:

Figura 1

Posicionamiento de los Métodos de
Consenso por su Ponderación

Por las características que presenta Prueba de Participación (PoS) obtiene la mejor puntuación con un total de 20 puntos.
Seguido se encuentra Prueba de Trabajo (PoW) con 19
puntos. En la tercera posición está Tolerancia Delegada de Fallas Bizantinas (dBFT) con 18 puntos. Con la misma puntuación se ubica
Prueba de Participación Delegada (DPoS). Finalmente,
Tolerancia Práctica de Fallas Bizantinas (PBFT) obtiene 13 puntos.

Luego de asignar los pesos correspondientes considerando la relevancia de
cada variable en los métodos de consenso (ver subsección Ponderación por
Convenio), la Figura
2
muestra que el posicionamiento de los protocolos difiere:

Figura 2

Posicionamiento de los Métodos de
Consenso por Convenio y Ponderación

En primer lugar, se ubica dBFT con un valor de
2,22 puntos. Seguido está PoS con 2,01. Con un valor
no muy lejano, 1,96, se encuentra PoW. En la cuarta
posición se observa a DPoS con 1,89 puntos. Por
último, se visualiza que el único protocolo que no ha variado su ubicación es
PBFT alcanzando un puntaje de 1,74.

En este trabajo se ha procurado obtener la mayor
cantidad de información sobre los Métodos de Consenso que permita identificar
su aplicabilidad en los diferentes campos. Sin embargo, existen protocolos que
debido a sus características son muy usados en varias áreas como es el caso de
Prueba de Trabajo que es utilizado como algoritmo criptográfico por varias
plataformas como Bitcoin y Ethereum.

Una vez que se ha determinado los pesos a cada
una de las características dependiendo de la importancia de las mismas en el
funcionamiento de los protocolos de consenso, se identifica que el mejor
resultado lo obtiene dBFT que ha incrementado
significativamente las transacciones por segundo, permitiendo realizar 10.000
transacciones con una latencia de 15 segundos (Frumkin, 2019), tiene un bajo
consumo de recursos; sin embargo, es un protocolo usado generalmente en BC
privadas, por lo cual no todas las personas tienen acceso. Presenta mejoras en
tolerancia a fallas, admitiendo únicamente un tercio de nodos
maliciosos dentro de la red (Salimitari & Chatterjee, 2019).

PoS se
ubica en la segunda posición, el mejoramiento que presenta es con respecto al
número de transacciones que realiza por segundo en comparación a PoW y al no generar una competencia entre nodos, el consumo
energético es menor; no obstante, su latencia no presenta una reducción relevante.
De la misma forma mantiene la descentralización, por lo tanto, su tolerancia a
fallas es baja pero su nivel de seguridad garantiza la inmutabilidad de los
datos. Por otro lado, se conoce que Peercoin fue la
primera criptomoneda en usar este protocolo de consenso, muestra una
capitalización de mercado baja (Criptonario, 2019).

PoW es el
método de consenso más utilizado; sin embargo, se posiciona en el tercer lugar
al poseer un alto consumo de recursos computacionales. Entre sus principales
características se conoce que brinda un alto nivel de seguridad y mantiene la
descentralización que es una característica fundamental en la tecnología Blockchain. A pesar de que su latencia se encuentra en un
nivel alto y su tolerancia a fallas es más baja frente a los otros métodos, es
un algoritmo que posee una buena escalabilidad (Zhang & Lee, 2019). Su uso en
criptomonedas ha colaborado para que éstas se encuentren en las tres primeras
posiciones de la capitalización de mercado.

En la cuarta posición se encuentra DPoS.
Este protocolo ha presentado mejoras con respecto al número de transacciones y
su tiempo de latencia ha disminuido significativamente (Frumkin, 2019). La incorporación de
un bloque a la BC está determinada por la elección a un representante   reduciendo así la descentralización. Su
nivel de seguridad se mantiene siendo alto con respecto a PoW pero aún los nodos pueden comportarse de manera
maliciosa. Su nivel de escalabilidad no es igual que en PoS pero con referencia al consumo energético si
presenta mejoras.

Finalmente, en última posición se encuentra PBFT. Aunque siendo del mismo grupo de protocolos
junto con dBFT, se observa que en este método de
consenso no ha sido posible determinar su valor de latencia, pero se visualiza
que ha presentado mejoras en el parámetro de rendimiento (Frumkin, 2019). Este método,
comúnmente es aplicado en BC con lo cual admite el comportamiento malicioso de
solo un tercio de los nodos y su escalabilidad es limitada debido a que es
adecuada para una red de alto rendimiento con un pequeño número de nodos (Zhang & Lee, 2019). Además, al ser
usada en cadenas privadas pierde su valor de descentralización.

La primera aplicación de la tecnología Blockchain fue la moneda virtual y, la fiabilidad y
seguridad de sus transacciones están determinadas por los Métodos de Consenso
usados para validarlas y lograr un acuerdo para agregar un nuevo bloque a la
cadena. BC brinda transparencia en la supervisión de las operaciones; sin
embargo, esta transparencia puede comprometer la privacidad en particular
cuando se refiere a datos personales y puede resultar beneficiosa para aquellas
personas dedicadas a realizar actividades ilícitas como el lavado de dinero,
venta de mercancías ilegales, delitos informáticos, etc. Actualmente, existe una
carencia generalizada de leyes que regulen el comercio de criptomonedas y
carteras digitales, lo cual causa vulnerabilidades en los derechos legales de
los consumidores y población en general (Mora et al., 2019).

En un futuro, es probable que la seguridad de los
métodos de consenso pueda ser vulnerada debido a los avances computacionales.
La intervención de la computación cuántica en este ámbito puede descubrir un
método que permita vulnerar un cifrado debido a que tal tecnología podría
resolver problemas que ahora resultan imprácticos con la computación
tradicional (Mora et al., 2021).

Conclusiones

Se han identificado las principales características que constituyen un
método de consenso, entre ellas están rendimiento, escalabilidad, latencia, seguridad
y tolerancia a fallas. La fortaleza de cada una de estas características
determina el mejor aprovechamiento de los protocolos de consenso.

Con el crecimiento actual de nuevas tecnologías basadas en BC, se puede
aplicar en ámbitos más allá de las criptomonedas. Esta tecnología provee una
forma segura y encriptada para que las transacciones no puedan ser modificadas,
garantizando así la inalterabilidad e inmutabilidad de los datos. Si bien la
primera aplicación de BC fue las criptomonedas, su uso se ha extendido hacia
los contratos inteligentes y últimamente ha llamado la atención en ámbitos como
la industria, salud, IoT, bienes raíces, entre otros.

Para que un nuevo bloque pueda ser incluido en la cadena es necesario que
los nodos lleguen a un acuerdo único dentro de la red y, este acuerdo lo
consiguen a través del uso de métodos o protocolos de consenso. Usualmente
estos métodos de consenso son conocidos como el núcleo de cualquier aplicación
basada en la tecnología Blockchain
y su seguridad depende de estos protocolos. La importancia de estos métodos es
que los diferentes nodos o mineros que participan en la red,
deben poseer la capacidad de enviar mensajes entre sí con altos niveles de
confianza para garantizar una comunicación segura y efectiva entre pares.

Los métodos de consenso usados con mayor frecuencia son PoW
y PoS. PoW es el algoritmo
usado por Bitcoin y a pesar de realizar un número bajo de transacciones por
segundo posee una buena escalabilidad y un alto nivel de descentralización; además
asegura la tolerancia a fallas y brinda seguridad en la red; es el protocolo de
consenso que usa gran cantidad de energía al realizar complejos cálculos para
la verificación en el proceso de minería. PoS a
diferencia de PoW, no genera una competencia entre
nodos; al contrario, un nodo es seleccionado de acuerdo a
su participación en la red y será el encargado de resolver el siguiente bloque.
En lugar de resolver un hash criptográfico, el nodo usa una firma digital para
demostrar su participación.

En los protocolos de consenso existen características como rendimiento,
escalabilidad, latencia, entre otras, que ayudan a determinar qué protocolo de
consenso posee las mejores cualidades. Como resultado de analizar cada una de
éstas, se concluye que Tolerancia Delegada de Fallas Bizantinas (dBFT), con 2,22 puntos, es el método de consenso que brinda
los valores más altos en cada uno de los parámetros analizados. Este protocolo
de consenso ha incrementado el número de transacciones que se pueden realizar
por segundo con una latencia relativamente baja en comparación al tiempo que
posee tanto PoW como PoS.
Además, tiene una baja tolerancia a fallas. No obstante, este protocolo de
consenso es usado generalmente en redes privadas, con lo cual se pierde la
descentralización.

Por las características que presenta, en segundo y tercer lugar se
posicionan los métodos de consenso más utilizados, Prueba de Participación con
2,01 puntos y Prueba de Trabajo con 1,96 respetivamente. En la cuarta posición
se observa a DPoS con 1,89 pese a ser una variación
de PoS, se diferencia por presentar niveles bajos de
escalabilidad, descentralización y seguridad son. En última posición se muestra
PBFT alcanzando un puntaje de 1,74 que posee un rendimiento y nivel de
seguridad bajo.

La centralización es el principal problema por el cual los sistemas
actuales no logran garantizar la transparencia de las transacciones. Blockchain por su
lado, proporciona la descentralización, es decir, ninguna autoridad controla la
información y la misma se encuentra distribuida en todos los nodos o
computadores pertenecientes a la red. Los nodos son los encargados de realizar
transacciones, validarlas y agregarlas a la cadena de bloques brindado de esta
manera una mejora significativa a este inconveniente.

En la investigación realizada se identifican estudios similares que se
enfocan en el uso de métodos de consenso en distintos ámbitos como cadenas de
suministro o IoT. En cada campo de implementación las
características de interés difieren; en el caso de redes de IoT,
por ejemplo, la baja latencia es una de las variables más importante. Entre los
métodos de consenso aptos para este uso están PoET y
PBFT y, aquellos parcialmente aptos son PoS, DPoS o dBFT (Salimitari & Chatterjee, 2019).

Este estudio resume los componentes más importantes
desarrollados en su totalidad en el trabajo de (Campaña
& Zumba, 2020).

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