La prueba de trabajo (Proof-of-Work) es un mecanismo que obliga a un ordenador a realizar una determinada cantidad de cálculos antes de que se acepte una operación. Bitcoin lo popularizó con la minería, pero su principio es mucho más general y ya existía antes de las criptomonedas.
El interés de la prueba de trabajo (Proof-of-Work) radica en la diferencia de coste entre quien genera la prueba y quien la verifica. El cálculo supone un esfuerzo considerable para el primero, mientras que la verificación es muy rápida para el segundo. Esta asimetría permite que ciertos ataques o automatizaciones resulten mucho más costosos sin imponer el mismo trabajo al sistema encargado de controlarlos.
En este artículo
- La prueba de trabajo, la clave de la seguridad de Bitcoin
- El Proof of Work encarece el spam
- El Proof-of-Work ya existía mucho antes de que apareciera el Bitcoin
- El PoW aumenta el coste, pero mantiene la rapidez de la verificación
- Limitar los ataques DDoS imponiendo un coste a cada solicitud
- El Proof of Work no es el único modelo de consenso
La prueba de trabajo, la clave de la seguridad de Bitcoin
Bitcoin es, en la actualidad, la aplicación más conocida de la prueba de trabajo. Los mineros crean bloques que contienen transacciones y, a continuación, buscan una prueba que cumpla con un nivel de dificultad definido por la red. Para lograrlo, sus servidores calculan un gran número de hash hasta encontrar un valor lo suficientemente bajo en relación con el objetivo impuesto por el protocolo.
La función hash que utiliza Bitcoin es determinista. Una misma entrada siempre dará exactamente el mismo resultado. Sin embargo, no existe ningún método que permita predecir directamente qué modificación producirá el hash esperado. Por lo tanto, los mineros deben realizar múltiples intentos modificando el nonce u otros datos utilizados en la construcción del bloque.
La búsqueda puede requerir una cantidad considerable de cálculos, mientras que la verificación del resultado es extremadamente rápida. Un nodo de Bitcoin que recibe un bloque no necesita repetir todos los intentos realizados por el minero. Simplemente vuelve a calcular el hash correspondiente y comprueba que este cumpla con el objetivo requerido.
Esta diferencia entre el coste de producción y el coste de verificación es la característica fundamental del Proof-of-Work. En Bitcoin, se utiliza para que resulte costoso crear bloques rivales y reescribir el historial.
Cada bloque hace referencia criptográficamente al bloque anterior. Modificar una transacción anterior conlleva una modificación del bloque que la contiene y, a su vez, de las referencias utilizadas por los bloques siguientes. Un atacante que desee reconstruir esta parte del historial debe volver a realizar el trabajo correspondiente, al tiempo que intenta ponerse al día con el trabajo realizado en paralelo por el resto de la red.
Así pues, el Proof-of-Work forma parte del mecanismo de consenso de Bitcoin, pero el consenso no es su función fundamental. El principio esencial consiste en imponer un coste elevado a quien quiera generar una prueba, al tiempo que se mantiene una verificación mucho menos costosa.
La dificultad de Bitcoin también varía en función de la potencia de cálculo de la red. El protocolo trata de mantener una cadencia media de creación de bloques a pesar de las variaciones en el número y la potencia de los mineros.
El Proof of Work encarece el spam
En una página web, algunas acciones pueden resultar prácticamente gratuitas para un programa automatizado, aunque supongan una carga de trabajo para el servidor. Un bot puede enviar miles de formularios, crear cuentas, intentar iniciar sesión o descargar páginas de forma masiva sin tener que dedicar muchos recursos a cada solicitud.
| Número de consultas | Cálculo por consulta | Trabajo acumulado | Energía consumida |
|---|---|---|---|
| 1 | 0,5 s | 0,5 s | 0,0028 Wh |
| 10 | 0,5 s | 5 s | 0,028 Wh |
| 100 | 0,5 s | 50 s | 0,28 Wh |
| 1 000 | 0,5 s | 8 min 20 s | 2,78 Wh |
| 10 000 | 0,5 s | 1 h 23 min 20 s | 27,8 Wh |
| 100 000 | 0,5 s | 13 h 53 min 20 s | 0,278 kWh |
| 1 000 000 | 0,5 s | 5 días, 18 horas, 53 minutos y 20 segundos | 2,78 kWh |
Un Proof-of-Work permite trasladar parte de ese coste al cliente. Antes de aceptar una solicitud, el servidor pide al navegador que realice un pequeño cálculo criptográfico. Una vez finalizado el trabajo, el navegador envía su prueba junto con la solicitud y el servidor puede verificarla muy rápidamente.
assistouest.frPara un visitante que envía un formulario de vez en cuando, el cálculo pasa desapercibido. Para un bot que intenta repetir la misma operación varias decenas de miles de veces, cada nuevo intento requiere un nuevo esfuerzo y el coste acumulado aumenta con el volumen del ataque.
| Consultas | Sin PoW | PoW de 500 ms | Efecto |
|---|---|---|---|
| 1 | insignificante | 0,5 s | Imperceptible |
| 100 | insignificante | 50 s | Bajo |
| 10 000 | insignificante | 1 h 23 | Significativo |
| 1 000 000 | insignificante | 138 h 53 | Muy importante |
El Proof-of-Work no pretende determinar si la persona que está delante de la pantalla es humana. Un programa puede resolver perfectamente el cálculo solicitado. El mecanismo busca más bien hacer que la automatización masiva resulte menos ventajosa, al garantizar que cada acción tenga un coste energético y, por lo tanto, económico.
Un CAPTCHA tradicional intenta distinguir a un usuario humano de un programa automatizado. Un Proof-of-Work admite que un programa pueda resolver el reto, pero le impone el mismo coste computacional en cada nuevo intento.
Este método funciona sin requerir ninguna interacción adicional por parte del visitante. El cálculo se puede realizar de forma silenciosa en el navegador mientras el usuario consulta o rellena una página. Algunos sistemas antispam y algunas extensiones de WordPress contra los bots ya utilizan este principio para proteger los comentarios, los inicios de sesión o los formularios.
El PoW permite verificar una prueba sin conocer la identidad de su autor
Una de las propiedades más interesantes de la Prueba de Trabajo es que permite verificar que se ha realizado un trabajo sin necesidad de conocer la identidad de quien lo ha realizado. El sistema no necesita saber quién está detrás de un ordenador, una solicitud o un minero para decidir si la prueba es válida. Basta con que compruebe que el resultado cumple las reglas establecidas y que, efectivamente, habría requerido el esfuerzo esperado para obtenerlo.
Esta forma de funcionar resulta especialmente útil en sistemas abiertos en los que los participantes no se conocen entre sí y en los que resultaría difícil garantizar la seguridad basándose en su identidad. Un servidor puede recibir una prueba procedente de un visitante totalmente desconocido y verificarla de inmediato, mientras que un nodo de Bitcoin puede comprobar el trabajo realizado por un minero sin saber quién es. La confianza no se basa en una cuenta de usuario, una dirección IP o una autoridad encargada de identificar a cada participante, sino en una prueba que cualquier otro participante puede verificar de la misma manera.
Sin embargo, la Proof of Work no demuestra que una persona sea honesta, humana o esté autorizada para realizar cualquier acción. Lo que demuestra es que efectivamente se ha realizado un determinado trabajo. Por lo tanto, un bot puede generar perfectamente una prueba válida sin revelar su identidad, pero no puede eludir sin más el coste necesario para obtenerla. Esto es lo que hace que este mecanismo resulte interesante frente a la automatización masiva, ya que no es necesario identificar al atacante para imponerle un coste.
El Proof-of-Work ya existía mucho antes de que apareciera el Bitcoin
La prueba de trabajo no se inventó para Bitcoin. Su historia se remonta a principios de la década de 1990, cuando Cynthia Dwork y Moni Naor estudiaron la idea de exigir un trabajo computacional para resolver el problema del correo basura. Enviar un solo mensaje debía resultar lo suficientemente barato para un usuario, pero el envío de cientos de miles o millones de mensajes debía requerir una cantidad mucho mayor de recursos informáticos.
Posteriormente, Adam Back desarrolló Hashcash en la década de 1990. El sistema exigía al remitente realizar un cálculo antes de generar un token que el destinatario pudiera verificar rápidamente. Hashcash se había concebido para limitar el spam y el uso indebido de los recursos de Internet.
Posteriormente, Bitcoin adoptó esta familia de mecanismos para construir su propio sistema de Proof-of-Work. La historia de la PoW es bastante diferente de la imagen que hoy en día transmiten las criptomonedas. Los sistemas que imponen un coste computacional para limitar los abusos ya existían antes de Bitcoin, y la minería es una aplicación concreta de los mismos que ha llegado a ser muy conocida.
El PoW aumenta el coste, pero mantiene la rapidez de la verificación
La prueba de trabajo resulta especialmente interesante cuando lanzar un ataque supone un coste muy bajo, pero obliga al servidor a realizar, a cambio, un trabajo mucho mayor. Una solicitud puede consumir muchos más recursos que la solicitud necesaria para enviarla. Mientras esta diferencia beneficie al atacante, este puede multiplicar los intentos a gran escala con un coste relativamente bajo.
El Proof of Work permite reequilibrar esta situación al obligar al cliente a realizar también una cierta cantidad de cálculos antes de que el servidor acepte su solicitud. A continuación, el servidor recibe la prueba y puede verificarla muy rápidamente antes de continuar con el procesamiento. De este modo, el coste principal recae sobre quien envía la solicitud, mientras que la verificación sigue siendo sencilla para el servidor.
La dificultad también puede variar en función de la situación. Cuando el volumen de solicitudes aumenta considerablemente o se detecta un comportamiento automatizado, el cálculo requerido es mayor. El coste aumenta para quien multiplica los intentos, mientras que el servidor mantiene la misma rapidez en la verificación.
Limitar los ataques DDoS imponiendo un coste a cada solicitud
En un ataque de denegación de servicio, el objetivo es multiplicar las solicitudes hasta agotar los recursos disponibles. El Proof of Work complica este tipo de ataque al obligar a cada cliente a realizar un cálculo antes de que el servidor acepte dedicar más recursos a su solicitud.
Esta protección resulta especialmente interesante cuando bastan unos pocos bytes enviados por un atacante para desencadenar un procesamiento mucho más pesado en el lado del servidor. Al imponer un trabajo previo, cada nueva solicitud también exige recursos al remitente. Multiplicar las conexiones o las operaciones se vuelve así cada vez más costoso, en lugar de depender casi por completo de los recursos del servidor objetivo.
La red Tor utiliza este principio para reforzar determinados servicios «onion» frente a los ataques de denegación de servicio. Cuando la carga aumenta considerablemente, es posible que los clientes tengan que realizar más trabajo antes de que se atienda su solicitud. Un usuario que realiza unas pocas conexiones apenas se ve afectado, mientras que una infraestructura que pretende generar conexiones de forma masiva debe repetir el cálculo para cada una de ellas.
Esta protección resulta especialmente adecuada para los ataques que pretenden agotar los recursos de las aplicaciones de un servicio. Por sí sola, no puede impedir un ataque volumétrico que intente saturar la conexión de red, ya que el tráfico puede bloquear el acceso al servidor incluso antes de que este pueda verificar la prueba. La prueba de trabajo (Proof of Work) complementa las protecciones DDoS clásicas, en lugar de sustituirlas.
El Proof of Work no es el único modelo de consenso
El Proof of Work se suele comparar con el Proof of Stake porque ambos mecanismos pueden servir para proteger una cadena de bloques y organizar la validación de nuevos bloques. Sin embargo, esta comparación solo se refiere a un uso concreto del Proof of Work. La Prueba de Participación (Proof of Stake) no pretende sustituir los usos de la Prueba de Trabajo (PoW) contra el spam, los bots o determinados ataques de denegación de servicio.
En Bitcoin, la seguridad se basa, en parte, en los recursos materiales que invierten los mineros. La generación de nuevos bloques requiere potencia de cálculo y electricidad. Por lo tanto, atacar la red o intentar reconstruir parte de su historial exige movilizar una cantidad considerable de recursos físicos.
El Proof of Stake se basa en una lógica diferente, ya que los validadores no compiten entre sí realizando cálculos de forma continua. Bloquean criptoactivos que sirven como garantía económica y participan en la selección de los participantes autorizados para proponer o validar nuevos bloques según las reglas propias de cada red.
Esta diferencia reduce considerablemente la cantidad de cálculos necesarios para el funcionamiento de una cadena de bloques y, por lo tanto, su consumo energético. Sin embargo, traslada parte de la seguridad a otros mecanismos relacionados con el capital inmovilizado, las sanciones aplicadas a los validadores y las normas de gobernanza del protocolo.
La Proof of Stake es una alternativa a la Proof of Work cuando se utiliza para alcanzar el consenso en una cadena de bloques. No sustituye al principio general de la prueba de trabajo. Una página web que requiera realizar algunos cálculos antes de aceptar un formulario de contacto o un servicio que imponga un coste por cada solicitud no necesita ni tokens, ni validadores, ni Proof of Stake.
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