Introducción
Proof of Stake en ethereum es el proceso por el cual se consensúa el estado de la blockchain y se generan nuevos bloques.
En un principio, Ethereum utilizó el consenso Proof of Work como bitcoin pero desde sus inicios ha habido una clara intención de cambiar el consenso a PoS con el propósito de hacer, según su visión, la red más segura y descentralizada. De hecho, una de las primeras grandes ventajas de PoS es que permite que mayores actores puedan participar de la red sin la necesidad de grandes recursos económicos o conocimientos.
En septiembre del 2022 se hizo el cambio definitivo luego de una ardua preparación y muchísimas pruebas en testnet. En este artículo vamos a ver cómo funciona Proof of Stake para seguir entendiendo el rol de los nodos en la cadena, tener una mayor perspectiva de cómo Ethereum funciona y cómo nosotros podemos participar de la misma.
Para seguir es importante que entendamos la arquitectura de la red, Ethereum es una cadena de bloques con una computadora incorporada (EVM), esta computadora es canónica y contiene todo el estado de la blockchain. Los nodos que pertenecen a la red actualizan el estado de la EVM al verificar, validar y ejecutar las transacciones recibidas. En el siguiente cuadro podemos observar cómo se procesa a grandes rasgos una transacción en Ethereum Pos.
Para que este proceso se lleve a cabo se necesita de diferentes agentes, hoy nos vamos a centrar específicamente en el nodo validador (Tenemos otro artículo donde explicamos los distintos tipos de nodos, sino lo leíste puedes hacerlo en el siguiente link)
Como mencionamos anteriormente PoS es un proceso de consenso entre los nodos y la EVM, o mejor dicho un Mecanismo de consenso, veamos bien a qué nos referimos con esto.
Mecanismos de consenso
Hablamos de consensuar en la validez del estado de la blockchain y del cambio de PoW a PoS pero ¿entendemos de qué estamos hablando?
Los mecanismos de consenso son un pilar de protocolos, ideas, e incentivos que le permiten a un conjunto de nodos distribuidos ponerse de acuerdo sobre la validez del estado de la blockchain. En Ethereum, se llega al consenso cuando el 66% de nodos concuerdan en el mismo estado de la red. Básicamente hay un acuerdo generalizado de que la información proporcionada es verdadera, si hay un desacuerdo los nodos deberán elegir cómo seguir y esto puede terminar en la separación de la cadena (hard fork).
Los protocolos hacen referencia a cómo se elige el siguiente bloque, y los incentivos a las recompensas que pueden recibir quienes sean parte del mecanismo. A continuación, veremos específicamente cómo funciona el mecanismo de consenso PoS.
Proof of Stake
En el caso de PoS, la estructura de incentivos invita a los nodos a operar honestamente por una serie de recompensas y penalizaciones aplicadas a un capital bloqueado de 32 ETH en cada nodo. Es decir que la seguridad es económica, y la red castiga a quienes no operan correctamente slasheando (eliminando) una parte de su depósito. Veremos más adelante exactamente como funciona esto.
También es el mecanismo Sybil de resistencia de la red para prevenir Sybil attacks, es decir, un ataque al servidor de la red en el cual el atacante cambia el orden del sistema de reputación al crear un número grande de identidades pseudónimas para ganar una gran influencia sobre la red.
A su vez, los validadores mantienen un protocolo de votación para decidir cuál bloque es válido y el más reciente para ser la cabeza de la cadena. Veamos más en detalle el rol del nodo validador en PoS para entender todo el proceso.
Validadores
Los validadores son nodos completos (full nodes) que ejecutan 3 softwares distintos, cliente de ejecución, cliente de consenso y cliente de validación. También para poder validar deben depositar 32ETH en la red, con el fin de asegurarse que van a actuar de forma correcta para no perder parte de su depósito (seguridad cripto-económica).
Este nodo, es responsable de verificar que los bloques propagados en la red son válidos y a su vez proponen nuevos bloques. Un nodo completo puede contener varios validadores en el mismo (siempre y cuando tenga la memoria para hacerlo).
Una vez que el validador es activado, reciben nuevos bloques de otros validadores en la red, donde las transacciones son re-ejecutadas para verificar que los cambios de estado propuestos son válidos al igual que la firma del bloque. Una vez que esto es verificado, el validador atesta a favor del bloque alrededor de la red.
Anteriormente, Ethereum PoW determinaba el tiempo de bloques por la dificultad de minado, en PoS el tiempo es fijo y se divide en slots de 12 segundos y épocas de 32 slots.
Un validador es seleccionado aleatoriamente para ser el que propone el siguiente bloque en cada slot, es decir cada 12 segundos. Además, en cada slot un comité de validadores es aleatoriamente elegido para votar sobre la validez del bloque propuesto (este es el protocolo de votación que mencionamos anteriormente).
La idea detrás de la creación de un comité es manejar la carga de la red y que todos los validadores atesten en cada época pero no en cada slot.
A continuación, veremos un cuadro de como una transacción es ejecutada en Ethereum PoS (correspondiente a un slot):
En este gráfico podemos observar como un usuario crea una transacción, y la misma es recibida por un nodo, específicamente por el cliente de ejecución de este nodo, este software luego verifica y añade a su mempool la transacción si esta es válida. Luego es enviada a otros nodos que también la añaden a su mempool local.
En ese instante uno de los nodos es el block proposer, que fue elegido aleatoriamente y que será responsable por construir y propagar el nuevo bloque y por actualizar el estado de la red.
A su vez, el cliente de ejecución juntará todas las transacciones de su mempool local en una carga útil de ejecución (execution payload) y que luego pasará al cliente de consenso para que que cree el “Bloque Beacon” (este también contiene información de las recompensas, penalidades, slashings, atestaciones, etc.) que permitirá a la red acordar la secuencia de bloques en la “cabeza” de la cadena.
Otros nodos recibirán el “Bloque Beacon”* en su gossip network de consenso para que luego sea enviado al cliente de ejecución que re-ejecutará las transacciones para asegurarse que el estado propuesto es válido.
Una vez esté finalizado, el validador atestara que el bloque es válido y es el próximo bloque en la cadena de bloques.
El proceso termina luego de que el bloque es añadido a la base de datos local y es parte de la cadena con más bloques (“supermajority link”) entre dos checkpoints.
Los checkpoints ocurren al principio de cada época y existen para considerar que un subconjunto de calidadores atesten en cada slot, pero todos los validadores atesten en cada época. Por eso, es que en cada época un ‘supermajority link’ puede ser demostrado cuando el 66% del total stakeado de ETH en la red está de acuerdo en dos checkpoints.
Recompensas y Penalidades: Seguridad cripto-económica
A cambio del trabajo realizado correctamente por los validadores, reciben un porcentaje de ETH, en el caso de no participar cuando es necesario pueden no recibir ETH como recompensa o si actúa deshonestamente, por ejemplo proponiendo múltiples bloques en un mismo slot, firmando dos veces el mismo bloque o presentando atestaciones contradictorias, parte de su ETH stakeado puede ser eliminado, “slasheado”.
La cantidad de ETH slasheado depende de cuantos otros validadores también sean afectados, puede ser el 1% del stake o el 100% (mass slashing event).
Seguridad
Según lo que venimos hablando, el stake de 32 ETH en PoS representa capital comprometido para asegurar la red y que no pueda ser atacada fácilmente.
La amenaza del ataque del 51% existe en PoS pero es un gran riesgo para el ataque llevarla a cabo ya que necesitaria 51% del ETH stakeado, al momento de escribir este artículo eso significa que necesitaría 14,356,647 ETH aproximadamente. (pueden ver más info al respecto en el siguiente link)
Si un atacante quisiera correr ese riesgo y contara con el capital necesario para poder hacerlo, usaría sus propias atestaciones para asegurar se de que su cadena preferida sea la que más atestaciones acumule, ya que el peso de las atestaciones acumuladas es lo que los clientes de consenso utilizan para determinar la cadena correcta. Esto implicaría en un hard fork de la cadena.
Asimismo, como dijimos, es un gran riesgo para el atacante ya que los demás validadores podrían decidir seguir construyendo en la cadena minoritaria e ignorar el fork del atacante.
Conclusión
El avance de Proof of Stake incluye mayor seguridad, reducción de riesgos de centralización y eficiencia energética para Ethereum.
El cambio de la red de Proof of Work a Proof of Stake es un logro no solo para la red y quienes la construyen si no también para quienes participamos en la misma como usuarios ya que nos permite ser parte de su desarrollo con menores recursos.
El desarrollo de staking que está teniendo el ecosistema de Ethereum permite que más personas puedan participar de la red hasta con un 0.1 ETH, lo que aumenta la descentralización y seguridad de la misma.
A su vez, es importante destacar que el acceso a la misma y las ganas de participar no son (o deberían ser) solo para ganar incentivos económicos, si no para ser parte de uno de los mayores desarrollos tecnológicos que se está llevando a cabo actualmente.
Nuestra participación, ya sea para tener un full node o un validador, es para contribuir y desarrollar, no para hacernos ricos.
Ethereum se creó para hacernos libres, para construir un mundo mejor, más justo y eficiente.