Mecanismos criptográficos de Proof-of-Stake

La prueba de trabajo (PoW) protege las blockchains mediante un gasto computacional: los mineros compiten para encontrar un hash menor que un objetivo y el ganador añade el siguiente bloque. Esto consume electricidad en proporción a la seguridad de la red. La prueba de participación (PoS) sustituye el cómputo por participación económica: los validadores bloquean criptomonedas como garantía y el protocolo selecciona a los proponentes de bloques en proporción a su participación. La transición de Ethereum de PoW a PoS (The Merge, septiembre de 2022) redujo el consumo energético en más de un 99,9 %.

En el PoS de Ethereum (consenso Gasper), los validadores depositan 32 ETH mediante el envío de una transacción de depósito a un contrato inteligente en la capa de ejecución. Este depósito incluye una clave pública BLS (la identidad del validador), una credencial de retiro y una firma que demuestra la propiedad de la clave. El contrato de depósito emite un evento de log; la capa de consenso lee estos logs y pone a los validadores en cola para su activación después de un retraso (aproximadamente entre 12 y 24 horas en condiciones normales). La garantía de 32 ETH queda bloqueada hasta que se habiliten los retiros.

Los validadores de Ethereum utilizan dos pares de claves: una clave de firma BLS12-381 para las funciones de consenso (atestaciones, propuestas de bloques y comité de sincronización) y una clave de retiro independiente para mover fondos. Las firmas BLS (Boneh-Lynn-Shacham) sobre las curvas BN-254 o BLS12-381 permiten una agregación eficiente: cientos de miles de firmas de validadores pueden combinarse en una única firma de 96 bytes. Esta agregación es fundamental para la escalabilidad; sin ella, cada slot requeriría gigabytes de datos de firmas.

La cronología de consenso de Ethereum se divide en slots (de 12 segundos cada uno) y épocas (32 slots = 6,4 minutos). En cada slot, se selecciona de forma pseudoaleatoria un validador como proponente del bloque. Todos los validadores activos se dividen en comités (normalmente de 512 validadores cada uno) que realizan atestaciones sobre la cabeza de la cadena. Las asignaciones a los comités rotan en cada época mediante un algoritmo de barajado basado en RANDAO (Fisher-Yates con RANDAO como fuente de entropía) para impedir la manipulación de la composición de los comités.

La selección de validadores en PoS requiere una aleatoriedad impredecible y no manipulable. Ethereum utiliza RANDAO, un esquema de compromiso y revelación integrado en el protocolo. Cada proponente de bloque debe incluir una firma BLS sobre el número de la época actual; esta firma aporta entropía nueva mediante su combinación con XOR con el valor RANDAO acumulado. La salida de RANDAO se utiliza para seleccionar al proponente del siguiente slot y barajar los comités. Un adversario que controle a la última persona que revela su valor en una época puede sesgar ligeramente RANDAO al no publicar su bloque, pero solo a costa de la recompensa de ese bloque.

La seguridad de PoS depende de que los validadores actúen honestamente. El slashing sanciona dos conductas indebidas concretas: la equivocación (firmar dos bloques diferentes para el mismo slot) y la votación envolvente (emitir atestaciones en conflicto). La evidencia de slashing se presenta en la cadena como una transacción que contiene dos mensajes firmados con contenido en conflicto, pero con la misma clave de validador. El validador infractor pierde una parte de su participación (como mínimo 1/32 y potencialmente toda si muchos validadores sufren slashing simultáneamente) y sale del conjunto de validadores de forma forzosa.

El mecanismo de finalización de Ethereum es Casper the Friendly Finality Gadget (FFG), superpuesto a la regla de selección de bifurcación LMD-GHOST. En cada época, los validadores emiten votos de punto de control (source, target), donde source es el último punto de control justificado y target es el bloque del límite de la época actual. Un punto de control queda justificado cuando 2/3 de la participación lo atestigua; un punto de control justificado se finaliza cuando el siguiente punto de control también queda justificado. Una vez finalizado, un bloque no puede revertirse sin destruir al menos 1/3 de todo el ETH en staking, lo que hace que la reversión sea catastrófica desde el punto de vista económico.

Entre puntos de control finalizados, los validadores deben ponerse de acuerdo sobre la cabeza canónica de la cadena. Ethereum utiliza LMD-GHOST (Latest Message Driven Greedy Heaviest Observed SubTree). La atestación más reciente de cada validador cuenta como un voto; el algoritmo de selección de bifurcación sigue, en cada punto de bifurcación, la rama con mayor peso acumulado de participación y solo cuenta el mensaje más reciente de cada validador. La combinación de LMD-GHOST (vivacidad) y Casper FFG (finalización) forma Gasper, el protocolo de consenso completo de Ethereum.

Las claves de los validadores de Ethereum utilizan una separación criptográfica deliberada. La clave de firma BLS es hot (se utiliza en cada slot para las atestaciones) y, por tanto, presenta un mayor riesgo. La credencial de retiro es un hash de una clave independiente (o una dirección de ejecución de Ethereum después de EIP-4895). Esta separación significa que una clave de firma comprometida no puede robar el ETH depositado en staking; el atacante solo puede recibir una penalización de slashing y perder la participación del validador. Solo la clave de retiro puede iniciar el movimiento de fondos, y puede mantenerse cold en un dispositivo de hardware.

La tecnología de validadores distribuidos (DVT) aborda el riesgo de punto único de fallo del staking en solitario. Mediante firmas BLS de umbral, una única clave de validador se divide entre varios operadores (por ejemplo, 3-of-5). La propuesta de un bloque o una atestación requiere el acuerdo del umbral antes de producir una firma BLS combinada. Ningún operador posee la clave completa. Proyectos como Obol Network y SSV Network implementan DVT, mejoran la tolerancia a fallos y permiten el staking institucional sin una custodia centralizada de las claves.

Las distintas cadenas PoS implementan los mecanismos criptográficos de maneras diferentes. Solana utiliza una variante de Tower BFT con marcas de tiempo similares a las de una VDF (Proof of History) para establecer el orden antes del consenso. Cardano utiliza Ouroboros, un protocolo PoS cuya seguridad se puede demostrar formalmente mediante pruebas criptográficas en el modelo de composabilidad universal. Las cadenas de Cosmos utilizan Tendermint BFT, un protocolo BFT clásico con finalización por quórum de 2/3 en una sola ronda. Cada diseño establece distintas compensaciones entre seguridad, vivacidad, descentralización y rendimiento.

¿Cuál es la principal evidencia criptográfica que se utiliza para aplicar slashing a un validador de Ethereum?

Proof-of-Stake sustituye el cálculo de PoW por una garantía económica. Los validadores de Ethereum utilizan claves BLS12-381 para producir atestaciones agregables. RANDAO proporciona aleatoriedad interna del protocolo para seleccionar proponentes y barajar comités. Casper FFG proporciona finalización mediante votos de supermayoría de 2/3 sobre los puntos de control. LMD-GHOST determina la selección de bifurcación entre puntos de control. El slashing penaliza la equivocación y la votación envolvente mediante evidencia en la cadena de mensajes firmados contradictorios. DVT mejora la resiliencia mediante la división de claves BLS con umbral.