¿Qué es la prueba de trabajo?

La prueba de trabajo (proof of work, PoW) es una categoría de mecanismo de consenso que protege una blockchain mediante el costo del cálculo. Los participantes deben calcular de forma repetida hasta encontrar un resultado que cumpla el requisito del protocolo para tener la oportunidad de publicar un bloque nuevo, mientras que los demás nodos pueden verificar ese resultado con rapidez.

La clave no es que las computadoras resuelvan las transacciones, sino asignar un costo público y medible al acto de proponer un bloque. Encontrar un resultado válido suele requerir una enorme cantidad de intentos; verificarlo es sencillo. Gracias a esa asimetría, los nodos pueden calcular un puntaje de trabajo acumulado para un tramo de historial a partir de las pruebas contenidas en sus bloques. Quien quiera reemplazar ese historial tendría que repetir el trabajo correspondiente y alcanzar a la red.

El problema que aborda la prueba de trabajo

Una red abierta no puede decidir quién lleva el registro con el criterio de «un voto por participante», porque la misma persona puede crear una cantidad ilimitada de identidades. La prueba de trabajo no cuenta identidades: pide a quien quiera competir que envíe un resultado de cálculo verificable. Crear más identidades no mejora por sí mismo las probabilidades de éxito; una mayor potencia de cálculo —es decir, la capacidad de completar más intentos de hash por unidad de tiempo— sí aumenta la probabilidad de encontrar un resultado.

Ese cálculo ayuda a la red a resolver dos cuestiones a la vez: quién obtiene la oportunidad de publicar un bloque candidato y qué tramo de historial siguen usando los nodos cuando aparecen varias ramas válidas al mismo tiempo. En redes de prueba de trabajo como Bitcoin, los nodos comparan el trabajo acumulado por cada rama y no simplemente cuál contiene más bloques.

La prueba de trabajo no sustituye la validación de transacciones. Quien encuentra un resultado válido solo puede proponer un bloque candidato; eso no le permite cambiar las reglas del protocolo. Cada nodo de validación completa sigue revisando de forma independiente las firmas de las transacciones, si los activos ya se gastaron, el formato del bloque y la propia prueba de trabajo. Un bloque que incumple las reglas se rechaza aunque se haya gastado potencia de cálculo en él.

Del bloque candidato a la confirmación de la red

Las redes de prueba de trabajo difieren en algoritmos y parámetros, pero el proceso básico se puede dividir en las siguientes etapas.

Armar un bloque candidato

Los participantes que compiten por producir bloques suelen llamarse mineros. Un minero selecciona contenido entre las transacciones aún no confirmadas, arma un bloque candidato según lo que exige el protocolo y prepara el encabezado del bloque y los demás datos que entrarán en el cálculo del hash. Un minero puede decidir qué transacciones válidas incluir y en qué orden, pero no puede volver válida una transacción inválida.

Intentar hashes de forma repetida

Una función hash criptográfica convierte una entrada en un resultado de longitud fija. El minero cambia el nonce —un valor que sirve para los intentos repetidos— u otro campo variable del bloque y calcula el hash una y otra vez hasta que el resultado satisface la condición objetivo que fijó el protocolo.

Mientras la función hash que usa el protocolo no tenga una ruptura conocida y aprovechable, no existe un atajo confiable hacia un resultado válido. Es difícil prever si un intento concreto tendrá éxito, así que más potencia de cálculo significa más intentos por unidad de tiempo y una probabilidad más alta de encontrar primero un resultado válido. Un participante con menos potencia todavía puede tener éxito antes: la asignación de un bloque concreto no está determinada de antemano.

Difundir y validar el bloque

Cuando un minero encuentra un resultado válido, difunde el bloque a la red. El nodo que lo recibe no necesita repetir todos los intentos del minero: solo calcula y verifica si el resultado satisface la condición objetivo, y comprueba que el bloque y sus transacciones cumplan las demás reglas.

Solo los nodos que completan esa validación siguen retransmitiendo y procesando el bloque como candidato válido. La distinción importa: la minería compite por proponer un bloque, y la validación de los nodos decide si un bloque puede aceptarse.

Continuar por la rama con más trabajo acumulado

Dos mineros pueden publicar casi al mismo tiempo bloques distintos pero igualmente válidos, lo que deja a la red temporalmente con ramas. Los nodos aplican la regla de selección de cadena del protocolo para decidir por cuál rama continuar. Por ejemplo, los nodos de Bitcoin seleccionan la cadena válida con más trabajo acumulado; a medida que se suma más trabajo, una rama suele tomar ventaja y la otra se abandona.

Las transacciones que estaban en la rama abandonada no desaparecen automáticamente. Si una transacción sigue siendo válida, puede volver al estado pendiente e incluirse después en otro bloque. Si entra en conflicto con una transacción de la rama que prevaleció, ya no surtirá efecto.

Objetivo, dificultad, potencia de cálculo y trabajo acumulado

Cuatro conceptos concentran la mayor parte de las confusiones sobre la prueba de trabajo.

El objetivo es el umbral numérico que debe satisfacer un hash válido. En la forma habitual «el valor del hash debe ser menor o igual que el objetivo», cuanto más bajo es el objetivo, menos resultados califican y más intentos se requieren en promedio.

La dificultad es otra forma de expresar cuán difícil es encontrar un resultado válido. Una dificultad mayor suele corresponder a un objetivo más estricto. Muchas redes de prueba de trabajo ajustan la dificultad de forma periódica para que el ritmo promedio de producción de bloques se mantenga cerca de lo que prevé el protocolo aunque cambie la potencia total. El método y el período de ajuste los define cada red.

La potencia de cálculo, o tasa de hash, indica cuántos intentos de hash pueden completarse por unidad de tiempo. Refleja la inversión en cálculo. No indica cuántos nodos controla un minero ni equivale al trabajo ya acumulado. Para elegir entre ramas, los nodos se apoyan en el trabajo demostrado por los bloques, no en estimaciones de potencia instantánea.

El trabajo acumulado es la suma de los puntajes de trabajo que el protocolo deriva del objetivo o la dificultad de cada bloque válido. Ese puntaje representa cuántos intentos de hash se espera en promedio que requiera generar ese historial. No es una medición directa de cuántas veces fallaron realmente los mineros, de su consumo eléctrico ni de su tasa de hash actual. Los nodos pueden calcularlo de forma independiente a partir de los datos de los bloques, así que no necesitan creer los costos que los mineros reportan por su cuenta.

La confirmación es probabilística

La prueba de trabajo suele ofrecer confirmación probabilística y no vuelve un bloque nuevo permanentemente inalterable en el instante en que aparece. A medida que se añaden bloques después del que contiene una transacción, también crece el trabajo necesario para reemplazar el historial que la contiene, por lo que la probabilidad de verse afectada por una reorganización de cadena —cuando una rama adoptada hace poco es reemplazada por otra— normalmente baja.

«Esperar algunas confirmaciones ya es seguro» no tiene una respuesta fija aplicable a todos los casos. Depende de la distribución de la potencia de cálculo en la red, del ritmo de producción de bloques, del valor de la transacción, del riesgo que puede absorber quien recibe y de si hay una interrupción de red o una bifurcación anómala. La cantidad de confirmaciones que muestra una billetera o una plataforma solo indica cuántos bloques siguieron a esa transacción; no es una garantía incondicional.

Una reorganización de cadena tampoco implica necesariamente un ataque. La latencia de la red puede llevar a mineros honestos a trabajar un tiempo sobre bloques distintos, y después el conflicto se resuelve por la rama con más trabajo acumulado. Cuantos más bloques recientes abarca una reorganización, más inusual suele ser, y más atención merecen sus efectos.

Qué puede hacer una mayoría de potencia de cálculo

Si un participante, o un grupo que actúa coordinado, controla de forma sostenida suficiente potencia de cálculo efectiva, puede extender su propia rama más rápido que el resto de la red. Este tipo de ataque de potencia mayoritaria se suele llamar ataque del 51 %, pero «51 %» es solo una etiqueta cómoda: el éxito real también depende de la duración, de las condiciones de la red y del objetivo de quien ataca.

Un minero con esa ventaja podría intentar excluir o demorar ciertas transacciones, reorganizar bloques recientes, o pagar a alguien y luego revertir su propio pago por otra rama, lo que constituye un doble gasto. También puede impedir que los bloques de otros mineros entren en la rama que la red finalmente adopta.

Pero una ventaja de potencia no es permiso para reescribir el registro a voluntad. Quien ataca no puede generar de la nada la firma válida de otra persona, no puede gastar activos cuyas claves no controla y no puede hacer que nodos validadores honestos acepten bloques que incumplen las reglas de emisión o de validación de transacciones. La prueba de trabajo resuelve la competencia entre historiales válidos; no desactiva las reglas de validez.

Las recompensas de minería no son la prueba de trabajo

Muchas redes públicas recompensan a quien produce un bloque con activos recién emitidos y comisiones de transacción, lo que compensa costos de equipo, electricidad y operación. Esas recompensas dan a los mineros un motivo para participar, pero su forma no define la prueba de trabajo.

La prueba de trabajo describe cómo se envía un cálculo verificable, cómo se compite por proponer bloques y cómo se comparan historiales. Los subsidios de bloque, las comisiones, los límites de emisión y la reducción de recompensas pertenecen a las reglas económicas de cada red. El ingreso total que los mineros obtienen del subsidio y las comisiones suele llamarse presupuesto de seguridad de la red, porque sostiene su inversión continua en potencia de cálculo. Esas reglas de ingreso afectan las condiciones de seguridad de la prueba de trabajo, pero no se pueden equiparar al mecanismo de consenso.

Un pool de minería tampoco es un mecanismo de consenso nuevo. Un pool reúne la potencia de varios participantes para minar de forma cooperativa y reparte las ganancias según un acuerdo. Puede reducir cuánto fluctúa el ingreso de un participante individual. Pero cuando una parte grande de la potencia depende de unos pocos operadores de pools, sus fallas, su filtrado de transacciones o un comportamiento coordinado afectan a más participantes.

Costos y compensaciones

La prueba de trabajo introduce costos de recursos reales en una red digital. Quien quiera seguir alcanzando a la red honesta normalmente debe comprometer equipo, electricidad y recursos de operación, y los mineros honestos asumen las mismas categorías de costo. Esos costos fijan un umbral económico para reescribir el historial y para sostener una ventaja sobre los mineros honestos, y forman parte del modelo de seguridad de la prueba de trabajo. La seguridad general todavía depende de que los nodos validen correctamente, de la distribución de la potencia, de la conectividad de la red, de la función hash y de las implementaciones de software.

Eso también genera compensaciones claras:

• Costos de energía y equipo: una gran cantidad de intentos de hash consume electricidad y requiere hardware especializado o de alto rendimiento. La matriz energética real y el impacto en emisiones dependen de la región, del equipo, del origen de la carga y del criterio de medición.
• Concentración de potencia: la escala, la electricidad barata, el suministro de chips y la operación de pools pueden concentrar la potencia en unos pocos participantes.
• Espera de confirmaciones: la confirmación probabilística necesita tiempo para acumularse, y un solo bloque no puede tratarse como liquidación absoluta.
• Cambios en el presupuesto de seguridad: cuando baja el subsidio de bloque, o cambian los precios de los activos y los ingresos por comisiones, el ingreso de los mineros y la potencia total de la red pueden variar con ellos.
• Coordinación de actualizaciones: la potencia de cálculo puede influir en la producción de bloques y en la competencia entre ramas, pero las actualizaciones del protocolo siguen dependiendo de cómo adopten las reglas el software, los nodos, los mineros, las personas que usan la red y otros participantes.

El consumo de energía tampoco se reduce a «cada transacción consume necesariamente tanta electricidad» dividiendo por una cantidad de transacciones. Los mineros compiten por bloques, y cuántas transacciones puede contener un bloque, si agrega datos de liquidación por lotes enviados por otros sistemas y si aparecen bloques vacíos dependen del sistema concreto y de su uso. Al evaluar el impacto energético conviene precisar si se habla del consumo total de la red, de una unidad de tiempo, de un bloque o del efecto marginal de un tipo de transacción.

Comparación con otros mecanismos de consenso

La prueba de trabajo limita la competencia por producir bloques mediante recursos de cálculo externos. La prueba de participación normalmente hace que validadores que inmovilizan el activo del protocolo participen en propuestas y votaciones, con recompensas o penalizaciones que encauzan la conducta. Una red con permisos puede simplemente designar qué instituciones o nodos pueden participar en el consenso.

Todos estos mecanismos deben definir quién puede proponer datos, cómo los validan los demás nodos, qué resultado se adopta ante un conflicto y a partir de cuándo una transacción puede considerarse suficientemente firme. Se diferencian en qué recurso limita la influencia, qué participantes se asume que pueden actuar de mala fe y quién asume el costo de la seguridad.

Por eso un mecanismo no se puede juzgar seguro o adecuado solo por si consume electricidad. La comparación también debe abarcar quién puede participar, cuánto hardware o activo inmovilizado se necesita, si la influencia se concentra, cómo se confirman las transacciones, si es posible recuperarse tras un ataque, cómo revisan los datos los nodos y quién actualiza las reglas.

Preguntas frecuentes

¿La prueba de trabajo es lo mismo que la minería?

No exactamente. La minería es el proceso en el que los participantes calculan y compiten por proponer bloques; la prueba de trabajo abarca además cómo validan los demás nodos el resultado del cálculo y cómo compara la red varios historiales válidos. En el habla cotidiana los dos términos suelen usarse juntos, pero su alcance es distinto.

¿Los mineros calculan las transacciones?

No. Los mineros sobre todo aplican hash de forma repetida a datos relacionados con el bloque, buscando un resultado que cumpla el objetivo. La ejecución de las transacciones y las comprobaciones de validez pertenecen a otro conjunto de reglas del protocolo.

¿El minero con más potencia siempre produce el bloque siguiente?

No necesariamente. Más potencia implica más intentos en el mismo período y por lo tanto una probabilidad más alta, pero cada ronda de competencia conserva un componente aleatorio. Los resultados de largo plazo tienden a parecerse más a la proporción de potencia de cada participante.

¿La prueba de trabajo impide todos los dobles gastos?

No. Eleva el costo de reorganizar el historial mediante el trabajo acumulado, y el riesgo normalmente baja al acumularse confirmaciones, pero un doble gasto sigue siendo posible cuando la potencia está concentrada, las confirmaciones son insuficientes o la red se comporta de forma anómala.

¿Todas las blockchains usan prueba de trabajo?

No. Algunas redes usan prueba de participación, votación con permisos u otros mecanismos. Una misma red también puede cambiar de mecanismo de consenso mediante una actualización del protocolo.

Conceptos relacionados

Continúa con mecanismo de consenso, bloque, nodo de blockchain y hash criptográfico, o vuelve al glosario de criptomonedas.

Fuentes

• Whitepaper de Bitcoin — exposición original de la prueba de trabajo, la competencia entre ramas, el trabajo acumulado y la probabilidad de confirmación.
• Guía para desarrolladores de Bitcoin: blockchain — hash del encabezado de bloque, objetivo, ajuste de dificultad, trabajo acumulado y reorganización de cadena.
• Bitcoin.org: preguntas frecuentes — límites de las facultades de los mineros, confirmaciones, ataques de potencia de cálculo e incentivos de minería.
• NISTIR 8202: descripción general de la tecnología blockchain — proceso general de la prueba de trabajo, su papel en el consenso y sus compensaciones de recursos.