Conceptos Clave en Blockchain
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La genialidad de Satoshi Nakamoto se refleja en que supo integrar en su propuesta avances realizados en materias como: redes de computadores, teoría de juegos y criptografía.
Revisemos cada uno de estos conceptos.
Las redes se refieren a la forma en que los nodos se organizan para validar y mantener la integridad de la red. Las redes pueden ser centralizadas, descentralizadas o distribuidas, según cómo se administren y quién tenga el control de la red.
Arquitectura en la que todos los nodos de la red se conectan a un servidor central que tiene el control y la capacidad de tomar decisiones para la red. Esto significa que la red no es descentralizada y la toma de decisiones y el control de la red están en manos de una sola entidad central.
Implementación simple y rápida
El servidor centralizado es un punto único de fallo
Fácil mantenimiento y control
Falta de transparencia y control centralizado
Es una arquitectura en la que los nodos están distribuidos en múltiples ubicaciones y no están controlados por una única entidad central. En lugar de eso, cada nodo tiene una copia completa de la base de datos de la cadena de bloques y los usuarios de la red tienen cierto grado de control y toma de decisiones
Mayor privacidad y transparencia
Altos costes de gestión y mantenimiento
Mayor seguridad*
Menor control y eficiencia*
Una red distribuida de blockchain es una red descentralizada de nodos interconectados que mantienen una copia idéntica del libro mayor compartido y trabajan juntos para validar transacciones y garantizar la integridad de la red. Esto proporciona una mayor transparencia, seguridad y resistencia a la censura en comparación con los sistemas centralizados.
Tolerancia extrema a fallas
Altos costes de gestión y mantenimiento
Transparencia mejorada
Lenta coordinación entre nodos
La teoría de juegos es la rama de las matemáticas que estudia la elección óptima para un individuo cuando sus resultados dependen de lo que hagan a su vez otros individuos.
La teoría de juegos se aplica en diferentes aspectos del diseño de una blockchain para hacer que los participantes (mineros o validadores) se comporten de una forma que no ponga en riesgo la integridad, continuidad y seguridad de la red.
Así, podemos ver la aplicación de la teoría de juegos en los siguientes aspectos:
La teoría de juegos puede utilizarse para modelar y analizar los comportamientos estratégicos de los nodos en un protocolo de consenso, como en el caso de Proof of Work (PoW) y Proof of Stake (PoS). Estos protocolos garantizan que todos los nodos de la red estén de acuerdo en el estado actual de la blockchain. Esto evita la posibilidad de que se introduzcan bloques fraudulentos o transacciones no válidas en la cadena.
Diseñar sistemas de incentivos efectivos es crucial para alinear los intereses de los participantes en una red blockchain. La teoría de juegos puede ayudar a modelar cómo los actores racionales responden a diferentes incentivos y cómo se pueden ajustar los mecanismos de consenso para lograr un comportamiento deseado.
Por ejemplo, en PoS, los nodos con más activos tienen más probabilidades de ser seleccionados para validar bloques, lo que proporciona un incentivo para actuar de manera honesta.
La teoría de juegos se aplicar para analizar posibles ataques y estrategias defensivas en el contexto de blockchain. Por ejemplo, modelar cómo un atacante puede intentar realizar un doble gasto en una red blockchain y cómo los mecanismos de consenso pueden prevenir o mitigar tales ataques.
Los mecanismos de consenso ayudan a proteger la red contra varios tipos de ataques, como ataques del 51% en PoW, donde un actor malintencionado controla más de la mitad del poder computacional de la red. Al implementar un mecanismo de consenso robusto, se dificulta la realización de ataques maliciosos.
Este problema es fundamental para entender los desafíos de coordinar sistemas distribuidos en presencia de fallas y comportamientos maliciosos, y ha llevado al desarrollo de conceptos y algoritmos en la teoría de la computación distribuida, como el algoritmo del consenso de Byzantine Fault Tolerance (BFT). Estos conceptos son esenciales en la construcción y mantenimiento de sistemas descentralizados, como la blockchain.
En el caso particular de Bitcoin, la forma de resolver el problema de ataques o fallas en la conexión es a través del consenso de Proof of Work, que proporciona un mecanismo de consenso descentralizado, seguro y resistente a la censura. La combinación de incentivos económicos, esfuerzo computacional y descentralización contribuye a la robustez y seguridad de la red.
La criptografía es esencial en la blockchain para garantizar la seguridad y la privacidad de las transacciones. En la blockchain, cada transacción se registra en un bloque, que se agrega a una cadena de bloques. Cada bloque contiene un hash, que es una cadena de caracteres única que identifica el bloque y todas las transacciones que contiene.
Un hash (picadillo en español) es un código que se obtiene al aplicar una función criptográfica a una información de entrada. Podríamos por ejemplo aplicar una función hash a un documento, un video, una imagen o un programa y obtendremos como resultado un código único y de un tamaño fijo, un hash, equivalente a una huella digital del archivo de origen.
Si alguien alterase de forma accidental o fraudulenta el archivo de origen, el hash cambiaría totalmente y podríamos detectar de esa manera que el archivo original ha sido modificado.
Para un archivo digital podemos generar un hash a través de una función criptográfica, pero no podemos reconstruir el documento original a partir del hash (es unidireccional).
Para generar hashes se utilizan diversas funciones, según el nivel de fortaleza de encriptación que se desee lograr. En el caso del protocolo de Bitcoin una de las funciones hash utilizadas es la SHA-256 (SHA es Secure Hash Algorithm) y da como resultado un código de 64 caracteres hexadecimales (256 bits).
El sistema de numeración hexadecimal tiene 16 símbolos. Su equivalencia en en sistema de numeración decimal se muestra a continuación.
Decimal 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Hex. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F
Una función hash debe cumplir los siguientes requisitos:
Funcionar en una sola dirección. No se debe poder reconstruir el contenido de origen a partir del hash.
Ser determinística. Para un mismo documento el hash siempre debe ser el mismo.
Calcularse rápidamente. El hash debe poder generarse de forma rápida y eficiente.
Tener efecto avalancha. Ante el menor cambio en el archivo de origen, el nuevo hash debe ser completamente diferente. No debe ser predecible.
Evitar colisiones. No debe ocurrir que para dos archivos de origen diferentes se genere un mismo hash; en realidad, podría ocurrir pero con muy baja probabilidad.
Es una estructura de datos en forma de árbol utilizada en criptografía y en la construcción de blockchain para asegurar y verificar la integridad de los datos almacenados en bloques. Esta estructura fue propuesta por Ralph Merkle en 1979 y se ha vuelto fundamental en sistemas distribuidos y criptomonedas como Bitcoin.
La idea básica detrás de un árbol de Merkle es resumir una gran cantidad de datos en una estructura de árbol, de manera que se pueda verificar eficientemente si un elemento específico está incluido en un conjunto y asegurar la integridad de los datos.
Aquí hay una descripción simplificada de cómo funciona un árbol de Merkle:
División en Pares:
Los datos a ser incluidos en el árbol se dividen en bloques (o elementos individuales).
Hash de Pares:
Cada bloque se somete a una función de hash, creando así un conjunto de resúmenes de hash.
Combinación de Hash:
Los resúmenes de hash se combinan en pares, y a estos pares también se les aplica una función de hash para crear un nivel superior del árbol.
Repetición:
El proceso se repite hasta que solo queda un hash, conocido como la "raíz de Merkle" o "Merkle root". Esta raíz resume todos los datos en el árbol de manera única.
En un árbol de Merkle, cambiar un solo dato en un bloque tendría un impacto en los resúmenes de hash en todos los niveles superiores del árbol, lo que significa que se puede detectar fácilmente si se ha alterado un dato.
En la construcción de nuevos bloques, la raíz de Merkle se incluye en la cabecera del bloque y se utiliza para verificar la autenticidad de las transacciones en ese bloque. Si tienes la raíz de Merkle y un conjunto de transacciones, puedes verificar eficientemente si una transacción específica está incluida en el bloque sin necesidad de acceder a todas las transacciones.
La blockchain también utiliza claves criptográficas para garantizar que solo los propietarios legítimos de las criptomonedas puedan realizar transacciones. Cada usuario tiene un par de claves, una pública y una privada, que se utilizan para firmar transacciones.
La clave pública se comparte con otros usuarios de la red y se utiliza para verificar la firma digital de la transacción, mientras que la clave privada se mantiene en secreto y se utiliza para firmar las transacciones.
Entre las principales herramientas de criptografía utilizadas en blockchain tenemos:
SHA-256 es una función hash criptográfica utilizada en blockchain para asegurar la integridad de los datos. Cuando se agrega un nuevo bloque a la cadena de bloques, se aplica la función SHA-256 a todo el bloque, lo que produce un valor hash único que identifica el bloque. SHA-256 es una de las funciones hash más utilizadas en blockchain debido a su seguridad y eficiencia.
ECDSA (Algoritmo de firma digital de curva elíptica) es un algoritmo de firma digital utilizado en blockchain para verificar la autenticidad de las transacciones. Cada transacción en la cadena de bloques se firma digitalmente con la clave privada del remitente utilizando ECDSA. Entonces, la red verifica la firma utilizando la clave pública del remitente para asegurarse de que la transacción es auténtica. ECDSA es un algoritmo seguro y eficiente que se utiliza ampliamente en blockchain.
RIPEMD-160 es una función hash criptográfica utilizada en blockchain para generar direcciones de criptomonedas únicas. Cuando se crea una billetera de criptomonedas, se genera una clave privada única. Luego, se utiliza RIPEMD-160 para generar una dirección pública única a partir de la clave privada. La dirección pública se utiliza para enviar y recibir criptomonedas. RIPEMD-160 es una función hash segura y eficiente que se utiliza ampliamente en blockchain para generar direcciones únicas y proteger la privacidad de los usuarios.
Siempre escuchamos que bitcoin es una criptomoneda. Ahora podemos entender por qué es cripto: su existencia está soportada en varias herramientas de criptografía que permiten:
proteger la historia de las transacciones guardadas en la blockchain
generar un mecanismo para premiar a los mineros participantes
verificar que quien envía los bitcoins es el propietario de las monedas
garantizar que las transacciones sean válidas
asegurar la privacidad de quienes realizan transacciones.
Un concepto que es común a la teoría de juegos y a la ciencia de la computación es el . En este problema se plantea la cuestión de cómo los componentes de un sistema distribuido pueden llegar a un consenso cuando algunos de esos componentes pueden comportarse de manera maliciosa o, más generalmente, cuando pueden ocurrir fallas y los nodos deben tomar decisiones en conjunto. La analogía se basa en un escenario hipotético en el que los generales de un ejército bizantino deben coordinar sus acciones para atacar o retirarse, pero algunos de los generales pueden ser traidores y dar órdenes falsas.
Puedes probar como funciona un hash .
