¿Qué es la minería de Bitcoin y otras criptomonedas? 

1 ¿Cómo funciona la minería de Bitcoin?

Las transacciones de los usuarios se almacenan inicialmente en el pool de memoria (mempool) del sistema, una ‘sala de espera’ de la red. Los nodos mineros crean los bloques candidatos eligiendo, agrupando y organizando múltiples transacciones no confirmadas desde este pool de memoria.

Estas transacciones, junto a la transacción coinbase, se someten a un proceso de hashing para formar una estructura de árbol Merkle, que finalmente produce una raíz Merkle (o Merkle root). La raíz Merkle es un hash único que representa todos los hashes anteriores de ese árbol y, por lo tanto, todas las transacciones incluidas en ese bloque en particular.

Cada bloque posee un encabezado de bloque, un conjunto de metadatos que contiene información sobre su contenido. Entre los metadatos están el hash Merkle root de las transacciones y el hash del bloque anterior en la cadena, entre otros (ver fig. 1). Con estos datos y un número “mágico” llamado nonce, se participa en la lotería PoW hasta sacar el número ganador: el hash del bloque.

Transacción «coinbase»

Una transacción coinbase crea nuevas monedas de bitcoin. El valor de la transacción coinbase es la recompensa del bloque más todas las comisiones de transacción incluidas en este bloque. En general se parece a una transacción normal, pero con varias diferencias:

1. Siempre tiene una sola entrada y salida.
2. La entrada no redime una salida no gastada anterior y tiene un hash nulo que lo indica. Esto es porque se están acuñando nuevos bitcoins y no gastando las monedas existentes.
3. El valor de la transacción coinbase es la recompensa del bloque (actualmente 3,125 bitcoins) más todas las comisiones de transacción incluidas en este bloque. El valor de salida es el ingreso del minero por bloque.
4. Existe un parámetro especial llamado «coinbase», que es completamente arbitrario: los mineros pueden poner lo que quieran.

Satoshi Nakamoto incluyó un mensaje muy famoso dentro del parámetro coinbase del bloque génesis, el primer bloque de Bitcoin, minado el 3 de enero de 2009:

«The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks«.

Su motivación pareció ser (1) dar una prueba irrefutable de que el bloque no había sido preminado. (2) dar una declaración de intenciones políticas e ideológicas del propósito del proyecto: crear un sistema financiero alternativo, descentralizado y transparente.

Árbol Merkle

Los árboles Merkle, en honor a su inventor Ralph Merkle, son uno de los conceptos fundamentales que hacen que los sistemas descentralizados P2P sean eficientes y verificables a gran escala. Permiten a las redes resumir conjuntos de datos completos en una única huella digital criptográfica. Además, posibilitan demostrar fácilmente que una transacción o información específica está incluida en el árbol.

El árbol se construye de abajo hacia arriba mediante funciones hash criptográficas. Cada nodo hoja contiene el hash de un dato específico, como una transacción. Estos hashes se agrupan de dos en dos: el hash de cada par se calcula concatenando los hashes de los dos nodos hijos y aplicando la función hash al resultado. Este proceso continúa a lo largo de todo el árbol hasta que queda un único hash en la parte superior: la raíz Merkle. 

2 ¿Qué es la Prueba de Trabajo (PoW)?

La prueba de trabajo (PoW) es el mecanismo que permite a Bitcoin operar como un sistema monetario descentralizado sin necesidad de una autoridad central. La prueba de trabajo se alcanza resolviendo un acertijo criptográfico de gran dificultad, una lotería para seleccionar el nodo que propone el bloque candidato en función del trabajo computacional invertido.

Al seleccionar el nodo que propone el bloque en proporción a su potencia de computo y a su “suerte” para resolver el acertijo criptográfico, no se requiere de una autoridad central ni intermediario de confianza para emitir nuevos bitcoins y proponer las transacciones a ser procesadas por la red, alcanzándose, como se dijo antes, la descentralización.

Este acertijo hash, la lotería, consiste en encontrar un número llamado nonce, tal que, al concatenarlo con los otros elementos en la cabecera del bloque (ver fig. 1) y calcular el hash con la función hash SHA-256, produzca un resultado que cumpla con un umbral de dificultad (target) establecido por la red (cierta cantidad de ceros iniciales). Como ejemplo, a la altura del bloque 950.513, el target fue:

000000000000000000020f790000000000000000000000000000000000000000

La solución del acertijo hash es el block hash, un identificador único del bloque usado para enlazar los bloques de la cadena de bloques. Permite validar el bloque al ejecutar el protocolo de consenso y buscar un bloque específico en un explorador de blockchain.

Dado que no existen atajos computacionales, el procedimiento es probabilístico y suele compararse con una lotería: cada intento tiene una probabilidad muy baja de éxito y el resultado solo puede conocerse después de probar.

El primer minero en encontrar una solución válida propone el bloque al resto de la red. Si los nodos completos lo verifican y aceptan, el bloque se incorpora a la cadena y el minero puede recibir su recompensa.

3 ¿Qué es la dificultad de minado?

Como se comentó antes, el block hash debe ser un número que cumpla con un umbral de dificultad establecido por la red; es decir, un número que caiga dentro de un espacio objetivo (target) bastante pequeño en relación con el espacio de salida mucho mayor de esa función hash. Por tanto, el hash de un bloque candidato debe ser igual o inferior al número target para que pueda añadirse a la cadena de bloques.

Una representación compacta del target se almacena en el campo Bits en la cabecera de cada bloque. En la validación de consenso se usa para verificar que el block hash satisface el target o nivel de dificultad y, por tanto, es un bloque válido.

El target para el primer bloque de la cadena, el bloque génesis, fue establecido como:

00000000ffff0000000000000000000000000000000000000000000000000000

La red Bitcoin ajusta su dificultad de minado, el target, cada 2.016 bloques (unas dos semanas) para mantener un tiempo promedio entre bloques producidos de unos 10 minutos. Este ajuste se basa en el tiempo que se tardó en minar los últimos 2016 bloques. Si los bloques se minaron más rápido de lo esperado, la dificultad aumenta para dificultar el minado; si se minaron más lento, la dificultad disminuye para facilitarlo.

“Para compensar el aumento de la velocidad del hardware y el interés variable en ejecutar nodos a lo largo del tiempo, la dificultad de la prueba de trabajo se determina mediante una media móvil que apunta a un número promedio de bloques por hora. Si se generan demasiado rápido, la dificultad aumenta.”

Satoshi Nakamoto, Whitepaper de Bitcoin

4 Hashrate y seguridad de la red

La tasa de hash (hashrate) se refiere a la cantidad de cálculos de hash por segundo que un minero puede realizar durante el proceso de resolución del acertijo hash. Estos cálculos implican una serie de intentos para encontrar una solución válida al bloque.

El hashrate se expresa en hashes por segundo (con múltiplos como TH/s o EH/s) y refleja la escala de recursos dedicados al proceso de Proof of Work —energía y hardware— aunque no describe por sí solo cómo está distribuido ese poder en términos de concentración o control.

Dado que PoW requiere tiempo y cuesta dinero en términos de trabajo computacional, es prácticamente imposible que un nodo o grupo de nodos conspire y consiga una ventaja de creación de bloques respecto al resto. Hay un riesgo de “ataque del 51%” que permitiría a un grupo de nodos que consiga el 51% de trabajo computacional controlar la creación de bloques, pero el enorme hashrate actual de los mineros de la red Bitcoin hace que la posibilidad de ese ataque no sea viable.