La calidad de cadena (Chain Quality, CQ) es una propiedad esencial de la blockchain. En términos generales, significa lo siguiente:
Poseer el 3 % de la participación implica controlar el 3 % del espacio de bloques a lo largo del tiempo.
La calidad de cadena fue suficiente para las primeras generaciones de blockchains, que ofrecían un bajo rendimiento; sin embargo, las blockchains modernas cuentan con una capacidad mucho mayor y pueden registrar numerosas transacciones en un solo bloque.
Esto impulsa la necesidad de una noción más robusta y precisa, que refleje la división del espacio de bloques dentro de cada bloque, y no solo la fracción promediada a lo largo del tiempo. A esto lo denominamos calidad de cadena fuerte (Strong Chain Quality, SCQ):
Poseer el 3 % de la participación implica controlar el 3 % del espacio de bloques en cada bloque.
En esencia, esta propiedad otorga a los participantes la posibilidad de disponer de carriles virtuales dentro de una blockchain de alto rendimiento, garantizando la inclusión de sus transacciones.
Calidad de cadena en las blockchains
Una de las grandes innovaciones de Bitcoin, hoy presente en prácticamente todas las blockchains, es la introducción de un mecanismo de recompensas integrado en el protocolo para los proponentes de bloques: los tokens recién emitidos y las tarifas de transacción se otorgan a quien consigue añadir un bloque a la máquina de estados. Estas recompensas se definen en la función de transición de estados y se reflejan en el estado resultante del sistema.
En la computación distribuida tradicional, las partes se dividen entre honestas y maliciosas. No es necesario recompensar a los participantes honestos por comportarse correctamente; su honestidad se asume en el modelo.
En el modelo criptoeconómico, los participantes se modelan como agentes racionales, posiblemente con funciones de utilidad desconocidas, y el objetivo es diseñar incentivos para que su comportamiento orientado al beneficio se alinee con el éxito del protocolo. Junto al mecanismo de recompensas del protocolo, esto conduce a la siguiente definición idealizada de calidad de cadena:
- Calidad de cadena (CQ): una coalición que posee el X % de la participación total tiene, tras GST, una probabilidad del X % de ser el proponente de cada bloque que entra en la cadena.
Una cadena que se aparte de la calidad de cadena puede permitir que coaliciones acumulen una parte excesiva de las recompensas, desincentivando el comportamiento honesto y poniendo en riesgo la seguridad del protocolo.
Muchas blockchains modernas cumplen, o aspiran a cumplir, esta propiedad mediante la rotación aleatoria de líderes ponderada por participación. Entre los principales desafíos se encuentran el Selfish Mining de Bitcoin (donde en la literatura CQ se denomina Ideal CQ, véase aquí); la resistencia a bifurcaciones de cola de Monad; y el protocolo LMD GHOST de Ethereum (donde los problemas de CQ suelen denominarse “reorgs”, véase Goldfish).
Dónde interviene la calidad de cadena fuerte
Cuando el espacio de bloques es abundante, no es necesario otorgar a un único proponente el control absoluto sobre el contenido del bloque; en cambio, el espacio de bloques puede dividirse entre varias partes en un mismo bloque. La siguiente definición criptoeconómica de calidad de cadena fuerte refleja esta idea:
- Calidad de cadena fuerte: una coalición que posee el X % de la participación total tiene, tras GST, el control del X % del espacio de bloques en cada bloque.
Esta propiedad idealizada da lugar a la abstracción de carriles virtuales, donde las coaliciones controlan efectivamente una parte dedicada del espacio de bloques en cada bloque.
Desde una perspectiva económica, poseer un carril virtual equivale a tener un activo productivo capaz de generar tarifas y MEV. La competencia entre entidades externas por adquirir y mantener estos carriles, mediante la acumulación de participación, genera una demanda sostenida del token L1 subyacente. Cuanto mayor sea el valor económico que puede generar un carril, más incentivos habrá para competir por la participación, y mayor será el valor que se acumule en el stake L1 que otorga acceso a ese espacio de bloques. Esta abstracción permite nociones más sólidas de resistencia a la censura, reflejadas en la propiedad de validez SCQ del protocolo.
Sobre calidad de cadena fuerte y resistencia a la censura
Investigaciones recientes (aquí) destacan la importancia de protocolos resistentes a la censura que incluyan todos los inputs de los participantes honestos de forma inmediata, y no solo eventual. La calidad de cadena fuerte (SCQ) puede entenderse como una extensión de esta propiedad en un contexto con restricciones fijas de capacidad de bloques.
En la práctica, ningún protocolo puede cumplir la noción ideal de resistencia a la censura si la demanda de inclusión de transacciones supera el espacio de bloques disponible. SCQ resuelve esta limitación al no exigir que todas las transacciones honestas sean siempre incluidas, sino otorgando a todos los nodos con stake un presupuesto bajo el cual se garantiza la inclusión de sus transacciones.
El protocolo MCP se propuso como un complemento para los protocolos de consenso tipo Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT) existentes, con el fin de hacerlos resistentes a la censura. Este protocolo también cumple SCQ al asignar espacio de bloques a los proponentes de manera proporcional al stake (véase la sección 5.3 de MCP). Los protocolos existentes basados en DAG y BFT permiten implementar un mempool multi-escritor que también aporta cierto grado de resistencia a la censura.
Las implementaciones estándar de estos protocolos no alcanzan estrictamente la SCQ, ya que los líderes pueden retrasar selectivamente subconjuntos de transacciones. Sin embargo, pequeñas modificaciones permiten recuperar la SCQ (véanse resultados recientes aquí y aquí). Un tema relacionado es la inclusión forzada de transacciones para reducir la censura (véase también EIP-7805).
MCP también muestra cómo lograr una propiedad de ocultamiento más fuerte, permitiendo a los participantes crear carriles privados virtuales cuyo contenido solo se revela cuando se publica el bloque completo. Profundizaremos en este aspecto en futuras publicaciones.
Cómo lograr la calidad de cadena fuerte
Obtener calidad de cadena fuerte tras GST requiere garantizar que el proponente no pueda censurar los inputs de los participantes. Esto se logra mediante un protocolo de dos rondas con dos pequeños cambios en casi cualquier protocolo BFT basado en vistas:
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Ronda 1: cada participante envía su input certificado a todos los participantes.
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Ronda 2: cada participante que recibe un input certificado de otro añade a ese participante a su lista de inclusión. Luego envía su lista de inclusión al líder, comprometiéndose a aceptar solo bloques que incluyan todos los inputs de esa lista.
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Propuesta BFT: el líder recibe estos mensajes e incluye en el bloque la unión de todas las listas de inclusión recibidas.
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Votación BFT: un participante solo vota por un bloque si contiene todos los inputs de su lista de inclusión.
Es sencillo comprobar que este esquema de protocolo puede convertirse en un protocolo completo que cumpla la calidad de cadena fuerte post-GST, proporcione resistencia a la censura y sea operativo con un líder honesto. Añadir SCQ pre-GST requeriría además esperar un quórum de valores o listas en cada ronda. Profundizaremos en este protocolo y sus generalizaciones en publicaciones posteriores.
Investigaciones recientes han demostrado que la calidad de cadena fuerte y la resistencia a la censura requieren dos rondas adicionales sobre las rondas de votación de un protocolo BFT estándar (como hace el esquema anterior). También profundizaremos en este resultado en futuras publicaciones.
Si bien la calidad de cadena fuerte (SCQ) determina la fracción de espacio de bloques que puede controlar una coalición, no especifica completamente cómo se ordenan las transacciones para su ejecución. SCQ puede interpretarse como la reserva de espacio en un conjunto para cada nodo con stake, sin garantías sobre el orden de las transacciones en ese conjunto.
Esto abre un campo de investigación sobre el diseño de mecanismos de ordenación de transacciones que puedan mejorar la equidad y la eficiencia en el ecosistema blockchain. Una aproximación prometedora es ordenar las transacciones según las tarifas de prioridad. También profundizaremos en los matices de la ordenación en futuras publicaciones.
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