La tecnología blockchain ha creado métodos de almacenamiento de datos que han hecho de este avance uno de los descubrimientos más importantes de nuestro siglo. El creciente uso de blockchain en diferentes sistemas de Internet sigue siendo un reto para muchas personas a la hora de comprender sus operaciones técnicas subyacentes. Este artículo ofrece una presentación organizada que explica cómo opera la funcionalidad de blockchain entre sus distintos niveles en términos sencillos.
En su esencia primaria, blockchain existe como una base de datos de transacciones distribuidas que mantiene registros contables seguros. Bitcoin funciona como un sistema blockchain primario que opera en su red independiente. Todas las actividades de Bitcoin, ya sean sucesiones o recepciones, tienen como resultado una entrada permanente en blockchain. Las transacciones se vuelven incluso más transparentes y eficientes al utilizar la blockchain, ya que su libro mayor público permite a todos los usuarios ver los detalles registrados.
Blockchain existe como una red distribuida en la que diferentes participantes son responsables de la autenticación de cada transacción. Un marco operativo descentralizado hace que los sistemas sean invulnerables a los intentos de piratería porque carece de puntos débiles en su núcleo. La plataforma acelera la visibilidad al tiempo que prescinde de terceros y reduce los gastos empresariales.
Es crucial ir más allá de los fundamentos, ya que comprender las diferentes secciones de la tecnología blockchain y sus funciones operativas dentro del marco del sistema será nuestro siguiente objetivo.
La tecnología blockchain presenta su arquitectura fundamental a través de las cinco capas esenciales de una cadena de bloques, empezando por la infraestructura de hardware, seguido por el almacenamiento de datos y pasando después a la capa de la red, a la automatización del consenso y terminando con las aplicaciones. Los distintos niveles se combinan para funcionar como un sistema unificado que mantiene la información backend y proporciona soporte tanto a las aplicaciones operativas como a las interfaces del usuario.
Elementos clave de la tecnología Blockchain
Un sistema criptográfico blockchain funciona a través de un conjunto de componentes básicos que trabajan conjuntamente para garantizar sus capacidades operativas y la protección de los datos, así como la calidad de su rendimiento. Los principales componentes de un sistema blockchain son los siguientes
Aplicación de nodo
A través de su funcionalidad de aplicación de nodo la blockchain soporta la comunicación informática en la red cuando esta capacidad está autorizada. Los ejemplos de aplicaciones de nodo consisten en carteras basadas en blockchain y aplicaciones Bitcoin. La participación en determinados sistemas blockchain se produce entre entidades específicas preaprobadas. La red blockchain bancaria sólo permite la entrada a bancos específicos que dispongan de autorización. Las aplicaciones de nodo permiten la participación de los usuarios, aunque se les pueden implementar restricciones específicas.
Libro mayor distribuido (base de datos compartida)
Las blockchains establecen funcionalidades de bases de datos compartidas conocidas como libros de contabilidad distribuidos , que permiten a los usuarios autorizados del sistema ver el contenido de la base de datos. El sistema alberga registros de transacciones y establece protocolos que los usuarios deben implementar mientras utilizan la base de datos. El software de aplicación del nodo Bitcoin requiere que los usuarios respeten las especificaciones del protocolo de todo el sistema , presentes en su código de programa. La transparencia y la uniformidad existen en toda la red gracias a este sistema.
Algoritmo de consenso
Una red blockchain opera su protección de datos esencial a través del algoritmo de consenso que hace cumplir los protocolos de acuerdo a los nodos. El algoritmo decide qué transacciones pueden ser verificadas y protege los sistemas contra cambios ilegales. Los datos de la cadena de bloques permanecen seguros porque la modificación de cualquier bloque anterior conduce al proceso regenerativo de todos los bloques siguientes. Los mecanismos de consenso entre blockchains difieren, ya que Bitcoin requiere minutos para finalizar los acuerdos del libro mayor, mientras que Ripple completa el acuerdo en segundos.
Máquina virtual
Una máquina virtual funciona como una solución de software que refleja el hardware real o hipotético para ejecutar comandos a través de un lenguaje de programación definido. El proceso de abstracción se hace posible a través de este concepto que traduce aspectos físicos en componentes digitales. La interfaz gráfica de usuario de una aplicación demuestra este concepto porque un clic del usuario en la pantalla aparece como una actualización del sistema de su estado interno. El gobierno federal posee bases de datos que mantienen digitalmente las licencias de conducir que representan la documentación virtual de documentos físicos.
Red entre iguales (P2P)
El diseño de las redes peer-to-peer distribuye las tareas de comunicación entre nodos que se conectan sin tener que depender de servidores centrales para su funcionamiento. Todos los nodos que forman parte de los sistemas blockchain actúan simultáneamente como clientes que comparten datos al tiempo que gestionan los servidores y protocolos de la red. El método descentralizado de las operaciones de blockchain mejora la accesibilidad de los registros a la vez que protege la información valiosa para que no se pierda, manteniendo así la integridad de los registros de blockchain.
Los bloques fundamentales de las operaciones del sistema blockchain
El marco estructurado de la tecnología blockchain organiza los datos en siete capas únicas que permiten la seguridad de la red y la eficiencia operativa, así como la funcionalidad. La siguiente sección proporciona descripciones detalladas de todas las capas de blockchain.
1. Capa de infraestructura (capa de hardware)
La red blockchain depende de la capa de infraestructura como componente base. El almacenamiento de blockchain depende de recursos de hardware que mantienen sus instalaciones en centros de datos para guardar y controlar la información de blockchain. La navegación web junto con los servicios de aplicación funcionan a través de una arquitectura cliente-servidor, pero blockchain opera a través de un sistema de red descentralizado peer-to-peer (P2P).
Múltiples ordenadores llamados nodos de esta red verifican y procesan las transacciones antes de añadirlas al registro. Los nodos se encargan de comprobar las transacciones y convertirlas en nuevos bloques antes de difundirlos por la red. Los nodos de la red implementan un proceso de consenso antes de actualizar los datos de su libro mayor de blockchain. Cualquier pasarela digital que se vincule al sistema blockchain a través de este proceso se define como nodo.
2. Capa de datos
La estructura de datos de blockchain obtiene sus definiciones de la capa de datos. La organización blockchain tiene bloques conectados como una lista enlazada donde cada bloque mantiene transacciones junto a un puntero que apunta al bloque anterior. El proceso de vinculación entre bloques en la cadena de bloques crea una estructura inalterable que mantiene la integridad de la cadena de bloques.
En esta capa, el árbol de Merkle funciona como principal mecanismo de seguridad para organizar los datos de las transacciones mediante procedimientos criptográficos de hashing. Un bloque contiene tanto la raíz Merkle como los componentes de datos necesarios que incluyen el hash del bloque precedente junto con la marca de tiempo y el número de versión y el objetivo de dificultad y el valor nonce.
Las transacciones operan en la blockchain mediante firmas digitales para reforzar las medidas de seguridad. El proceso de firma de la transacción requiere el uso de la clave privada, pero el proceso de verificación de la autenticación depende de la clave pública. El uso de la criptografía garantiza tanto la prueba de manipulación de los datos como la protección de las identidades de los remitentes.
3. Capa de red (Peer-to-Peer Layer)
La capa de propagación de la capa de red sirve como marco de conectividad entre los nodos del sistema blockchain. La capa de red garantiza operaciones clave como la verificación de autenticación de transacciones y la distribución de bloques junto con el descubrimiento de direcciones de red.
Las redes blockchain logran su funcionalidad a través de la conectividad peer-to-peer (P2P) que permite a los nodos equilibrar su carga de trabajo para mantener la sincronización blockchain junto con las actualizaciones de estado. Los nodos se clasifican en:
Tanto la validación de transacciones como la regulación del consenso funcionan con nodos completos que conservan toda la base de datos de blockchain. El servicio de almacenamiento de cabeceras de blockchain operado por nodos ligeros requiere nodos completos para realizar las funciones de verificación de transacciones.
La capa de consenso proporciona un sistema para transferencias de datos sin fallos que preserva la descentralización de blockchain.
4. Capa de consenso
La tecnología blockchain depende de la capa de consenso para lograr un acuerdo entre los nodos de la red sobre la validación de transacciones válidas. Todos los sistemas blockchain, independientemente de Ethereum o Hyperledger, utilizan la capa de consenso porque este componente sirve como su fundamento operativo básico.
La adición de nuevos bloques a la cadena de bloques se controla mediante sistemas de consenso, como Proof-of-Work (PoW), Proof-of-Stake (PoS) y Delegated Proof-of-Stake (DPoS). La descentralización de la red se produce a través de la capa de consenso porque obliga a que la autoridad de decisión se extienda a todos los participantes de la red.
5. Capa de incentivos
La capa de incentivos sirve para ofrecer beneficios de pago a todos los usuarios de la red que contribuyen a sus operaciones. Toda blockchain necesita la capa de incentivos como fuerza motivadora para impulsar a los participantes de los nodos a utilizar sus recursos para lograr el consenso, aunque la implementación obligatoria varía de una red a otra.
6. Capa de contratos
Los nodos gestionan los acuerdos basados en blockchain a través de contratos que especifican las operaciones de servicio y los privilegios de los datos. El sistema funciona como los acuerdos escritos de forma convencional, al tiempo que ejecuta procesos lógicos automáticamente.
Cuatro contratos principales funcionan dentro de este nivel de operación:
Contratos de Servicio: Los Contratos de Servicios establecen tanto las especificaciones operativas de los servicios como las normas de comunicación correspondientes.
Contratos de datos: La definición de las estructuras de intercambio de datos entre las partes tiene lugar a través de los contratos de datos.
Contratos de mensajes: Los Contratos de Mensajes sirven para establecer estándares que determinan la forma de los mensajes para garantizar la compatibilidad entre los programas de blockchain y los sistemas externos.
Contratos normativos y vinculantes: La red blockchain requiere acuerdos legalmente vinculantes para la interacción que deben incluir términos de política y contratos vinculantes en su establecimiento.
A través de esta capa, los contratos inteligentes se convierten en entidades implementables que ejecutan programas autónomos para automatizar las operaciones haciendo cumplir los acuerdos independientemente de los agentes humanos.
7. Capa de aplicación
La tecnología Blockchain se comunica con los usuarios finales a través de la capa de aplicación. Esta capa tiene dos subcomponentes separados.
La capa de ejecución verifica y valida las transacciones para finalizarlas en la blockchain antes de su ejecución. La capa de ejecución contiene tres componentes esenciales que son el código de cadena junto con los contratos inteligentes y las reglas de consenso.
La Capa de Aplicación aloja herramientas orientadas al usuario, como aplicaciones descentralizadas (dApps), APIs, scripts y frameworks que facilitan el acceso a la red blockchain.
La capa de aplicación implementa la tecnología blockchain a través de sistemas backend que permiten a los usuarios ejecutar funcionalidades para transacciones financieras junto con el seguimiento de la cadena de suministro y la gestión de la identidad digital. La tecnología blockchain se organiza en distintas capas que trabajan juntas para ofrecer sus características descentralizadas junto con la protección de la seguridad, además de las características de transparencia. Las características de las redes blockchain dependen de todos los componentes, desde la base de infraestructura hasta la interfaz de aplicación que permite a los usuarios interactuar.
El análisis de las diferentes capas de blockchain permite a los usuarios comprender tanto sus principios operativos como sus aplicaciones en el sector empresarial.
Explicación de las capas de Blockchain
Capa 0: La infraestructura fundacional
La etapa básica de la implementación de la tecnología blockchain tiene lugar en la Capa 0. Múltiples elementos clave que incluyen Internet forman la base de las operaciones de la red blockchain, además del hardware y los sistemas de conectividad necesarios. La base de los sistemas blockchain junto con las estructuras de Bitcoin y Ethereum se apoya en esta capa fundacional que crea el marco operativo para los diferentes ecosistemas blockchain.
La tecnología de Capa 0 establece un marco que permite a los sistemas blockchain de diferentes redes intercambiar datos entre sí. Este nivel inferior proporciona la infraestructura necesaria para que los sistemas blockchain funcionen con eficacia, al tiempo que facilita la integración de redes.
Capa 1: El protocolo central de blockchain
El principal diseño operativo de las redes blockchain se basa en la Capa 1, que opera por encima de la Capa 0. Esta capa sustenta las principales operaciones de la red, que incluyen tanto las capacidades de gestión de transacciones como los procedimientos de consenso. El principal reto para la escalabilidad aparece en este nivel. Los cambios realizados en la Capa 0 de base afectan automáticamente a la funcionalidad de la Capa 1.
Como capa fundamental de implementación de blockchain, recibe el nombre de capa de implementación. Bitcoin junto con Ethereum y Cardano y Ripple representan algunas blockchains de renombre situadas en el punto de Nivel 1 dentro del sistema.
Capa 2: Mejora de la escalabilidad y la eficiencia
El marco de la Capa 2 existe para mejorar los problemas de escalabilidad experimentados por los sistemas blockchain de primer nivel. El marco funciona como un componente complementario que trabaja junto con la Capa 1 para lograr transacciones rápidas y eficiencia operativa junto con la reducción de la congestión. Gracias a las soluciones de terceros implementadas por la Capa 2, elimina las ineficiencias encontradas en la Capa 0. Soluciones como Lightning Network y Rootstock (RSK) se identifican como herramientas fiables que ayudan a las redes PoW a abordar los problemas de escalabilidad. El nivel de eficiencia de las soluciones de Capa 2 está impulsando su adopción en distintos sectores industriales de todo el mundo.
Comprensión de las soluciones de escalabilidad de Capa 2
El marco de la Capa 2 (L2) incluye redes adicionales y tecnologías adicionales que funcionan sobre los sistemas blockchain actuales. Estas soluciones crean marcos escalables y de alta velocidad que resuelven problemas esenciales en las principales redes blockchain.
El procesamiento de transacciones primarias de blockchain se divide en dos segmentos mediante soluciones L2 utilizando una red auxiliar adicional. La red secundaria se encarga del procesamiento de las transacciones, tras lo cual devuelve los resultados completados a la blockchain principal. Cuando los datos se mueven fuera de la capa principal, el rendimiento del sistema mejora junto con la escalabilidad.
Ventajas de las soluciones de capa 2
- Para aplicar estas soluciones no es necesario modificar la cadena de bloques principal.
- El sistema realiza un alto volumen de transacciones que simultáneamente mantiene los estándares de seguridad del blockchain principal.
- Las operaciones de blockchain resultan más económicas porque se reducen las tasas de transacción.
La necesidad de soluciones de capa 2
Una blockchain óptima alcanza el procesamiento de infinitas transacciones por segundo (TPS) si se desarrolla correctamente. Este procedimiento sigue siendo inviable porque las limitaciones de escalabilidad bloquean su aplicación práctica. Las tecnologías de escalabilidad de la capa 2 mejoran la velocidad de cada transacción en la blockchain sin cambiar las características clave del sistema, como su tamaño de bloque y sus niveles de descentralización.
Las redes Ethereum y Bitcoin demuestran una capacidad de procesamiento limitada a cientos de TPS, lo que provoca un aumento de las tarifas de transacción debido al creciente uso de la red. Las mejoras en la velocidad de proceso son fundamentales porque impedirán que las limitaciones técnicas bloqueen la aceptación de blockchain en los mercados de masas y el desarrollo futuro.
Comprender las capas de la cadena de bloques de Ethereum
Ethereum blockchain depende de múltiples componentes interconectados que garantizan la seguridad y la funcionalidad operativa en todas las capas. Estas capas incluyen:
- La blockchain de Ethereum funciona a través de un grupo interconectado que supervisa los controles de seguridad y los procesos de verificación de las transacciones.
- La plataforma permite a los operadores productores de bloques generar bloques nuevos para la red.
- El propio libro mayor de blockchain registra las transacciones pasadas.
- El sistema es utilizado por la red para producir acuerdos sobre la legitimidad de las transacciones.
Ethereum mantiene una estructura básica similar a la de Bitcoin, pero ofrece una mayor adaptabilidad y múltiples opciones de implementación. El primer objetivo de la cadena de bloques eran las transacciones de criptomonedas, pero Ethereum desarrolló su plataforma más allá de esta capacidad básica. La blockchain de Ethereum sirve como algo más que moneda digital ya que permite contratos inteligentes y aplicaciones descentralizadas (DApps) a través de su versátil plataforma.
Las monedas digitales de Ethereum: Ether y Gas
Dentro de la plataforma Ethereum tanto el Ether (ETH) como el Gas sirven como monedas digitales que proporcionan un apoyo fundamental para mantener las operaciones del sistema. Sirven como alternativa al Bitcoin para las transacciones dentro del ecosistema Ethereum. La principal diferencia entre Bitcoin y Ethereum radica en sus mecanismos de suministro, ya que Bitcoin tiene un límite predeterminado de 21 millones de monedas, pero Ethereum no restringe el suministro total.
Aplicaciones de la cadena de bloques de Ethereum
Ethereum blockchain permite varias aplicaciones modernas más allá de sus capacidades básicas de transacción de criptomoneda.
Los programas de auto-aplicación llamados Smart Contracts ejecutan contratos automáticamente cuando las condiciones preestablecidas son válidas. Estos contratos eliminan la necesidad de intermediarios, proporcionando así un servicio seguro y eficiente con características de confianza. El contrato activa automáticamente el acuerdo predefinido una vez que una condición predefinida se convierte en cierta sin ninguna intervención humana del operador.
Las aplicaciones de usuario desarrolladas en Ethereum funcionan como Aplicaciones Descentralizadas (DApps) que existen en un sistema sin controlador. Los usuarios de DApps aprovechan la plataforma de código abierto de Ethereum para obtener tokens criptográficos como compensación de la red por su participación.
Un paso importante en el despliegue de DApps se produjo cuando Microsoft se asoció con ConsenSys para lanzar Ethereum Blockchain as a Service (EBaaS). A través de este sistema basado en la nube, los desarrolladores pueden iniciar entornos blockchain al instante, lo que permite agilizar el desarrollo y la gestión de aplicaciones descentralizadas.
Capa 3: Capa de aplicación y ejecución
Las aplicaciones descentralizadas (DApps) operan a través de esta capa que también alberga protocolos basados en blockchain bajo su categoría de capa de aplicación. La capa 3 contiene dos subcapas principales que ejecutan funciones diferentes: la capa de aplicación ofrece funciones orientadas al usuario, mientras que la capa de ejecución mantiene el rendimiento de la aplicación blockchain. La comunicación entre cadenas alcanza su punto álgido con la Capa 3 porque esta capa permite a las redes blockchain establecer una auténtica interoperabilidad.
Para entender las distinciones entre las soluciones blockchain hay que reconocer la separación entre los sistemas de Capa 1 y Capa 2.
Todas las criptomonedas se enfrentan a importantes problemas de escalado que requieren una clasificación adecuada entre el sistema blockchain fundamental, conocido como Capa 1, y las capas blockchain adicionales, conocidas como Capa 2. La estructura central de una red blockchain es la Capa 1, como la de Bitcoin. Las redes de cadenas de bloques construidas sobre redes existentes entran en la clasificación de redes de capa 2, mientras que la capa 1 define la estructura básica de la cadena de bloques.
La estructura básica de las blockchains recibe modificaciones directas a través de las soluciones de Capa 1 y las soluciones de Capa 2 operan independientemente como redes suplementarias que permiten transacciones aparte de las operaciones principales de la cadena. La red de Capa 2 Polygon sirve como ejemplo que opera junto con Ethereum para impulsar su eficiencia en las transacciones.
Las mejoras en la escalabilidad de Ethereum ilustran cómo estas soluciones optimizan las operaciones de blockchain para atraer a más usuarios al mercado de criptomonedas.
Comprender la escalabilidad y la seguridad de Blockchain
Escalabilidad de Blockchain
Una red blockchain funciona a su máxima escalabilidad cuando gestiona grandes volúmenes de transacciones y añade nuevos nodos de forma eficiente. El rendimiento de una cadena de bloques viene determinado por su capacidad para ejecutar transacciones por segundo. El avance de la tecnología blockchain produce transacciones más rápidas, lo que refuerza las características de escalabilidad.
Los componentes fundamentales de la tecnología blockchain son la escalabilidad, la seguridad y la descentralización. Los protocolos de blockchain se han construido con medidas de seguridad específicas para proteger los datos de la red, lo que se traduce en la integridad de las transacciones. La capacidad de escalar las redes blockchain favorece su expansión porque permite una mejor ejecución de los crecientes volúmenes de transacciones sin comprometer la eficiencia operativa. Gracias a los constantes esfuerzos de desarrollo, los sistemas blockchain han empezado a igualar la funcionalidad de las plataformas centralizadas clásicas junto con los sistemas financieros heredados.
El trilema de la escalabilidad presenta la difícil tarea de establecer un equilibrio adecuado entre la protección de los datos y la consecución de amplias operaciones de red y el mantenimiento de la funcionalidad de descentralización. La mayoría de los marcos de blockchain optan por dos aspectos de implementación, lo que se traduce en una funcionalidad disminuida del tercero. Los desarrolladores trabajan para construir una red blockchain que asegure los valores de descentralización y logre una escalabilidad fiable a altos niveles.
Seguridad de Blockchain
La seguridad de Blockchain funciona gracias a las redes peer-to-peer de ordenadores distribuidos interconectados que operan en todo el marco del sistema. La estructura descentralizada representa un método seguro de blockchain, pero introduce el riesgo de que un ataque del 51% permita a una única entidad controlar la mayor parte de la potencia de procesamiento de la red. El control de una red blockchain por parte de varios atacantes les daría el poder de alterar los registros de transacciones, amenazando así la integridad de blockchain.
Para mejorar la seguridad de las cadenas de bloques, las redes despliegan múltiples características de protección que las protegen tanto de los ciberataques como de las modificaciones no autorizadas de los registros de datos. La fiabilidad de la tecnología blockchain en un mundo digital requiere un refuerzo esencial de los protocolos de seguridad.
Conclusión
La tecnología blockchain, antes considerada compleja, está ganando ahora un amplio reconocimiento a medida que su potencial y sus aplicaciones se hacen más evidentes. Con los rápidos avances en este campo, los gobiernos y las organizaciones están integrando cada vez más a la blockchain en diversos sectores. A medida que crece su adopción, la tecnología sigue demostrando su valor en todos los sectores.
Preguntas frecuentes
¿Qué es blockchain y cómo funciona?
Un sistema de registro digital descentralizado denominado blockchain rastrea transacciones seguras que se propagan a través de múltiples redes informáticas. Las transacciones realizadas en Bitcoin se registran en la cadena de bloques de Bitcoin. El sistema funciona de forma abierta, mientras que su mantenimiento depende de la aportación colectiva de todos los participantes y evita posibles averías. Ambos niveles de confianza aumentan mientras que los intermediarios se vuelven innecesarios junto con los costes operativos que disminuyen mediante el uso de este sistema.
¿Cuáles son las capas fundamentales de la tecnología Blockchain?
La tecnología Blockchain organiza su funcionalidad a través de cinco capas sucesivas de blockchain que incluyen la infraestructura de hardware y los sistemas de datos, la red y los protocolos de consenso y la secuencia de aplicaciones. Las diferentes capas sirven para diversas operaciones que incluyen el almacenamiento de datos junto con aplicaciones de interfaz de usuario.
¿Cómo funciona la capa de consenso en una cadena de bloques?
La estandarización de nuevos bloques en la cadena de bloques tiene lugar a través de la capa de consenso. Las funciones de consenso de la red suelen utilizar dos mecanismos conocidos como Proof-of-Work (PoW) y Proof-of-Stake (PoS). Proof-of-Work (PoW) funciona a través de una competición criptográfica de resolución de puzles y Proof-of-Stake (PoS) selecciona a los validadores contando su propiedad de tokens de la red.
¿Qué es la escalabilidad de Blockchain y por qué es importante?
La capacidad de las redes blockchain para gestionar un número creciente de transacciones junto con las interacciones de los nodos de forma eficiente define la escalabilidad. La eficiencia de la red y la velocidad de las transacciones dependen en gran medida de la escalabilidad. La escalabilidad de la blockchain existe para gestionar el equilibrio seguridad-descentralización-escalabilidad que mantiene la competencia en ella.
¿Todas las redes Blockchain utilizan múltiples capas?
No todas las redes blockchain incorporan múltiples capas. Algunas funcionan con una estructura de una sola capa, mientras que otras integran múltiples capas para mejorar el rendimiento y la escalabilidad. Por ejemplo, Ethereum utiliza soluciones de capa 2 para mejorar la eficiencia de las transacciones.
