Le consensus pour la blockchain est une procédure dans laquelle les pairs d’un réseau de blockchain parviennent à un accord sur l’état actuel des données dans le réseau. Les algorithmes de consensus établissent ainsi la fiabilité et la confiance dans le réseau de la blockchain.
Principaux enseignements :
- Les mécanismes de consensus (également appelés protocoles de consensus ou algorithmes de consensus) sont utilisés pour vérifier les transactions et maintenir la sécurité de la blockchain sous-jacente.
- Il existe de nombreux types de mécanismes de consensus, chacun présentant des avantages et des inconvénients.
- La preuve de travail (PoW) et la preuve d’enjeu (PoS) sont deux des mécanismes de consensus les plus utilisés.
Pourquoi les blockchains ont besoin de mécanismes de consensus
Les mécanismes de consensus constituent l’épine dorsale de toutes les blockchains de crypto-monnaies et en assurent la sécurité. Avant d’examiner les différents mécanismes de consensus, définissons d’abord ce que signifie l’obtention d’un consensus pour les blockchains.
Une blockchain est un registre numérique décentralisé, distribué et souvent public, utilisé pour enregistrer les transactions. Chacune de ces transactions est enregistrée sous la forme d’un “bloc” de données, qui doit être vérifié de manière indépendante par des réseaux informatiques peer-to-peer avant d’être ajouté à la chaîne. Ce système permet de sécuriser la blockchain contre les activités frauduleuses et de résoudre le problème de la “double dépense”.
Afin de garantir que tous les participants à un réseau de blockchain s’accordent sur une version unique de l’histoire, les réseaux de blockchain tels que Bitcoin et Ethereum mettent en œuvre ce que l’on appelle des mécanismes de consensus (également connus sous le nom de protocoles de consensus ou d’algorithmes de consensus). Ces mécanismes visent à rendre le système tolérant aux pannes.
Pour en savoir plus sur les principes sous-jacents de la blockchain et les défis liés à l’obtention d’un consensus dans un système distribué et décentralisé, lire Qu’est-ce que la blockchain ? Du problème des généraux byzantins au consensus.
Qu’est-ce que le consensus dans la blockchain ?
Le consensus est le processus par lequel un groupe de pairs – appelés “nœuds” – sur un réseau détermine quelles transactions de la blockchain sont valides et lesquelles ne le sont pas. Les mécanismes de consensus sont les méthodes utilisées pour parvenir à cet accord. Ce sont ces règles qui permettent de protéger les réseaux contre les comportements malveillants et les attaques de pirates informatiques.
Il existe de nombreux types de mécanismes de consensus, en fonction de la blockchain et de son application. S’ils diffèrent par leur consommation d’énergie, leur sécurité et leur évolutivité, ils ont tous un objectif commun : garantir la véracité et l’honnêteté des enregistrements. Voici un aperçu des types de mécanismes de consensus les plus connus utilisés par les systèmes distribués pour parvenir à un consensus.
Types de mécanismes de consensus
Preuve de travail (PoW)
Utilisé par Bitcoin et de nombreuses autres blockchains publiques, la preuve de travail (Proof of Work – PoW) a été le tout premier mécanisme de consensus créé. Il est généralement considéré comme le plus fiable et le plus sûr de tous les mécanismes de consensus, bien qu’il suscite de nombreuses inquiétudes quant à son évolutivité. Si l’expression “preuve de travail” a été inventée au début des années 1990, c’est le fondateur de Bitcoin, Satoshi Nakamoto, qui a été le premier à appliquer cette technologie dans le contexte des monnaies numériques.
Dans le cadre du PoW, les “mineurs” s’affrontent essentiellement pour résoudre des énigmes informatiques extrêmement complexes à l’aide d’ordinateurs surpuissants. Le premier à trouver le nombre hexadécimal de 64 chiffres (“hash”) gagne le droit de former le nouveau bloc et de confirmer les transactions. Le mineur qui réussit est également récompensé par un montant prédéterminé de crypto-monnaie, appelé “récompense de bloc”.
Comme la génération de nouveaux blocs nécessite de grandes quantités de ressources informatiques et d’énergie, les coûts d’exploitation du PoW sont notoirement élevés. Cela constitue une barrière à l’entrée pour les nouveaux mineurs, ce qui suscite des inquiétudes quant aux limites de la centralisation et de l’évolutivité.
Mais les coûts ne sont pas les seuls à être élevés. La critique la plus fréquente à l’égard de la PoW est l’impact de la consommation électrique sur l’environnement. Cela a conduit de nombreuses personnes à rechercher des protocoles de consensus plus durables et plus économes en énergie, tels que la preuve d’enjeu (Proof of Stake – PoS).
Preuve d’enjeu (PoS)
Comme son nom l’indique, cette méthode populaire de consensus s’articule autour d’un processus connu sous le nom de“staking“. Dans un système de preuve d’enjeu (PoS), les “validateurs” s’engagent à verser une somme d’argent numérique pour avoir la chance d’être choisis au hasard pour valider un bloc, ce qui leur vaut une récompense. Le processus n’est pas sans rappeler celui d’une loterie, où plus il y a de pièces mises en jeu, plus les chances sont grandes.
Contrairement au système PoW, où les mineurs sont récompensés par des blocs (pièces nouvellement générées), ceux qui contribuent au système PoS perçoivent simplement des frais de transaction.
Le PoS est considéré comme une alternative plus durable et plus respectueuse de l’environnement que le PoW, et plus sûre contre 51 % des attaques. Cependant, comme le système favorise les entités ayant un nombre élevé de jetons, le PoS a été critiqué pour son potentiel de centralisation. Les plateformes PoS les plus connues sont Ethereum (qui est passé de PoW à PoS en 2022), Cardano (ADA), Solana (SOL) et Tezos (XTZ).
Preuve d’enjeu déléguée (DPoS)
Une modification du mécanisme de consensus PoS, Delegated Proof of Stake (DPoS), s’appuie sur un système de vote basé sur la réputation pour parvenir à un consensus. Les utilisateurs du réseau “votent” pour sélectionner les “témoins” (également connus sous le nom de “producteurs de blocs”) qui sécuriseront le réseau en leur nom. Seuls les témoins de premier rang (ceux qui ont le plus de votes) obtiennent le droit de valider les transactions de la blockchain.
Pour voter, les utilisateurs ajoutent leurs jetons à une réserve de mise. Les votes sont ensuite pondérés en fonction de l’importance de l’enjeu pour chaque électeur – plus l’enjeu est important, plus le pouvoir de vote est élevé. Les témoins élus qui vérifient avec succès les transactions d’un bloc reçoivent une récompense, qui est généralement partagée avec ceux qui ont voté pour eux.
Les témoins de premier rang risquent toujours d’être remplacés par ceux qui sont jugés plus dignes de confiance et qui obtiennent davantage de voix. Ils peuvent même être exclus s’ils n’assument pas leurs responsabilités ou s’ils tentent de valider des transactions frauduleuses. Cela permet d’inciter les témoins à rester honnêtes à tout moment, garantissant ainsi l’intégrité de la blockchain.
Bien que moins répandu que la PoS, le DPoS est considéré par beaucoup comme plus efficace, plus démocratique et plus inclusif financièrement que son prédécesseur. Il est utilisé par Lisk (LSK), EOS.IO (EOS), Steem (STEEM), BitShares (BTS) et Ark (ARK).
Preuve d’activité (PoA)
La preuve d’activité (PoA) est un hybride des mécanismes de consensus PoW et PoS. Il est utilisé par les projets de blockchain Decred (DCR) et Espers (ESP).
Dans les systèmes PoA, le processus d’exploitation minière commence comme le PoW, avec des mineurs en compétition pour résoudre un problème mathématique élaboré en utilisant une immense puissance de calcul. Une fois que le bloc est miné, cependant, le système se rapproche du PoS, l’en-tête du bloc généré avec succès étant diffusé au réseau PoA. Un groupe de validateurs est ensuite sélectionné au hasard pour signer le hachage, validant ainsi le nouveau bloc. Comme pour le PoS, plus un validateur détient de crypto-monnaies, plus il a de chances d’être sélectionné. Une fois que chaque validateur choisi a signé le bloc, celui-ci est ajouté au réseau de la blockchain et prêt à enregistrer des transactions. Les récompenses des blocs sont ensuite partagées entre le mineur qui a réussi et les validateurs choisis.
Bien que le système PoA ait été conçu dans l’intention de combiner les meilleures caractéristiques du PoW et du PoS (tout en évitant leurs défauts), il a été critiqué pour sa phase de minage énergivore et sa partialité inhérente envers les validateurs détenant un plus grand nombre de pièces.
Preuve d’autorité (PoA)
À ne pas confondre avec la preuve d’activité (également appelée “PoA”), la preuve d’autorité (PoA) fonctionne en sélectionnant ses validateurs sur la base de leur réputation. Version modifiée du PoS, elle a été proposée par le cofondateur d’Ethereum et ancien directeur technique Gavin Wood en 2017.
Dans la preuve d’autorité, les validateurs ne mettent pas de pièces en jeu. Au lieu de cela, ils doivent mettre leur réputation en jeu pour obtenir le droit de valider les blocs. Cette blockchain autorisée, qui exige que les participants s’identifient, est très différente de la majorité des protocoles de blockchain, qui n’exigent généralement pas qu’un utilisateur révèle son identité pour participer.
Comme ce mécanisme ne nécessite pratiquement aucune puissance de calcul, il est beaucoup moins gourmand en ressources que certains de ses prédécesseurs, en particulier le PoW. C’est également l’une des options les moins coûteuses et elle est largement privilégiée par les réseaux privés, tels que JPMorgan (JPMCoin). Parmi les autres projets basés sur le PoA, citons VeChain (VET) et Ethereum Kovan testnet.
Bien qu’il soit très évolutif, il est compromis dans le domaine de la décentralisation, car seul un petit nombre de personnes peut participer au réseau. En outre, l’obligation d’identifier les validateurs accroît le risque de corruption et de manipulation par des tiers.
Preuve de brûlure (PoB)
Une autre alternative plus durable à l’algorithme PoW de Bitcoin est la preuve de combustion (PoB), où les mineurs obtiennent le pouvoir de miner un bloc en “brûlant” (détruisant) une quantité prédéterminée de jetons d’une manière vérifiable – à savoir, en les envoyant à une “adresse de mangeur” où ils ne peuvent pas être récupérés ou dépensés. Plus un mineur brûle de pièces, plus il a de chances d’être sélectionné au hasard.
Contrairement au PoS, où les mineurs peuvent récupérer ou vendre leurs pièces bloquées s’ils quittent le réseau, les pièces brûlées sont irrécupérables. Cette méthode, qui consiste à demander aux mineurs de sacrifier leur richesse à court terme afin d’obtenir le privilège à vie de créer de nouveaux blocs, contribue à encourager l’engagement à long terme des mineurs. Le fait de brûler les pièces entraîne également leur raréfaction, ce qui limite l’inflation et stimule la demande.
Les crypto-monnaies qui utilisent le protocole PoB comprennent Slimcoin (SLM), Counterparty (XCP) et Factom (FCT).
Preuve de capacité/preuve d’espace (PoC/PoSpace)
Contrairement à la majorité de ses prédécesseurs, qui accordent des droits d’exploitation minière en fonction de la puissance de calcul ou des pièces mises en jeu, la preuve de capacité (PoC), également appelée preuve d’espace (PoSpace), fonde son algorithme d’exploitation minière sur la quantité d’espace disponible sur le disque dur d’un mineur.
Dans le cadre d’un PoC, les mineurs génèrent à l’avance une liste de tous les hashs possibles dans le cadre d’un processus appelé “plotting”. Ces tracés sont ensuite stockés sur un disque dur. Plus la capacité de stockage d’un mineur est grande, plus il y a de solutions possibles ; et plus il y a de solutions, plus il y a de chances de posséder la bonne combinaison de hachages et de remporter la récompense.
Comme il ne nécessite pas d’équipement coûteux ou spécialisé, le PoC permet au commun des mortels de participer au réseau. Il s’agit donc d’une alternative moins énergivore et plus décentralisée à certains des mécanismes de consensus les plus courants décrits ci-dessus. Cependant, à ce jour, peu de développeurs ont choisi d’adopter le système, et certains s’inquiètent de sa vulnérabilité aux attaques de logiciels malveillants. Ce mécanisme est actuellement utilisé par Signum (SIGNA) – anciennement Burstcoin (BURST) – Storj (STORJ) et Chia (XCH).
Preuve du temps écoulé (PoET)
La preuve du temps écoulé (PoET), généralement utilisée sur les réseaux de blockchain autorisés, s’appuie sur l’informatique de confiance pour imposer des temps d’attente aléatoires pour la construction des blocs. Il a été développé par Intel au début de l’année 2016 et est basé sur un ensemble spécial d’instructions du processeur appelées Intel Software Guard Extensions (SGX).
Algorithme de consensus basé sur une loterie temporelle, PoET fonctionne en attribuant de manière aléatoire des temps d’attente différents à chaque nœud du réseau. Pendant la période d’attente, chacun de ces nœuds se met en veille pour la durée spécifiée. Le premier à se réveiller (c’est-à-dire celui dont le temps d’attente est le plus court) se voit attribuer les droits d’exploitation minière. Cette randomisation garantit que chaque participant a la même probabilité d’être le gagnant, ce qui assure l’équité au sein du réseau.
Le mécanisme de consensus PoET est très efficace, moins gourmand en ressources et évolutif. Il a été mis en œuvre dans le système Sawtooth d’Hyperledger.
Preuve de l’histoire (PoH)
Comme son nom l’indique, Proof of History (PoH) fournit des preuves d’événements historiques. Développé par Solana, le PoH permet d’intégrer des “horodatages” dans la blockchain elle-même, afin de vérifier le passage du temps entre les transactions sans avoir à s ’appuyer sur d’autres nœuds.
Cette méthode d’horodatage est rendue possible par ce que l’on appelle le SHA-256, une fonction de retard vérifiable (VDF) à hachage séquentiel. Il prend la sortie d’une transaction et l’utilise comme entrée pour le hachage suivant, ce qui permet à quiconque de voir clairement quel événement a eu lieu dans une séquence particulière. Comme les VDF ne peuvent être résolus que par un seul score de CPU, PoH réduit considérablement le poids du traitement de la blockchain, ce qui la rend plus rapide et plus économe en énergie que beaucoup de ses contemporains.
La PoH n’étant utilisée que par Solana, elle n’a pas encore été testée à grande échelle.
Preuve d’importance (PoI)
Introduite pour la première fois par le réseau NEM (XEM), la preuve d’importance (PoI) sélectionne ses mineurs sur la base de certains critères dans le cadre d’un processus appelé “harvesting”. Les facteurs les plus courants sont le nombre et la taille des transactions effectuées au cours des 30 derniers jours, le montant de la monnaie acquise et l’activité du réseau. Sur la base de ces facteurs, une note d’importance est attribuée aux nœuds. Plus le score est élevé, plus la probabilité qu’un nœud soit choisi pour récolter un bloc et recevoir les frais de transaction correspondants est grande.
Bien que similaire au PoS, l’utilisation de mesures supplémentaires par le PoI s’éloigne de la tendance du PoS à récompenser intrinsèquement les riches en prenant en compte le soutien global des participants au réseau. Ainsi, le simple fait de miser un montant élevé en PoI ne garantit pas nécessairement une chance de remporter le bloc.
Conclusion
Il n’existe pas d’approche unique lorsqu’il s’agit de vérifier l’authenticité des plateformes de blockchain distribuées. Chaque mécanisme de consensus présente ses propres avantages et inconvénients.
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