Parvenir à un consensus : preuve de travail vs preuve d’enjeu

Lorsque j'ai commencé à m'intéresser aux cryptomonnaies, j'ai été immédiatement fasciné par cette technologie et j'ai voulu approfondir mes connaissances. J'ai découvert que les transactions sont inscrites dans un registre mondial décentralisé et immuable — c'est-à-dire qu'elles ne peuvent être ni arrêtées ni annulées — ce qui les rend résistantes à la censure et extrêmement sécurisées.

Passionné de technologie depuis l'époque du modem 56k, j'ai toujours été fasciné par le fonctionnement des choses. Le comment, le pourquoi et l'évolution des systèmes me passionnent. J'étais loin de me douter que le monde de la blockchain, des cryptomonnaies et du Web3 me fournirait une quantité d'informations si importante que je ne saurais qu'en faire.

L'une des premières choses que j'ai apprises, c'est que Bitcoin maintient sa décentralisation grâce à un processus appelé minage par preuve de travail (PoW) . Vous avez probablement entendu dire que ce n'est pas bon pour l'environnement, que c'est lent et énergivore ; ou peut-être avez-vous entendu dire que c'est décentralisé, égalitaire et sécurisé. D'une certaine manière, les deux sont vrais, et d'une autre, aucun ne l'est.

Dans cet article, je souhaite examiner ce qu'est la preuve de travail et la comparer à une autre méthode de sécurisation et de décentralisation des blockchains, dont vous avez peut-être entendu parler, appelée preuve d'enjeu.

Alors, entrons dans le vif du sujet.

Preuve de quoi ?

Je vais commencer par poser quelques bases à cette discussion, car, pour certains lecteurs, il s'agira peut-être d'une introduction à un sujet assez complexe. Comme je l'ai mentionné dans un article récent , la preuve de travail (PoW) et la preuve d'enjeu (PoS) sont souvent qualifiées de mécanismes de consensus ; or, il s'agit en réalité d'un abus de langage. Ce sont des mécanismes de protection contre les attaques Sybil , et ils ne représentent que la moitié du mécanisme de consensus complet utilisé par une blockchain donnée.

Selon Ethereum.org, la résistance aux attaques Sybil « mesure la capacité d'un protocole à résister à ce type d'attaque . Les attaques Sybil se produisent lorsqu'un utilisateur ou un groupe se fait passer pour plusieurs utilisateurs. La résistance à ce type d'attaque est essentielle pour une blockchain décentralisée et permet aux mineurs et aux validateurs d'être récompensés équitablement en fonction des ressources investies. La preuve de travail (PoW) et la preuve d'enjeu (PoS) protègent contre ce type d'attaque en exigeant des utilisateurs un investissement important en énergie ou en garanties. Ces protections constituent un frein économique aux attaques Sybil. »

La protection contre les attaques Sybil étant essentielle à la sécurité d'une blockchain, il n'est pas surprenant que le choix du mécanisme de protection suscite de vives tensions. Pourtant, il est intéressant de constater que beaucoup ignorent encore le fonctionnement, les différences et les similitudes entre ces mécanismes.

Je vais brièvement expliquer ci-dessous le fonctionnement de la preuve de travail (Proof-of-Work), les différences avec la preuve d'enjeu (Proof-of-Stake), et enfin, démontrer que l'une présente plus d'avantages. Mais laquelle ?

Prisonnier de guerre : comment ça marche ?

Au cœur des réseaux Bitcoin, Ethereum, Flux (et bien d'autres) se trouve un mécanisme appelé consensus de Nakamoto . Décrit pour la première fois dans un livre blanc de 2008 par un cypherpunk (ou un groupe de cypherpunks) sous le pseudonyme de Satoshi Nakamoto, cette combinaison de résistance aux attaques Sybil par preuve de travail et de la règle de la chaîne la plus longue pour maintenir un historique canonique de la blockchain était — et reste — révolutionnaire.

Sans jargon technique, voici à quoi cela ressemble, en termes très simples :

Les réseaux comme Bitcoin utilisent du matériel spécialisé, comme les cartes graphiques (GPU) ou les circuits intégrés spécifiques à une application ( ASIC ), pour valider les transactions. Il faut alors prouver que l'on a effectué une tâche complexe et énergivore : le « minage ». Les mineurs se livrent à une course pour trouver un nombre extrêmement aléatoire appelé nonce.

Le nonce est la pièce manquante d'un puzzle cryptographique qui empêche la finalisation du bloc actuel et la mise à disposition du bloc suivant. Compte tenu du rythme prévu des transactions, le premier mineur à résoudre ce puzzle reçoit une récompense de bloc : un versement prédéterminé issu de l'inflation programmée et distribué dans le bloc concerné.

Ceux qui possèdent une plus grande puissance de calcul (appelée hashrate ) auront plus de chances de remporter des récompenses de bloc. Pour atteindre cette puissance de calcul, les mineurs – et le plus souvent les sociétés ou pools de minage – devront acheter davantage de matériel et consommer plus d'énergie.

C'est généralement là que commence le débat sur l'énergie.

Les défenseurs de l'environnement s'inquiètent de l'empreinte carbone considérable générée par la consommation énergétique de Proof-of-Work. Après tout, une grande partie du monde est encore alimentée par des énergies fossiles.

Il est intéressant de noter que les données ne semblent pas corroborer cet argument, car de nombreuses exploitations minières s'implantent là où l'énergie est la moins chère : à proximité de barrages hydroélectriques, de parcs éoliens et solaires, et d'autres sources d'énergie renouvelables. Cela démontre également que la preuve de travail est indépendante du type d'énergie utilisé. De plus, et c'est intéressant, l'idée que la preuve de travail puisse servir à monétiser l'énergie elle-même ouvre des perspectives uniques. Par exemple, les exploitations solaires, éoliennes, géothermiques et marémotrices produisent généralement plus d'énergie qu'elles ne peuvent en consommer ou en stocker, créant ainsi ce que l'on appelle de l' énergie inutilisée.

Cette énergie pourrait être stockée (à mesure que la technologie des batteries progresse), mais même dans ce cas, il pourrait être plus avantageux de consacrer une partie ou la totalité de ce surplus à l'exploitation minière. Pourquoi ? La construction d'infrastructures d'énergies renouvelables nécessite généralement des subventions publiques, ce qui ralentit leur déploiement. En revanche, les opérations capables de monétiser cette énergie excédentaire pourraient, en théorie, s'autofinancer, éliminant ainsi tout besoin de subventions.

Il s'agit là d'une idée parmi tant d'autres, et toutes méritent d'être approfondies. Voici un article intéressant de Square et Ark Invest sur ce sujet, à consulter absolument. Passons maintenant à la preuve d'enjeu (Proof-of-Stake).

Quels sont les enjeux des systèmes de point de vente ?

Comme nous l'avons vu précédemment, la preuve de travail (PoW) consiste essentiellement à échanger des capitaux (investissements en équipements et en biens immobiliers ; coûts énergétiques courants) contre la possibilité de valider des blocs et ainsi percevoir des récompenses. Ce processus indirect génère de nombreuses externalités, certaines positives, comme évoqué précédemment, et d'autres négatives, que nous aborderons plus loin.

Le modèle de preuve d'enjeu (PoS) repose sur cette évaluation. Ses partisans affirment que si, dans un système de preuve de travail (PoW), une personne engage son capital en investissant dans du matériel, des biens immobiliers et de l'énergie, pourquoi ne pas simplement immobiliser le capital lui-même ?

Depuis sa première implémentation par Peercoin en 2012, la preuve d'enjeu (PoS) est devenue la méthode de protection contre les attaques Sybil la plus répandue pour les cryptomonnaies et autres projets basés sur la blockchain. Hormis Bitcoin, Ethereum et Litecoin, la quasi-totalité des blockchains les plus connues (Polygon, Avalanche, Tezos, Cardano, Solana) utilisent la preuve d'enjeu. De plus, Ethereum est sur le point d'effectuer sa conversion tant attendue de la preuve de travail (PoW) vers la preuve d'enjeu (PoS).

En résumé, l'exécution d'un validateur Ethereum Proof-of-Stake nécessite soit un matériel informatique de base ( apparemment un Raspberry Pi suffit) et soit 32 ETH (environ 80 000 $ au cours actuel), mis en jeu dans un contrat intelligent ; soit n'importe quel montant d'ETH déposé dans un pool de staking — j'y reviendrai dans un prochain article.

Les validateurs de preuve d'enjeu sont incités à participer honnêtement pour obtenir des récompenses. Ils sont dissuadés d'attaquer le système, généralement par une pénalité appelée « slashing » . Il s'agit d'un processus automatisé intégré au protocole de staking qui brûle une partie du capital misé par ceux qui enfreignent un petit nombre de règles clairement définies.

Dans le cas du système Casper FFG d'Ethereum , les acteurs malveillants ne disposent que de trois tentatives avant de voir la totalité de leurs fonds confisqués. Cette méthode de prévention de la fraude et de la censure réduit la nécessité de créer une bifurcation de la chaîne en cas d'attaque. Toutefois, cette option reste tout à fait envisageable en cas d' attaque à 51 % soutenue.

Preuve de travail ou preuve d'enjeu – qui l'emporte ?

Bien que l'argument le plus simple, à savoir le gaspillage d'énergie sans doute inutile du Proof-of-Work, soit souvent avancé pour justifier la supériorité du Proof-of-Stake, ce n'est pas le discours que j'ai l'intention de suivre.

La preuve de travail (PoW) peut fonctionner et s'avérer idéale pour certaines blockchains. Elle permet notamment de monétiser l'énergie inutilisée, de subventionner les énergies vertes et, simultanément, de décentraliser le calcul sur la blockchain. Cependant, je pense que la preuve d'enjeu (PoS) surpasse la preuve de travail (PoW) dans plusieurs domaines, que nous aborderons plus loin.

Remarque : Mon opinion s’est forgée après d’innombrables heures d’analyse de documents, d’entretiens et de réflexion sur le sujet. Or, nombre de mes convictions rejoignent celles de Charles Hoskinson dans cet extrait d’un entretien avec Lex Fridman. Je vous recommande donc de le visionner en complément de cet article.

Participation égalitaire

Certains affirment que devenir validateur Ethereum (80 000 $ au prix actuel) est plus difficile que de devenir mineur de Bitcoin (les ASIC d'entrée de gamme coûtent environ 5 000 $), mais cet argument est trompeur. Comme indiqué précédemment, ce sont les mineurs disposant de la plus grande puissance de hachage qui remportent la majorité des récompenses de bloc. Or, l'augmentation de la puissance de hachage bénéficiant d'économies d'échelle, les plus grandes exploitations en profitent de manière disproportionnée. Ce mécanisme crée un cercle vicieux qui renforce la centralisation.

De même, ceux qui ont accès à une énergie bon marché, comme les gouvernements par exemple, peuvent facilement mettre en place d'importantes opérations de minage. À petite échelle, cela semble avantageux. Le Salvador, par exemple, utilise les profits tirés du minage de bitcoins (issus d' une énergie renouvelable géothermique au sommet d'un volcan ) pour fournir des services publics à ses citoyens. Mais imaginez, par exemple, que plusieurs pays disposant d'importantes ressources énergétiques, comme la Russie, la Chine et l'Arabie saoudite, s'allient pour mener des attaques à 51 % contre le système et censurer les transactions de leurs adversaires.

Ceci m'amène à mon point suivant…

Sécurité

Le protocole Proof-of-Work n'est pas entièrement géré par des ASIC dans des entrepôts surpeuplés. De nombreux petits acteurs peuvent contribuer à la sécurité du réseau. Dans un scénario hypothétique où chaque citoyen du monde posséderait un ou plusieurs mineurs, le niveau de décentralisation engendrerait une sécurité considérable. Cependant, dans le système actuel, et même dans ce système hypothétique, les grandes opérations de minage resteraient des cibles faciles.

Par exemple, si demain un acteur non économique (quelqu'un qui se soucie davantage de détruire un réseau blockchain que des coûts économiques qu'il encourra ; comme un gouvernement) décidait de tenter d'attaquer le réseau Bitcoin, il lui serait très facile de trouver des opérations à grande échelle et donc la majorité de la puissance de hachage en raison de l'empreinte laissée par leur consommation d'énergie.

Dans un système de preuve d'enjeu (PoS), les validateurs sont pratiquement invisibles. Ils possèdent des adresses blockchain traçables, mais leur consommation énergétique est comparable à celle d'un ordinateur classique. Ils peuvent être déplacés rapidement et facilement d'un bout à l'autre de la ville, du pays ou même d'une frontière à l'autre.

Ce qui m'amène à mon prochain point…

Hardware

Alors que l'attention se porte principalement sur la consommation énergétique des blockchains, un point bien plus important est négligé : le matériel utilisé a une durée de vie limitée. Avec le temps, il s'use et devient moins rentable. Dans certains cas, il est remis à neuf et revendu à des mineurs amateurs, ce qui permet de prolonger sa durée de vie. Cependant, la destination finale de tout cet équipement reste la décharge. Bitcoin ne concerne actuellement qu'une infime partie de la population, mais nécessite d'énormes quantités de matériel spécialisé, fonctionnant à haute température 24 h/24. À mesure que son utilisation se développe, le risque que ces déchets électroniques deviennent incontrôlables est indéniable.

Le matériel de minage souffre également d'un problème de centralisation. Les circuits intégrés spécifiques (ASIC) les plus courants sont fabriqués par une poignée d'entreprises seulement, qui pourraient elles-mêmes agir de manière malveillante, ou plus probablement devenir la cible d'ingérences étatiques. Les fabricants de cartes graphiques, comme NVIDIA, ont déjà montré une propension à rendre leurs propres cartes inutilisables. Et bien sûr, ce n'est pas sans raison. La demande de cartes graphiques pour la construction de systèmes de minage a bouleversé les marchés et rendu l'achat d'une carte pour le jeu ou des applications professionnelles extrêmement coûteux.

Ceci m'amène à ma dernière réflexion sur les externalités liées à l'utilisation de la puissance de hachage pour le minage…

Pourquoi ?

Si vous partagez l'idée que la preuve de travail et la preuve d'enjeu dépendent toutes deux autant du capital, et que, par conséquent, le matériel dépensé n'ajoute sans doute pas suffisamment de valeur au processus, ne serait-il pas plus éthique de mettre en commun cette puissance de calcul pour réaliser d'autres choses importantes comme la recherche médicale open source, la modélisation de solutions au changement climatique, ou, à tout le moins, d'utiliser toutes ces cartes graphiques pour démocratiser l'accès au rendu 3D, comme le vise à le faire Render Network ?

À mon humble avis, oui. Mais ce n'est que mon avis.

J'espère avoir suscité quelques réflexions. Je vois des cas d'utilisation potentiels pour les deux mécanismes. Et vous ?

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