Algorithmes de consensus dans la blockchain

Les réseaux de cryptomonnaies diffèrent les uns des autres dans l’organisation du travail. Comme il existe une décentralisation, il est nécessaire de mettre en place un registre distribué. Cela est nécessaire pour réconcilier les transactions tout en évitant des coûts supplémentaires.

Dans cet article, nous allons nous concentrer sur des algorithmes blockchain populaires afin de découvrir leurs fonctions et les facteurs qui influencent les performances et la sécurité.

Qu’est-ce qu’un algorithme de consensus blockchain ?

Un mécanisme de consensus est une procédure par laquelle tous les pairs d’un réseau parviennent à un accord général sur l’état actuel du registre distribué. Ainsi, les algorithmes de consensus garantissent la fiabilité du réseau blockchain et établissent des relations de confiance entre des partenaires inconnus dans un environnement informatique distribué. Un protocole négocié garantit que chaque nouveau bloc ajouté à une chaîne de blocs est l’unique version de la vérité approuvée par tous les nœuds de cette chaîne. Les modèles de consensus de la blockchain reposent sur certains objectifs spécifiques, tels que parvenir à un accord, la coopération, l’égalité des nœuds et la participation obligatoire de chaque nœud au processus de négociation. Ainsi, l’algorithme de consensus vise à trouver un accord commun qui profite à l’ensemble du réseau. De plus, cet algorithme met en œuvre :

• la fréquence de génération des blocs ;
• l’évitement du risque de débit de fonds supplémentaires ;
• la vérification des données dans le bloc.

En termes simples, l’algorithme de consensus évite les erreurs dans les réseaux décentralisés. De plus, la tâche du mécanisme est de mettre en place des conditions mutuellement avantageuses pour tous les participants.

Algorithmes de consensus : vues

Les monnaies numériques sont développées sur diverses blockchains. Les algorithmes de consensus varient également sur ces blockchains.

Plus de 90 % du marché des cryptomonnaies repose sur trois principaux algorithmes harmonisés :

Proof of Work (PoW)

Proof of Stake (PoS)

Delegated Proof of Stake (DPoS)

Cependant, nous examinerons non seulement les mécanismes sous-jacents, mais aussi d’autres, qui, bien que peu adoptés par de nombreux projets, sont très intéressants à explorer et pourraient jouer un rôle majeur dans notre avenir.

1. Proof of Work (PoW)

Cet algorithme de consensus est utilisé pour sélectionner le mineur qui générera le prochain bloc de la chaîne. Bitcoin, Litecoin et de nombreux autres mastodontes de l’industrie blockchain utilisent le PoW dans leur fonctionnement. L’idée principale de cet algorithme est de résoudre un problème mathématique aléatoire complexe généré par une blockchain et de diffuser la solution. Une caractéristique de cet algorithme est la complexité de la résolution du problème, mais il peut être facilement revérifié. Cette énigme mathématique nécessite une grande puissance de calcul et, ainsi, le nœud qui la résout avant les autres obtient le droit de produire le prochain bloc. Le PoW vise à garantir qu’une attaque contre le réseau soit excessivement coûteuse et nécessite des coûts énergétiques élevés, car les mineurs consomment de l’énergie pour fournir des services de comptage et de sécurité du réseau. Les inconvénients de ce mécanisme sont considérés comme une évolutivité limitée et un faible débit.

2. Proof of Stake (PoS)

C’est peut-être l’alternative la plus courante au PoW : même Ethereum est récemment passé du consensus PoW au PoS. Dans ce type d’algorithme de consensus, au lieu d’investir dans un équipement coûteux pour résoudre une énigme complexe, les soi-disant validateurs investissent dans les pièces du réseau, en bloquant une partie de leurs pièces comme mise (staking). Après cela, tous les validateurs commencent à vérifier les blocs, en pariant sur le bloc qu’ils pensent pouvoir être ajouté à la chaîne. Sur la base des blocs effectivement ajoutés à la blockchain, tous les validateurs reçoivent une récompense proportionnelle à leurs taux, et leur mise est augmentée en conséquence. Au final, pour générer un nouveau bloc, le validateur est sélectionné en fonction de sa part économique dans le réseau. Ainsi, l’algorithme PoS encourage les validateurs, par un mécanisme d’incitation, à parvenir à un consensus. Les avantages de ce mécanisme sont considérés comme une évolutivité accrue au niveau de base et des économies d’énergie potentielles par rapport au PoW. Les inconvénients incluent le risque de centralisation, qui entraîne à son tour une diminution de la sécurité. Ethereum, Peercoin, Lisk, PIVX et d’autres blockchains fonctionnent sur le PoS.

3. Delegated Proof Of Stake (DPoS)

Le mécanisme DPoS est une évolution du PoS, mais c’est un type différent d’algorithme de consensus basé sur des systèmes de vote. Au lieu de sélectionner des nœuds individuels au hasard pour effectuer une vérification, la communauté de détenteurs de jetons utilise sa part (mise) pour voter pour un nombre sélectionné de nœuds de confiance, souvent appelés délégués. Ils sont chargés de vérifier les transactions et de maintenir le réseau, et sont récompensés en échange d’une part des frais de transaction. Le DPoS peut être comparé à une démocratie représentative : les participants votent pour un représentant de confiance afin de protéger le réseau en leur nom. Les votants peuvent remplacer les délégués s’ils agissent contre les intérêts de la majorité des parties prenantes. L’algorithme DPoS a été inventé par Dan Larimer et est utilisé dans des projets dont il est à l’origine, tels que BitShares, Steem et EOS, mais il est aussi recherché dans d’autres réseaux, tels que Tezos et Ark. Les avantages du DPoS sont une grande évolutivité et une diffusion plus large de l’inflation (une répartition plus équitable des tokens nouvellement créés entre les validateurs), et les inconvénients sont une sécurité insuffisante et une tendance constante à la centralisation du réseau.

4. Proof of Elapsed Time (PoET)

Le PoET est l’un des algorithmes de consensus les plus équitables, qui sélectionnent le bloc suivant en n’utilisant que des moyens honnêtes. Il est largement utilisé dans de nombreuses blockchains privées et d’entreprise, notamment Hyperledger. Dans cet algorithme, chaque validateur du réseau a une réelle chance de créer son bloc. Tous les nœuds le font en attendant un laps de temps aléatoire et en ajoutant une preuve de leur attente dans le bloc. Les blocs créés sont transférés au réseau pour examen par le reste des participants. Le gagnant est le validateur qui possède la plus petite valeur de minuterie dans la partie preuve. Le bloc du nœud validateur gagnant est ajouté à la blockchain. Des contrôles supplémentaires sont intégrés à l’algorithme afin d’empêcher qu’un nœud particulier remporte toujours l’élection en générant la valeur de minuterie la plus basse. En ce qui concerne les avantages : on peut distinguer une grande efficacité et une faible consommation de ressources ; les inconvénients — un faible niveau de sécurité et une dépendance à un tiers développant un ensemble d’instructions pour le processeur.

5. Proof of Authority (PoA)

Le PoA est un algorithme de consensus basé sur la réputation qui utilise la valeur de l’identité et de la réputation des validateurs de blocs. En mars 2017, l’équipe de développement d’Ethereum, dirigée par Gavin Wood, a proposé le PoA comme solution aux attaques de spam sur le réseau de test Ropstein d’Ethereum. Le PoA ressemble au PoS, à la différence que les validateurs misent leur réputation au lieu de pièces. Les nœuds/validateurs de confiance sont choisis par les responsables du réseau, ce qui rend le PoA utile uniquement pour les blockchains privées. Utilisé dans VeChain Thor, Microsoft Azure et d’autres. Avantages : vitesse élevée des transactions, évolutivité et faible coût de maintenance du réseau. Inconvénients : rejet de la décentralisation et comportement malveillant possible des participants au réseau, presque impossible à prévenir.

6. Proof of Capacity (PoC)

Dans le consensus Proof of Capacity, les validateurs investissent l’espace de leur disque dur au lieu d’investir dans des équipements coûteux ou de brûler des pièces. Plus ils disposent de moyens pour vérifier l’espace du disque dur, plus ils ont de chances d’accéder au minage du prochain bloc et de recevoir une récompense pour ce bloc. L’utilisation du stockage au lieu du calcul avec des ASICS rend les blockchains basées sur PoC beaucoup plus économes en énergie. Le PoC compte des projets comme Filecoin, Storj et Burstcoin. L’avantage évident de cette approche réside dans l’efficacité énergétique ; les inconvénients résident dans une sécurité insuffisante en raison de l’exposition aux attaques.

Il existe également d’autres algorithmes de consensus, tels que :

• Proof of Activity ;
• Proof of Space and Time ;
• Proof of Weight ;
• Proof of Storage ;
• Proof of Importance ;
• Proof of Participation ;
• Proof of History ;
• Leased Proof of Stake ;
• Proof of Burn ;
• Practical Byzantine Fault Tolerance.

Mais leur utilisation à ce jour peut davantage être attribuée à des cas particuliers et à des innovations, ce qui peut faire l’objet d’un article distinct.

Résumé

Chacun des algorithmes présentés a ses forces et ses faiblesses, ainsi que des utilisations possibles. Sous cet angle, il est raisonnable de supposer qu’ils n’entrent pas en concurrence entre eux. Il est important d’en choisir un de manière raisonnée en fonction des exigences du réseau de l’entreprise. 

La mise en œuvre du PoW est sûre et décentralisée. Le PoW est un excellent mécanisme de consensus pour les cryptomonnaies. Cependant, il est totalement inadapté aux réseaux sociaux et aux jeux blockchain. 

Dans cette industrie blockchain encore naissante, il est important de poursuivre la recherche afin de découvrir de nouvelles architectures blockchain. De nouveaux mécanismes de consensus ouvriront de nouvelles possibilités d’utilisation de la technologie blockchain et, en particulier, des cryptomonnaies.