Proof of Work et Proof-of-Stake

Les mécanismes de consensus Proof-of-Work (PoW) et Proof-of-Stake (PoS) sont les plus fréquemment utilisés par les réseaux blockchain publics. Ils sécurisent le réseau et encouragent un groupe décentralisé de participants à coopérer pour le bien collectif du réseau.

Toute personne dans le monde peut participer à un système public basé sur la blockchain. Aucune société privée, aucune banque centrale ni aucun gouvernement ne gère le fonctionnement de ces réseaux. Personne n’a donc de contrôle direct sur les blockchains de crypto-monnaies prisées comme le bitcoin, l’ether, le dogecoin ou le monero.

Cela tient au fait que ces technologies sont décentralisées. Comme pour Internet, aucune personne ni aucun groupe n’est responsable de son entretien et de sa maintenance. Cette responsabilité est au contraire partagée entre des milliers de personnes à travers le monde. La décentralisation pose toutefois d’importantes questions :

1. Comment créer un système sans confiance robuste qui résiste aux agents malveillants ?
2. Si tout un chacun peut rejoindre un réseau, comment promouvoir une participation honnête et dissuader les acteurs mal intentionnés ?
3. Sans gestionnaire principal, comment choisir qui peut proposer, vérifier et enregistrer les données sur la blockchain ?

C’est là que le Proof-of-Work (PoW) et le Proof-of-Stake (PoS), plus généralement appelés les mécanismes de consensus des blockchains, entrent en jeu.

Le consensus fait référence à un accord mutuel sur une certaine information au sein d’un système ou d’un groupe de personnes.

Le consensus blockchain est l’accord d’un réseau distribué d’ordinateurs concernant l’ordre et la validité des informations stockées sur une base de données partagée.

La blockchain Bitcoin et les autres blockchains qui ont suivi étaient révolutionnaires parce qu’elles résolvaient un problème ancien appelé le problème des généraux byzantins. 

Il s’agit d’un problème classique de l’informatique distribuée lié à la confiance. Dans ce problème, il faut parvenir à un consensus entre des régiments éparpillés, plusieurs généraux s’efforçant de coordonner une attaque contre une ville. Les généraux ne peuvent pas communiquer directement entre eux et certains sont des traîtres, qui envoient de faux messages aux autres.

Dans le contexte des blockchains, le problème des généraux byzantins concerne le consensus. Dans un réseau blockchain, plusieurs nœuds s’efforcent de s’accorder sur l’état du registre. Mais certains nœuds peuvent être malveillants et tenter d’envoyer de fausses informations aux autres. Le problème est que les autres nœuds doivent pouvoir se fier aux informations qu’ils reçoivent afin de parvenir à un consensus.

Les blockchains résolvent le problème des généraux byzantins en recourant à un algorithme de consensus qui incite tous les participants du réseau à s’accorder sur une même version de la vérité. Pour ce faire, chaque nœud du réseau valide les transactions et s’accorde sur la validité de la transaction. Le système enregistre ensuite ce consensus sur la blockchain, ce qui crée une source de vérité immuable, sûre et partagée. Le mécanisme de consensus garantit que tous les participants du réseau ont la même version de la vérité et que la transaction est valide.

Les informaticiens ont théorisé ce problème dans les années 1980, mais son concept sous-jacent est issu d’un domaine bien plus ancien de l’économie, appelé la théorie des jeux. Les mathématiciens John Von Neumann et Oskar Morgenstern ont inventé la théorie des jeux 30 ans avant le problème des généraux byzantins. Dans leurs recherches, ils ont analysé les résultats des jeux d’après les comportements individuels des joueurs, les gains et les sanctions.

Les mécanismes de consensus de la blockchain intègrent ces principes théoriques. Les joueurs qui participent à un réseau blockchain sont incités à agir de manière honnête, tant pour eux-mêmes que pour le bien général du réseau. Les acteurs malintentionnés, à l’inverse, peuvent voir leur comportement malhonnête sanctionné.

Il est intéressant de noter que les systèmes PoW et PoS parviennent à un consensus sans confiance selon des approches totalement différentes.

Le mécanisme de consensus Proof-of-Work exige des utilisateurs du réseau, appelés des "mineurs", qu’ils consacrent leur puissance de calcul à la réalisation d’une tâche.

Le mécanisme de consensus Proof-of-Work (PoW) a été lancé au début des années 1990, en tant que système de prévention des courriers indésirables. La méthode exigeait des utilisateurs qu’ils résolvent un problème cryptographique avant de pouvoir envoyer un email.

Les utilisateurs légitimes qui n’envoyaient que quelques emails de temps à autre n’avaient aucun problème à apporter cette preuve cryptographique unique. Mais pour un acteur malhonnête, qui souhaitait envoyer des emails indésirables en masse, la puissance de calcul nécessaire rendait l’entreprise bien plus coûteuse.

En janvier 2009, l’auteur du livre blanc de Bitcoin, connu sous le pseudonyme de Satoshi Nakamoto, a lancé le protocole Bitcoin. Ce système de monnaie électronique pair-à-pair intégrait une version du mécanisme PoW adaptée à la résolution du problème dit des généraux byzantins déjà évoqué.

Le mécanisme de consensus PoW utilisé dans le protocole Bitcoin intègre une mise en concurrence basée sur la cryptographie. Les utilisateurs rivalisent pourobtenir le droit de proposer de nouvelles entrées dans le registre à l’aide de leur ordinateur.

Grâce au processus de minage de bitcoin, les mineurs génèrent des codes de longueur fixe aléatoires appelés hachages. Ils créent ces hachages en exécutant les entrées aléatoirement, au moyen d’un algorithme de hachage cryptographique. Cela génère des codes de 64 caractères hexadécimaux uniques (qui ne contiennent que des chiffres de 0 à 9 et des lettres de A à F).

Les mineurs génèrent des hachages aléatoirement jusqu’à ce que l’un d’eux présente au moins le même nombre de zéros à gauche que le hachage cible.

Le hachage cible est le nombre défini par l’algorithme d’ajustement de la difficulté du protocole de blockchain.

Le mineur qui gagne le hachage cible aura le droit de proposer un nouveau bloc de transactions à ajouter à la blockchain. Si le réseau juge le bloc proposé valide, le mineur reçoit une récompense de bloc pour ses efforts. Si le réseau établit que le bloc n’est pas valide ou qu’il est frauduleux, les nœuds le rejettent et les efforts du mineur sont vains.

Si vous souhaitez en savoir plus sur la cryptographie qui sous-tend les crypto-monnaies, consultez notre guide du débutant intitulé Comment les crypto-monnaies utilisent la cryptographie.

En contrepartie de leurs efforts, les mineurs victorieux gagnent des bitcoins nouvellement frappés, ainsi que des commissions sur les transactions qu’ils ont ajoutées au nouveau bloc. Cette récompense s’appelle une récompense de bloc.

Plusieurs mineurs individuels peuvent combiner leurs ressources informatiques au moyen de pools de minage afin d’augmenter leurs chances de l’emporter. La récompense de bloc gagnée est alors répartie proportionnellement entre les participants au pool.

Les récompenses de bloc respectent généralement une politique monétaire stricte et prédéfinie, dans lequel les récompenses sont systématiquement réduites au fil du temps. Bitcoin, par exemple, réduit de moitié le nombre de coins nouvellement frappés attribués pour chaque bloc tous les 210 000 blocs (environ une fois tous les quatre ans). Cette réduction, appelée division par deux du bitcoin, diminue la quantité de nouveaux coins mis en circulation au fil du temps.

Vous pouvez en savoir plus sur la division par deux du bitcoin dans notre rapport de Kraken Intelligence intitulé La division par deux : Tendances et implications du mécanisme de gonflement de l’offre de bitcoins.

Lorsqu’un nouveau bloc de transactions est proposé par le mineur gagnant, les autres mineurs du réseau vérifient ces transactions de manière indépendante. S’ils parviennent à un consensus sur la validité des informations stockées dans le bloc, le bloc s’ajoute de façon permanente à la blockchain.

Demander à tous les utilisateurs du réseau de confirmer de manière indépendante les transactions proposées avant leur finalisation rend presque impossible la double dépense de son solde. Ce risque de dépenser deux fois les mêmes coins n’apparaît que si au moins 51% des validateurs sont malhonnêtes. Mais la difficulté de ce type d’attaque augmente de manière exponentielle au fur et à mesure que le réseau blockchain se développe.

Après chaque nouveau bloc, cette compétition minière redémarre en fonction du délai de bloc programmé par chaque protocole. Pour le bitcoin, de nouveaux blocs sont découverts toutes les dix minutes environ, mais les durées de bloc varient en fonction des crypto-monnaies. Le litecoin et le zcash créent, quant à eux, de nouveaux blocs toutes les 2,5 minutes et toutes les 75 secondes, respectivement.

Cette fonctionnalité assure la sécurité du réseau et garantit que de nouvelles unités de crypto-monnaie seront mises en circulation à un rythme fixe et prédéfini.

La sécurité est l’un des atouts du système PoW. Les transactions frauduleuses sur des blockchains PoW établies nécessitent des puissances de calcul colossales.

Les acteurs malveillants ne peuvent commettre une fraude que s’ils contrôlent la majorité, soit plus de 50 %, de la puissance de calcul du réseau. Cette vulnérabilité est appelée attaque des 51%. Si une personne parvient à contrôler plus de 51 % du réseau, elle peut réorganiser des transactions, dépenser deux fois les soldes et bloquer certains paiements entrants. 

Les systèmes PoW sont difficiles à attaquer parce qu’ils nécessitent un équipement spécialisé et une extraordinaire quantité d’énergie pour exploiter le réseau.

La quantité d’énergie consommée par les blockchains PoW est toutefois largement critiquée par les détracteurs des crypto-monnaies. Mais il est important de noter que cette consommation est une caractéristique délibérée. Dans la plupart des cas, plus le pouvoir de hachage est élevé, plus le réseau est sécurisé.

Pour distinguer la réalité de la fiction concernant le minage de crypto, consultez notre guide Déboulonner les mythes de la crypto : Guide "Le bitcoin détruit l’environnement".

Enfin, pour maximiser les bénéfices, les mineurs PoW doivent maintenir leurs frais opérationnels aussi bas que possible et trouver un approvisionnement en énergie fiable et bon marché. Beaucoup de mineurs ont recours à un mix d’électricité durable pour réduire leurs coûts et l’impact environnemental.

• Bitcoin (BTC)
• Litecoin (LTC)
• Monero (XMR)
• Bitcoin Cash (BCH)
• Dash (DASH)
• Ethereum Classic (ETC)
• Dogecoin (DOGE)
• Siacoin (SC)

Contrairement à la vive concurrence qui s’applique au Proof-of-Work, le Proof-of-Stake utilise un autre ensemble d’incitations pour s’assurer que les participants au réseau se comportent honnêtement.

Trois ans après le lancement de Bitcoin, deux développeurs appelés Scott Nadal et Sunny King ont créé le mécanisme de consensus PoS. Leur principal objectif était de produire un système plus efficace énergétiquement que le Proof-of-Work.

Avec le Proof-of-Stake (PoS), les participants au réseau achètent et verrouillent les tokens natifs d’un protocole pour valider de nouveaux blocs de transactions. En contrepartie, ils peuvent recevoir des récompenses de staking (habituellement versées sous forme d’intérêt sur les actifs stakés).

Plusieurs blockchains PoS de premier plan, telles qu’Ethereum, Cardano, Algorand et Polkadot, appliquent leurs propres algorithmes de sélection pour choisir les stakers qui ont le droit de proposer de nouveaux blocs.

Les participants qui affichent le plus de tokens stakés sont généralement plus susceptibles de valider de nouveaux blocs, mais un certain degré d’aléa est programmé dans ces algorithmes particuliers.

Cette randomisation est conçue pour améliorer l’équité et signifie que tous les participants au staking ont une chance de gagner une récompense.

Ignite (anciennement Tendermint) est un autre mécanisme de consensus de style PoS populaire dans lequel les validateurs procèdent à un vote ou à une mise en gage préalables puis aux votes pour les nouveaux blocs s’ajoutant à la blockchain. Les blocs assortis d’un vote à la majorité des ⅔ sont mis en gage sur la blockchain.

PoS utilise la même approche de la récompense des bons comportements que PoW en demandant aux validateurs d’investir leurs propres fonds. De la même manière, ce coût varie largement d’un protocole à l’autre, y compris les coûts engagés pour exécuter les nœuds validateurs.

L’équipement lié au nœud validateur PoS est souvent globalement bien moins cher que celui nécessaire pour tirer profit du minage des crypto-monnaies PoW populaires comme le bitcoin (BTC).

Dans la plupart des blockchains PoS, les validateurs du réseau sont désignés pour vérifier les blocs de transactions plutôt qu’opposés les uns aux autres pour proposer de nouveaux blocs. En contrepartie, les validateurs gagnent des récompenses, parfois sous la forme d’un intérêt annuel fixe, parce qu’ils contribuent à sécuriser le réseau.

Les personnes qui ne possèdent pas l’expertise technique ou les pré-requis minimaux en termes d’actifs pour devenir un validateur PoS indépendant peuvent mettre leurs fonds en commun avec d’autres investisseurs.

Dans ce cas, plusieurs investisseurs de moindre envergure peuvent mettre en commun leurs fonds pour former une seule unité de staking. Les personnes ou groupes de personnes choisis qui possèdent une connaissance technique maintiennent et exécutent ces pools de staking. Les investisseurs répartissent ensuite les récompenses entre eux et les opérateurs du pool de staking.

Tout comme les mécanismes de consensus PoS encouragent les validateurs à bien se comporter, ils peuvent également les punir s’ils ne respectent pas les règles du protocole. Si un validateur ou un opérateur de pool de staking délégué agit de manière malhonnête, certains protocoles peuvent confisquer une partie ou la totalité de leurs actifs stakés. Connu sous le nom de "slashing", ce mécanisme encourage donc un bon comportement sur le réseau.

Pour participer au processus de staking, la plupart des protocoles de blockchain PoS exigent des utilisateurs qu’ils verrouillent un montant minimum de tokens pour être éligibles.

Pour la nouvelle blockchain PoS d’Ethereum, 32 ethers – la crypto-monnaie native de la blockchain – sont nécessaires pour devenir un validateur. Toutefois, des protocoles de staking liquides ont émergé pour réduire considérablement cette importante barrière à l’entrée.

Sur la blockchain PoS de Polkadot, le pré-requis de staking minimum peut être très faible, dès 10 DOT, ou très élevé, jusqu’à 350 DOT. Le DOT est la crypto-monnaie native de Polkadot.

À l’instar des blockchains basées sur PoW, le réseau doit vérifier de manière indépendante les nouveaux blocs de transactions proposés sur les blockchains PoS avant de pouvoir rejoindre la blockchain.

Les chaînes PoS suivent également un calendrier d’émission transparent qui permet à la totalité du réseau de voir comment les nouveaux coins entrent en circulation.

Les blockchains Proof-of-Stake ont pour principal avantage d’être beaucoup plus économes en énergie que les protocoles PoW. Étant donné que des validateurs PoS sont désignés pour valider les blocs, au lieu de se faire concurrence à l’aide d’un équipement coûteux, ils utilisent moins d’énergie.

Le principal inconvénient des mécanismes de consensus PoS est le problème de centralisation du staking.

Dans les blockchains PoS, le montant des tokens qu’une personne stake détermine essentiellement ses possibilités d’être sélectionné pour valider les blocs de transactions et gagner des récompenses. De ce fait, les systèmes PoS pourraient favoriser ceux qui possèdent plus de tokens au détriment de ceux qui possèdent moins d’actifs stakés — d’aucuns estimant que cela génère une centralisation du réseau.

Du fait de cet inconvénient, beaucoup estiment qu’un petit nombre d’importants de pools de staking et de gros investisseurs pourraient acquérir un contrôle centralisé sur la validation des blocs. Cela va à l’encontre des principes fondamentaux de la crypto-monnaie et réduit la sécurité globale du réseau.

L’autre problème de certaines blockchains PoS est le manque de liquidité. Il arrive que les utilisateurs n’aient pas accès à leurs actifs stakés avant la fin d’une période de verrouillage. Cela réduit la liquidité de la crypto-monnaie sous-jacente et empêche les investisseurs d’accéder à leurs fonds stakés en cas de fluctuations importantes des marchés.

Ces deux mécanismes de consensus résolvent le problème des "généraux byzantins", mais selon des approches très différentes. Le mécanisme de consensus PoW est un système éprouvé qui peut offrir des niveaux de sécurité incroyablement élevés. À l’inverse, les mécanismes de consensus PoS sont de plus en plus prisés car ils représentent une alternative évolutive et économe en énergie.

• Ethereum (ETH)
• Polkadot (DOT)
• Algorand (ALGO)
• Avalanche (AVAX)
• Cardano (ADA)
• Cosmos (ATOM)
• Solana (SOL)
• The Graph (GRT)

Maintenant que vous connaissez toutes les différences entre le Proof-of-Work et le Proof-of-Stake, êtes-vous prêt à passer à l’étape suivante de votre expérience crypto ? Cliquez sur le bouton ci-dessous pour acheter des crypto-monnaies sur Kraken dès aujourd’hui !

Vous souhaitez obtenir des informations plus détaillées sur des crypto-monnaies et des projets blockchain spécifiques ? Si c’est le cas, rendez-vous dans notre centre d’apprentissage pour approfondir vos connaissances sur cet espace en constante évolution.