Mécanisme soutenant la sécurité de la blockchain : essence de la preuve de travail

Preuve de travail qui résout les problèmes fondamentaux

Les transactions d'argent dans le monde numérique sont accompagnées de problèmes qui n'existent pas avec les billets physiques. C'est le problème de double dépense. Les données numériques peuvent être facilement copiées, ce qui présente le risque que la même unité soit utilisée plusieurs fois. Pour éliminer ce risque, c'est le mécanisme de Preuve de travail (PoW) qui a été développé.

Dans le livre blanc de Bitcoin de 2008, la Preuve de travail, largement reconnue par Satoshi Nakamoto, trouve en réalité ses racines bien avant cela. HashCash, conçu par Adam Back, est un exemple précoce d'algorithme PoW qui a introduit le concept de coût de calcul comme mesure contre le spam. En obligeant l'expéditeur à effectuer un léger calcul, cela générait un coût élevé pour les expéditeurs en masse, tout en allégeant la charge pour les expéditeurs légitimes, exploitant ainsi une asymétrie.

Construction d'une structure de confiance dans un réseau décentralisé

Dans le cas d'échanges entre un petit nombre de personnes, une simple gestion des livres est suffisante car les participants peuvent se faire confiance. Cependant, à mesure que le réseau s'agrandit, il devient impossible de faire confiance à tout le monde. C'est ici qu'intervient le mécanisme de consensus.

Dans les actifs cryptographiques tels que Bitcoin, la preuve de travail est utilisée pour sécuriser le réseau blockchain. Ce mécanisme permet à tous les participants du réseau de parvenir à un consensus sur la validité des données de transaction, même sans administrateur central. Grâce à la combinaison de la théorie des jeux et des technologies de cryptographie, un environnement a été créé où chacun peut mettre à jour le système en respectant les règles.

Preuve de travail de fonctionnement

Dans la blockchain, les transactions ne sont pas enregistrées une par une, mais ajoutées par blocs regroupant plusieurs transactions. Les transactions signalées au réseau sont intégrées dans des blocs candidats par les mineurs (responsables de la génération de blocs). C'est seulement lorsque ce bloc candidat passe la validation et est intégré dans la blockchain que la transaction est considérée comme valide.

Processus de minage et de résolution de problèmes difficiles

Le rôle des mineurs est de vérifier et d'agréger les transactions non confirmées, de les organiser sous forme de blocs et de traiter les données de bloc à l'aide d'une fonction de hachage cryptographique. Dans ce processus de hachage, une valeur de hachage unique, correspondant à une « empreinte digitale » des données saisies, est générée.

Ce qui est important ici, c'est l'asymétrie selon laquelle il est difficile de trouver une valeur de hachage valide, tandis qu'il est facile de vérifier sa validité. Les mineurs doivent essayer encore et encore jusqu'à ce qu'ils découvrent une valeur de hachage qui répond à des conditions spécifiques. Même un léger changement dans les données du bloc produira une valeur de hachage complètement différente, rendant presque impossible de prédire la bonne réponse.

Pour résoudre ce problème, les mineurs utilisent un nombre variable appelé nonce (Number Used Once). En modifiant le nonce et en effectuant plusieurs fois le processus de hachage, trouver un hachage qui satisfait les conditions est l'essence du minage.

Lorsqu'un hachage valide est découvert, le mineur obtient le droit de promouvoir ce bloc sur le réseau. Ensuite, les autres participants du réseau vérifient eux-mêmes si la valeur de hachage présentée est réellement valide. En utilisant la même fonction de hachage pour effectuer les mêmes calculs, la vérification peut être rapidement complétée.

Structure d'incitation et mécanisme de prévention de la fraude

Le puissant aspect de la Preuve de travail réside dans la conception des incitations qui récompense les comportements légitimes et impose des coûts élevés aux comportements frauduleux. La récompense de bloc est composée des actifs cryptographiques nouvellement émis et des frais de transaction. Les mineurs sont motivés par la recherche d'un retour sur investissement, ce qui les conduit à adopter des comportements honnêtes axés sur la rentabilité.

D'autre part, lorsqu'un bloc contenant des données frauduleuses est proposé, l'authenticité de la signature est vérifiée grâce à la technologie de cryptographie à clé publique. Chaque transaction est signée avec une clé privée, et les participants du réseau peuvent vérifier cette signature à l'aide de la clé publique. En même temps, des transactions frauduleuses qui tentent de déplacer des montants que l'expéditeur ne possède pas réellement sont également détectées. Les blocs contenant des transactions frauduleuses sont automatiquement rejetés, et les actions malveillantes gaspillent uniquement d'énormes coûts de minage, sans générer de récompenses.

Sécurité réseau et ajustement de la difficulté

Plus le taux de hachage du réseau (pouvoir de calcul) augmente, plus la difficulté de découvrir une valeur de hachage valide augmente. C'est un mécanisme pour maintenir la vitesse de génération des blocs constante. Étant donné qu'une grande puissance de calcul et des ressources sont nécessaires, cela représente un fardeau considérable pour les mineurs. Cependant, en même temps, cette grande difficulté est la source de la sécurité du réseau.

Preuve de travail et preuve de participation : une comparaison

Dans le monde des actifs numériques, il existe plusieurs algorithmes de consensus en plus de la Preuve de travail. Parmi eux, le plus remarqué est le Proof of Stake (PoS).

Caractéristiques fondamentales du PoS

Dans la Preuve de participation, le rôle des mineurs est remplacé par celui des validateurs. Dans le PoS, il n'existe pas de processus d'extraction minière compétitif autour des valeurs de hachage. Au lieu de cela, les utilisateurs sont sélectionnés au hasard, et l'utilisateur choisi propose (construit) le bloc.

Pour être éligible à la sélection, il est nécessaire de réaliser un staking d'un certain montant de jetons natifs sur la blockchain. Ce montant de staking joue un rôle semblable à celui d'un dépôt de garantie et sera confisqué si le validateur agit de manière frauduleuse. Cela permet de maintenir un incitatif à un comportement légitime.

Défis de l'efficacité environnementale et de la vérification de la sécurité

Le principal avantage du PoS réside dans son efficacité énergétique. Étant donné qu'il ne nécessite pas d'installations de grandes fermes de minage, la consommation d'énergie est beaucoup moins importante par rapport au PoW. À cet égard, le PoS a un avantage en termes de considération pour l'environnement.

Cependant, du point de vue des résultats, la situation est différente. Le proof of work de Bitcoin est le seul algorithme de consensus qui a résisté à plus de 10 ans de validation sur le terrain, durant lequel il a traité en toute sécurité des transactions d'une valeur de plusieurs milliers de milliards de dollars. Pour déterminer si la sécurité du PoS est comparable à celle du PoW, des tests empiriques à long terme sont nécessaires.

Résumé : Héritage et signification de la Preuve de travail

La Preuve de travail est la première solution qui a résolu le problème des doubles dépenses, et sa fiabilité et sa sécurité ont été prouvées. L'avènement de Bitcoin a démontré qu'il était possible de prévenir l'utilisation multiple des mêmes fonds sans passer par un organe de gestion centralisé.

Les participants au réseau décentralisé ont pu parvenir à un consensus sur l'état de la base de données financière en combinant des éléments tels que des techniques de cryptage, des fonctions de hachage et la théorie des jeux. Le mécanisme de Preuve de travail n'est pas simplement une solution technique, mais une invention innovante qui a ouvert la voie à la réalisation d'un système financier sans nécessité de confiance.