Les différents types d'algorithmes de consensus

Un algorithme de consensus est une procédure utilisée en informatique dans laquelle les participants d’un réseau distribué s’accordent sur l’état du réseau ou l’état d’une seule valeur de données et établissent la confiance entre des pairs inconnus dans le réseau.

Les algorithmes de consensus sont conçus de manière à ce que les membres d’une blockchain parviennent à un accord pour valider une transaction sur le réseau, modifier les paramètres du réseau, décider quels nœuds sont dignes de confiance pour traiter de nouveaux blocs, et d’autres fonctions importantes.

Ne laissez pas le caractère technique de cet article vous dérouter - trouver le “consensus” est quelque chose qui nous entoure partout - c’est une notion très humaine, mais simplement appliquée à quelque chose qui peut être automatisé.

Pour commencer, dans les systèmes centralisés, les tâches de consensus sont réalisées par une autorité centrale.

Dans les systèmes décentralisés comme Bitcoin, nous avons un réseau composé de centaines, de milliers, et même de centaines de milliers de mineurs ou de nœuds qui se joignent pour effectuer une ou plusieurs tâches et fournir un écosystème fiable et efficace.

En réfléchissant au consensus décentralisé avec cet exemple, supposons que vous soyez dans un groupe de quatre amis, et que l’un des membres, Alex, introduise une cinquième personne, Bob. Lorsque Bob part, il est très probable que le groupe commence à parler de Bob (c’est le protocole) pour voir s’ils l’ont aimé (le résultat sera le “consensus”)

José : “Bob semble être un gars sympa.”

Kevin : “Ouais, gars sympa. Comment tu l’as rencontré ?”

Alex : “Il était dans l’un de mes cours de finance à l’université ; nous échangions des conseils de trading crypto, et il s’est avéré être un gars plutôt drôle.”

Kevin : “Sympa, mais ses mèmes étaient juste super bizarres.”

John : “Tu ne comprends juste pas la culture des mèmes.”

José : “Ouais, tu ne passes pas beaucoup de temps à faire défiler TikTok - je pensais qu’ils étaient plutôt drôles.”

Dans cet exemple, un “consensus” a été atteint sur la question de savoir si Bob s’intègre bien dans le groupe d’amis. Il y a souvent un consensus d’opinion nécessaire même en l’absence d’engagements ou de contrats spécifiques. Un participant, Kevin, est réticent à laisser Bob entrer dans le groupe, mais José, Alex et John sont d’accord avec Bob.

Dans ce cas, si nous devions codifier l’exemple ci-dessus en un algorithme de consensus : alors il y aura 3 “il est sympa” et 1 “il est sympa mais je ne suis pas sûr à propos de XYZ” ce qui donne toujours “il est sympa.” La majorité l’emporte, donc Bob pourra traîner avec les enfants sympas malgré l’opinion de Kevin.

Bitcoin, par exemple, est conçu pour trouver un consensus sur la question de savoir si les nouvelles transactions sont valides (“sympas”) ou non.

Ici, nous allons examiner les types d’algorithmes de consensus blockchain les plus populaires - et les moins populaires - à travers des réseaux publics et privés.

Qu’est-ce que le Proof of Work ?

Le Proof of Work (PoW) est l’algorithme de consensus le plus populaire et le plus ancien qui a été créé avec la naissance de Bitcoin en 2009 par Satoshi Nakamoto. Un système PoW se compose d’un réseau mondial de mineurs - appelés nœuds du réseau - qui rivalisent pour résoudre des énigmes mathématiques. Le mineur qui résout avec succès l’énigme remporte le droit d’ajouter un nouveau bloc à la blockchain et reçoit une récompense payée en cryptomonnaie nouvellement créée.

Le Proof of Work est essentiellement la manière pour un mineur de montrer des preuves qu’il a fourni de la puissance de calcul pour atteindre un consensus réseau et valider l’authenticité de chaque bloc. De plus, chaque bloc (transaction) est organisé dans un ordre séquentiel, éliminant le risque de double dépense.

Jusqu’à présent, le PoW a été le mécanisme de consensus le plus sécurisé pour les blockchains de cryptomonnaie. Modifier le réseau nécessiterait qu’un attaquant remine tous les blocs existants dans la chaîne. Plus la blockchain croît, plus il est difficile de monopoliser la puissance de calcul du réseau, car cela nécessiterait une consommation d’énergie énorme et un équipement coûteux.

Une fois qu’un mineur résout une énigme, il trouve un nonce (abréviation de “number used once”) qui produit un hachage avec une valeur inférieure ou égale à celle établie par la difficulté du réseau.

Le nonce est une partie centrale des systèmes PoW car il permettra au mineur de créer un en-tête de bloc haché avec la fonction de hachage SHA-256, ce qui signifie placer un numéro de référence pour un bloc dans une chaîne. L’en-tête du bloc contient également un horodatage et le hachage du bloc précédent.

Les inconvénients du PoW

Les mineurs doivent fournir une puissance de calcul considérable pour résoudre les énigmes. Mais comme les calculs sont complexes, la quantité d’énergie qu’un seul Antminer S9 consomme est généralement comprise entre 1400 et 1500 watts par heure pour un hashrate de 14.5 TH/s. Le S19, une version plus puissante, consomme 3250 watts par heure avec un hashrate de 110 TH/s.

Avec quelques calculs, nous pouvons estimer la quantité d’énergie que les centres de données ou les entreprises de minage consomment avec des centaines ou des milliers de rigs de minage dans un seul endroit chaque jour. La forte consommation d’énergie et les dommages environnementaux sont les principales critiques formulées à l’encontre du proof of work.

Pour mettre cela en perspective, avant qu’Ethereum ne passe au Proof of Stake, les mineurs Ethereum dans le monde consommaient environ 10 TWh/an, soit l’équivalent de la consommation de la République tchèque.

Le bruit fort nuit également aux niveaux d’audition humaine - au-dessus de 80 dBa. C’est pourquoi les rigs de minage sont généralement gardés dans des sous-sols ou des installations de minage pour éviter de perturber les activités quotidiennes.

Qu’est-ce que le Proof of Stake ?

Le Proof of Stake (PoS) est le deuxième algorithme de consensus le plus populaire. Au lieu de mineurs, les blockchains PoS ont des validateurs de réseau qui utilisent leurs pièces/tokens comme preuve de leur engagement envers le réseau plutôt que de la puissance de calcul.

Le staking signifie “verrouiller” des actifs crypto pour une période sur une plateforme blockchain, ce qui, en retour, récompense les utilisateurs avec plus de cryptomonnaie.

PoW vs. PoS : Principales différences

Dans le PoS, les utilisateurs peuvent staker une partie de leurs actifs dans le seul but de générer des revenus passifs. L’autre option est de devenir validateur. Contrairement aux systèmes PoW, les validateurs ne rivalisent pas pour créer de nouveaux blocs car ils sont choisis au hasard par un algorithme. Plus un utilisateur stake de pièces/tokens, plus ses chances de devenir validateur et de créer de nouveaux blocs dans la blockchain sont élevées.

Dans les systèmes PoW, le temps nécessaire pour générer de nouveaux blocs est déterminé par la difficulté de minage ; plus il y a de participants dans le réseau, plus la puissance de hachage est importante, c’est-à-dire la puissance de calcul requise pour miner de nouveaux blocs. En revanche, les blockchains PoS ont un temps de génération de blocs fixe divisé en créneaux - le temps qu’il faut pour créer un bloc - et des époques, qui sont des unités de temps constituées de créneaux.

Pour mieux expliquer cela, un créneau dans Ethereum consiste en 12 secondes, le temps qu’il faut au réseau pour créer un bloc, et 32 créneaux créent une époque. Par conséquent, une époque dure 6,4 minutes. Chaque créneau dans une blockchain PoS a un nombre prédéterminé de validateurs qui votent sur la validité du bloc proposé. Si le bloc est valide, il est ajouté à la chaîne, et le proposeur de bloc et les attestateurs reçoivent des récompenses en ETH.

Les blockchains PoS punissent les acteurs malveillants pour avoir attaqué le réseau avec des attaques de type 51%, ce qui s’appelle le slashing, où les validateurs honnêtes éjectent le validateur malveillant du réseau et drainent son solde. Cela décourage les acteurs malveillants d’attaquer le réseau puisque le nombre requis de fonds stakés est considérablement élevé. Dans le cas d’Ethereum, 32 ETH.

Avantages du PoS :

• Moins énergivore comparé au PoW
• Plus adapté pour travailler avec des solutions de couche 2 que le PoW
• Capable d’atteindre un meilleur débit puisque le consensus est établi avant que les blocs soient validés.
• Moins coûteux que les blockchains PoW car il ne nécessite pas de matériel élite pour créer de nouveaux blocs.

Inconvénients du PoS

• Les systèmes PoS sont toujours sujets à la centralisation si des validateurs avec un grand nombre de tokens stakés peuvent influencer le réseau.
• Moins prouvé en termes de sécurité par rapport aux blockchains PoW.

Qu’est-ce que le Proof of History ?

Le Proof of History (PoH) est un algorithme de consensus présenté par la blockchain Solana et consiste à placer un horodatage sur tous les événements du réseau pour prouver qu’ils ont eu lieu à un moment donné. Le PoH peut être décrit comme une horloge cryptographique qui confirme les transactions dans un ordre séquentiel.

Solana combine son approche PoH avec PoS. Par conséquent, les participants du réseau doivent staker du SOL pour devenir validateurs et traiter de nouveaux blocs, et le mécanisme PoH vérifie la validité des transactions se produisant en temps réel. En d’autres termes, le PoH maintient la sécurité, tandis que le PoS apporte un réseau de validateurs qui peuvent vérifier les horodatages et confirmer les transactions.

Cependant, Solana sacrifie la décentralisation pour fournir un débit de transaction ultra-rapide. La blockchain repose sur une architecture semi-centralisée dans laquelle un seul nœud est élu comme leader, chargé de mettre en œuvre une source unique de temps, c’est-à-dire l’horloge PoH, et tous les autres nœuds doivent suivre les séquences de temps en conséquence. Les leaders sont périodiquement élus via des élections PoS.

Bien que Solana soit l’une des blockchains les plus rapides de l’industrie, elle souffre régulièrement de temps d’arrêt. Depuis son lancement en 2020, le réseau a subi environ dix temps d’arrêt, dont cinq se sont produits en 2022. La principale raison de ces pannes est un “nœud mal configuré.”

Qu’est-ce que le Delegated Proof of Stake ?

Le Delegated Proof of Stake (DPoS) est une variation du concept PoS dans lequel la communauté joue un rôle central.

Dans les blockchains DPoS, les membres de la communauté stakent leurs cryptomonnaies pour voter pour les prochains témoins ou délégués pour la production de blocs. Pour ce faire, les utilisateurs doivent regrouper leurs tokens dans le pool de staking de la blockchain et ensuite lier les fonds à un délégué spécifié.

Le DPoS a été développé par l’ancien CTO d’EOS, Dan Larimer, qui a mis en œuvre l’algorithme sur BitShares en 2015. Larimer et d’autres partisans du DPoS ont déclaré que le DPoS élargit le champ démocratique puisque c’est la communauté qui choisit le prochain validateur. Aujourd’hui, des blockchains comme TRON et Cardano utilisent le DPoS.

Cependant, la critique du DPoS est que sa méthodologie favorise les utilisateurs riches. Ceux qui possèdent un grand nombre de tokens peuvent avoir une plus grande influence dans le réseau. Vitalik Buterin a été l’un des premiers détracteurs du DPoS, affirmant dans un article de blog que cet algorithme de consensus incite les témoins à former des cartels et à soudoyer les électeurs pour obtenir leur soutien.

Qu’est-ce que le Proof of Authority ?

Le Proof of Authority (PoA) est un algorithme de consensus dans lequel seuls les membres autorisés peuvent interagir avec la blockchain, effectuer des transactions, apporter ou suggérer des modifications des paramètres du réseau, examiner l’historique des transactions, etc.

Le terme a été créé par Gavin Wood, un développeur de blockchain qui a cofondé Ethereum, Polkadot et Kusama Network.

Dans une blockchain PoA, tout est une question de réputation - les participants au réseau stakent leur identité au lieu de pièces. Ils fournissent un niveau supérieur de scalabilité et de débit puisque cela repose uniquement sur un nombre limité de validateurs. Nous pourrions penser que c’est un modèle fortement centralisé, mais les blockchains PoA sont généralement privées et s’adaptent mieux aux entreprises et organisations qui utilisent la technologie blockchain pour améliorer les entreprises et les systèmes opérationnels.

Qu’est-ce que le Proof of Elapsed Time ?

Le Proof of Elapsed Time (PoET) est un autre algorithme de consensus qui fonctionne mieux avec des blockchains privées.

L’algorithme PoET a été présenté pour la première fois par des développeurs de logiciels d’Intel et a été mis en œuvre dans Hyperledger Sawtooth, ciblé vers des blockchains privées et des institutions.

L’algorithme n’est peut-être pas aussi populaire que d’autres blockchains car il n’a pas été défini de manière adéquate. Mais l’idée était de présenter un moteur de style Nakamoto prêt à l’emploi qui permettrait aux blockchains privées de choisir le prochain producteur de blocs. Et en quoi se différencient-ils ? Eh bien, l’algorithme génère un “temps d’attente aléatoire” pour chaque nœud du réseau, et pendant ce temps, le nœud doit “dormir”. Le nœud avec la période d’attente la plus courte se réveille en premier et remporte le droit de produire un bloc dans la chaîne.

Ainsi, la principale différence est que les mineurs dans PoET ne fonctionnent pas 24/7 et consomment moins d’énergie. De plus, dans un réseau PoW, les mineurs rivalisent pour hacher l’en-tête du prochain bloc, tandis que dans PoET, c’est davantage un système de sélection aléatoire.

FAQ sur les algorithmes de consensus :

Ethereum va-t-il devenir plus rapide maintenant qu’il est passé au PoS ?

Une idée reçue courante est qu’Ethereum va automatiquement évoluer maintenant qu’il s’agit d’une blockchain basée sur le PoS. Cependant, cette transition a été faite pour améliorer Ethereum en :

• Réduisant la consommation d’énergie
• Abattant les barrières à l’entrée en éliminant les exigences matérielles
• Permettant des pénalités économiques pour les comportements indésirables des nœuds
• Introduisant un nouveau modèle pour les émissions de tokens
• Et une meilleure infrastructure pour travailler avec les solutions de couche-2 d’Ethereum.

**Qu’est-ce que les blockchains sans autorisation et avec autorisation ? : **

Une blockchain sans autorisation fait référence à une blockchain publique dans laquelle tout le monde peut effectuer des transactions, examiner l’historique des transactions, staker des pièces, devenir un validateur, etc. En revanche, dans les blockchains avec autorisation (privées), seuls les membres ayant l’autorisation peuvent accéder au réseau pour effectuer des transactions, interagir avec les nœuds du réseau, suivre l’activité en chaîne, etc.

Le PoW est-il l’algorithme de consensus le plus sécurisé ? Le PoW a ses inconvénients, mais jusqu’à présent, c’est la méthode la plus prouvée et la plus fiable pour maintenir le consensus et la sécurité d’un réseau dans une blockchain.

Réflexions finales : algorithme de consensus expliqué

La blockchain est une technologie capable de résoudre de nombreux défis et points de douleur au sein de différentes industries, pas seulement la banque et les finances. Cependant, elle a aussi ses propres parts de revers. Par conséquent, les développeurs ont créé plusieurs types et versions d’algorithmes de consensus pour s’attaquer à des problèmes communs, tels que la centralisation, le manque de scalabilité et un faible débit.

Mais parler de l’avenir des algorithmes blockchain est difficile à cause d’un défi : le Trilemme de la Blockchain. D’abord décrit par Vitalik Buterin, il stipule l’incapacité des réseaux blockchain à fournir deux des trois avantages : décentralisation, sécurité et scalabilité. Il existe plusieurs plateformes blockchain, comme Fantom et Solana, qui ont mis en œuvre leurs propres versions hybrides d’algorithmes de consensus dans une tentative de résoudre le trilemme blockchain, mais aucune n’a vraiment réussi jusqu’à présent.

D’autres approches techniques ont été faites pour améliorer les propriétés de la blockchain, et l’une des plus populaires est les solutions de couche-2, qui sont des chaînes connectées à une couche-1, par exemple, Arbitrum avec Ethereum, et le sharding, qui divise toute la blockchain en plusieurs réseaux plus petits. Buterin considère le sharding comme la meilleure approche pour fournir les trois propriétés d’une blockchain parfaite.