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

Ne vous laissez pas déstabiliser par le côté technique de cet article : trouver un « consensus » est quelque chose que l’on rencontre partout autour de nous — c’est une notion très humaine, mais 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 à ce consensus décentralisé avec cet exemple, supposons que vous soyez dans un groupe de quatre amis, et qu’un des membres, Alex, présente une cinquième personne, Bob. Quand Bob part, très probablement, le groupe va commencer à parler de Bob (c’est le protocole) pour voir s’ils l’ont aimé (le résultat sera le « consensus »)

José : « Bob a l’air d’un type vraiment cool. »

Kevin : « Ouais, un gars cool. Comment tu l’as rencontré ? »

Alex : « Il était dans l’un de mes cours de finance à l’université ; on partageait des conseils de trading de crypto, et au final c’était un type plutôt drôle. »

Kevin : « Sympa, mais ses mèmes étaient juste super bizarres. »

John : « Tu ne comprends tout simplement pas la culture des mèmes. »

José : « Ouais, tu passes pas mal de temps à scroller sur TikTok — je les trouvais plutôt drôles. »

Dans cet exemple, un « consensus » a été atteint sur le fait que Bob s’intègre bien ou non au groupe d’amis. Il existe souvent un nécessaire consensus d’opinion, même en l’absence d’engagements ou de contrats spécifiques conclus. Un participant, Kevin, est réticent à l’idée d’intégrer Bob au groupe, mais José, Alex et John sont d’accord avec Bob.

Dans ce cas, si nous devions formaliser l’exemple ci-dessus dans un algorithme de consensus : Alors cela ferait 3 « il est cool » et 1 « il est cool, mais je ne suis pas sûr à propos de XYZ », et pourtant cela aboutit à « il est cool ». La majorité l’emporte, donc Bob pourra traîner avec les gens cool malgré l’avis de Kevin.

Bitcoin, par exemple, est conçu pour trouver un consensus sur le fait que les nouvelles transactions sont valides (« cool ») ou non.

Ici, nous allons passer en revue les types d’algorithmes de consensus de blockchain les plus populaires — et pas tellement populaires — à travers des réseaux publics et privés.

Qu’est-ce que la Proof of Work ?

**La Proof of Work (PoW) est l’algorithme de consensus le plus populaire et le plus ancien, apparu avec la création de Bitcoin en 2009 par Satoshi Nakamoto. **Un système PoW se compose d’un réseau global de mineurs — appelés nœuds du réseau — qui s’affrontent pour résoudre des énigmes mathématiques. Le mineur qui résout l’énigme avec succès gagne le droit d’ajouter un nouveau bloc à la blockchain et reçoit une récompense payée en crypto-monnaie nouvellement créée.

La preuve de travail est essentiellement la manière dont un mineur prouve qu’il a fourni de la puissance de calcul pour parvenir au consensus du réseau et valider l’authenticité de chaque bloc. De plus, chaque bloc (transaction) est disposé dans un ordre séquentiel, ce qui élimine le risque de double dépense.

Jusqu’à présent, la PoW a été le mécanisme de consensus le plus sécurisé pour les blockchains de crypto-monnaies. Modifier le réseau exigerait qu’un attaquant re-miner tous les blocs existants de la chaîne. Plus la blockchain grandit, plus il devient difficile de monopoliser la puissance de calcul du réseau, car cela nécessiterait une consommation d’énergie énorme et du matériel coûteux.

Une fois qu’un mineur résout une énigme, il trouve un nonce (acronyme de number used once) qui produit un hash ayant une valeur inférieure ou égale à celle fixée par la difficulté du réseau.

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

Les inconvénients de la PoW

Les mineurs doivent fournir une puissance de calcul considérable pour résoudre les énigmes. Mais comme les calculs sont complexes, la quantité d’énergie consommée par un S9 Antminer est généralement comprise entre 1400 et 1500 watts par heure pour un hashrate de 14,5 TH/s. Le S19, version plus puissante, consomme 3250 watts par heure pour un hashrate de 110 TH/s.

Avec un peu de mathématiques, nous pouvons calculer la quantité d’énergie que des centres de données ou des sociétés minières consomment avec des centaines ou des milliers de plateformes de minage dans un seul lieu chaque jour. La forte consommation d’énergie et les dommages environnementaux sont la principale critique adressée à la proof of work.

Pour mettre cela en perspective, avant qu’Ethereum ne passe à la Proof of Stake, les mineurs d’Ethereum dans le monde consommaient environ 10 TWh/yr, soit la même chose que la République tchèque.

Le bruit fort nuit aussi aux niveaux d’audition humaine — au-delà de 80 dBa. C’est pourquoi les rigs de minage sont généralement conservés dans des sous-sols ou des installations de minage afin d’éviter de perturber les activités quotidiennes.

Qu’est-ce que la Proof of Stake ?

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

Le staking signifie « verrouiller » des actifs crypto pendant une période sur une plateforme blockchain, ce qui, en retour, récompense les utilisateurs avec plus de crypto-monnaie.

PoW vs. PoS : principales différences

En PoS, les utilisateurs peuvent staker une portion de leurs actifs dans le seul but de générer un revenu passif. L’autre option consiste à devenir un validateur. Contrairement aux systèmes PoW, les validateurs ne se font pas concurrence pour créer de nouveaux blocs puisqu’ils sont choisis aléatoirement par un algorithme. Plus un utilisateur stake de coins/jetons, plus ses chances de devenir validateur et de créer de nouveaux blocs dans la blockchain sont grandes.

Dans les systèmes PoW, le temps nécessaire pour générer de nouveaux blocs est déterminé par la difficulté de minage ; plus de participants rejoignent le réseau, plus la puissance de hachage, c’est-à-dire la puissance de calcul requise pour miner de nouveaux blocs, est élevée. À l’inverse, les blockchains PoS ont un temps de génération de blocs fixe divisé en slots — le temps nécessaire pour créer un bloc — et en epochs, qui sont des unités de temps constituées de slots.

Pour l’expliquer plus clairement, dans Ethereum, un slot dure 12 secondes, ce qui correspond au temps qu’il faut au réseau pour créer un bloc, et 32 slots créent une epoch. Par conséquent, une epoch dure 6,4 minutes. Chaque slot d’une blockchain PoS comporte 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 du bloc ainsi que les attestateurs reçoivent des récompenses en ETH.

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

Avantages de la PoS :

• Moins énergivore que la PoW
• Plus adapté pour fonctionner avec des solutions de couche 2 que la PoW
• Capable d’atteindre un débit plus élevé puisque le consensus est établi avant que les blocs ne soient transmis.
• Moins coûteux que les blockchains PoW car il ne nécessite pas de matériel de pointe pour créer de nouveaux blocs.

Inconvénients de la PoS

• Les systèmes PoS restent sujets à la centralisation si des validateurs disposant d’un grand nombre de jetons stakés peuvent influencer le réseau.
• Moins éprouvée en termes de sécurité que les blockchains PoW.

Qu’est-ce que la Proof of History ?

**La 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 se sont produits à un moment donné. **La PoH peut être décrite comme une horloge cryptographique qui confirme les transactions dans un ordre séquentiel.

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

Cependant, Solana sacrifie la décentralisation pour offrir un débit de transactions ultra-rapide. La blockchain s’appuie sur une architecture semi-centralisée dans laquelle un nœud unique est élu comme leader, chargé d’implémenter une seule source 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 élus périodiquement via des élections PoS.

Bien que Solana soit l’une des blockchains les plus rapides du secteur, elle subit régulièrement des interruptions. Depuis son lancement en 2020, le réseau a subi environ dix interruptions, dont cinq en 2022. La principale raison de ces pannes est un « nœud mal configuré ».

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

La Delegated Proof of Stake** (DPoS) est une variante du concept de PoS dans laquelle la communauté joue un rôle central.**

Dans les blockchains DPoS, les membres de la communauté stakent leurs crypto-monnaies pour voter en faveur des prochains témoins ou délégués pour la production de blocs. Pour ce faire, les utilisateurs doivent regrouper leurs jetons dans le pool de staking de la blockchain, puis lier les fonds à un délégué指定.

La DPoS a été développée par l’ancien CTO d’EOS, Dan Larimer, qui a implémenté l’algorithme sur BitShares en 2015. Larimer et d’autres promoteurs de la DPoS ont déclaré que la DPoS élargit le champ de la démocratie, car c’est la communauté qui choisit le prochain validateur. Aujourd’hui, des blockchains comme TRON et Cardano utilisent la DPoS.

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

Qu’est-ce que la Proof of Authority ?

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

Le terme a été inventé par Gavin Wood, un développeur blockchain qui a cofondé Ethereum, Polkadot et le réseau Kusama.

Dans une blockchain PoA, **tout repose sur la réputation — les participants du réseau stakent leurs identités au lieu des coins. **Ils fournissent un niveau plus élevé de scalabilité et de débit, car cela ne dépend que d’un nombre limité de validateurs. On pourrait penser qu’il s’agit d’un modèle très centralisé, mais les blockchains PoA sont généralement privées et conviennent mieux aux entreprises et organisations qui utilisent la technologie blockchain pour renforcer les activités et les systèmes opérationnels.

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

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

L’algorithme PoET a été présenté pour la première fois par des développeurs logiciels d’Intel et implémenté dans Hyperledger Sawtooth, ciblant les blockchains privées et les institutions.

L’algorithme n’est peut-être pas aussi populaire que d’autres blockchains, car il n’a pas été suffisamment défini. Mais l’idée était de présenter un moteur prêt à l’emploi, de type Nakamoto, permettant aux blockchains privées de choisir le prochain producteur de blocs. Et en quoi diffèrent-ils ? Eh bien, l’algorithme génère un « temps d’attente aléatoire » pour chaque nœud du réseau, et pendant ce temps le nœud doit « sleep ». Le nœud dont la période d’attente est la plus courte se réveille en premier et obtient le droit de produire un bloc dans la chaîne.

Ainsi, la principale différence est que, dans PoET, les mineurs ne tournent pas 24/7 et consomment moins d’énergie. De plus, dans un réseau PoW, les mineurs s’affrontent pour hasher le prochain en-tête de bloc, tandis que dans PoET il s’agit plutôt d’un système de sélection aléatoire.

FAQ sur les algorithmes de consensus :

Ethereum deviendra-t-elle plus rapide maintenant qu’elle est passée à la PoS ?

Une idée fausse courante est qu’Ethereum va automatiquement passer à l’échelle maintenant qu’il s’agit d’une blockchain basée sur la PoS. Cependant, cette transition a été faite pour améliorer Ethereum par :

• Réduction de la consommation d’énergie
• Réduction des barrières à l’entrée en supprimant les exigences matérielles
• Possibilité d’infliger des pénalités économiques en cas de mauvaise conduite d’un nœud
• Introduction d’un nouveau modèle pour les émissions de tokens
• Et une meilleure infrastructure pour travailler avec les solutions Ethereum Layer-2.

**Que sont les blockchains permissionless et permissioned ? : **

Une blockchain permissionless fait référence à une blockchain publique dans laquelle n’importe qui peut effectuer des transactions, consulter l’historique des transactions, staker des coins, devenir un validateur, etc. D’un autre côté, dans les blockchains permissioned (privées), seuls les membres disposant d’autorisations peuvent accéder au réseau pour effectuer des transactions, interagir avec les nœuds du réseau, suivre l’activité on-chain, etc.

La PoW est-elle l’algorithme de consensus le plus sécurisé ? La PoW a sa part d’inconvénients, mais jusqu’à présent, c’est la manière la plus éprouvée et la plus fiable de maintenir le consensus et la sécurité d’un réseau dans une blockchain.

Dernières réflexions : algorithme de consensus expliqué

La blockchain est une technologie capable de résoudre de nombreux défis et points douloureux au sein de différents secteurs, pas seulement la banque et la finance. Cependant, elle a aussi sa part de revers. C’est pourquoi les développeurs ont créé plusieurs types et versions d’algorithmes de consensus pour résoudre des problèmes courants, tels que la centralisation, le manque de scalabilité et un faible débit.

Mais parler de l’avenir des algorithmes de blockchain est difficile à cause d’un défi : le Blockchain Trilemma. Exposé pour la première fois par Vitalik Buterin, il affirme l’impossibilité des réseaux de blockchain à fournir deux des trois bénéfices : décentralisation, sécurité et scalabilité. Il existe plusieurs plateformes blockchain, comme Fantom et Solana, qui ont implémenté leurs propres versions hybrides d’algorithmes de consensus dans l’espoir de résoudre le trilemme de la blockchain, mais aucune n’a vraiment été couronnée de succès jusqu’à présent.

D’autres approches techniques ont été mises en place pour améliorer les propriétés de la blockchain, et l’une des plus populaires est celle des couches 2, qui sont des chaînes connectées à une couche 1, par exemple Arbitrum avec Ethereum, ainsi que le sharding, qui divise l’ensemble de la blockchain en de nombreux réseaux plus petits. Buterin considère que le sharding est la meilleure approche pour fournir les trois propriétés d’une blockchain parfaite.