Preuve d’enjeu (PoS) vs preuve de travail (PoW) : avantages, inconvénients et différences expliqués

Bien que Bitcoin l'historique des transactions est séquencé de manière sécurisée à l'aide d'une preuve de travail (PoW), il consomme beaucoup d'électricité et le nombre de transactions qu'il peut gérer simultanément est limité. En conséquence, de nouveaux mécanismes de consensus axés sur la méthode la moins gourmande en énergie ont émergé, le modèle de preuve de participation (PoS) étant l'un des plus importants. Ces mécanismes de consensus permettent aux réseaux informatiques de collaborer tout en restant sécurisés.

Les réseaux blockchain doivent résoudre plusieurs problèmes pour fonctionner efficacement. Par exemple, sans une autorité centrale comme les banques ou les FinTechs (par exemple PayPal) au milieu, les réseaux décentralisés de crypto-monnaie doivent garantir qu'aucune partie d'un réseau ne dépense le même argent plusieurs fois. De plus, le mécanisme de consensus empêche le réseau de dérailler à cause d'un hard fork.

Cependant, dans une organisation centralisée comme une banque, le conseil d’administration des décideurs ou des régulateurs contrôle ces activités. Alors que la crypto repose sur une communauté, la blockchain doit donc parvenir à un consensus pour vérifier les transactions et les blocages.

La preuve de travail et la preuve de participation sont les deux principaux mécanismes de consensus actuellement utilisés par les projets de finance décentralisée (DeFi) pour obtenir cryptographiquement un consensus sur les réseaux de crypto-monnaie. Lorsque Satoshi Nakamoto créait Bitcoin (la première crypto-monnaie), ils devaient trouver un moyen de vérifier les transactions sans l'intervention d'un tiers. Pour y parvenir, ils ont utilisé un mécanisme de consensus appelé preuve de travail pour permettre aux réseaux de se mettre d'accord sur les transactions valides.

Au contraire, la preuve de participation (PoS) est une méthode de consensus moderne qui alimente les nouveaux projets DeFi et les crypto-monnaies. Certains projets commencent immédiatement par PoS ou passent de PoW à PoS. Cependant, la construction immédiate d’un réseau de consensus PoS est un problème technologique important, et ce n’est pas aussi simple que d’utiliser PoW pour obtenir un consensus sur le réseau.

Qu'est-ce qu'une preuve de travail (PoW) ? 

La preuve de travail a été proposée pour la première fois en 1993 pour lutter contre les spams sur un réseau et les attaques par déni de service. Le concept PoW a ensuite été popularisé par Satoshi Nakamoto pour valider de nouveaux blocs dans le réseau Bitcoin en 2008. 

PoW est basé sur la capacité des utilisateurs du réseau à prouver qu'une tâche informatique est accomplie. Pour répondre à une équation mathématique, une puissance de calcul appelée nœud est utilisée, et une fois l'équation résolue, un nouveau bloc sur la chaîne est validé. Un nœud est tout appareil physique tel qu'un ordinateur personnel qui peut recevoir, envoyer ou transférer des données au sein d'un réseau d'autres outils.

Le solveur qui répond le plus rapidement à une énigme mathématique créera un lien cryptographique entre les blocs actuels et précédents et gagnera une pièce cryptographique fraîchement frappée. Ce processus est connu sous le nom de minage et les solveurs sont appelés mineurs. C’est grâce à leurs efforts combinés qu’une blockchain reste sécurisée pour toutes les parties impliquées. De plus, la tâche informatique consistant à résoudre ce casse-tête elle-même est appelée preuve de travail. 

Comment fonctionne PoW ?

Une blockchain est un système constitué d’une série de blocs disposés par ordre chronologique en fonction d’un ordre de transaction appelé ordre blockchain. Le bloc Genesis, ou bloc zéro, est le premier bloc d'une blockchain PoW, qui est codé en dur dans le logiciel. Ce bloc ne fait pas, par définition, référence à un bloc précédent. Les blocs suivants téléchargés sur la blockchain font toujours référence aux blocs précédents et contiennent une copie complète et mise à jour du grand livre.

Grâce à une course compétitive dans laquelle certains participants ou mineurs sont encouragés à dépenser des ressources informatiques pour soumettre des blocs légitimes conformes aux réglementations du réseau, les algorithmes PoW sélectionnent qui doit modifier le grand livre avec les nouvelles entrées. Le grand livre garde une trace de toutes les transactions et les organise en blocs successifs afin qu'aucun utilisateur ne puisse dépenser ses fonds deux fois. Pour éviter toute falsification, le registre est distribué, ce qui permet aux autres utilisateurs de rejeter rapidement une version modifiée.

En pratique, les utilisateurs identifient les falsifications à l’aide de hachages, qui sont de longues chaînes de chiffres servant de preuve de travail. La fonction de hachage est une fonction unidirectionnelle, ce qui signifie qu'elle ne peut être utilisée que pour vérifier que les données qui ont généré le hachage correspondent aux données d'origine.

Après cela, les nœuds vérifient les transactions, évitent les doubles dépenses et décident si les blocs proposés doivent ou non être ajoutés à la chaîne. Le fait d’effectuer des paiements deux fois avec la même devise pour tromper le destinataire de ces fonds est appelé double dépense. Une double dépense ferait des ravages sur le réseau et éliminerait l’une de ses caractéristiques les plus précieuses : l’immuabilité, la décentralisation et le manque de confiance. 

La preuve de travail rend les doubles dépenses incroyablement difficiles, car modifier une partie de la blockchain impliquerait de ré-exploiter tous les blocs suivants. Étant donné que les machines et l'énergie nécessaires à l'exécution des fonctions de hachage sont coûteuses, il est impossible pour les utilisateurs de monopoliser la capacité de traitement du réseau.

De plus, pour générer un consensus et garantir la légitimité des transactions enregistrées dans la blockchain, un protocole PoW combine puissance de calcul et cryptographie. 

Les mineurs rivalisent pour développer la bonne réponse aux problèmes mathématiques lors du processus de hachage afin de produire de nouveaux blocs. Les mineurs y parviennent en devinant un hachage, qui est une chaîne de nombres pseudo-aléatoires. Un hachage cryptographique (par exemple, SHA-256) est un type de signature de fichier texte ou de données. Pour un texte, SHA-256 fournit une signature presque unique de 256 bits (32 octets).

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Lorsqu'il est couplé aux données du bloc et traité via une fonction de hachage, le hachage doit générer un résultat qui répond aux exigences énoncées du protocole.

Les mineurs qui ont gagné le hash le diffusent ensuite sur le réseau, permettant aux autres mineurs de vérifier si la réponse est correcte. Si la réponse est exacte, le bloc est ajouté à la blockchain et le mineur reçoit la récompense du bloc. Par exemple, la récompense globale actuelle pour le minage de Bitcoin est de 6,25 Bitcoin.

Avantages et inconvénients du PoW

Avantages du PoW

Dans PoW, les mineurs doivent payer beaucoup d’argent pour l’électricité afin de résoudre des énigmes mathématiques complexes et de traiter un bloc sur le réseau. L'électricité est utilisée pour alimenter les machines qui génèrent des actifs numériques grâce au processus de vérification des transactions, appelé minage. De plus, les dépenses énergétiques sont essentielles à la sécurité du réseau, car elles permettent de conserver un enregistrement précis des transactions et d'adhérer à une politique monétaire spécifiée et crédible. 

De plus, le réseau reste sécurisé car pour frauder la chaîne, il faudrait qu'un acteur malveillant s'approprie 51 % de la puissance de calcul du réseau. Si une blockchain est forcée dans un système de preuve de travail, les mineurs doivent choisir de passer au nouveau réseau de blockchain fork ou de continuer à prendre en charge la blockchain d'origine.

Un mineur devrait répartir ses ressources de calcul entre les deux côtés du fork afin de prendre en charge les deux blockchains. En conséquence, grâce à une incitation économique, les systèmes de preuve de travail empêchent naturellement les bifurcations constantes et incitent les mineurs à choisir le camp qui ne souhaite pas nuire au réseau.

Ces caractéristiques se prêtent à la théorie des jeux, dans laquelle les mineurs doivent agir de manière stratégique pour optimiser leurs retours sur investissement. Les gens, comme les États de rationalité limitée, choisiront toujours la solution la plus simple. Passer à une chaîne plus récente rend les choses plus difficiles. La théorie des jeux aide donc les oligopoles à éviter la corruption interne et à prendre des décisions logiques. 

Inconvénients du PoW

Malgré les avantages ci-dessus, le PoW pourrait s’avérer assez coûteux et inefficace en termes d’utilisation des ressources. Les mineurs doivent faire face à diverses dépenses, y compris l’achat d’équipements de dernière génération qui s’usent rapidement. L’exploitation minière a tendance à produire beaucoup de chaleur et pourrait accumuler une électricité exorbitante, selon l’emplacement du mineur. De plus, les frais de transaction du système montent en flèche lorsque le réseau est surchargé.

De plus, si vous êtes vulnérable à une attaque à 51 % ou si vous n'êtes pas sur le détenteur de pièces le plus important pour un algorithme de hachage interchangeable, les individus utilisant une pièce plus grande pourraient retourner leur matériel contre vous et vous éliminer, et vous ne pourrez plus gagner de récompenses.

u’est-ce qu’une preuve de participation ? 

En 2011, une nouvelle approche a été proposée sur le forum Bitcointalk pour remédier aux inefficacités du mécanisme de consensus PoW et réduire la quantité de ressources informatiques nécessaires au fonctionnement du réseau blockchain. Plutôt que de réaliser un travail tangible, ce concept repose sur l'existence d'un enjeu vérifiable dans l'écosystème.

En d’autres termes, pour valider les transactions sur le réseau crypto, il suffit à un utilisateur de montrer qu’il possède une quantité particulière de jetons de crypto-monnaie natifs de la blockchain. Ce type de mécanisme de consensus utilisé par les réseaux blockchain pour parvenir à un consensus distribué est appelé mécanisme de consensus de preuve de participation. 

Par exemple, le mineur A mise 30 pièces, le mineur B mise 50 pièces, le mineur C mise 75 pièces et le mineur D mise 15 pièces. Le mineur C aurait la priorité pour écrire et valider le bloc suivant dans ce cas. Contrairement à la récompense globale dans la preuve de travail, Miner C collectera des frais de transaction, c'est-à-dire des frais de réseau.

Comment fonctionne le PoS ?

Le bloc Genesis est le bloc initial d’une blockchain PoS qui est également codé en dur dans le programme. Les blocs suivants téléchargés sur la blockchain font toujours référence aux blocs précédents et contiennent une copie complète et mise à jour du grand livre.

Dans le réseau PoS, les mineurs ne se disputent pas le droit d'ajouter des blocs. Plutôt que d’être extraits, les blocs sont souvent appelés « frappés » ou « forgés ».

Les blockchains PoS, contrairement aux blockchains PoW, ne limitent pas le nombre de personnes pouvant proposer des blocs en fonction de la consommation d'énergie. Malgré les besoins énergétiques élevés des blockchains PoW, de nouveaux mécanismes de consensus tels que la preuve de participation éliminent le besoin de minage. 

Le système de preuve de participation présente plusieurs avantages par rapport au système de preuve de travail, notamment une plus grande efficacité énergétique car les blocs miniers ne consomment pas beaucoup d'énergie. De plus, vous n'avez pas besoin d'une technologie haut de gamme pour créer de nouveaux blocs. La preuve de participation permet au réseau d’avoir plus de nœuds. 

Un plus grand nombre de nœuds dans un réseau contribue à développer des normes de gouvernance qui offrent une plus grande immunité à la centralisation. Dans les systèmes PoS, cela est rendu possible par un degré plus élevé d’indépendance matérielle. En conséquence, la preuve de participation est souvent considérée comme l’algorithme de consensus le moins susceptible de conduire à une centralisation du réseau.

Les utilisateurs qui souhaitent être pris en compte pour être inclus dans le processus d'ajout de blocs à une blockchain PoS doivent miser, ou verrouiller, une quantité spécifique de crypto-monnaie du réseau dans un contrat unique. Leurs chances d’être choisi comme prochain producteur de blocs sont déterminées par la quantité d’actifs cryptographiques qu’ils ont mis en jeu. Si les utilisateurs agissent de manière malveillante, ils risquent de perdre leur mise en raison de leurs actions.

Le PoS peut inclure d’autres éléments déterminants qui ne profitent pas toujours aux nœuds les plus riches, notamment la durée pendant laquelle un nœud a misé son argent, ainsi que la randomisation pure. La récompense de bloc dans PoS fait référence à des frais de réseau accordés par la blockchain à la personne qui soumet un bloc valide, similaire au mécanisme PoW.

Dans PoS, la sélection des blocs est basée sur la propriété des pièces ; par conséquent, des services de jalonnement sont proposés par les bourses, qui permettent aux utilisateurs de miser des crypto-monnaies en leur nom en échange de récompenses plus cohérentes. Plusieurs parties prenantes peuvent rejoindre un pool de jalonnement pour mettre en commun leurs ressources informatiques et maximiser leurs chances d'être récompensées. En d’autres termes, ils mettent en commun leur pouvoir de mise lors de la vérification et de la validation de nouveaux blocs pour maximiser leurs chances de recevoir des récompenses de bloc.

Avantages et inconvénients du PoS

Avantages du PoS

Le problème du gaspillage élevé de ressources énergétiques a été abordé dans PoS. De plus, les systèmes basés sur PoS sont bien plus évolutifs que les systèmes basés sur PoW, et les transactions sont approuvées beaucoup plus rapidement. L'évolutivité signifie que le système réalise des transactions par seconde (TPS) plus élevées que les systèmes spécifiques actuels en modifiant les paramètres du système ou en modifiant son mécanisme de consensus.

Le réseau PoS atteint l'évolutivité en établissant un consensus avant la construction des blocs, ce qui permet de traiter des milliers de requêtes par seconde avec un pic de latence inférieur à une milliseconde.

Inconvénients du PoS

La preuve de participation, en revanche, présente son propre ensemble de difficultés. Le réseau, par exemple, est toujours soumis à la domination des principaux détenteurs de jetons. Cela donne plus de pouvoir aux premiers utilisateurs et aux personnes les plus riches.

Comme le concept est encore relativement nouveau, il peut présenter des inconvénients qui ne sont pas encore évidents pour la communauté crypto. Ce paradigme, contrairement à la preuve de travail, n’a pas d’antécédents de performance. De plus, le fork n’est pas automatiquement découragé par les systèmes de preuve de prise. Un validateur recevra le duplicata de sa participation sur la blockchain nouvellement forkée lorsqu'une blockchain se divise

Le dilemme « rien en jeu » se produit lorsqu'un validateur signe des deux côtés d'un fork, ce qui lui permet de dépenser potentiellement deux fois ses pièces et de collecter le double du nombre de frais de transaction en retour.

Preuve de travail vs preuve d'enjeu

Il ressort clairement des explications précédentes que les deux mécanismes de consensus présentent des avantages et des inconvénients. Ils poursuivent tous le même objectif essentiel que ceux énumérés ci-dessus, mais ils utilisent des méthodes différentes pour y parvenir. 

La distinction essentielle entre les différents mécanismes de consensus réside dans la manière dont ils délèguent et récompensent la vérification des transactions. D'autres différences sont expliquées dans le tableau ci-dessous.

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Quand faut-il utiliser PoW ou PoS ?

Le mécanisme de consensus est crucial pour la conception distribuée d’un réseau blockchain car il réduit la centralisation des entités chargées de valider les transactions. Pour conserver les caractéristiques immuables, sans confiance et distribuées d’un réseau blockchain, il faut un mécanisme de consensus pleinement fonctionnel.

Le type de consensus requis dépend des besoins d'un réseau. Par exemple, une preuve de travail est requise pour la prévention de la fraude, la sécurité et l’instauration de la confiance dans un réseau. Les mineurs (ou les processeurs de données indépendants) ne peuvent pas être induits en erreur sur une transaction en raison de la protection fournie par PoW. La preuve de travail est une méthode permettant de sécuriser l'historique des transactions d'un actif cryptographique tout en augmentant la difficulté de modifier les données au fil du temps.

L'exigence d'un nœud participant démontrant que le travail est terminé et soumis le qualifie pour ajouter de nouvelles transactions à la blockchain, protégeant ainsi toute activité malveillante.

S'il existe de nombreuses copies de la blockchain sur le réseau, PoW permet d'identifier la copie la plus légitime. Enfin, la preuve de travail est essentielle pour créer une horloge distribuée qui permet aux mineurs d'entrer et de sortir librement du réseau tout en maintenant un taux de fonctionnement constant.

De même, les performances et la sécurité du réseau sont des conséquences importantes de l’utilisation d’un mécanisme basé sur PoS. Le PoS est utilisé lorsqu'une vitesse de transaction élevée est requise pour les transactions en chaîne par seconde et le règlement réel des transferts réseau. De plus, les validateurs sont susceptibles de posséder des quantités importantes de jetons de réseau, ce qui les incite financièrement à assurer la sécurité de la chaîne. 

Cependant, il existe des doutes quant à la solidité de la sécurité PoS et PoW contre les menaces. Par conséquent, un mécanisme de validation appelé proof-of-space , ou le (projet Chia) est créé pour valider les transactions en toute sécurité. Chia utilise un mécanisme de consensus de preuve d'espace et de preuve de temps pour résoudre certains des problèmes de centralisation qui affectent les blockchains PoW et PoS.