Le mécanisme de consensus de Bitcoin : en détail

Bitcoin a résolu un problème qui n'avait aucune réponse fonctionnelle depuis des décennies. Comment des inconnus qui ne se font pas confiance, dispersés à travers le monde, parviennent-ils à s'accorder sur un registre unique indiquant qui possède quoi, sans banque, sans gouvernement et sans aucun arbitre au milieu ? La réponse est le mécanisme de consensus de Bitcoin : la Proof of Work associée à une règle simple pour choisir la bonne chaîne. Ensemble, on les appelle souvent le consensus de Nakamoto, et ils forment le moteur qui se cache sous tout ce que fait Bitcoin.

Voici un regard avancé sur le fonctionnement de ce moteur, sur la raison pour laquelle il brûle de l'électricité à dessein, et sur pourquoi presque aucun autre réseau n'atteint l'accord de la même manière. Si tu n'as pas encore lu comment une blockchain stocke les données ou ce qu'est un hash, ces deux articles accompagnent très bien celui-ci.

Pourquoi Bitcoin a besoin d'un mécanisme de consensus

Dans le monde numérique, n'importe quel fichier peut être copié parfaitement un nombre illimité de fois. C'est sans conséquence pour une photo, mais fatal pour la monnaie. Si une pièce numérique n'est qu'un fichier, qu'est-ce qui empêche quelqu'un de la dépenser deux fois en envoyant deux copies à deux personnes différentes ? C'est le problème de la double dépense, et avant Bitcoin la seule solution connue était une autorité centrale, comme une banque, qui tenait l'unique registre officiel et vérifiait chaque solde.

Sous ce problème se cache une énigme plus ancienne de l'informatique, souvent décrite à travers les généraux byzantins. Imagine plusieurs généraux encerclant une ville, qui ne peuvent communiquer que par messagers, dont certains pourraient être des traîtres. Ils doivent s'accorder sur un plan unique, attaquer ou battre en retraite, même s'ils ne peuvent pas pleinement se faire confiance ni se fier aux messages. Un réseau monétaire décentralisé fait face à la même question : comment des milliers de participants anonymes, dont certains sont peut-être malhonnêtes, peuvent-ils converger vers une seule vérité partagée sans chef ?

La réponse de Bitcoin est de cesser de se reposer sur la confiance et de commencer à se reposer sur le coût. Au lieu de demander qui est honnête, le réseau demande qui a accompli le travail le plus vérifiable. Ce basculement, de la confiance envers les personnes à la mesure de l'effort, est l'idée centrale derrière la Proof of Work.

Comment fonctionne vraiment la Proof of Work

Les mineurs rassemblent les transactions en attente dans tout le réseau et les regroupent dans un bloc candidat. Avant que ce bloc puisse rejoindre la chaîne, le mineur doit résoudre une énigme sans raccourci.

L'énigme fonctionne ainsi. Chaque bloc possède un en-tête, un résumé compact de son contenu. Le mineur modifie sans cesse un nombre dans cet en-tête, appelé nonce, et fait passer l'en-tête entier dans la fonction de hachage SHA-256. Le résultat est une suite de chiffres imprévisible. Le mineur continue d'essayer différents nonces jusqu'à ce que le résultat passe sous une valeur cible fixée par le réseau. Il n'existe aucune façon astucieuse de deviner la réponse. La seule méthode est d'essayer, encore et encore, des milliers de milliards de fois par seconde.

C'est le pont entre le logiciel et la physique. Chaque essai coûte une fraction réelle d'électricité, donc produire un bloc valide signifie qu'une quantité mesurable d'énergie a réellement été dépensée. La preuve ne peut pas être falsifiée, car le coût est réel. N'importe qui d'autre peut confirmer la solution en un seul calcul, et c'est ce qui rend Bitcoin coûteux à écrire et presque gratuit à vérifier.

Pour maintenir un rythme régulier de blocs, le réseau effectue un ajustement de difficulté tous les 2016 blocs, soit environ toutes les deux semaines. Si davantage de puissance de calcul arrive et que les blocs commencent à venir trop vite, la cible se resserre et l'énigme devient plus difficile. Si des mineurs partent et que les blocs ralentissent, l'énigme devient plus facile. Le but est toujours le même : un nouveau bloc environ toutes les dix minutes, quel que soit le matériel en compétition.

Le consensus de Nakamoto et la règle de la chaîne la plus longue

La Proof of Work décide qui peut proposer le bloc suivant. Une seconde règle décide quelle version de l'histoire tout le monde accepte. Parfois, deux mineurs trouvent un bloc valide presque au même instant, et la chaîne se scinde brièvement. Le consensus de Nakamoto résout cela avec la règle de la chaîne la plus longue, plus précisément la règle du plus grand travail accumulé. Les participants honnêtes construisent toujours sur la chaîne qui représente le plus de Proof of Work au total, et la branche la plus courte est abandonnée.

C'est important, car cela signifie qu'aucun vote, aucun comité et aucune autorité ne sont nécessaires pour choisir la vraie chaîne. La chaîne qui a le plus d'énergie derrière elle l'emporte tout simplement, et un nouveau venu ou un nœud resté hors ligne peut se reconnecter et reconnaître la vraie histoire rien qu'en cherchant la chaîne la plus lourde.

Il y a ici un point facile à manquer et central pour tout le reste. Les mineurs proposent des blocs, mais ils n'ont pas le dernier mot. Chaque nœud complet vérifie de manière indépendante chaque bloc par rapport aux règles : signatures valides, pas de double dépense, émission correcte, Proof of Work valide. Un nœud qui voit un bloc invalide le rejette, peu importe la puissance de calcul qui l'a produit. Comme n'importe qui dans le monde peut faire tourner un nœud sur du matériel ordinaire, le règlement est appliqué par une foule vaste et distribuée plutôt que par les mineurs. C'est le vrai sens de la décentralisation de Bitcoin, et c'est le fondement des forces qui suivent.

Les forces qui en découlent

Certaines des propriétés les plus importantes de Bitcoin ne sont pas des fonctionnalités séparées. Ce sont des conséquences directes de la Proof of Work et de la vérification par les nœuds.

La décentralisation véritable naît du fait que n'importe qui peut faire tourner un nœud et tout vérifier par lui-même, sans point de défaillance unique à saisir ou à éteindre. La résistance à la censure en découle, car aucune partie centrale ne contrôle la production de blocs, si bien qu'aucun gouvernement ni aucune entreprise ne peut geler une adresse ou bloquer une transaction au niveau du protocole. Si un mineur refuse d'inclure une transaction, un autre le fera, et elle est confirmée malgré tout.

L'immuabilité du passé vient du travail empilé. Pour altérer un ancien bloc, un attaquant devrait refaire la Proof of Work de ce bloc et de tous les blocs suivants, plus vite que tout le reste du réseau n'en ajoute de nouveaux. À chaque confirmation, le coût d'une réécriture augmente, si bien que l'histoire profonde devient de fait permanente. Et la vraie rareté numérique existe parce qu'on ne peut pas créer de nouveaux bitcoins à partir de rien. Émettre la pièce suivante exige de dépenser de l'énergie réelle selon des règles fixes, l'exact opposé de la façon dont naissent la monnaie fiat ou les jetons frappés librement.

Pourquoi les autres protocoles ne sont pas pareils

Il est tentant de supposer que chaque actif numérique fonctionne à peu près comme Bitcoin. Ce n'est pas le cas. Presque tous les autres réseaux atteignent l'accord par la Proof of Stake ou par un petit ensemble autorisé de validateurs, et non par la Proof of Work. La différence n'est pas cosmétique, et c'est la raison pour laquelle CanoeBit considère Bitcoin comme une catégorie à part.

Avec la Proof of Stake, le droit de valider les blocs est attribué aux participants en proportion du nombre de jetons du réseau qu'ils possèdent et immobilisent. Plus tu contrôles de pièces, plus tu obtiens d'influence. En pratique, cela concentre le pouvoir entre les mains des plus gros détenteurs et, surtout, des plateformes de conservation qui détiennent les pièces pour le compte de millions d'utilisateurs. Quand quelques services de staking et quelques plateformes d'échange contrôlent une large part de la validation, ces mêmes entités acquièrent un poids démesuré pour décider quelles transactions sont autorisées. C'est la structure d'un gardien, simplement habillé autrement.

Cela a des conséquences réelles. Un réseau dirigé par une fondation, une entreprise ou un groupe de gros validateurs peut modifier ses règles, annuler des transactions ou geler des soldes quand il le décide ou quand il y est poussé. Beaucoup de ces jetons peuvent déjà voir des avoirs individuels gelés par l'organisation qui les a émis ou qui les contrôle. Du point de vue éditorial de CanoeBit, cela signifie que ces réseaux ne sont pas véritablement décentralisés ni vraiment résistants à la censure. Ils réintroduisent exactement l'intermédiaire de confiance, cette autorité comparable à une banque, que Bitcoin a été créé pour supprimer. La Proof of Work, en liant le contrôle à l'énergie externe plutôt qu'à la possession interne de jetons, est ce qui empêche une seule partie de commander.

La menace des 51 pour cent et ses limites

L'attaque théorique la plus discutée contre Bitcoin est l'attaque des 51 pour cent, où une seule entité obtient plus de la moitié de la puissance de calcul du réseau. Il vaut la peine d'être précis sur ce qu'un tel attaquant pourrait et ne pourrait pas faire, car l'imaginaire populaire en exagère énormément la portée.

Avec la majorité de la puissance de hachage, un attaquant pourrait empêcher temporairement la confirmation de certaines nouvelles transactions, et pourrait tenter d'annuler quelques-unes de ses propres transactions très récentes via une réorganisation de la chaîne, la base d'une double dépense. C'est tout. Il ne pourrait pas voler les pièces des portefeuilles d'autrui, ne pourrait pas créer de nouveaux bitcoins en dehors des règles, et ne pourrait pas modifier le protocole, car chaque nœud continue de vérifier et de rejeter tout ce qui est invalide.

En pratique, l'attaque est vouée à l'échec. Acquérir autant de matériel et d'énergie coûterait une somme énorme, et dès que l'attaque deviendrait visible le marché réagirait, le prix chuterait probablement et le matériel de l'attaquant lui-même perdrait sa valeur. C'est comme acheter une mine d'or puis détruire le marché de l'or. Coordonner une majorité parmi des milliers de mineurs dans des dizaines de pays est en soi une tâche quasi impossible, et les participants honnêtes peuvent réagir. Bitcoin n'a jamais subi d'attaque des 51 pour cent réussie. Des pièces Proof of Work plus petites, à faible puissance de calcul, comme Ethereum Classic et Bitcoin Gold, ont été attaquées exactement de cette manière, ce qui ne fait que souligner à quel point la simple échelle de Bitcoin le protège.

La question de l'énergie

La Proof of Work consomme une quantité d'électricité importante et très visible, et c'est la critique la plus courante adressée à Bitcoin. Il est légitime de l'examiner honnêtement. Les estimations du Cambridge Centre for Alternative Finance situent la consommation annuelle d'électricité du réseau entre 170 et 210 térawattheures, de l'ordre de 0,8 pour cent de la consommation mondiale d'électricité, comparable à celle d'un pays de taille moyenne.

Le point de vue de Bitcoin est qu'il s'agit d'une caractéristique et non d'un défaut. L'énergie n'est pas un effet secondaire à éliminer par optimisation. C'est l'ancrage physique qui rend le registre digne de confiance et le réseau difficile à attaquer. Un système moins cher qui renonce à l'énergie renonce justement à la propriété qui distingue Bitcoin d'une base de données gérée par une entreprise.

Il vaut aussi la peine de regarder d'où vient l'énergie. De récentes enquêtes du secteur estiment que plus de la moitié du mix énergétique de Bitcoin est désormais non fossile, et les mineurs sont particulièrement bien placés pour utiliser une énergie autrement bloquée ou gaspillée : de l'hydroélectricité isolée sans lignes de transport, ou du méthane qui serait sinon brûlé dans l'atmosphère. Comme les mineurs recherchent l'énergie la moins chère de la planète, ils finissent souvent par monétiser une énergie que personne d'autre ne peut utiliser, et sur certains réseaux électriques ils aident à équilibrer l'offre. Ce débat mérite son propre traitement, et nous couvrons le tableau complet, y compris les critiques les plus fortes, dans le débat environnemental autour de Bitcoin.

Les compromis honnêtes

La Proof of Work n'est pas exempte d'inconvénients, et prétendre le contraire rendrait un mauvais service aux lecteurs.

Au-delà de l'énergie, la couche de base est lente. La chaîne principale de Bitcoin ne traite qu'environ sept transactions par seconde, bien trop peu à elle seule pour les paiements quotidiens à l'échelle mondiale. C'est l'une des faces du trilemme de la blockchain, la difficulté de maximiser à la fois la sécurité, la décentralisation et la scalabilité. Bitcoin privilégie les deux premières et renvoie les paiements à fort volume vers des couches supérieures comme le réseau Lightning.

Il y a aussi des inquiétudes de concentration. Les puces ASIC spécialisées nécessaires à un minage compétitif sont produites par un petit nombre de fabricants, et les mineurs individuels se regroupent dans de grands pools pour lisser leurs récompenses. Si quelques pools commandent la majeure partie de la puissance de calcul, cela soulève des risques théoriques. Le contrepoids essentiel est que les pools dirigent la puissance de calcul mais ne fixent pas les règles, puisque le réseau mondial de nœuds continue de valider chaque bloc et que les mineurs individuels peuvent quitter un pool à tout moment. Ce sont de vraies tensions à surveiller, pas des raisons de rejeter le système.

Ce que cela apporte à la société

Prends du recul par rapport à la mécanique et l'essentiel se dessine. La Proof of Work produit la première monnaie mondiale plafonnée mathématiquement, dans le cas de Bitcoin à 21 millions d'unités, et qui n'appartient à aucun État ni à aucune banque centrale. Cela donne aux gens un instrument d'épargne qu'aucune autorité ne peut discrètement dévaluer par l'inflation.

Cela ouvre aussi la porte à l'inclusion financière. Plus d'un milliard de personnes n'ont pas de compte bancaire mais ont accès à un téléphone, et un réseau Proof of Work leur offre un moyen de détenir et de déplacer de la valeur qu'aucun intermédiaire ne peut couper. Et la même quête d'énergie bon marché que pointent les critiques peut se transformer en atout, en attirant des investissements vers une énergie renouvelable autrement bloquée et en captant un gaz résiduel qui polluerait sinon. Pour la relation entre le minage et le réseau électrique, l'article sur le débat environnemental va plus loin.

En résumé

Le mécanisme de consensus de Bitcoin n'est pas une note technique en marge. Il est la source de presque toutes les propriétés qui rendent Bitcoin digne d'intérêt. La Proof of Work remplace la confiance dans les institutions par le coût infalsifiable de l'énergie, et la règle de la chaîne la plus longue permet à un réseau sans chef de s'accorder sur une seule histoire. L'énergie est la sécurité, les nœuds sont ceux qui appliquent les règles, et le résultat est une monnaie qu'aucune partie isolée ne peut contrôler, censurer ou contrefaire. D'autres réseaux ont choisi une voie moins coûteuse et, ce faisant, ont discrètement rendu les clés à une autorité centrale. Bitcoin a payé en électricité pour les tenir à l'écart.