Les algorithmes de consensus sont primordiaux pour vérifier l’authenticité des plateformes de blockchain distribuées et constituent le processus d’établissement d’un accord au sein d’un réseau de participants qui se méfient mutuellement.
Créé par Satoshi Nakamoto pour Bitcoin, Nakamoto Consensus fait référence à l’ensemble de règles, en conjonction avec le modèle de consensus Proof of Work dans le réseau, qui régissent le mécanisme de consensus et garantissent son caractère non fiable.
Ce faisant, Bitcoin est devenu le premier réseau Peer to Peer (P2P) ouvert et distribué à tolérance de pannes byzantine (BFT) qui utilise un réseau distribué de nœuds anonymes libres de rejoindre et de quitter le réseau à volonté.
Faits rapides
| Faits rapides | |
|---|---|
| Créé par | Satoshi Nakamoto |
| Utilisé dans | Bitcoin et autres crypto-monnaies de preuve de travail |
| Mécanisme de consensus | Exploitation minière de preuve de travail |
| Éléments essentiels | Preuve de travail, sélection de blocs, rareté, structure d’incitation |
| Réalise | Tolérance aux pannes byzantine dans les réseaux ouverts et distribués |
| Évolutivité | Socialement évolutif ; surmonte les problèmes de la nature humaine |
Tolérance aux pannes byzantine (BFT)
La tolérance aux pannes byzantine est la capacité d’un réseau informatique distribué à rester tolérant aux pannes avec un consensus valide malgré des informations imparfaites ou des composants défaillants du réseau.
Avant Bitcoin, la seule façon de maintenir un réseau BFT P2P consistait à utiliser un groupe fermé ou semi-fermé de nœuds. De plus, les algorithmes BFT traditionnels tels que Practical Byzantine Fault Tolerance (pBFT) utilisent une méthode de sélection de nœud différente de celle actuellement utilisée dans le consensus de Nakamoto.
Le maintien de BFT dans un réseau ouvert et distribué comme celui aussi grand que Bitcoin nécessite l’utilisation d’un ensemble spécifique de règles qui s’appuient à la fois sur la cryptographie et sur les mécanismes de la théorie des jeux afin de créer l’environnement sans confiance nécessaire pour faciliter un consensus décentralisé à travers un réseau de transfert de valeur. .
Dans les systèmes pBFT, le modèle de consensus ne fonctionne que dans de petits groupes de nœuds fermés (~ 50) où il existe une surcharge de communication importante qui empêche ces modèles de consensus de fonctionner à grande échelle.
Parvenir à un consensus dans des systèmes comportant des défauts arbitraires nécessite généralement un système de vote spécifique pour aider à parvenir à un consensus.
En ce qui concerne les plateformes de crypto-monnaie utilisant des modèles de consensus pBFT, ce mécanisme de vote repose sur un système de nœuds « leaders » en rotation dans un format de type round-robin.
Étant donné que le système est constitué d’un réseau de nœuds limités et fermés, il est trivial pour ces nœuds de communiquer efficacement entre eux et de déterminer qui est le « leader » qui propose chaque nouveau bloc.
Cependant, cela ne s’adapte clairement pas à un système tel que Bitcoin, où le consensus sur l’état complet de la blockchain et la validité de toutes ses transactions est distribué à des milliers de nœuds à travers le monde qui se connectent et se déconnectent continuellement du réseau.
De plus, la participation à ce système de consensus doit avoir un coût inhérent pour décourager les participants d’agir de manière malveillante.
Ainsi, pour que Bitcoin puisse fonctionner comme un réseau P2P byzantin tolérant aux pannes, il a introduit un algorithme de consensus minier PoW en conjonction avec un ensemble spécifique de règles qui régissent le mécanisme afin d’obtenir un consensus sans confiance à travers le réseau. C’est ce qu’on appelle désormais le consensus classique de Nakamoto.
Comment fonctionne le consensus de Nakamoto ?
Le consensus de Nakamoto peut être divisé en quatre parties environ.
- Preuve de travail (PoW)
- Sélection de bloc
- Rareté
- Structure d’incitation
La combinaison et l’harmonisation de ces 4 composantes du Bitcoin lui permettent de devenir le réseau distribué de transfert de valeur qu’il est. Il fonctionne avec un consensus sans confiance et restera sécurisé aussi longtemps que la majorité du pouvoir contribué au processus minier sera entre les mains de mineurs honnêtes, comme vous le verrez ensuite.
Preuve de travail
Dans l’ensemble, le moteur le plus important qui génère le consensus dans Bitcoin est le protocole de consensus Proof of Work. Fondamentalement, les mineurs utilisent un nœud complet spécifique pour concourir dans des blocs miniers afin de gagner la récompense de bloc qui est émise pour chaque bloc extrait et validé avec succès.
Le coût de ce processus d’extraction est l’électricité, qui a une valeur financière réelle, donnant ainsi au BTC émis pour chaque bloc extrait une valeur inhérente.
En savoir plus sur le minage de Bitcoin
PoW dans Bitcoin est conçu pour éviter les doubles dépenses. Bien que le système de signature numérique du modèle UTXO assure la propriété vérifiable des résultats des transactions à dépenser, il ne permet pas d’éviter les doubles dépenses.
La blockchain est une chaîne de blocs de données horodatés contenant des transactions, chaque bloc étant haché avec le précédent. Cela confère l’immuabilité à la blockchain, mais comment savoir si la chaîne sur laquelle vous vous trouvez est la bonne chaîne ? C’est là qu’intervient PoW.
La contribution au minage est basée sur la puissance de calcul, plus vous disposez de puissance au sein du réseau, plus vous avez de chances d’exploiter un bloc.
Cependant, le processus est stochastique, il s’agit donc essentiellement d’une loterie avec une chance aléatoire de savoir qui gagnera, il est donc impossible de savoir qui gagnera au prochain tour et le coût de participation continuera d’augmenter.
En raison de ce modèle, la chaîne la plus longue est considérée comme la chaîne valide car elle provient du plus grand pool de puissance de calcul. Les règles de validation garantissent que les blocs proposés font l’objet du travail de calcul requis pour être acceptés.
De plus, tant que la chaîne la plus longue et la majorité de la puissance de hachage du réseau sont contrôlées par des nœuds honnêtes, la chaîne honnête croîtra le plus rapidement et dépassera les chaînes concurrentes.
Le résultat de ce système est qu’une fois le puzzle cryptographique du cycle de minage résolu, un mineur propose le bloc au réseau, le réseau valide le bloc si toutes les transactions au sein du bloc ne sont pas dépensées deux fois, et le bloc est ajouté à la chaîne la plus longue.
Avec un réseau distribué massif comme celui de Bitcoin, le coût d’une attaque du réseau via une attaque à 51 % est énorme et ne fait qu’augmenter à mesure que le réseau continue de croître.
Sélection de bloc
Le processus de sélection de blocs utilisé par Nakamoto Consensus est l’un des éléments clés qui le différencient des autres modèles de consensus. Étant donné que le modèle repose sur une conception PoW, le processus de sélection de bloc fait spécifiquement référence au processus de « loterie » pour les mineurs en compétition pour remporter la récompense de bloc pour l’exploitation du bloc suivant.
N’oubliez pas que dans pBFT, le chef de bloc est sélectionné via un processus de vote et remplacé selon un format de tournoi à la ronde à chaque tour. Il n’y a pas de minage dans ce système, les blocs sont sélectionnés pour être ajoutés à la chaîne par le leader et doivent être approuvés par au moins les ⅔ des autres nœuds.
Dans Bitcoin, il n’y a pas de processus de vote pour déterminer le leader du bloc. Au lieu de cela, il utilise un casse-tête cryptographique basé sur l’incrémentation d’un nonce dans le bloc jusqu’à ce que la valeur correcte qui représente le hachage du bloc et les bits zéro requis pour le début du nonce soit atteinte.
Les mineurs du réseau s’affrontent tous pour résoudre cette énigme et le premier à trouver la solution remporte la partie de la loterie. Le bloc est ensuite propagé par le mineur à travers le réseau vers les autres nœuds miniers qui votent implicitement pour accepter le bloc comme valide en ajoutant le bloc à la chaîne la plus longue.
L’un des effets résultant de ce processus est la suppression de toute influence potentielle de tiers sur un chef de bloc, car le processus est aléatoire et le chef ne peut être prédit.
La seule façon de gagner à la loterie est de contribuer à la puissance de hachage du réseau dans l’espoir de gagner, et lorsque vous ne gagnez pas, l’énergie dépensée devient un coût irrécupérable, s’ajoutant à la structure incitative du minage.
Il y a un coût inhérent à la participation, que vous réussissiez ou non à extraire des blocs.
Rareté
Avant que les monnaies inflationnistes résultant du système bancaire à réserves fractionnaires ne dominent la scène monétaire mondiale, les métaux précieux constituaient la principale forme de stockage et de commerce de valeur.
L’une des principales raisons pour lesquelles ils ont été utilisés et conservent toujours leur valeur historique (pensez à l’or et à l’argent) est qu’ils sont rares. Non seulement ils sont rares, mais cela nécessite des efforts (PoW ci-dessus) pour les exploiter et les utiliser.
La rareté du Bitcoin repose sur ce principe en limitant le nombre total de Bitcoin qui sera extrait à 21 millions. De plus, Bitcoin ne peut être injecté dans le système que via le processus de minage et suit un schéma déflationniste dans lequel la récompense de bloc est réduite de moitié tous les 210 000 blocs (~ 4 ans).
Structure d’incitation
La conception déflationniste du Bitcoin crée un mécanisme d’incitation pour les intérêts particuliers à long terme des propriétaires de Bitcoin et des participants au réseau Bitcoin afin de sécuriser et de valider davantage le réseau tout en soutenant également la croissance de la valeur du Bitcoin lui-même.
La nature déflationniste du Bitcoin crée également un modèle de théorie des jeux itéré dans lequel la coopération entre les individus au sein du réseau est optimale grâce à des intérêts alignés motivés par la déflation à long terme.
Les mineurs sont incités à valider et sécuriser le réseau honnêtement, car la récompense qu’ils reçoivent pour l’extraction d’un bloc est du Bitcoin. Si la valeur du Bitcoin chute ou si le réseau est compromis, cela affecte leurs résultats.
Il est important de noter que Bitcoin, utilisant le consensus de Nakamoto, est un socialement évolutif réseau. Grâce à des conceptions d’incitations, à des PoW et à des ensembles de règles régissant les mécanismes permettant d’atteindre un consensus sans confiance, Bitcoin surmonte les problèmes inhérents à la nature humaine pour devenir une source fiable et légitime de valeur intrinsèque.
Conclusion
Le consensus de Nakamoto est le premier mécanisme de consensus appliqué aux systèmes de registres distribués, car il a coïncidé avec l’invention des blockchains et porte le nom de son mystérieux architecte.
Le terme « blockchain » est utilisé sans discernement ces jours-ci comme une solution à tous les problèmes qui existent.
Les blockchains sont un élément important des crypto-monnaies, mais leur vaste potentiel ne serait pas possible sans être étroitement liées à d’autres composants des plateformes.
Dans Bitcoin et dans d’autres crypto-monnaies de preuve de travail, il s’agit du consensus de Nakamoto, et il est essentiel pour forger un réseau socialement évolutif comme Bitcoin.
