Qu’est-ce que le Nominated Proof of Stake et comment fonctionne-t-il ?

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

Le Nominated Proof of Stake, le plus souvent abrégé en NPoS, est une variante du Proof of Stake dans laquelle les détenteurs de tokens nominent des candidats validateurs, puis le protocole sélectionne, parmi eux, un ensemble actif de validateurs. Ces validateurs actifs exécutent ensuite les tâches techniques nécessaires pour sécuriser la blockchain.

Dans le Proof of Stake, les participants immobilisent des tokens comme garantie économique. Cette garantie s’appelle le stake. Le NPoS y ajoute une répartition claire des rôles : les validateurs gèrent l’infrastructure technique, tandis que les nominateurs déterminent quels candidats validateurs ils souhaitent soutenir avec leur stake.

Un nominateur n’a donc pas besoin d’exploiter son propre node de validateur. Un node est un ordinateur qui se connecte au réseau et exécute les règles de la blockchain. Le nominateur immobilise des tokens et indique quels candidats validateurs semblent fiables. Le protocole utilise ces préférences lors d’une élection.

Le NPoS est surtout connu grâce à Polkadot et Kusama. Sur Polkadot, le NPoS ne constitue pas l’intégralité du mécanisme de consensus. Il sélectionne l’ensemble de validateurs et le sécurise économiquement. Ensuite, les validateurs produisent les blocs avec BABE et assurent la finalité avec GRANDPA. La finalité signifie qu’un bloc est confirmé de manière définitive et ne peut plus être remplacé par une autre version de la blockchain.

À retenir

• Le Nominated Proof of Stake est une variante du Proof of Stake destinée à sélectionner des validateurs.
• Les nominateurs immobilisent des tokens et nominent des candidats validateurs sans gérer eux-mêmes un node de validateur.
• Les validateurs effectuent les tâches techniques de consensus et de sécurité du réseau.
• Le protocole détermine quels candidats deviennent actifs et comment le soutien (backing) est réparti.
• Sur Polkadot, le NPoS sélectionne les validateurs, tandis que BABE produit les blocs et GRANDPA assure la finalité.

Comment fonctionne le Nominated Proof of Stake ?

Le NPoS fonctionne en utilisant les préférences des nominateurs et leurs tokens immobilisés pour élire un groupe limité de validateurs actifs. Sur Polkadot, le processus se déroule globalement comme suit.

1. Un candidat se déclare comme validateur

   Un candidat validateur enregistre sa volonté de participer. Le candidat doit exploiter un node et être en mesure d’exécuter de façon fiable les tâches d’un validateur actif.

2. Les nominateurs choisissent des candidats

   Un nominateur immobilise des tokens et établit une liste limitée de candidats validateurs. Il indique ainsi quels candidats il ou elle estime aptes.

3. Le protocole organise une élection

   Le protocole sélectionne un nombre limité de validateurs actifs. Il ne prend pas uniquement en compte le volume de soutien (backing) dont dispose un candidat. L’élection cherche aussi à répartir plus équitablement ce soutien sur l’ensemble des validateurs retenus et à intégrer proportionnellement les préférences des nominateurs.

4. Le stake est attribué

   Une nomination n’est pas un ordre fixe par lequel tous les tokens sont automatiquement affectés à un seul candidat choisi. Le résultat de l’élection détermine à quels validateurs actifs le stake d’un nominateur est attribué durant la période. Une partie des candidats choisis par un nominateur peut donc devenir active, tandis que d’autres candidats ne sont pas sélectionnés.

5. L’ensemble actif exécute les rôles réseau

   Sur Polkadot, l’ensemble actif de validateurs est renouvelé à chaque era. Une era y dure environ 24 heures. Par conséquent, la composition des validateurs actifs peut changer d’une era à l’autre.

L’élection utilise des méthodes issues de la théorie du vote, apparentées à Phragmén. L’objectif n’est pas simplement de choisir les candidats ayant le plus de soutien brut. Le protocole cherche à utiliser autant de stake que possible, à fournir un soutien suffisant aux validateurs sélectionnés et à réduire les écarts importants entre ces niveaux de soutien.

Le calcul de cette répartition étendue est effectué en dehors de la blockchain, puis soumis et vérifié sur la blockchain. De cette manière, la blockchain n’a pas à exécuter elle-même toutes les étapes de calcul lourdes à chaque changement d’era.

Exemple : Supposons qu’un nominateur nomine trois candidats validateurs. Si deux de ces candidats sont sélectionnés, le protocole peut attribuer les tokens immobilisés de ce nominateur à ces deux validateurs actifs. Le nominateur n’a pas à déterminer cette répartition manuellement.

Quel rôle jouent les nominateurs et les validateurs ?

Les nominateurs sélectionnent des candidats validateurs avec leur stake, tandis que les validateurs exécutent les tâches techniques nécessaires au bon fonctionnement de la blockchain. Les deux rôles sont importants, mais les responsabilités diffèrent clairement.

Un validateur exploite un node et participe au consensus. Le consensus est le processus par lequel les participants d’une blockchain déterminent ensemble quels blocs et quelles transactions sont valides. Sur Polkadot, les validateurs produisent notamment des blocs, valident des blocs de parachains et participent à la finalité.

Un nominateur ne gère généralement pas de node de validateur. À la place, le nominateur immobilise des tokens et sélectionne des candidats jugés fiables. Ce choix influence la probabilité que les candidats obtiennent un soutien suffisant pour devenir actifs.

Nominer n’est pas une forme entièrement passive de staking. Un nominateur doit continuer à évaluer les candidats validateurs. Les points importants incluent notamment :

• les performances du validateur ;
• le pourcentage de commission ;
• le stake propre du validateur ;
• les slashes précédents ;
• la probabilité que le validateur devienne actif ;
• d’éventuels liens techniques ou économiques entre validateurs.

Un slash est une sanction par laquelle un protocole peut confisquer une partie du stake après une infraction qualifiante. Les validateurs encourent des risques opérationnels, par exemple en cas d’interruption, de configuration technique incorrecte ou de double signature. Le validateur gère l’infrastructure des nodes et les clés. Le nominateur supporte surtout un risque de sélection et d’allocation : un mauvais choix ou une nomination non active peut signifier l’absence de récompense.

Un nominateur ne reçoit des récompenses de staking que lorsque le stake est effectivement attribué à un validateur actif qui génère des récompenses. Il ne suffit donc pas d’immobiliser des tokens ou d’indiquer des candidats.

Comment les récompenses sont-elles réparties dans le Nominated Proof of Stake ?

Sur Polkadot, les récompenses sont d’abord déterminées par validateur actif, puis réparties entre le validateur et les nominateurs actifs associés à ce validateur. La récompense ne dépend pas uniquement du volume de soutien (backing) d’un validateur.

En principe, les validateurs actifs reçoivent une récompense brute comparable au sein de l’ensemble des validateurs. Le montant exact peut varier d’une era à l’autre en fonction des era points. Les era points sont des points que les validateurs gagnent pour les tâches exécutées, comme la production de blocs de la relay chain et l’émission de déclarations de validité pour les blocs de parachains.

Ensuite, la répartition se fait en deux étapes :

1. La commission revient d’abord au validateur

   Le validateur fixe un pourcentage de commission. Ce pourcentage est d’abord déduit de la récompense brute. Une commission plus élevée laisse donc moins de récompenses pour les autres participants associés à ce validateur.

2. Le montant restant est réparti proportionnellement

   Ce qui reste après la commission est réparti au prorata. Cela signifie que chaque participant reçoit une part correspondant à son ou son propre poids dans le stake associé à ce validateur. Le validateur participe également à la distribution en fonction de son stake actif propre.

Le validateur n’a pas la garde (custody) des récompenses des nominateurs. Custody signifie le contrôle sur la crypto d’une personne. La blockchain crée (mint) et répartit les récompenses directement aux ayants droit lorsqu’un payout est exécuté.

Les pourboires de transaction sont distincts de ces récompenses de staking. Sur Polkadot, ces pourboires reviennent intégralement au validateur qui les reçoit.

Exemple : Un validateur actif reçoit une récompense brute. La commission définie pour le validateur est d’abord prélevée. La partie restante est répartie entre le validateur et les nominateurs actifs, en fonction de la part de stake de chacun derrière ce validateur.

Quels sont les avantages du Nominated Proof of Stake ?

Le NPoS permet aux détenteurs de tokens de contribuer à la sécurité économique d’une blockchain sans exploiter eux-mêmes un node de validateur. Cela réduit la barrière technique à l’entrée pour le staking.

Les principaux avantages sont :

• Participation plus accessible : les nominateurs peuvent immobiliser des tokens et sélectionner des candidats sans gérer eux-mêmes le matériel, la connexion et les clés d’un node de validateur.
• Diversification des préférences : un nominateur peut nominer plusieurs candidats. Ainsi, le nominateur ne dépend pas entièrement d’un seul candidat qui pourrait ne pas devenir actif.
• Soutien plus équilibré : les méthodes d’élection sont conçues pour mieux répartir le soutien au sein de l’ensemble des validateurs sélectionnés. Cela peut éviter que tout le soutien ne se dirige naturellement vers un petit groupe de validateurs populaires.
• Représentation proportionnelle : l’élection tente d’intégrer les préférences des nominateurs de manière proportionnelle lors du choix de plusieurs validateurs.
• Intérêts économiques partagés : validateurs et nominateurs ont intérêt à ce que l’ensemble des validateurs sélectionnés fonctionne correctement. De bonnes performances peuvent générer des récompenses, tandis que des comportements fautifs qualifiants peuvent avoir des conséquences.

Sur Polkadot, la structure des récompenses garantit en outre qu’un validateur ne reçoit pas automatiquement une récompense brute de validateur plus élevée simplement parce qu’il dispose de beaucoup plus de soutien. Cette conception rend moins attractif le fait de concentrer tout le stake sur un petit nombre de validateurs.

Ces avantages sont des objectifs de conception, et non une garantie. Dans la pratique, un réseau NPoS peut aussi présenter un risque de concentration, par exemple lorsque différents validateurs sont gérés par la même partie ou par le même fournisseur de services d’infrastructure.

Quels risques et limites présente le Nominated Proof of Stake ?

Le NPoS réduit la barrière technique au staking, mais n’élimine pas les risques. Les nominateurs restent responsables de leurs choix et du respect des règles du réseau.

Un premier risque est qu’un nominateur ne reçoive aucune récompense. Cela peut se produire si aucun des candidats choisis ne devient actif, ou si le stake du nominateur n’est pas attribué à un validateur actif. Sur Polkadot, les nominateurs sont priorisés pour l’entrée dans l’élection en fonction du stake immobilisé. Le minimum active bond est dynamique. Ainsi, des tokens peuvent être immobilisés sans qu’un nominateur plus modeste soit actif ou ne reçoive de récompenses.

Par ailleurs, le système est techniquement complexe. L’élection doit traiter un grand ensemble de nominateurs et de candidats validateurs. Pour cette raison, tous les nominateurs ne sont pas nécessairement inclus dans l’entrée de l’élection. Le calcul se fait hors blockchain, puis doit pouvoir être vérifié dans le cadre des règles de la blockchain.

Le risque lié aux validateurs demeure également important. Un validateur peut tomber en panne, être mal configuré ou enfreindre les règles de consensus. Des exemples de fautes graves incluent l’equivocation, où un validateur signe des messages contradictoires, ainsi que des votes invalides. Le protocole peut alors désactiver un validateur ou appliquer un slash.

De plus, les pourcentages de commission et les performances peuvent évoluer. Une faible commission n’est pas une garantie de fiabilité, et l’identité connue d’un validateur ne garantit pas non plus un bon résultat. Les nominateurs doivent donc réévaluer régulièrement leurs choix.

Plusieurs nominations n’offrent pas non plus une protection totale contre les risques corrélés. Supposons que différents validateurs sélectionnés soient gérés techniquement par le même opérateur. En cas d’incident, ils peuvent tous tomber en panne en même temps. Il en va de même lorsque plusieurs validateurs sont liés économiquement ou organisationnellement à la même partie.

Enfin, le NPoS ne protège pas contre tous les risques liés à la crypto. Le prix de marché du token staké peut baisser. La perte d’accès aux private keys, les problèmes liés à un wallet crypto et les vulnérabilités des smart contracts en dehors du protocole de staking ne relèvent pas de la protection offerte par le NPoS.

Quelle est la différence entre le Nominated Proof of Stake et d’autres mécanismes de consensus ?

Le NPoS diffère des autres mécanismes de consensus en ce qu’il s’agit avant tout d’un système de sélection des validateurs et de sécurité économique, et non d’une description complète de toutes les étapes de consensus. Pour bien comparer, il est important de distinguer deux couches.

La première couche détermine qui peut être validateur et quel stake soutient ce validateur. Le NPoS opère à ce niveau. La deuxième couche détermine comment les blocs sont produits, quelle version est suivie lorsqu’il existe plusieurs blocs, et quand les blocs deviennent définitifs. Il s’agit de la production de blocs, du fork choice et de la finalité.

Un protocole peut combiner le NPoS avec d’autres algorithmes pour cette deuxième couche. Sur Polkadot, le NPoS sélectionne l’ensemble des validateurs, BABE produit les blocs et GRANDPA assure la finalité. Le NPoS n’est donc pas comparable en un pour un avec une stack de consensus complète qui couvrirait toutes les tâches.

Quelle est la différence avec le Proof of Stake ?

Le NPoS est une forme spécifique de Proof of Stake, tandis que le Proof of Stake est une catégorie large. Dans le PoS, le stake économique aide à la sélection ou à la participation des validateurs. La mise en œuvre exacte varie fortement d’une blockchain à l’autre.

Dans une configuration PoS simple et directe, le stake peut influencer directement quels validateurs participent. Le NPoS ajoute un rôle explicite de nominateur. Les nominateurs établissent une liste de candidats fiables, puis un algorithme d’élection détermine à la fois les validateurs actifs et la répartition du soutien.

L’objectif n’est donc pas uniquement de sélectionner les candidats disposant du plus grand soutien brut. Le NPoS cherche également à équilibrer le soutien au sein de l’ensemble retenu et à représenter proportionnellement les préférences des nominateurs.

Sur Polkadot, le stake influence principalement les rôles de consensus techniques en amont, lors de l’élection NPoS. Une fois les validateurs sélectionnés, ils sont traités de manière équi-pondérée dans les ensembles d’autorités BABE et GRANDPA. Un stake plus élevé ne confère donc pas durablement à un validateur sélectionné un poids de vote supérieur.

Quelle est la différence avec le Delegated Proof of Stake ?

Le NPoS et le Delegated Proof of Stake, ou DPoS, permettent tous deux aux détenteurs de tokens d’exercer une influence sur les producteurs de blocs ou les validateurs, mais il s’agit de conceptions différentes. Les termes ne sont pas interchangeables.

Dans les systèmes DPoS classiques, les détenteurs de tokens votent généralement pour un groupe relativement restreint de delegates ou de witnesses qui produisent des blocs. Il s’agit d’une élection représentative, pondérée par le stake, des producteurs de blocs.

Avec le NPoS sur Polkadot, les utilisateurs nominent plusieurs candidats validateurs. Ensuite, le protocole exécute une élection proportionnelle à plusieurs gagnants. Il calcule aussi comment le soutien des nominateurs est réparti entre les validateurs sélectionnés.

La différence principale réside dans l’objectif explicite du NPoS de représenter proportionnellement les préférences des nominateurs et d’équilibrer le soutien au sein de l’ensemble actif de validateurs. Les conceptions DPoS se concentrent surtout sur l’élection de delegates ou de witnesses. Les règles exactes de vote, de sélection et de récompenses varient selon la blockchain DPoS.

Un nominateur en NPoS ne cède pas automatiquement le contrôle de ses tokens à un validateur. Le nominateur exprime des préférences pour des candidats, tandis que le protocole détermine ensuite l’allocation active issue de l’élection.

En résumé

Le Nominated Proof of Stake est une variante du Proof of Stake qui permet aux détenteurs de tokens de participer, via des nominations, à la sélection et à la sécurité économique des validateurs. Les nominateurs n’ont pas besoin d’exploiter un node, mais doivent évaluer soigneusement les candidats validateurs qu’ils nominent.

Le cœur du NPoS est l’élection : le protocole sélectionne un ensemble actif de validateurs et répartit le soutien des nominateurs sur cet ensemble. Cette conception vise à rendre la participation plus accessible et à répartir le soutien de manière plus équilibrée que si seuls les plus grands candidats dominaient.

En contrepartie, les responsabilités et les risques sont bien réels. Un nominateur ne reçoit des récompenses qu’en cas d’attribution active, les commissions et les performances peuvent évoluer, et des validateurs corrélés peuvent créer des risques communs. Le NPoS n’est donc pas une manière passive d’immobiliser de la crypto, mais un modèle où une bonne sélection des validateurs et un contrôle régulier restent essentiels.