Qu'est-ce que la Proof-of-Work et comment fonctionne-t-elle ?

Qu'est-ce que la Proof-of-Work ?

Proof-of-Work (PoW) est un algorithme de consensus utilisé par diverses blockchains pour valider les transactions et ajouter de nouveaux blocs à la blockchain. L'exemple le plus connu d'une blockchain utilisant cet algorithme est le Bitcoin. Il s'agit de la première cryptocurrency utilisant le PoW. Par la suite, de nouvelles blockchains ont été lancées qui utilisent également ce système, notamment Litecoin, Dogecoin et Ethereum (avant The Merge en 2022).

Proof-of-Work est décentralisé, ce qui signifie que de multiples participants indépendants contribuent à la validation des transactions. À PoW, cela est fait par des mineurs qui travaillent 24 heures sur 24 à la résolution de formules cryptographiques et mathématiques complexes. C'est ce que nous appelons le Miner ou minage. Le premier mineur à trouver le nombre correct de la formule obtient d'ajouter le bloc à la blockchain et de valider les transactions dans ce bloc. Plus il y a de mineurs actifs sur le réseau, plus le réseau est décentralisé et donc moins il est susceptible d'être manipulé. En effet, une partie malveillante devrait contrôler plus de 50 % de la puissance de calcul du réseau pour causer des dommages.

Un Miner est un ordinateur qui met sa puissance de traitement au service du réseau. Cela nécessite beaucoup de puissance de calcul et d'énergie. Par conséquent, un mineur reçoit une récompense pour avoir déployé sa puissance de calcul. La récompense consiste en de nouvelles cryptocurrency qui circulent lors de la création d'un nouveau bloc. C'est le mineur qui reçoit cette récompense. Le montant de la récompense dépend de la blockchain et est réduit de moitié par de nombreuses blockchains de temps à autre pour créer une pénurie. Plus d'adoption et moins de nouvelles pièces devraient conduire à des taux plus élevés, selon les créateurs.

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À retenir

• La proof of work est un mécanisme de consensus fiable et bien testé qui valide les transactions de manière décentralisée et sécurisée via des puzzles cryptographiques difficiles à résoudre mais faciles à vérifier.

• L'un des principaux inconvénients est la forte consommation d'énergie. Les mineurs utilisent du matériel puissant et spécialisé (ASIC), ce qui suscite des inquiétudes quant à l'impact sur l'environnement et à la durabilité.

• Les mineurs résolvent des énigmes mathématiques complexes. Le premier à réussir obtient l'ajout d'un bloc et reçoit une récompense sous la forme de nouvelles cryptocurrency, ce qui constitue une incitation financière à sécuriser le réseau.

• Le concept de PoW remonte aux années 1990 et a été appliqué au bitcoin par Satoshi Nakamoto.

• PoW est moins évolutif que les systèmes alternatifs tels que Proof of Staken, notamment en raison de la longueur des temps de bloc et de la consommation d'énergie. En outre, la prédominance de grands pools miniers entraîne des risques de centralisation.

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Comment est née la Proof-of-Work ?

La Proof-of-Work (PoW) a été développée bien avant l'existence du Bitcoin, à savoir dans les années 1990. À l'époque, les cryptographes Cynthia Dwork et Moni Naor ont mis au point un système pour lutter contre le spam et les attaques par déni de service (DoS) sur l'internet. Elles ont eu l'idée qu'un utilisateur devrait fournir une petite quantité de puissance de calcul avant de pouvoir envoyer un message sur l'internet. Cela rendrait le spam massif plus difficile et plus coûteux.

L'idée a pris forme en 1997 avec l'introduction du système Hashcash par Adam Back. Dans son whitepaper de 2002, "Hashcash - A Denial of Service Counter-Measure ", Back décrit que l'expéditeur d'un message doit d'abord effectuer un calcul qui peut être facilement vérifié par le destinataire.

Depuis 1999, le système s'est vraiment fait connaître, grâce à Ari Juels et Markus Jakobsson, qui ont introduit la terminologie "Proof-of-Work".

Première utilisation de la Proof-of-Work par la technologie blockchain

Satoshi Nakamoto (l'inventeur anonyme du Bitcoin) a adhéré à l'idée de Back et a intégré en 2008 le concept de Proof-of-Work dans sa propre création, à savoir le protocole Bitcoin.

Son whitepaper "Bitcoin : A Peer-to-Peer Electronic Cash System " décrit comment la Proof-of-Work peut être utilisée pour la construction d'un consensus de manière décentralisée, à savoir par l'utilisation de mineurs fournissant de la puissance de calcul. Nakamoto y ajoute l'émission de nouvelles pièces numériques au cours du processus de minage, qui sont échangeables sur le réseau et peuvent être utilisées pour effectuer des paiements. Nakamoto introduit ainsi un système de paiement sécurisé et décentralisé, dont le contrôle appartient aux utilisateurs plutôt qu'à des parties centralisées telles que les banques. Depuis lors, ce système est devenu un élément fondamental de nombreuses blockchains.

Comment fonctionne Proof-of-Work ?

Le Proof-of-Work fonctionne en employant des mineurs (également appelés nodes) du monde entier qui tentent de résoudre des énigmes cryptographiques complexes afin de valider toutes les transactions. Le mineur qui trouve une solution est autorisé à ajouter un nouveau bloc à la blockchain et reçoit une récompense minière, versée en nouvelles crypto. Ce système rend le réseau équitable, car tout le monde a une chance de valider un bloc, à condition de disposer d'une puissance de calcul suffisante.

Sécurité du PoW

La Proof-of-Work (PoW) est sécurisée grâce à un principe asymétrique : l'exécution d'un travail de calcul (le processus de minage) nécessite beaucoup de puissance informatique, tandis que la vérification de ce travail est relativement facile. Il est donc difficile pour les mineurs malveillants de tricher sur les blocs, tandis qu'il est facile pour les autres mineurs de vérifier les blocs. En effet, les autres mineurs n'ont qu'à vérifier si le mineur a trouvé le bon hash (la bonne réponse).

En outre, un attaquant aurait besoin de plus de 50 % de la puissance de calcul totale du réseau (hashrate) pour prendre le contrôle du réseau. C'est ce qu'on appelle une attaque à 51 %. Une telle attaque devient de plus en plus difficile au fur et à mesure que le nombre de mineurs augmente. En outre, elle nécessite un matériel très coûteux et les coûts énergétiques sont énormes. Cela la rend pratiquement impossible dans un réseau aussi vaste que celui de Bitcoin.

Si une personne malveillante parvient malgré tout à le faire et souhaite apporter des modifications à un bloc de la blockchain, elle se heurte au problème suivant : chaque bloc est lié cryptographiquement au précédent. Si quelqu'un voulait modifier un ancien bloc, il devrait re-minez tous les blocs suivants avec plus de puissance de calcul que le reste du réseau.

Difficulté du mining

La Proof-of-Work fonctionne en résolvant une énigme cryptographique complexe. La solution est appelée hash et constitue une sorte de signature numérique composée d'un nombre hexadécimal à 64 chiffres (exemple : 000000000000000a3b4c5d6e7f8a9b0c1d2e3f4a5b6c7d8e9f0a1b2c3d4e).

Comme vous pouvez le voir dans l'exemple, le hash est composé de chiffres et de lettres. Dans le système, vous utilisez :

• les chiffres de 0 à 9

• et les lettres a à f (qui représentent les chiffres 10 à 15)

Ainsi, un tel hash contient des lettres parce que le système hexadécimal l'exige. C'est un moyen efficace de représenter une longue séquence de bits. Chaque caractère hexadécimal représente 4 bits.

Une énigme est résolue lorsqu'un mineur trouve un hash suffisamment petit selon une règle prédéfinie. Plus le hash doit être petit, plus il est difficile de le trouver. Ceci est déterminé par le niveau de difficulté (difficulté). Plus il y a de participants, plus le hash est difficile à trouver. De cette manière, le réseau garde le contrôle sur le temps nécessaire à l'extraction d'un nouveau bloc.

Le niveau de difficulté détermine le nombre de zéros devant figurer au début du hash. Par exemple :

• En cas de faible difficulté, un hash peut commencer par 00af...

• À un niveau de difficulté plus élevé, un hash devrait commencer par 000000f1...

Dans le bitcoin, le niveau de difficulté est ajusté tous les 14 jours environ. Satoshi Nakamoto a conçu ce système pour s'assurer que les nouveaux blocs, et donc les nouveaux bitcoins, ne puissent pas être extraits trop rapidement. Bitcoin utilise le hashage SHA-256, ce qui signifie que chaque hash se compose de 256 bits, représentés par exactement 64 caractères hexadécimaux.

Plus la puissance de calcul d'un Miner est importante, plus il est facile de trouver une solution. Par conséquent, vous avez beaucoup plus de chances de trouver la solution avec du matériel sophistiqué qu'avec la puissance de calcul d'un téléphone portable.

Trouver le bon hash

Une grande puissance de calcul est nécessaire pour résoudre la formule et trouver le hash correct. Pour les aider, les mineurs utilisent un nombre supplémentaire appelé "nonce". Les mineurs eux-mêmes ajustent le nonce à chaque fois : de 0, à 1, à 2, et ainsi de suite. Chiffre par chiffre, ils recherchent la bonne combinaison de données de bloc. Si le hash renvoie une combinaison de 64 chiffres qui répond aux exigences, le bloc est valide. Le nonce est donc une sorte de chiffre fictif que les mineurs continuent à essayer jusqu'à ce qu'ils trouvent le bon hash.

Pour exploiter un bloc, le mineur doit également calculer le hash du blockheader. Il s'agit d'une sorte de résumé des données les plus importantes d'un bloc. Les données qu'il contient comprennent le hash du bloc précédent, l'horodatage et le nonce.

En outre, le hash doit être plus petit que la "cible". Il s'agit du seuil déterminé par le niveau de difficulté.

Exemple:

Supposons que la cible soit : 00000000ffffffffff... Cela signifie donc que le hash du bloc doit être numériquement inférieur à cette cible. Comme les nombres hexadécimaux commencent par des chiffres et des lettres, vous pouvez visuellement le voir comme si le hash devait commencer par huit zéros ou plus. Plus il y a de zéros au début, plus le nombre est petit.

Ainsi :

• Un hash comme 12bfa34d... est trop grand

• Un hash comme 0000a9f2... est encore trop grand

• Un hash comme 0000000037c4... est suffisamment petit

Le mineur continue d'essayer jusqu'à ce qu'il trouve la bonne combinaison.

C'est immédiatement la raison pour laquelle une telle puissance de calcul est nécessaire : plusieurs mineurs travaillent simultanément.

**Quelles blockchains utilisent le mécanisme de consensus Proof-of-Work ?

Dans le monde de la cryptographie, Proof-of-Work est un mécanisme de consensus populaire utilisé par plusieurs grandes blockchains.

Bitcoin

L'exemple le plus connu de blockchain Proof-of-Work est, bien sûr, le Bitcoin. Il s'agit de la première blockchain à utiliser cette technologie. Dans les premiers temps du Bitcoin, il était encore relativement facile de miner de nouveaux bitcoins, mais depuis sa forte adoption, il est devenu plus difficile de participer au mining de Bitcoin en tant que petit participant. C'est toujours possible, mais les chances de réussir à ajouter un bloc à la blockchain de manière indépendante sont devenues très faibles. En effet, des fermes de minage de bitcoins ont vu le jour dans le monde entier, où des milliers d'ordinateurs puissants sont occupés à miner des bitcoins 24 heures sur 24. C'est en partie pour cette raison que plusieurs pools de minage ont vu le jour au sein du réseau : des collaborations de mineurs plus petits qui unissent leurs forces pour fournir plus de puissance de calcul.

Grâce à ces pools et fermes de minage, certains affirment parfois que le bitcoin n'est plus aussi décentralisé qu'initialement prévu.

Ethereum

Jusqu'en 2022, Ethereum utilisait également la Proof-of-Work (preuve de travail). En 2021, la mise à niveau vers Ethereum 2.0 a appelé à passer à la Proof of Stake, afin d'obtenir plus d'évolutivité et de devenir plus économe en énergie. En effet, avec un mécanisme de staken, aucun matériel lourd n'est nécessaire pour valider les transactions ; au lieu de cela, les participants mettent en jeu leurs tokens en tant que sécurité pour le réseau.

Litecoin

Peu de temps après la naissance de Bitcoin, Litecoin a été introduit en tant que "altcoin". Bien que Litecoin soit fortement basé sur Bitcoin, il ne s'agit pas d'un hard fork direct de la blockchain Bitcoin elle-même, mais plutôt d'un fork de la base de code de Bitcoin. L'intention était de créer une meilleure méthode de paiement : plus rapide et moins chère que le bitcoin. Par exemple, le temps de blocage de Litecoin est de 2,5 minutes au lieu de 10 minutes, ce qui permet un traitement plus rapide des transactions.

En outre, Litecoin utilise un algorithme différent pour miner de nouveaux blocs, à savoir l'algorithme Scrypt au lieu du SHA-256 de Bitcoin. Scrypt a été conçu pour être moins sensible à la domination des ASIC et, dans ses premières années, a permis aux gens de miner avec des ordinateurs ordinaires. Cela l'a rendu initialement moins gourmand en énergie, bien qu'aujourd'hui des ASIC optimisés pour Scrypt soient également utilisés.

Dogecoin

Dogecoin utilise également la Proof-of-Work (preuve de travail). En 2013, la cryptocurrency a été développée comme une blague, mais le Dogecoin est depuis devenu (en partie grâce à Elon Musk) l'une des plus grandes cryptocurrencies. Le Dogecoin est techniquement très similaire au Litecoin et utilise donc le même algorithme de mining : Scrypt au lieu de l'algorithme SHA-256 du Bitcoin. Cela permet de le miner plus facilement avec du matériel moins cher et moins énergivore.

Bitcoin Cash

Le Bitcoin Cash utilise également la Proof-of-Work (preuve de travail). Le Bitcoin Cash a été créé à partir d'un hard fork du Bitcoin après des désaccords sur la mise à jour SegWit. Le Bitcoin Cash est très similaire au Bitcoin, mais la taille des blocs est plus importante, ce qui le rend plus évolutif et lui permet de traiter davantage de transactions : entre 100 et 200 transactions par seconde (TPS), contre environ 7 TPS pour le Bitcoin.

Critique de la consommation d'énergie de Proof-of-Work

La consommation d'énergie de la Proof-of-Work a été critiquée. En effet, elle nécessite du matériel lourd et spécialisé, appelé ASIC (Application-Specific Integrated Circuit). Ces systèmes consomment d'énormes quantités d'énergie. Les critiques s'inquiètent notamment de l'impact environnemental à long terme de la preuve de travail et considèrent que le système n'est pas adapté en termes de durabilité. C'est l'une des raisons pour lesquelles d'autres mécanismes de consensus ont été développés, tels que la proof of stake, la proof of history et des formes hybrides.

Avantages et inconvénients de la Proof-of-Work

Proof-of-Work, en particulier dans les premiers jours de la crypto, était l'un des mécanismes de consensus les plus populaires et non sans raison. Il s'est avéré révolutionnaire et présente de nombreux avantages. En même temps, il y a aussi des inconvénients et des questions sur la pérennité du mécanisme. Vous trouverez ci-dessous les principaux avantages et inconvénients :

Avantages de la Proof-of-Work	Inconvénients de la Proof-of-Work
Sécurité : Le PoW est un moyen hautement sécurisé de validation décentralisée des transactions, car des formules mathématiques complexes doivent être résolues par des ordinateurs du monde entier. Cela exige une difficulté possible qu'il est pratiquement impossible de manipuler. Consommation d'énergie : La validation des transactions et le minage des blocs consomment beaucoup d'énergie et sont très coûteux. Cela suscite de nombreuses critiques quant à la viabilité à long terme du mécanisme.
Algorithme éprouvé : Le bitcoin, en particulier, a fait ses preuves ces dernières années en tant que réseau fiable, sans interruption, et système transparent et sûr.	Évolutivité limitée : Les blockchains PoW sont souvent moins évolutives, car elle doit faire face à un temps de bloc relativement long par rapport aux algorithmes de proof of stake, par exemple. Ce temps n'est pas modifiable, ce qui peut entraîner des coûts élevés pendant les périodes de forte activité.
Décentralisé : Plus les mineurs participent, plus le réseau est décentralisé, ce qui améliore sa fiabilité. En outre, tout le monde peut participer à condition de disposer d'une puissance de calcul.	Danger de la centralisation : Grâce à l'émergence de multiples pools et fermes de minage, la décentralisation est mise sous pression, car ce sont principalement les mêmes parties qui ajoutent de nouveaux blocs à la blockchain et minent ainsi de trop nouvelles pièces.

En résumé

La Proof-of-Work (PoW) est l'une des innovations les plus importantes au sein du monde de la blockchain et des crypto-monnaies. Le mécanisme de Bitcoin, entre autres, s'est avéré dans la pratique un moyen hautement sécurisé et transparent de valider les transactions sans l'intervention de parties centrales. La force du PoW réside dans la simplicité de l'idée : des puzzles complexes difficiles à résoudre mais faciles à vérifier.

Cependant, le PoW présente également des inconvénients évidents. Sa forte consommation d'énergie, sa dépendance à l'égard d'un matériel coûteux et spécialisé, et la domination croissante des grands pools miniers mettent à mal la vision initiale d'une décentralisation totale. En outre, son évolutivité limitée entraîne des retards et des coûts élevés en cas d'utilisation intensive, ce qui le rend moins adapté à certaines applications.

Malgré ces limites, le PoW reste pertinent. Elle reste le fondement de certaines des blockchains les plus précieuses et les plus influentes au monde. Dans le même temps, les critiques relatives à la consommation d'énergie et à la centralisation poussent au développement de systèmes alternatifs tels que Proof of Staken. L'avenir sera probablement fait d'un mélange de différents mécanismes de consensus adaptés aux besoins de réseaux et d'applications spécifiques.