Qu'est-ce que la Preuve de Travail (Proof-of-Work, PoW) et comment fonctionne-t-elle ?

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

La preuve de travail (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 cryptomonnaie utilisant la PoW. Par la suite, de nouvelles blockchains ont été lancées et utilisent également ce système, notamment Litecoin, Dogecoin et Ethereum (avant The Merge en 2022).

La preuve de travail est décentralisée, ce qui signifie que plusieurs participants indépendants contribuent à valider les transactions. Dans le cadre de la PoW, cette tâche est assurée par des mineurs qui travaillent 24 heures sur 24 pour résoudre des formules cryptographiques et mathématiques complexes. Ce processus est appelé le minage. Le premier mineur à trouver la solution obtient d'ajouter le bloc à la blockchain et de valider les transactions contenues dans ce bloc. Plus le nombre de mineurs actifs sur le réseau est élevé, plus le réseau est décentralisé et donc moins il est susceptible d'être manipulé. En effet, une entité malveillante devrait contrôler plus de 50 % de la puissance de calcul du réseau pour causer des dommages.

Un mineur est un ordinateur qui met sa puissance de calcul au service du réseau. Cela nécessite beaucoup de puissance de calcul et de consomation d'énergie Par conséquent, un mineur reçoit une récompense pour déployer sa puissance de calcul. La récompense consiste en de nouvelles cryptomonnaies qui sont mise en circulation 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 généralement est divisé par deux par de nombreuses blockchains aprés un certain temps afin de créer un effet de rareté.

À retenir

• La preuve de travail (Proof-of-Work) est un mécanisme de consensus fiable et éprouvé qui valide les transactions de manière décentralisée et sécurisée à l'aide d'énigmes cryptographiques difficiles à résoudre mais faciles à vérifier.

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

• Les mineurs résolvent des énigmes mathématiques complexes. Le premier à réussir peut ajouter un bloc et reçoit une récompense sous forme de nouvelle cryptomonnaie, 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.

• La preuve de travail est moins évolutive que d'autres systèmes tels que la preuve d'enjeu (Proof of Stake), en partie en raison de la longueur des temps de blocage et de la consommation d'énergie. Par ailleurs, la domination des grands pools de minage entraîne des risques de centralisation.

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 les spams et les attaques par déni de service (DoS) sur internet. Ils ont eu l'idée qu'un utilisateur devrait fournir une petite quantité de puissance de calcul avant de pouvoir envoyer un message sur internet. Cela rendrait le spam à grande échelle plus difficile et 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 ", (Hashcash - Une contre-mesure contre le déni de service), décrivait qu'un expéditeur de message devait d'abord effectuer un calcul facilement vérifiable 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 via la technologie blockchain

Satoshi Nakamoto (l'inventeur anonyme du Bitcoin) a repris l'idée de Back et, en 2008, a intégré le concept de preuve de travail 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 le biais de mineurs fournissant de la puissance de calcul. Nakamoto ajoute à cela l'émission de nouvelles pièces numériques pendant le 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, où le contrôle appartient aux utilisateurs plutôt qu'à des parties centralisées telles que les banques. Ce système est depuis devenu un élément fondamental de nombreuses blockchains.

Comment fonctionne la Proof-of-Work ?

Le Proof-of-Work fonctionne en employant des mineurs (également appelés nœuds) 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, versée en cryptos. Ce système garantit l'équité du réseau, car tout le monde a la possibilité de valider un bloc, à condition de disposer d'une puissance de calcul suffisante.

Sécurité de la PoW

La Proof-of-Work (PoW) est sécurisée grâce à un principe asymétrique : le 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 des acteurs malveillants de tricher sur les blocs, tandis que les autres mineurs peuvent facilement vérifier les blocs. En effet, les autres mineurs n'ont qu'à vérifier que le mineur a trouvé le bon hash (la bonne réponse).

De plus, un attaquant aurait besoin de plus de 50 % de la puissance de calcul totale du réseau (hashrate) pour en prendre le contrôle. C'est ce qu'on appelle une attaque à 51 %. Une telle attaque devient de plus en plus difficile 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 avec un réseau aussi vaste que celui de Bitcoin.

Si une personne malveillante réussissait à le faire et souhaitait modifier un bloc de la blockchain, elle se heurterait au problème suivant : chaque bloc est cryptographiquement lié au précédent. Si quelqu'un voulait modifier un ancien bloc, il devrait re-miner tous les blocs suivants avec plus de puissance de calcul que le reste du réseau.

Difficulté du minage

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 on peut le constater dans l'exemple, le hash est composé de chiffres et de lettres :

• 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 à trouver. Ceci est déterminé par le niveau de 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 au minage d'un nouveau bloc.

Le niveau de difficulté détermine le nombre de zéros devant figurer avant le hash. Par exemple :

• À un niveau de faible difficulté, un hash peut commencer par 00af...

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

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

Trouver le bon hash

Il faut une grande puissance de calcul pour résoudre la formule et trouver le bon hash. Pour s'aider, les mineurs utilisent un nombre supplémentaire appelé "nonce". Les mineurs ajustent eux-mêmes le nonce à chaque fois : de 0 à 1, puis à 2, et ainsi de suite. Chiffre par chiffre, ils recherchent la bonne combinaison de données du 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 numéro aléatoire que les mineurs essaient jusqu'à ce qu'ils trouvent le bon hash.

Pour enfin miner 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.

De plus, le hash doit être inférieur à 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 visualiser cela en considérant que le hash doit commencer par huit zéros ou plus. Plus il y a de zéros au début, plus le nombre est petit.

Ainsi :

• Un hash tel que 12bfa34d... est trop grand

• Un hash tel que 0000a9f2... est encore trop grand

• Un hash tel que 0000000037c4... est suffisamment petit

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

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

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

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

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. Au lancement 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 minage de Bitcoin pour un petit acteur. C'est toujours possible, mais les chances d'ajouter seul un bloc à la blockchain sont devenues très faibles. En effet, des fermes de minage de Bitcoins ont vu le jour partout dans le monde, où des milliers d'ordinateurs puissants sont chargés de miner des Bitcoins 24 heures sur 24. C'est en partie pour cette raison que plusieurs pools de minage ont émergé au sein du réseau : il s'agit de collaborations entre des mineurs plus petits qui unissent leurs forces pour fournir plus de puissance de calcul.

En raison de ces pools et fermes de minage, certains affirment parfois que le Bitcoin n'est plus aussi décentralisé qu'il était prévu à l'origine.

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 nécessité le passage à la Proof of Stake, afin de gagner en évolutivité et en efficacité énergétique. En effet, le mécanisme de staking ne nécessite pas de matériel puissant pour valider les transactions, au lieu de cela les participants sécurisent le réseau en mobilisant leurs tokens.

Litecoin

Peu de temps après la naissance de Bitcoin, Litecoin a été lancé. Bien que le Litecoin soit fortement basé sur le Bitcoin, il ne s'agit pas d'un hard fork direct de la blockchain Bitcoin elle-même, mais plutôt d'un fork du code source du Bitcoin. L'intention était de créer un moyen de paiement plus performant : plus rapide et moins cher que le Bitcoin. Par exemple, le temps de validation des blocs du Litecoin est de 2,5 minutes au lieu de 10 minutes, ce qui permet un traitement plus rapide des transactions.

De plus, le Litecoin utilise un algorithme différent pour le minage de nouveaux blocs, à savoir l'algorithme Scrypt au lieu du SHA-256 du Bitcoin. Scrypt a été conçu pour être moins sensible à la domination des ASIC et, dans ses premières années, il permettait aux gens de miner avec des ordinateurs ordinaires. Cela l'a rendu moins énergivore au départ, mais aujourd'hui, des ASIC optimisés pour Scrypt sont également utilisés.

Dogecoin

Dogecoin utilise également la Proof-of-Work (preuve de travail). En 2013, cette cryptomonnaie a été développée comme une blague, mais le Dogecoin est depuis devenu (en partie grâce à Elon Musk) l'une des plus importantes cryptomonnaies. Le Dogecoin est techniquement très similaire au Litecoin et utilise donc le même algorithme de minage : Scrypt au lieu de l'algorithme SHA-256 du Bitcoin.

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 la Proof-of-Work

La consommation d'énergie de la Proof-of-Work a été critiquée. En effet, elle nécessite du matériel avancé et spécialisé, appelé ASIC (Application-Specific Integrated Circuit). Ces systèmes consomment d'énormes quantités d'énergie. Les détracteurs s'inquiètent particulièrement de l'impact environnemental à long terme de la PoW et considèrent que ce système n'est pas adapté du point de vue de la durabilité. C'est l'une des raisons pour lesquelles d'autres mécanismes de consensus ont été développés, tels que la preuve d'enjeu, la preuve d'historique et des formes hybrides.

Avantages et inconvénients de la Proof-of-Work

La Proof-of-Workl était l'un des mécanismes de consensus les plus populaires, en particulier aux débuts de la crypto, et ce pour de bonnes raisons. Elle s'est avérée révolutionnaire et présente de nombreux avantages. Cependant, elle comporte également des inconvénients et soulève des questions quant à sa pérennité. Voici les principaux avantages et inconvénients :

En résumé

La Proof-of-Work est l'une des innovations les plus importantes au sein du monde de la blockchain et des cryptomonnaies. Le mécanisme du Bitcoin, entre autres, s'est avéré dans la pratique être un moyen très sûr et transparent de valider des transactions sans l'intervention d'une autorité centrale. La force de la PoW réside dans la simplicité de son concept : des énigmes complexes, difficiles à résoudre mais faciles à vérifier.

Cependant, la 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 de minage mettent à mal la vision initiale d'une décentralisation totale. De plus, 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, la PoW reste pertinente. Elle reste la base de certaines des blockchains les plus importantes. Dans le même temps, les critiques relatives à la consommation d'énergie et à la centralisation poussent au développement de systèmes alternatifs tels que le Proof-of-Stake. À l'avenir, nous assisterons probablement à une combinaison de différents mécanismes de consensus adaptés aux besoins de réseaux et d'applications spécifiques