Qu'est-ce que le proof of work et le proof of stake ?

Tous les réseaux décentralisés de cryptomonnaies doivent s’assurer qu’aucune entité ne dépense la même quantité d’argent deux fois sans besoin d’une autorité centrale au milieu, comme une institution financière, une banque ou un gouvernement. Pour cela, les réseaux utilisent un mécanisme de consensus » représenté par un système permettant à tous les ordinateurs d’un réseau cryptographique de s’entendre sur toutes les transactions légitimes.

Actuellement, il existe deux principaux mécanismes qui sont le proof of work (PoW) pour preuve de travail et le proof of stake (PoS) pour preuve de participation ou preuve d’enjeu. Le PoW est le système le plus ancien qui est utilisé par Bitcoin ou encore Ethereum 1.0 et repose sur l’exploitation des cryptomonnaies par minage tandis que le PoS est un nouveau mécanisme de consensus utilisé par les blockchains plus récentes, comme Ethereum 2.0, Cardano ou encore Tezos.

C’est en 2009 que le protocole Bitcoin avec sa cryptomonnaie éponyme a été lancé. Celui-ci se base alors sur un mécanisme de consensus PoW se basant sur un réseau composé de nombreux ordinateurs pour valider et confirmer des transactions. La raison pour laquelle ce système est appelé preuve de travail, c’est qu’il nécessite une énorme quantité de puissance de traitement afin d’assurer la sécurité de la blockchain.

Toutes les opérations réalisées sur une blockchain PoW passent par un réseau appelé « pool de minage », dont les opérateurs sont appelés « mineurs ». Pour pouvoir confirmer les transactions, ajouter de nouveaux blocs au réseau et ainsi extraire des cryptomonnaies, les mineurs doivent ainsi résoudre un problème mathématique complexe qui réclame une puissance de calcul conséquente. Seuls les mineurs les plus rapides peuvent mettre à jour la blockchain avec les dernières transactions vérifiées et se voient récompenser par le réseau avec une quantité de cryptomonnaies prédéterminée. Pour le cas du Bitcoin, c’est 6,125 BTC toutes les 10 minutes et ce chiffre sera réduit de moitié en 2024 et ainsi de suite jusqu’à ce que la limite des 21 millions soit atteinte. Pour le cas d’Ethereum, il n’y a pas de limite.

Les mineurs utilisent une fonction de hachage, le SHA 256 par exemple pour le Bitcoin. C’est grâce à ce procédé qu’ils peuvent inscrire les données de transaction dans les blocs pour les raccorder entre eux par la suite et ajouter d’autres blocs à la chaîne. Une fois qu’un « hash » est inscrit, celui-ci devient infalsifiable.

Le proof of work présente de nombreux avantages, en particulier pour une monnaie virtuelle relativement simple, mais extrêmement précieuse comme le BTC. Il s’agit d’un moyen éprouvé et robuste pour maintenir la sécurité d’une blockchain. Au fur et à mesure que la valeur d’une crypto augmente, davantage de mineurs sont alors incités à rejoindre le réseau, augmentant ainsi la puissance de calcul nécessaire pour maintenir la sécurité. Mais à cause de cette quantité de puissance de traitement qui tend à devenir de plus en plus importante, il devient presque impossible pour un individu lambda de participer à la blockchain d’une cryptomonnaie comme le Bitcoin.

Lorsque le réseau s’agrandit, il en va de même pour le pool de minage, ce qui tend à entraîner un processus davantage énergivore ayant du mal à évoluer pour s’adapter au grand nombre de transactions que les blockchains compatibles avec les « smart contracts » ou contrats intelligents comme Ethereum peuvent générer. C’est ainsi que des mécanismes de consensus alternatifs ont été développés, dont le proof of stake.

Contrairement au protocole Bitcoin qui traite principalement des transactions BTC entrantes et sortantes à la manière d’un vaste chéquier, d’autres blockchains comme Ethereum doivent traiter d’autres types de transactions : opérations de DeFi (finance décentralisée), frappe et vente de NFT (jetons non fongibles), contrats intelligents sur des stablecoins… Les développeurs de la seconde plus grande blockchain ont alors compris dès le départ que le proof of work présenterait des limites d’évolutivité qu’il sera nécessaire de surmonter. C’est pour cette raison qu’ils ont mis en place une version améliorée d’Ethereum appelée Ethereum 2.0 ou ETH2, dont le déploiement a été lancé en décembre 2020 et devrait se terminer d’ici la fin de l’année 2022.

Ethereum 2.0 utilisera un mécanisme de consensus beaucoup plus rapide et moins gourmand en ressources (énergie électrique) qui est le proof of stake (PoS) ou preuve de participation/preuve d’enjeu. Aujourd’hui des blockchains comme Tezos, Cardano ou Atmos utilisent déjà ce genre de système, dont l’objectif est de maximiser la vitesse et l’efficacité tout en réduisant les frais – il faut dire que les frais d’Ethereum 1.0 peuvent être conséquents au fur et à mesure des transactions.

Dans un système PoS, le jalonnement remplit une fonction semblable à celle de l’extraction (exploitation minière) du PoW – processus par lequel un composant du réseau est sélectionné afin d’ajouter le dernier lot de transactions à la blockchain ce qui lui permet d’être récompensé par une cryptomonnaie en échange de sa participation. Ces chaînes de blocs, récentes pour la plupart, utilisent un réseau de validateurs contribuant ou « jalonnant » leur propre cryptomonnaie en échange d’une chance de valider une nouvelle transaction et ainsi mettre à jour la blockchain pour gagner des cryptos.

Concrètement, la preuve de participation se passe de cette manière :

• La blockchain sélectionne un gagnant suivant la quantité de cryptomonnaies que chaque validateur a dans le pool ainsi que de la durée durant laquelle il l’a gagné. Cela récompense ainsi les participations les plus investies.
• Une fois que le gagnant a terminé de valider le dernier bloc de transactions, d’autres validateurs peuvent contrôler et attester que le bloc enregistré est exact. Quand un nombre seuil d’attestations a été réalisé, le réseau met alors la blockchain à jour.
• Tous les validateurs qui participent reçoivent chacun une récompense dans la cryptomonnaie native, qui est distribuée par le réseau au prorata de la participation de chaque validateur.

Contrairement au système PoW, le système PoS a des critères élevés pour ces validateurs. En effet, devenir validateur, c’est une responsabilité majeure demandant un niveau de connaissances techniques plus ou moins élevé, mais également un cryptowallet assez fourni puisque les validateurs sont tenus de miser une importante somme, 32 ETH pour Ethereum 2.0 ; et malheureusement, ils peuvent en perdre une partie via un processus appelé « slashing » dans le cas où leur nœud se déconnecte ou dans le cas où ils valident un mauvais bloc de transactions. Même si cela relève d’une assez grande responsabilité, il est toujours possible de participer au « jalonnement » en rejoignant un pool géré par quelqu’un d’autre.

Le DPoS ou delegated proof of stake – preuve d’enjeu délégué

Mécanisme de consensus plus récent, le DPoS pour delegated proof of stake est un système hybride entre le PoW et le PoS tendant alors à combler leurs faiblesses respectives. Celui-ci fonctionne de la même manière que la preuve de participation, mais les individus qui sont chargés de forger des blocs doivent être élus par les membres de la communauté. Grâce à ce système d’élections, la blockchain est garantie de ne pas être contrôlé par une minorité d’individus, comme cela peut être le cas d’un mineur avec une importante puissance de calcul ou d’un forgeur PoS qui dispose d’une grande quantité de jetons. Parmi les exemples de protocole DPoS, il y a Lisk, dont la blockchain prévoit d’élire 101 délégués responsables pour s’occuper du mécanisme de consensus. L’élection est assurée par les détenteurs de jetons lisk et les délégués devront reverser une partie de leurs gains aux électeurs.

Ces deux mécanismes de consensus ne se valent pas l’un de l’autre au niveau de certains points, principalement de la consommation énergétique. Le proof of work met en concurrence différents opérateurs de son « pool de minage » pour résoudre le même casse-tête mathématique, ce qui occasionne une dépense considérable d’électricité pour des processus dupliqués et la consommation va en augmentant en fonction de la taille du pool. D’un autre côté, le proof of stake n’utilise pas un système d’exploitation minière ni de concurrence des opérateurs du réseau. De ce fait, la preuve d’enjeu permet aux réseaux de fonctionner avec une consommation de ressources considérables réduite.

Dans un autre registre, le PoW comme le PoS définissent des pénalités en cas de perturbation du réseau. Ainsi, dans la preuve de travail, les mineurs sont pénalisés s’ils soumettent des informations ou des blocs invalides : coût irrécupérable de la puissance de calcul, de l’énergie consommée et du temps attribué au minage. Dans la preuve de participation, les fonds en crypto jalonnés des validateurs servent d’incitation à agir dans le meilleur intérêt de la blockchain et du réseau. Dans le cas où un validateur accepte un mauvais bloc, une partie de ses fonds sera prélevée à titre de pénalité – le montant dépendra du réseau sur lequel il se trouve.

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