Qu'est-ce qu'un algorithme de consensus?

Le réseau blockchain est le socle sur lequel reposent toutes les crypto-monnaies et tous les projets DeFi. La blockchain permet d'atteindre la transparence et une sécurité avancée et de minimiser les pratiques frauduleuses. Le concept de la blockchain est si impressionnant que certaines personnes préconisent son intégration à d'autres structures institutionnelles afin de résoudre les problèmes ou les contraintes existants.

Il n'est donc pas surprenant que sa popularité ait augmenté au fil des ans. Toutefois, qu'est-ce qui rend la technologie blockchain si performante et si capable d'atteindre tous ces objectifs et bien plus encore ? En réalité, personne ne gouverne la plupart des blockchains, mais comment peuvent-elles conserver leur nature décentralisée et appliquer des contrats à leurs utilisateurs ? La réponse à cette question est connue sous le nom d'algorithmes de consensus.

Un algorithme de consensus est conçu sur un système informatique dans le but de permettre aux membres d'un groupe de conclure un accord commun sur les questions qui concernent le groupe. L'algorithme de consensus de la blockchain permet à ses utilisateurs de parvenir à un consensus sur les décisions du réseau de la blockchain. La nature décentralisée de la blockchain empêche une autorité unique d'avoir le contrôle exclusif du système et connecte des millions d'utilisateurs à travers le monde. Ces utilisateurs n'ont aucune raison de se faire confiance, mais ils peuvent se fier à l'algorithme de consensus de la blockchain pour protéger leurs intérêts.

Il permet également aux utilisateurs de coordonner la structure et le protocole du réseau pour parvenir à une décision qui bénéficierait à l'ensemble du groupe. Elle vise à résoudre le problème du consensus résultant de la multiplicité des nœuds non fiables (individus répartis dans le monde entier) qui gèrent la blockchain. Il comprend que certains systèmes peuvent être en panne pendant la période de prise de décision, ce qui rend la communication difficile.

À cet égard, les algorithmes de consensus garantissent que la blockchain soit tolérante aux pannes. En d'autres termes, le système peut continuer à fonctionner lorsqu'un ou plusieurs de ses composants sont en panne. Par exemple, la blockchain fonctionne en supposant que seule une partie des nœuds est active. Les nœuds actifs ont le pouvoir de prendre une décision, et un consensus est atteint lorsqu'au moins 51 % des nœuds disponibles parviennent à un accord. Pour que cela se passe bien, chaque pair conserve une copie du grand livre. Ainsi, toutes les transactions et mises à jour sont automatiquement répercutées sur les ordinateurs de tous les utilisateurs. De cette manière, la blockchain garantit que tous les nouveaux blocs ajoutés à son réseau sont du type spécifique de la communauté.

Les algorithmes de consensus ne se limitent pas au réseau blockchain. Ils sont également à l'origine de certains instruments technologiques tels que le système de classement de Google, les drones, la synchronisation des horloges et bien d'autres exemples encore.

Le protocole de consensus de la blockchain est conçu pour atteindre certains objectifs afin de maintenir la nature décentralisée et les fonctionnalités de la blockchain. Ces objectifs sont les suivants

Le protocole de consensus de la blockchain garantit que toutes les données soient exactes et que le grand livre public soit à jour. Il existe différentes variantes des algorithmes de consensus de la blockchain. Toutefois, il est essentiel que ces blockchains génèrent un résultat valide et qu'elles soient inclusives dans leurs opérations et leurs votes. Les votes ont une valeur égale afin de promouvoir une bonne participation des électeurs.

Ces propriétés garantissent le bon fonctionnement d'une blockchain. Toutefois, si une blockchain n'est pas correctement développée, elle peut donner lieu à des fourches de blockchain lorsque des modifications doivent être apportées. Une blockchain mal développée peut également entraîner une mauvaise expérience pour l'utilisateur lorsqu'elle ne peut pas gérer les fonctionnalités attendues d'elle. Cela peut s'expliquer par le fait qu'un algorithme de blockchain mal développé n'est pas tolérant aux pannes. Lorsque les systèmes sont en panne, ils ne sont pas en mesure d'obtenir le résultat précis souhaité. C'est pourquoi les algorithmes de consensus d'un réseau blockchain doivent être conçus de manière appropriée pour leur permettre d'atteindre les fonctions qu'ils se sont fixées.

Les crypto-monnaies reposent sur la technologie de la blockchain. Les transactions des utilisateurs sont enregistrées dans un grand livre, la blockchain ; afin de garantir l'absence de duplication, chaque nœud informatique (chaque utilisateur) dispose d'une copie identique du grand livre. Cela permet d'éviter les informations contradictoires sur le réseau de la blockchain.

Le protocole de consensus est conçu pour empêcher les utilisateurs de dépenser les jetons des autres. Le premier algorithme de consensus a été proposé par Satoshi Nakamoto, le créateur du Bitcoin. Il a proposé un algorithme, la preuve de travail, pour s'assurer que les règles sont respectées et qu'il y a une coordination entre les milliers d'utilisateurs.

L'algorithme de consensus garantit que seuls les blocs validés soient introduits dans le réseau. Il punit les mineurs qui tentent de manipuler ce processus et veille à ce que les objectifs de la monnaie numérique soient alignés en prévoyant une récompense pour le minage de bitcoins. Tous les utilisateurs de crypto-monnaies peuvent facilement accéder à ces informations à partir de leurs nœuds informatiques afin de s'assurer qu'il n'y a pas de manipulation.

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Il y a différentes applications d'algorithmes de consensus. Voici quelques-unes des applications les plus courantes :

La preuve de travail est le premier de tous les algorithmes de blockchain. Il a été développé par Satoshi Nakamoto, le créateur du Bitcoin. Il a été mis en œuvre lors de la création de Bitcoin, bien que des développeurs antérieurs aient pu jouer avec l'idée avant cela. La preuve de travail est un algorithme de consensus qui détermine comment les nouveaux blocs sont ajoutés à la blockchain.

La preuve de travail détermine le protocole de validation des blocs. Cela signifie qu'un mineur doit remplir un certain nombre de conditions pour introduire un nouveau bloc. Les mineurs doivent donc modifier les données introduites dans la fonction de hachage jusqu'à ce qu'ils parviennent à produire le bon hachage. Les mineurs (validateurs) doivent hacher certains ensembles de données et proposer une solution avant d'introduire un nouveau bloc.

Les mineurs doivent souvent mettre en place un espace de travail rempli de matériel de hachage spécial (ASIC) pour avoir une chance de générer un bloc valide. En effet, ils sont en concurrence active avec d'autres mineurs. Cependant, ces machines coûtent cher et nécessitent beaucoup d'énergie pour fonctionner.

Le réseau vérifie qu'un mineur a créé un bloc valide en faisant passer les données par la fonction de hachage pour valider les revendications. Si vos revendications sont validées, vous recevez la récompense pour le minage ; dans le cas contraire, le réseau les rejette et vous ne recevez aucune récompense.

L'algorithme de la preuve de travail est utilisé pour faire fonctionner des crypto-monnaies comme le Bitcoin, le Zcash, le Litecoin et le Monero. La preuve de travail a été utilisée pour faciliter les paiements à canaux multiples ; son utilisation dans d'autres applications telles que la santé, les institutions financières, la gouvernance, et bien d'autres encore, est en bonne voie.

La preuve d'enjeu a été proposée comme alternative au système de preuve de travail. Il a été conçu pour éliminer le besoin d'un ordinateur (spécialiste) lors de l'introduction d'un nouveau bloc dans la blockchain. Il supprimerait également le besoin de matériel et de machines complexes utilisés dans le processus de minage, réduisant ainsi la consommation d'énergie. Il serait ainsi plus facile pour les personnes qui ne sont pas des spécialistes en informatique de participer au processus de minage à partir de leur ordinateur personnel.

La preuve d'enjeu ne nécessite pas de matériel, mais elle fonctionne avec l'utilisation de crypto-monnaies. Les mineurs, dans ce cas, servent d'investisseurs ; cependant, vous devez détenir un montant minimum de fonds avant de pouvoir participer à ce processus. Les fonds que vous détenez sont bloqués dans un portefeuille crypto (staking) et ne peuvent pas être retirés tant que le processus de staking n'est pas terminé. Un groupe d'investisseurs devra se mettre d'accord sur le prochain bloc à ajouter à la blockchain.

En théorie, la preuve d'enjeu semble être une alternative plus écologique et plus conviviale que la preuve de travail. Toutefois, il reste à prouver qu'elle peut constituer une alternative à la preuve de travail et répondre à toutes les applications. Les crypto-monnaies qui ont appliqué la mise à jour de la preuve d'enjeu comprennent Ethereum 2.0, Dash, Reddcoin et PivX. La blockchain Ethereum utilisait la preuve de travail avant de passer au mécanisme de la preuve d'enjeu.

Afin de permettre à la preuve d'enjeu d'accomplir ses fonctions, deux variantes ont été développées, à savoir

§ La preuve d'enjeu déléguée (Delegated Proof of Stake - DPoS)

Les validateurs mettent en jeu leurs jetons et décident du nombre de participants qui peuvent investir dans le pool et de leur pourcentage. Les applications populaires de DPoS comprennent Bitshares, Eos et Steem. Il s'agit de l'une des consensualités les plus rapides de la blockchain et elle est appréciée pour sa structure de démocratie numérique.

Preuve d'enjeu louée (LPoS)

La preuve d'enjeu louée fonctionne sur la plateforme Waves. Pour le LPoS, les utilisateurs louent leurs fonds à des nœuds complets pour générer un nouveau bloc. Le pourcentage des frais de transaction que vous recevez dépend de l'importance de la location.

Le modèle de consensus de la blockchain par preuve d'activité combine les caractéristiques des algorithmes de preuve de travail et de preuve d'enjeu. Les mineurs s'affrontent pour résoudre l'énigme mathématique en utilisant de l'électricité et de l'énergie. Toutefois, dans ce cas, le bloc ne contient que des informations sur la récompense et l'identité du gagnant du bloc.

Les parties prenantes qui agissent en tant que validateurs sont désignées pour valider le bloc. Si le bloc est validé, il est activé en tant que bloc complet. Les validateurs reçoivent alors une part de la récompense divisée du bloc. Les applications réelles de la preuve d'activité comprennent les pièces Decred et les Espers.

La preuve de combustion a été créée comme alternative à la preuve de travail et à la preuve d'enjeu pour réduire la consommation d'énergie. Elle permet aux mineurs de brûler ou de détruire des jetons de crypto-monnaie afin d'introduire de nouveaux blocs proportionnels à la pièce. Par conséquent, les mineurs sont mieux récompensés lorsqu'ils brûlent davantage de jetons. Il augmente la probabilité de sélectionner un nouveau bloc. Les mineurs sont censés envoyer les pièces à une adresse verrouillée, où la monnaie ne peut pas être dépensée, pour détruire les jétons et vérifier les blocs. Le cas d'utilisation le plus populaire de cet algorithme de consensus de la blockchain est la pièce Slim.

La tolérance aux fautes byzantines (BFT) vise à corriger le problème des généraux byzantins, également appelé faute byzantine. La faute byzantine est une situation dans laquelle les utilisateurs doivent parvenir à un consensus sur la meilleure façon de résoudre une panne importante du système. Il existe deux variantes du BFT utilisées dans le protocole Blockchain :

Tolérance pratique aux fautes byzantines (PBFT)

La PBFT résout le problème de la faute byzantine en permettant à des utilisateurs sélectionnés de confirmer la validation des messages utilisés par un calcul systématique. L'information est ensuite transmise à d'autres nœuds pour qu'ils en délibèrent. Cela permet une démocratie numérique sur le mécanisme de consensus. Ripple, Stellar et Hyperledger sont des cas d'utilisation célèbres de cet algorithme de consensus.

Tolérance aux fautes byzantines déléguées (DBFT)

La tolérance aux fautes byzantines déléguée a été introduite par NEO et a permis aux détenteurs de jetons NEO de voter.  Toutefois, les droits de vote étaient indépendants du montant investi. Cela signifie que toute personne remplissant les conditions de base : l'équipement adéquat, l'identité vérifiée et 1000 Gas peut fonctionner en tant que délégué. Les délégués sont ensuite tirés au sort pour devenir des orateurs. Le DBFS est également appelé l'Ethereum de Chine.

La preuve de capacité (PoC) stocke la solution de ses énigmes mathématiques sur des disques durs ou des dispositifs de stockage similaires. Il suit un processus systématique connu sous le nom de "plotting". Les utilisateurs peuvent utiliser ces disques durs pour produire des blocs et les utilisateurs les plus rapides à résoudre l'énigme mathématique ont plus de chances de créer un bloc valide. Les crypto-monnaies qui s'appuient sur l'algorithme de preuve de capacité comprennent Spacemint et Burst coin.

Il existe de nombreux autres algorithmes de consensus, notamment la preuve d'identité, la preuve d'importance, la preuve du temps écoulé (PoET), la preuve d'autorité et le graphe acyclique direct (DAG). Ces algorithmes sont généralement soit une amélioration d'un algorithme actuel, soit une nouvelle façon de vérifier sur une blockchain.

Les algorithmes de consensus sont fondamentaux dans le fonctionnement d'un système distribué, car les conflits peuvent donner lieu à des litiges. Ces hard forks peuvent affecter le bon fonctionnement des systèmes. Les algorithmes de consensus sont un outil essentiel qui facilite la prise de décision tout en garantissant que le système reste décentralisé. Le protocole de consensus définit les règles qui guideront ce processus, les incitations, les sanctions et les litiges.

Les algorithmes de consensus de la blockchain ne se limitent pas aux monnaies numériques et sont appliqués à d'autres structures institutionnelles dans le monde entier. La preuve de travail (Proof of Work) est le premier algorithme de consensus de la blockchain, le plus populaire et le plus réussi. Cependant, la recherche introduira des alternatives meilleures et moins énergivores à la preuve de travail. Ceci étant dit, nous verrons d'autres modifications et introductions d'algorithmes de consensus dans les années à venir.