PoW (Proof of Work) : Le mécanisme derrière la sécurité de la Blockchain Bitcoin

Si vous venez de commencer à explorer l’univers de Bitcoin, vous êtes sûrement tombés sur différents termes techniques difficiles à comprendre. Aujourd’hui, nous allons évoquer le Proof of Work, le mécanisme de consensus qui assure la sécurité de Bitcoin. Mais vous vous demandez sûrement : Comment ça marche ? Découvrez dans ce guide tous les rouages du mécanisme de validation le plus utilisé dans les systèmes cryptographiques.

Qu’est-ce que le PoW ?

Le Proof of Work, abrégé en PoW est un protocole informatique participant à l’algorithme de consensus. Il est utilisé dans certains systèmes de blockchains, notamment Bitcoin, pour vérifier les opérations et ajouter de nouveaux blocs à la chaîne. Appelé Preuve de travail en français, ce procédé permet de maintenir la sécurité d’un réseau en utilisant la puissance de traitement ou hashrate.

Il s’agit du premier algorithme de consensus à avoir été lancé. Ce mécanisme de validation est un procédé par lequel les réseaux de mineurs se mettent d’accord sur une seule version de l’historique de transaction. On retrouve déjà le Proof of Work bien avant son utilisation par Satoshi Nakamoto dans le livre blanc de Bitcoin en 2008.

En 1996, le HashCash utilisait l’algorithme PoW pour réduire le spam dans les boîtes mails. Il sera ensuite utilisé et popularisé par Bitcoin. D’autres réseaux blockchain comme Litecoin, Bitcoin Cash, Ravencoin ou Zcash utilisent également le Proof of Work.

La spécificité du Proof of Work Bitcoin

Pour comprendre son fonctionnement, il faut connaître certains termes liés à ce protocole : 

• Les nœuds : des ordinateurs connectés aux blockchains chargés de vérifier les transactions ;
• Le hachage ou hash : un processus de création de valeurs en utilisant une fonction mathématique. Il est souvent utilisé pour garantir l’intégrité des données dans les structures telles que l’arbre de Merkle dans les blockchains ;
• Le bloc : un lot de transactions numériques enregistrées de manière permanente ;
• Le validateur : un utilisateur de blockchain chargé de confirmer les transactions ;
• Miner : processus de vérification des transactions récompensant les opérateurs en cryptomonnaies.

Comment fonctionne le PoW ?

La fonction du Proof of Work est simple : valider les transactions sur la blockchain à travers le minage. 

En tant que mécanisme de validation, il sert donc à établir les conditions pour que les nœuds parviennent à un accord dans le processus de vérification des transactions.

Le processus de minage

Le PoW se base sur le minage fork Bitcoin qui est un processus qui permet de vérifier les transactions qui passent sur la blockchain. Tous les BTC actuellement en circulation sur le marché ont été obtenus à partir de ce procédé.

Les transactions

Prenons d’abord l’exemple d’une personne À qui envoie 10 BTC à une personne B. En tant qu’argent numérique, A pourrait prétendre qu’il va envoyer 10 BTC à B alors même qu’il les a déjà envoyés à C et ne possède plus de cryptomonnaie BTC dans son portefeuille. Pour éviter cette double dépense, il faut alors opérer plusieurs vérifications pour s’assurer que la transaction de A vers B est bien valide. Tout ce processus est réalisé en minant à l’aide du Preuve de Travail.

Il appartient alors aux mineurs de vérifier que la transaction en BTC sur la blockchain est légitime. Pour ce faire, ils vont résoudre des équations mathématiques complexes nécessaires à la création d’un bloc contenant plusieurs transactions valides. 

La récompense 

Lorsqu’un nouveau bloc est accepté, il sera ajouté à la chaîne. Le mineur qui trouve la solution sera donc rémunéré en unités de BTC pour le travail qu’il a fourni dans la vérification des transactions. La récompense actuelle est de 6,25 BTC par bloc. Cette récompense est réduite de moitié tous les 210 000 blocs, soit environ quatre ans, dans le cadre du halving. 

À l’issue de ce processus, le transfert de BTC dans le portefeuille de A vers le portefeuille de B est vérifié. Les opérations valides sont enregistrées sur la blockchain et ne peuvent plus être modifiées tandis que celles qui sont invalides sont rejetées. Vous aurez donc compris que le minage bitcoin est aussi un moyen d’émettre de nouveaux BTC qui constituent la récompense.

Son rôle dans la création de nouveaux blocs

La création passe par plusieurs étapes dans lesquelles le Proof of Work joue un rôle crucial. 

D’abord, les transactions sont collectées et regroupées dans un bloc par des nœuds miniers. Chaque mineur sélectionne les transferts qu’il souhaite inclure dans sa propre unité. Les opérations déjà confirmées et intégrées dans le bloc précédent seront supprimées du nouveau bloc. Ce dernier est appelé candidat, car il n’a pas encore de preuve de travail valide.

Les mineurs doivent ensuite inclure l’en-tête contenant le hachage du bloc précédent. Et c’est à cette étape que la “Preuve de Travail” intervient véritablement, en utilisant l’algorithme SHA-256. Le mineur doit trouver la solution à un calcul mathématique complexe pour chaque unité qu’il a formé. Pour résoudre l’énigme, des traitements seront effectués via un nonce. 

Il s’agit d’un nombre aléatoire changé constamment pour trouver un hachage valide. Lorsqu’un nœud minier trouve un hachage de sortie valide, celui-ci est transmis et vérifié par les autres nœuds du système. Lorsque le bloc correspond aux conditions du système, la preuve de travail est confirmée.

Importance du PoW dans la Blockchain

Grâce à son mécanisme, il est très difficile de corrompre la blockchain. Miner assure la sûreté du réseau et garantit l’immuabilité des transactions.

Preuve de Travail et sécurité de la blockchain

Son mécanisme sécurise la blockchain de différentes manières : 

• Vérification des transactions : toutes les données transmises sont vérifiées par l’ensemble des nœuds avant d’être confirmées ;
• Puissance de calcul : les opérateurs utilisent leurs ressources pour effectuer le travail afin de décourager les comportements malveillants ;
• Coût : la résolution du problème mathématique nécessite une bonne capacité de calcul, c’est-à-dire du matériel minier performant et une grande capacité électrique.

Pour résumer, il s’agit d’un protocole qui incite les mineurs à rester honnêtes. En théorie, une attaque contre ce système est facile, car il suffit que le mineur dispose de la majorité de la capacité de traitement pour le contrôler. On appelle cela l’attaque des 51 %. Mais en réalité, il est très difficile d’obtenir une telle capacité de calcul qui serait non seulement très coûteuse en énergie, mais également sans résultat garanti. 

L’immutabilité des transactions

L’immuabilité signifie qu’il est impossible de modifier une transaction déjà inscrite sur la blockchain. Rappelons-le, tous blocs validés sont interconnectés dans la chaîne. Si une personne veut modifier une transaction passée, il devra alors modifier toutes les unités suivantes. Cette tâche est extrêmement difficile et coûteuse, car elle doit résoudre à nouveau tous les traitements mathématiques associés.

D’ailleurs, une unité doit répondre à des caractéristiques précises pour être miné afin de s’assurer qu’aucun nœud miné ne peut tricher : 

• Le hachage d’en-tête de bloc miné doit être inférieur à la cible pour être valide ;
• La taille maximale de bloc BTC ne doit pas excéder 2 Mo ;
• L’horodatage du bloc doit durer moins de deux heures dans le futur ;
• Toutes les opérations ajoutées doivent être valides.

Critiques de la Preuve de Travail

Il s’impose comme le nouveau standard de réseau décentralisé. Toutefois, il présente quelques inconvénients qui constituent les principales faiblesses de Bitcoin.

Problèmes de consommation d’énergie

Il repose sur la puissance de calcul pour valider les blocs. La difficulté de miner ne cesse d’augmenter, ce qui pousse les mineurs à utiliser des matériels de plus en plus performants pour effectuer leur travail. Pourtant, cela exige une capacité de traitement énorme qui est très énergivore. 

Il s’agit du principal reproche fait au Preuve de Travail, poussant d’autres systèmes de blockchains à opter pour différents mécanismes de validation. On peut citer l’Ethereum qui est passé du Proof of Work au Proof of Stake dans le cadre de l’opération “The Merge”. Néanmoins, l’utilisation massive de l’énergie verte devrait atténuer le problème.

Centralisation

Le PoW est une lame à double tranchant qui entend décentraliser le réseau, mais peut produire l’effet inverse, en renforçant la centralisation. À ses débuts, Bitcoin était sécurisé par des mineurs indépendants les uns des autres. Cela assurait une grande décentralisation du réseau, car tout le monde pouvait en principe participer. 

Mais par la suite, ils ont préféré s’associer pour s’assurer que leur travail reste rentable. Il s’agit de l’avènement des pools de minage qui réunissent des opérateurs indépendants sous l’étendard d’entités centrales. Cela a provoqué la concentration de la puissance de traitement aux mains d’un petit nombre d’acteurs. Dans une telle situation, la promesse de décentralisation faite par Bitcoin est loin d’être atteinte.

Les avantages et les inconvénients du Proof of Work

Pour résumer, voici les principaux avantages et inconvénients du mécanisme Proof of Work.

Avantages	Inconvénients
Sûreté du réseau : résistance aux attaques de type déni de serviceTentatives de piratages difficilesTransparence des opérationsRécompenses Libre participationMécanisme fiable et utilisé par les plus grandes cryptomonnaies	Impact écologique lié à la surconsommation d’énergieRisque de centralisation Manque de rapidité du réseauTrès coûteux

Alternatives au PoW

Il existe aujourd’hui plusieurs types de mécanismes de validation. Parmi les plus populaires aux côtés de cette “Preuve de Travail”, on retrouve le Proof of Stake.

Proof of Stake (PoS)

Le Proof of Stake ou Preuve d’enjeu permet de vérifier les transferts et ajouter de nouveaux blocs à la blockchain. Il est considéré comme un système alternatif au Proof of Work pour réduire les impacts environnementaux liés à la surconsommation électrique. Si dans le PoW, le mineur doit investir dans du matériel coûteux pour avoir une capacité de traitement suffisante, il en est tout autre dans le PoS.

Dans ce mécanisme, le minter ou staker doit accumuler une quantité suffisante de jetons de crypto monnaie. Le nombre minimum de jetons à conserver varie d’un réseau à l’autre. L’algorithme sélectionne aléatoirement le minter qui va créer la prochaine  unité. Celui qui mise le plus de jetons a donc plus de chance d’être choisi et de recevoir la récompense de staking. Les cryptomonnaies qui utilisent le Proof of Stake sont nombreux : Ethereum depuis le Merge, Cardano, Solana, Polygon, Algorand ou encore Tezos. 

D’autres mécanismes de consensus

Voici d’autres exemples d’algorithmes les plus connus :  

• Delegated Proof of Stake (DPoS) : les nœuds validateurs et les délégateurs sont tous les deux récompensés ;
• Proof of Autority (PoA) : repose sur la réputation des validateurs appelés entités de confiance ;
• Proof of History (PoH) : basé sur l’horodatage des opérations ;
• Proof of Importance (PoI) : repose sur le nombre de tokens possédés, de la notoriété et de la diversité des origines des opérations validées ;
• Proof of Capacity ou Proof of Space (PoC) : repose sur la capacité à garder la mémoire des données.

Conclusion

Au terme de cet article dédié au PoW, on peut affirmer que ce type de mécanisme de consensus contribue énormément au succès et à la stabilité du Bitcoin. La complexité de son fonctionnement et la puissance de calcul qu’il exige offrent une solution robuste pour protéger le réseau contre les attaques malveillantes. Toutefois, le Proof of Work est critiqué pour sa forte empreinte carbone. En plus, la consommation électrique continuera de s’accroître au fur et à mesure que le hashrate Bitcoin augmente. C’est ce qui a poussé de nombreux systèmes de blockchains à adopter ce mécanisme plus simple et moins coûteux. Alors que le PoW est un élément crucial pour la sécurité et l’intégrité de la blockchain Bitcoin, un aspect fondamental de cette cryptomonnaie réside dans son fonctionnement global. Pour les investisseurs et les passionnés, il est impératif de comprendre le fonctionnement du bitcoin en profondeur. Cette compréhension englobe non seulement le mécanisme de PoW, mais également la manière dont les transactions sont effectuées, la création de nouveaux blocs, et les défis tels que la consommation d’énergie et les risques de centralisation. Ces connaissances permettent non seulement de mieux appréhender les enjeux techniques et écologiques associés au Bitcoin, mais aussi d’élaborer des stratégies d’investissement plus éclairées dans le domaine des cryptomonnaies.

Dans le cadre du PoW (Proof of Work), les Arbres de Merkle jouent un rôle essentiel pour la sécurité de la blockchain Bitcoin. Ces structures, composées de feuilles représentant les transactions, sous-branches et une racine, assurent l’intégrité des données en regroupant les transactions dans un bloc de manière cryptographique. Ce processus permet une vérification rapide et sécurisée des transactions par les mineurs, sans nécessiter le téléchargement complet de la blockchain, renforçant ainsi l’efficacité du système PoW dans la validation des transactions et la prévention de la fraude.