L'avenir du consensus dans la blockchain ne se résume pas à un choix entre la preuve de travail et la preuve d'enjeu

La décision d’Ethereum d’abandonner le minage était censée mettre fin à l’un des débats les plus tenaces autour de la blockchain. La preuve d’enjeu (Proof of Stake) permettrait de sécuriser un réseau public majeur sans avoir recours à des entrepôts remplis d’ordinateurs spécialisés rivalisant pour résoudre des énigmes cryptographiques. L’argument environnemental semblait décisif : après avoir achevé la « Merge » en septembre 2022, Ethereum a réduit sa consommation d’électricité annualisée de plus de 99,98 %.

Pourtant, cette transition n’a pas donné lieu à un modèle universel de consensus pour la blockchain. Le Bitcoin continue d’utiliser la preuve de travail. Ethereum continue de modifier la manière dont ses validateurs proposent, construisent et finalisent les blocs. D’autres réseaux répartissent les responsabilités entre validateurs, nominateurs, collateurs, séquenceurs et couches de sécurité spécialisées. Les blockchains privées peuvent renoncer complètement à la participation ouverte et s’en remettre à des opérateurs agréés.

Le débat a donc évolué. La question n’est plus de savoir si la preuve d’enjeu est plus efficace que la preuve de travail. Elle l’est clairement en termes de consommation d’énergie. La question, plus complexe, est de savoir de quel type de sécurité un réseau a besoin, qui devrait être autorisé à la fournir et quel degré de concentration les utilisateurs sont prêts à tolérer en échange de rapidité et de commodité.

Le consensus est un système économique

Un mécanisme de consensus permet à des ordinateurs qui ne se font pas nécessairement confiance de s'accorder sur l'état d'un réseau. Il détermine quelles transactions sont acceptées, qui peut ajouter le bloc suivant et ce qui se passe lorsque des participants agissent de manière malhonnête ou que des versions concurrentes du registre apparaissent.

Le mécanisme de « preuve de travail » rend les attaques coûteuses en obligeant les mineurs à mobiliser de la puissance de calcul et de l'électricité. Les blocs du Bitcoin sont reliés entre eux, de sorte que pour modifier une transaction antérieure, l'attaquant devrait refaire le travail correspondant à ce bloc ainsi qu'à tous les blocs créés par la suite. À mesure que de nouveaux blocs s'ajoutent, la réécriture de l'historique devient de plus en plus coûteuse.

Le « Proof of Stake » remplace en grande partie ces dépenses matérielles par une garantie financière. Les validateurs déposent des jetons qui peuvent faire l’objet de sanctions ou être détruits s’ils enfreignent les règles du protocole. Ethereum décrit le staking comme la preuve qu’un validateur s’est engagé à fournir un bien de valeur qui peut lui être retiré en cas de comportement malhonnête.

Cette distinction est importante, mais elle ne rend pas pour autant l’un ou l’autre de ces systèmes automatiquement décentralisé. Un réseau de type « proof-of-work » peut finir par dépendre d’un petit nombre de grands pools de minage, de fabricants de matériel informatique ou de sources d’électricité bon marché. Un réseau de type « proof-of-stake » peut quant à lui voir s’accumuler l’influence des plateformes d’échange, des dépositaires, des plateformes de staking liquide et des opérateurs de nœuds professionnels.

Le consensus n'est donc pas simplement un code. Il s'agit d'un marché de la sécurité, avec ses propres exigences en matière de fonds propres, ses économies d'échelle et ses concentrations de pouvoir.

Le « Proof of Stake » a résolu un problème, mais en a révélé d'autres

La transition d'Ethereum a démontré qu'une grande blockchain publique pouvait se passer du minage sans interrompre l'historique des transactions du réseau. Elle a également mis fin à la concurrence très gourmande en énergie qui caractérisait le modèle de consensus initial d'Ethereum.

L'amélioration est considérable. Ethereum estime que le réseau consomme désormais environ 0,0026 térawattheures d'électricité par an, bien que ces estimations dépendent des hypothèses formulées concernant le matériel et l'infrastructure utilisés par les validateurs.

Mais une consommation d'électricité moindre n'élimine pas le coût de la sécurité. Elle en modifie simplement la nature.

Pour exploiter un validateur Ethereum indépendant, il faut disposer d'un dépôt de 32 ETH, d'un matériel adapté et d'une connexion Internet fiable. Les utilisateurs qui ne disposent ni des moyens financiers ni des compétences techniques nécessaires pour le faire eux-mêmes peuvent rejoindre des pools de staking ou faire appel à un prestataire de services gérés. Ces services facilitent la participation, mais ils impliquent des hypothèses de confiance supplémentaires, une exposition aux contrats intelligents et un risque de contrepartie.

Les services de « liquid staking » vont encore plus loin. Ils émettent des jetons négociables représentant les actifs engagés dans le staking, ce qui permet aux utilisateurs de percevoir des récompenses de staking tout en continuant à utiliser ces jetons dérivés ailleurs dans l’écosystème de la finance décentralisée. Cela améliore l’efficacité du capital, mais peut également concentrer une part importante des actifs engagés du réseau entre les mains d’un petit nombre de protocoles et d’opérateurs.

La documentation officielle d’Ethereum reconnaît cette préoccupation : si quelques organisations gèrent une grande partie des actifs mis en jeu, leur influence sur la validation peut devenir une source de risque systémique.

Le « Proof of Stake » a donc fait pencher la balance en faveur de la blockchain sur le plan environnemental, tout en mettant davantage en évidence une question de gouvernance : un réseau reste-t-il véritablement décentralisé lorsque la participation est techniquement ouverte mais que le contrôle opérationnel est concentré ?

Le prochain concours portera sur la production par blocs

Le choix des validateurs ne constitue qu'une partie du processus de consensus. Il faut également que quelqu'un décide quelles transactions sont intégrées dans un bloc et dans quel ordre.

Cet ordre peut s'avérer utile. Un trader peut payer pour qu'une transaction soit exécutée avant ou après une autre. Un analyste peut repérer une opportunité d'arbitrage entre des bourses décentralisées. Un producteur de blocs peut donner la priorité à une liquidation ou réorganiser des transactions afin de générer des revenus supplémentaires.

Cette valeur est appelée « valeur maximale extractible » (MEV). Elle existe aussi bien dans les systèmes de « preuve de travail » (proof-of-work) que dans ceux de « preuve d'enjeu » (proof-of-stake), bien que ce soient désormais les validateurs, et non plus les mineurs, qui occupent ce rôle sur Ethereum.

Le MEV n'est pas simplement un problème technique obscur. Il peut influencer le prix perçu par les utilisateurs, accroître le glissement de prix et inciter les opérateurs avertis à dominer la construction des blocs. Les grandes organisations de staking peuvent disposer de meilleurs logiciels, d'une infrastructure plus rapide et d'un meilleur accès à des systèmes de trading spécialisés. Les revenus supplémentaires leur permettent d'investir davantage dans ces capacités, renforçant ainsi leur avantage.

Ethereum y répond en instaurant une séparation entre les proposeurs et les constructeurs. Au lieu de demander à un validateur de construire et de publier lui-même le bloc le plus rentable, des constructeurs spécialisés se font concurrence pour assembler des blocs et les proposer aux proposeurs. L'objectif est de réduire l'avantage dont bénéficient les opérateurs intégrés verticalement et de rendre l'accès à la construction de blocs plus compétitive plus largement accessible.

Ce dispositif engendre ses propres dépendances. Si la création de blocs venait à se concentrer entre les mains d’un petit nombre d’entreprises ou de relais, le protocole risquerait de réduire une forme de centralisation tout en en créant une autre. À l’avenir, la conception des mécanismes de consensus sera de plus en plus évaluée à l’aune de l’ensemble de la chaîne d’approvisionnement de la production de blocs, et non plus uniquement en fonction du nombre de validateurs visibles sur un tableau de bord.

Une finalité plus rapide a un prix

En général, les utilisateurs souhaitent que les transactions deviennent rapidement irréversibles. Les institutions financières, les prestataires de paiement et les applications inter-chaînes ne peuvent pas fonctionner correctement lorsqu'ils doivent attendre longtemps avant de considérer une transaction comme définitive.

Certains systèmes byzantins tolérants aux pannes garantissent une finalité rapide en demandant à un ensemble défini de validateurs d'approuver chaque bloc. CometBFT, utilisé dans l'écosystème Cosmos, enregistre l'accord lorsque plus des deux tiers des droits de vote concernés parviennent à un consensus.

Polkadot utilise un système de « Proof of Stake » par nomination, dans lequel les nominateurs soutiennent les validateurs grâce à leurs jetons, tandis que son architecture en chaîne relais assure une validation et une finalité partagées pour les parachains connectées.

Ethereum étudie actuellement la possibilité d’une finalité en un seul slot, ce qui permettrait de proposer et de finaliser un bloc au cours du même slot, au lieu de devoir attendre environ 15 minutes. La difficulté réside dans le fait qu’une finalité plus rapide peut nécessiter davantage de communication entre les validateurs, des performances matérielles plus élevées ou un ensemble de validateurs actifs plus restreint. Chacune de ces options peut compliquer la participation indépendante.

C'est l'une des principales contraintes auxquelles sont confrontés les ingénieurs spécialisés dans les systèmes de consensus. Un protocole peut viser une confirmation plus rapide, des exigences moins élevées pour les nœuds et une participation très large, mais il est difficile d'optimiser ces trois aspects simultanément. Les progrès en matière de cryptographie et de conception des réseaux peuvent atténuer ce compromis, mais ils ne le font pas disparaître.

Pour les entreprises, le nombre de “ transactions par seconde ” ne constitue donc pas un critère suffisant pour comparer les réseaux. Le délai de finalité, la diversité des validateurs, la capacité de reprise après défaillance et le coût d’une vérification indépendante de la chaîne sont au moins aussi importants que le débit annoncé.

La sécurité devient modulaire

Les premiers réseaux blockchain avaient tendance à regrouper l'exécution, le consensus, la disponibilité des données et le règlement au sein d'un même système. Les architectures plus récentes séparent de plus en plus ces fonctions.

Une application peut exécuter des transactions sur une couche, publier des données sur une autre et s'appuyer sur un réseau plus vaste pour le règlement final. Les parachains de Polkadot, par exemple, effectuent leur propre traitement des transactions tout en s'appuyant sur le système de validateurs de la chaîne relais pour assurer la sécurité commune.

Le « restaking » prolonge cette idée. Les actifs déjà mis en jeu pour sécuriser un protocole peuvent être utilisés pour soutenir d’autres réseaux ou services. En théorie, une nouvelle application peut s’appuyer sur un pool de sécurité économique déjà établi plutôt que de devoir constituer une communauté de validateurs entièrement distincte.

L'intérêt est évident. La mise en place d'un réseau sécurisé à partir de zéro coûte cher, et un jeton dont la valeur de marché est faible n'offre qu'une protection limitée contre les attaques. Une sécurité partagée ou réutilisée peut permettre aux petits systèmes d'accéder à des garanties plus importantes et à une base d'opérateurs déjà existante.

Les risques sont tout aussi importants. Les validateurs peuvent assumer des obligations sur plusieurs services utilisant des logiciels, des règles et des conditions de pénalités différents. Une défaillance dans un système pourrait entraîner des pénalités qui affaibliraient la sécurité des autres. Les recommandations d’Ethereum soulignent également que le « restaking » pourrait concentrer l’influence entre les mains d’un nombre limité d’opérateurs et créer des réactions en chaîne lorsque la même garantie sert à sécuriser plusieurs services.

La modularité rend l'infrastructure blockchain plus flexible. Elle rend également plus difficile l'identification des responsabilités. Lorsqu'une transaction échoue, les utilisateurs peuvent avoir besoin de déterminer si le problème provient d'un séquenceur, d'un validateur, d'un pont, d'un fournisseur de disponibilité des données, d'un service de restaking ou de la couche de règlement sous-jacente.

La « preuve d'autorité » a toujours sa place

Les débats sur les blockchains publiques partent souvent du principe qu’une participation sans autorisation, aussi large que possible, est souhaitable pour toutes les applications. Or, de nombreuses entreprises et institutions publiques ont des exigences différentes.

Un consortium regroupant des banques, des entreprises de logistique ou des organismes publics peut avoir besoin de validateurs identifiables, d'une responsabilité contractuelle et de la possibilité d'exclure un opérateur qui enfreint les règles convenues. Les systèmes de « preuve d'autorité » répondent à ce besoin en limitant la production de blocs aux participants agréés dont l'identité ou la réputation institutionnelle est connue.

Il ne s'agit pas ici de décentralisation au sens où l'entendent le Bitcoin ou l'Ethereum. Il s'agit d'un modèle de gouvernance autorisé, mis en œuvre grâce à la technologie des registres distribués. La documentation d'Ethereum décrit la « preuve d'autorité » comme reposant sur des signataires autorisés plutôt que sur une participation fondée sur la mise en jeu de jetons, et précise qu'elle est principalement utilisée pour les réseaux privés, les systèmes de test et les environnements de développement locaux.

Cette limitation peut s'avérer justifiée. Un ensemble de validateurs contrôlé peut offrir des performances prévisibles et une responsabilité mieux définie. L'erreur consiste à présenter un tel système comme « sans tiers de confiance » alors qu'en réalité, les utilisateurs font confiance à un groupe bien défini d'institutions.

Ce que les acheteurs de réseaux devraient examiner

Les organisations qui évaluent une blockchain devraient commencer par examiner les conséquences d'une défaillance plutôt que de se focaliser sur le nom du mécanisme de consensus.

Un réseau de paiement ou de règlement doit garantir une finalité solide et apporter une réponse crédible en cas de transactions conflictuelles. Un réseau d’actifs public peut accorder davantage d’importance à la résistance à la censure et à la capacité des utilisateurs lambda à vérifier le registre. Un consortium d’entreprises peut privilégier la confidentialité, la gouvernance contractuelle et l’identification des opérateurs. Une application grand public peut accorder la priorité à des frais réduits et à une confirmation rapide, tout en dépendant néanmoins d’un réseau sous-jacent dont les utilisateurs perçoivent rarement la sécurité.

Parmi les questions pertinentes, on peut citer : qui peut devenir validateur, quel capital et quel matériel sont nécessaires pour participer, où se concentrent les mises en jeu ou la puissance de calcul, qui construit les blocs, comment les opérateurs sont-ils sanctionnés et que se passe-t-il lorsqu’un tiers de l’ensemble des validateurs se déconnecte ? Les acheteurs doivent également vérifier si le système dépend de ponts, de séquenceurs ou de services de sécurité externes qui ne font pas partie du protocole de consensus annoncé.

La performance environnementale continue de faire partie des critères d'évaluation, en particulier pour les institutions ayant pris des engagements en matière de climat. Elle ne doit pas se substituer à l'analyse de la gouvernance, de la résilience opérationnelle et de la concentration.

Il n'y aura pas de mécanisme unique permettant de remporter la victoire

La « preuve d’enjeu » devrait rester le principe de base privilégié par de nombreux réseaux publics programmables, car elle offre une sécurité crypto-économique sans l’investissement énergétique requis par la « preuve de travail ». Il est peu probable que Bitcoin abandonne la « preuve de travail » simplement parce qu’un autre modèle consomme moins d’électricité : ses règles de consensus sont liées à une philosophie de sécurité différente, à son histoire monétaire et aux préférences de sa communauté.

Les systèmes autorisés continueront à recourir à des validateurs agréés lorsque la responsabilité juridique prime sur la participation ouverte. D’autres réseaux associeront le staking à une finalité tolérante aux pannes byzantines, à des systèmes de nomination, à une sécurité partagée ou à des créateurs de blocs spécialisés.

Les évolutions les plus importantes ne porteront peut-être plus de noms tels que « preuve de travail » ou « preuve d’enjeu ». Elles porteront sur la manière dont la production des blocs est répartie, la rapidité avec laquelle les transactions deviennent définitives, la possibilité pour les petits réseaux de louer une sécurité économique et la capacité des participants ordinaires à continuer de vérifier le système sans dépendre d’une poignée d’intermédiaires.

Le consensus blockchain gagne en efficacité, mais se complexifie également. Les réseaux qui perdureront ne seront pas nécessairement ceux qui affichent les blocs les plus rapides ou le plus grand nombre nominal de validateurs. Ce seront ceux qui seront capables d’expliquer où repose en fin de compte leur confiance, et de résister à un examen minutieux à ce sujet.