Qu'est-ce que la preuve de travail (PoW)?

Le protocole de preuve de travail (PoW), bien qu'il ne soit pas récent, a connu un essor considérable avec la multiplication des actifs numériques. Il fonctionne comme un péage numérique destiné à dissuader les comportements malveillants au sein d'un réseau distribué. Comment ? En exigeant de l'utilisateur qu'il prouve avoir fourni du temps et de l'énergie avant d'être autorisé à effectuer une action.

Ce système repose sur un échange d'efforts. Le réseau exige du client qu'il résolve un problème mathématique complexe nécessitant une puissance de calcul considérable. Une fois la solution trouvée, les autres nœuds la valident quasi instantanément. Si la solution est correcte, l'accès aux ressources du système est accordé. Cette barrière d'accès empêche un attaquant de saturer l'infrastructure de requêtes incessantes, ce qui paralyserait n'importe quel service classique en quelques secondes.

Pour un exemple concret, pensez aux captchas qui s'affichent lors de votre inscription sur un site web espagnol. Le serveur vous propose un défi que vous, humain, résolvez en quelques secondes, mais qu'une machine peine à traiter à grande échelle. En informatique, le défi ne peut être visuel ; on recourt donc aux mathématiques. Il doit être suffisamment complexe pour être payant, mais suffisamment simple pour éviter la saturation du système.

La magie de cette stratégie réside dans son asymétrie. Le client déploie des efforts considérables pour trouver la solution – un processus gourmand en ressources de calcul – tandis que le réseau consacre très peu de ressources à la vérification de la validité du résultat. C'est comme résoudre un Sudoku : trouver les bons chiffres peut prendre une heure, mais quelqu'un qui possède déjà la grille complète peut vérifier si vous avez fait une erreur en seulement trois secondes.

Satoshi Nakamoto n'a pas inventé la roue ; il a simplement choisi la meilleure pour son véhicule. Lors de la conception de l'architecture de sa célèbre cryptomonnaie, il a remis au goût du jour le système HashCash, une implémentation de preuve de travail initialement développée pour lutter contre le spam. Ce qui servait autrefois à endiguer les courriers indésirables est aujourd'hui la pierre angulaire qui garantit l'immuabilité et la sécurité de l'émission de nouveaux jetons au sein des réseaux décentralisés. Actuellement, ce mécanisme demeure la référence pour ceux qui privilégient une sécurité maximale à la rapidité des transactions.

L'origine de la résistance : la naissance des algorithmes de preuve de guerre

Au début des années 90, Internet commençait déjà à s'introduire dans les foyers, mais son développement a engendré l'un des fléaux les plus persistants du web : le spam. Ce que nous filtrons aujourd'hui presque inconsciemment avec un dossier de "Courrier indésirable" En 1992, il s'agissait d'un problème technique majeur susceptible de paralyser des serveurs entiers. Les systèmes de messagerie n'étaient pas préparés à un tel afflux de messages, empêchant fréquemment des milliers d'utilisateurs de communiquer.

Comment arrêter quelqu'un qui peut envoyer des millions de messages gratuitement ? La réponse ne vient pas d'un ingénieur système, mais du monde universitaire. En 1993, Cynthia dwork et Moni Naor publia un essai qui allait changer la donne : «Tarification par traitement ou lutte contre le courrier indésirable»Sa thèse était aussi perturbatrice que logique : si l'envoi d'un courriel ne requiert qu'un effort minimal, la solution consiste à imposer un péage numérique.

La proposition consistait à obliger l'expéditeur à résoudre un problème mathématique avant que le serveur n'accepte le message. Dwork et Naor ont conçu une série de tests informatiques, comme le calcul de racines carrées spécifiques ou l'utilisation intensive de fonctions de hachage. En joignant la solution à ce problème dans l'en-tête du courriel, le destinataire pouvait vérifier en quelques millisecondes que l'expéditeur n'était pas un robot envoyant des spams à tout-va, mais une personne ayant « payé » avec du temps processeur.

Si la procédure était correctement effectuée, le courriel passait la douane ; sinon, il était supprimé. Ce système n'avait pas pour but d'interdire l'envoi de courriels, mais plutôt de le rendre économiquement prohibitif pour les pirates. Une seconde de temps de calcul par courriel est négligeable pour vous si vous envoyez dix messages par jour, mais pour un spammeur qui doit en envoyer des millions, le coût en matériel et en électricité devient prohibitif.

Malgré l'élégance de la solution, le monde n'était pas encore prêt pour son déploiement à grande échelle. Il a fallu plusieurs années et l'évolution du matériel informatique grand public pour que ces idées s'enracinent et deviennent le fondement de la sécurité des premières cryptomonnaies. Aujourd'hui, nous considérons cette étape comme le premier pas vers la décentralisation, où la confiance n'est plus déléguée à une entreprise, mais aux lois de la thermodynamique et des mathématiques.

Pensez-vous qu'un système basé sur les coûts de traitement soit encore viable aujourd'hui avec l'avènement de l'informatique quantique ?

La création de HashCash

Le prochain bond en avant évolutif a eu lieu en 1997 grâce à Adam Back, une figure emblématique du mouvement crypto-anarchiste. Sa création, le protocole HashCashIl a transformé des théories académiques antérieures en un outil pratique pour la résilience numérique. Curieusement, bien que l'on associe aujourd'hui Back au concept de preuve de travail, ce terme précis n'apparaissait même pas dans son annonce initiale.

Ce que Back a introduit, c'est un concept technique désormais courant dans le secteur : la « protection contre la double dépense ». David Chaum Back avait déjà exploré cette idée des années auparavant dans ses expériences avec la monnaie électronique privée ; il l'avait intégrée dans un système où le coût ne dépendait pas d'une autorité centrale, mais de la puissance de calcul de l'ordinateur lui-même.

HashCash fonctionnait d'une manière aussi simple qu'impitoyable. Pour envoyer un e-mail, votre équipe devait résoudre un problème mathématique complexe basé sur des fonctions de hachage. Une fois la solution trouvée, elle était « estampillée » dans l'en-tête du message. À l'arrivée sur le serveur de destination, l'estampille était vérifiée instantanément. Si elle était valide, l'e-mail était distribué ; sinon, il était immédiatement rejeté.

Mais voici le point essentiel : Cet effort de calcul n'était pas abstrait ; il avait un reflet direct dans le monde physique.On estimait que la production de ce timbre coûtait environ un centime d'électricité par message. Pour vous, envoyer dix ou vingt courriels par jour représente une dépense négligeable, quasiment imperceptible sur votre facture d'électricité.

Cependant, pour un attaquant cherchant à inonder le réseau de millions de spams, la situation changeait radicalement. Le spam, au lieu d'être une activité lucrative, devenait un gouffre financier. C'est ainsi que la technologie a commencé à exploiter les lois de la thermodynamique pour mettre de l'ordre dans le chaos numérique. Aujourd'hui, ce principe de « combustion d'énergie » demeure le fondement de la sécurité des principales cryptomonnaies du marché, démontrant que, parfois, la meilleure façon de protéger un système est de rendre sa corruption prohibitive.

Étant donné que HashCash a été créé pour le courrier électronique, pouvez-vous imaginer comment Internet aurait changé s'il avait été implémenté par défaut dans tous les navigateurs dès le départ ?

La naissance du terme preuve de travail

C'était finalement en 1999, quand Markus Jacobson y Ari juels ils ont écrit un document intitulé "Protocoles de preuve de travail et de pouding au pain". Et ainsi le terme a été inventé "Epreuve de travail". Jakobsson et Juels déclarent qu'un système de preuve de travail est:

Il s'agit d'un protocole dans lequel un bon démontre à un vérificateur qu'il a dépensé un certain niveau d'effort de calcul dans un intervalle de temps spécifique. Bien qu'elle ne soit pas définie comme telle ou formellement adressée, la preuve de travail a été proposée comme mécanisme pour divers objectifs de sécurité, notamment la mesure de l'accès au serveur, la construction de capsules temporelles numériques et la protection contre l'envoi de courrier. spam et autres attaques par déni de service.

Markus Jakobsson et Ari Juels
Preuve de travail et protocoles de pouding au pain (1999) - Page 2

En outre, ce travail approfondit la capacité des épreuves de travail de ajouter des couches de sécurité. Qui servent à garantir des services critiques où la sécurité est très importante.

La preuve de travail arrive à Bitcoin

Satoshi Nakamoto a publié le document technique de Bitcoin le 31 octobre 2008. Dans ce document, Nakamoto était clair que la preuve de travail était un élément clé du protocole Bitcoin. Dans le résumé du livre blanc de Bitcoin Nous pouvons lire ce qui suit:

Nous proposons une solution au problème de la double dépense en utilisant un réseau peer-to-peer. Le réseau échelonne les transactions en les regroupant dans une chaîne de preuve de travail basée sur le hachage, formant un enregistrement qui ne peut pas être modifié sans refaire la preuve de travail.
Satoshi Nakamoto

Bitcoin: un système de trésorerie électronique de pair à pair (2008) – Résumé

De cette façon, Nakamoto a utilisé le travail d'Adam Back, puisque Bitcoin utilise le protocole HashCash. Avec cela, il a fini par révolutionner le monde, présentant une technologie totalement innovante, la la blockchain en terrain de jeuCette technologie lui a permis de créer sa célèbre invention, et celle-ci a évolué jusqu'à aujourd'hui.

En utilisant le protocole de preuve de travail, chaque nouveau bloc créé doit résoudre un casse-tête mathématique qui ne peut être résolu que par essais et erreurs. Ces énigmes sont résolues par les mineurs, faisant des millions de tentatives. La résolution du puzzle entraînera la création du bloc, la confirmation des transactions impliquées dans ce bloc et la génération de nouveaux bitcoins que le mineur recevra en récompense ainsi que les commissions implicites dans chacune des transactions.

Le problème mathématique consiste à trouver les paramètres qui donnent un certain résultat.. La particularité de ce résultat est qu'il s'agit d'un hachage, il est donc impossible d'obtenir les paramètres initiaux à partir du hachage, ils ne peuvent être générés que par essais et erreurs.

Comment fonctionne le protocole PoW?

La preuve de travail fonctionne très simplement. En fait, le processus réalisé peut être divisé en les grandes étapes suivantes:

1. Étape 1: Le client ou nœud établit une connexion au réseau. À ce stade, le réseau vous attribue une tâche coûteuse en calcul. Cette tâche doit être résolue afin de recevoir une incitation financière.
2. Étape 2: La résolution de casse-tête commence. Cela implique l'utilisation d'une grande puissance de calcul pour résoudre le puzzle livré. Ce processus est ce qu'on appelle minage.
3. Étape 3: Une fois la tâche de calcul résolue, le client la partage avec le réseau pour vérification. À ce stade, il est rapidement vérifié que la tâche répond aux exigences requises. Cela permet d'accéder aux ressources du réseau. Sinon, l'accès et la solution présentés au problème sont rejetés. C'est à ce stade que les contrôles de protection contre les doubles dépenses sont effectués. Une protection qui empêche qu'une tâche déjà affectée et vérifiée par le réseau ne soit présentée plus d'une fois.
4. Étape 4: Avec la confirmation que la tâche est terminée, le client accède aux ressources réseau. Grâce à cela, vous recevez un bénéfice pour le travail de calcul effectué.

Ce sont ces quatre étapes qui permettent et modélisent le fonctionnement du Proof of Work. La facilité de ce modèle permet de le transférer vers différents logiciels pour profiter de son potentiel. Mais c'est dans les blockchains que l'on observe une plus grande utilité, offrant des niveaux de sécurité exceptionnels malgré la faible complexité du protocole. Et en même temps, permettant à des millions de personnes de participer simultanément au réseau.

Fonctionnalités du protocole PoW

1. C'est un protocole très sécurisé. La preuve de travail garantit des niveaux de sécurité élevés, si le réseau se compose de milliers de mineurs. En fait, plus il y a de mineurs, plus le réseau est sécurisé. Cela le rend idéal pour la création d'énormes réseaux distribués.
2. Il est simple et très facile à mettre en œuvre de manière algorithmique. L'un des principaux avantages de PoW est qu'il est très facile à mettre en œuvre. Cette facilité se traduit par une maintenance aisée du logiciel qui l'utilise. En plus de permettre des audits de manière beaucoup plus simple afin de maintenir la sécurité du réseau.
3. Facilement adaptable aux besoins matériels, être capable de concevoir la résistance à certains équipements (ASIC, GPU, FPGA, Processeur). Un autre avantage du protocole est son adaptabilité à la technologie. Elle peut être rendue plus facile ou plus difficile, afin de l'adapter aux avancées technologiques. Permettre à l'évolution du matériel de ne pas laisser derrière lui la difficulté du minage. Ce qui finit donc par centraliser la puissance minière chez ceux qui disposent d'un matériel plus récent et plus puissant.
4. Excellente résistance à Attaques par déni de service. La principale raison de la création de protocoles PoW était; éviter le déni de services. Une tâche qu'ils remplissent parfaitement et que les schémas de protocole actuels se sont grandement améliorés.
5. Le système consomme une grande quantité d'énergie électrique. Le travail intensif en calcul de PoW nécessite de grandes quantités d'énergie électrique. Les estimations placent la consommation à 24 térawatts d'énergie par an et continueront d'augmenter à mesure que davantage d'énergie sera nécessaire pour effectuer ce travail intensif.

En outre, vous pouvez examiner plus de fonctionnalités de ce protocole et examiner les similitudes et les différences qu'il présente par rapport au protocole Proof of Stake dans le Comparaison PoW PoS que vous trouverez dans cet article complet.

FAQ – Qu’est-ce que la preuve de travail (PoW) ?