Proof of Stake (PoS) expliqué

La validation des transactions par la puissance de calcul n'est plus la seule option pour atteindre le consensus sur une blockchain. Le Proof of Stake (PoS) est apparu comme un mécanisme alternatif populaire. Le PoS exige que les validateurs mettent en jeu leurs pièces plutôt que d'effectuer des calculs complexes. Cela réduit considérablement la consommation d'énergie tout en améliorant la décentralisation, la sécurité et la scalabilité.

Malgré ces avantages, le PoS présente certains défis. L'accès aux cryptomonnaies peut rendre difficile la participation au staking pour certains. De plus, les blockchains à faible capitalisation peuvent être plus vulnérables à une attaque à 51%, où un seul utilisateur contrôle plus de la moitié des pièces mises en jeu du réseau. Néanmoins, le PoS reste un mécanisme de consensus très polyvalent qui peut être adapté à diverses blockchains et cas d'utilisation.

Fondamentaux

Aujourd'hui, le Proof of Stake est largement utilisé dans les réseaux blockchain, mais ses nombreuses variantes peuvent compliquer la compréhension de ses principes fondamentaux. Bien que le PoS ait évolué, il partage encore des concepts de base communs à toutes ses variantes. Comprendre clairement ces concepts clés est crucial pour prendre des décisions éclairées sur les blockchains à utiliser et leur fonctionnement.

Que signifie Proof of Stake ?

En 2011, un utilisateur du forum Bitcointalk a décrit l'algorithme de consensus Proof of Stake comme une alternative à l'algorithme Proof of Work. Le PoS a été conçu pour remédier aux limites du PoW dans l'obtention du consensus sur la blockchain. Contrairement au PoW, où les utilisateurs doivent fournir une preuve computationnelle, les participants au PoS n'ont qu'à prouver qu'ils ont mis des pièces en jeu.

Comment fonctionne le Proof of Stake ?

Dans les algorithmes PoS, les validateurs sont choisis via un processus d'élection pseudo-aléatoire qui prend en compte des facteurs tels que l'ancienneté du stake, la richesse du nœud et un élément de hasard. Contrairement aux systèmes PoW, le PoS « forge » des blocs au lieu de les miner, bien que le terme « minage » soit parfois encore utilisé. Pour permettre une participation immédiate, la plupart des cryptomonnaies PoS commencent avec une offre de pièces « pré-forgées ».

Pour participer au processus de forge, les utilisateurs doivent verrouiller une certaine quantité de pièces dans le réseau comme leur mise. La taille du stake détermine les chances d'un nœud d'être choisi comme prochain validateur : plus la mise est importante, plus les chances augmentent. Pour empêcher les nœuds les plus riches de dominer le processus de sélection, des méthodes uniques telles que la sélection aléatoire de blocs et la sélection par âge de pièce sont employées.

Sélection aléatoire de blocs

Les nœuds sont sélectionnés pour valider des blocs dans les systèmes Proof of Stake en utilisant différentes méthodes, dont la sélection aléatoire de blocs. Cette méthode choisit les validateurs en trouvant les nœuds ayant la valeur de hash la plus basse et le plus grand stake. La taille du stake étant une information publique, il est possible pour d'autres nœuds de prédire le prochain validateur.

Sélection par âge de pièce

Les nœuds sélectionnés selon la méthode d'âge de pièce sont choisis en fonction de la durée pendant laquelle leurs jetons ont été mis en jeu, calculée en multipliant le nombre de jours de staking par le nombre de pièces en jeu. Après avoir forgé un bloc, l'âge en pièce du nœud est remis à zéro et il doit attendre une certaine période avant de pouvoir forger un autre bloc. Cette période d'attente garantit que les nœuds avec de gros stakes ne dominent pas la blockchain.

Validation des transactions

L'algorithme Proof of Stake est propre à chaque cryptomonnaie et est conçu pour constituer la meilleure combinaison possible pour le réseau et ses utilisateurs. Lorsqu'un nœud est sélectionné pour forger le bloc suivant, il vérifiera la validité des transactions du bloc, signera le bloc et l'ajoutera à la blockchain. Le nœud est ensuite récompensé par les frais de transaction du bloc et, dans certaines blockchains, par une récompense en pièces. Si un nœud décide d'arrêter de forger, son stake et ses récompenses seront libérés après une période spécifique, permettant au réseau de vérifier qu'aucun bloc frauduleux n'a été ajouté.

Blockchains Proof of Stake

Le mécanisme de consensus connu sous le nom de Proof of Stake est répandu dans de nombreuses blockchains apparues après Ethereum. Chaque réseau modifie le mécanisme pour répondre à ses besoins spécifiques. Ethereum est déjà passé au Proof of Stake via Ethereum 2.0. Plusieurs réseaux blockchain, tels que BNB Smart Chain, Solana, Avalanche et Polkadot, utilisent une version du mécanisme de consensus Proof of Stake.

Avantages du Proof of Stake

Le Proof of Stake est souvent préféré au Proof of Work en raison de ses nombreux bénéfices. Ces avantages incluent l'adaptabilité, la décentralisation, l'efficacité énergétique, la scalabilité et la sécurité.

Adaptabilité

Un des avantages majeurs du Proof of Stake est son adaptabilité. Il peut être modifié pour répondre aux besoins changeants des utilisateurs et des blockchains, ce qui en fait un mécanisme de consensus polyvalent. En conséquence, de nombreuses adaptations du Proof of Stake ont émergé, répondant à différents cas d'utilisation blockchain.

Décentralisation

Un autre avantage est la décentralisation offerte par le Proof of Stake. Comme il est moins coûteux pour les utilisateurs d'exécuter des nœuds, davantage de personnes sont incitées à le faire. Le processus de randomisation favorise également la décentralisation, réduisant le besoin de pools de staking. Même si les pools de staking existent, il y a beaucoup plus de chances pour un individu de forger avec succès un bloc sous Proof of Stake.

Efficacité énergétique

Le Proof of Stake est incroyablement économe en énergie comparé au Proof of Work. Le coût de participation dépend du coût économique des pièces mises en jeu, plutôt que du coût computationnel de résolution d'énigmes. Cela rend le mécanisme moins gourmand en ressources et moins coûteux à exploiter.

Scalabilité

Le Proof of Stake est également plus évolutif puisqu'il ne repose pas sur des machines physiques pour générer le consensus. Ajouter davantage de validateurs au réseau est plus simple, moins cher et plus accessible. Il n'y a pas besoin d'énormes fermes de minage ni d'importantes sources d'énergie.

Sécurité

Le Proof of Stake offre un niveau élevé de sécurité pour le réseau. Le staking agit comme un incitatif financier pour les validateurs afin d'éviter le traitement de transactions frauduleuses. Les validateurs perdent une partie de leur mise et leur droit de participation future si le réseau détecte une transaction frauduleuse. Pour contrôler le réseau et approuver des transactions frauduleuses, un nœud devrait posséder une mise majoritaire sur le réseau, également connue sous le nom d'attaque à 51%. Cependant, cela est presque impossible pour une cryptomonnaie de grande valeur, car acquérir 51% de l'offre en circulation serait coûteux.

Inconvénients du Proof of Stake

Le Proof of Stake présente certaines faiblesses malgré les avantages qu'il offre par rapport au Proof of Work.

Forks

Un inconvénient du Proof of Stake est la question des forks. Alors que miner les deux branches d'un fork sur un réseau Proof of Work entraîne une dépense d'énergie gaspillée, le faire sur un réseau Proof of Stake coûte beaucoup moins, rendant possible le fait de « parier » sur les deux côtés du fork.

Accessibilité

Un autre problème du Proof of Stake est l'accessibilité. Pour participer au staking, il faut posséder le jeton natif du blockchain. Cela peut nécessiter un investissement important selon la quantité requise, car les jetons doivent être achetés via un échange ou d'autres moyens. Avec le Proof of Work, on peut commencer à gagner des récompenses rapidement en achetant ou louant du matériel de minage peu coûteux et en rejoignant un pool.

Risque d'attaque à 51%

Une attaque à 51% est une menace potentielle pour les réseaux Proof of Work et Proof of Stake, mais elle peut être plus facile à exécuter sur un réseau Proof of Stake. Si la valeur d'un jeton chute ou si le réseau a une faible capitalisation boursière, il peut être relativement peu coûteux d'acheter plus de 50% des jetons et de prendre le contrôle du réseau.

PoW vs. PoS

Une comparaison des deux mécanismes de consensus, Proof of Work et Proof of Stake, révèle des différences fondamentales.

Le Proof of Work nécessite du matériel de minage, tandis que le Proof of Stake demande peu ou pas d'équipement. La consommation d'énergie est élevée avec le Proof of Work, mais faible avec le Proof of Stake. Le Proof of Work tend vers la centralisation, tandis que le Proof of Stake favorise la décentralisation.

La méthode de validation pour le Proof of Work est la preuve computationnelle, tandis que le Proof of Stake repose sur la mise en jeu de pièces. Malgré ces différences, il existe de nombreuses variations des mécanismes Proof of Stake à travers les blockchains, et le mécanisme exact utilisé déterminera de nombreuses différences.

Mécanismes de consensus hybrides basés sur PoS

Le mécanisme Proof of Stake est hautement personnalisable pour répondre aux besoins spécifiques d'une blockchain. Diverses adaptations sont couramment observées, dont certaines sont listées ci-dessous :

Delegated Proof of Stake ou DPoS

Les utilisateurs peuvent participer au staking de pièces en Delegated Proof of Stake sans devenir validateurs. Ils peuvent déléguer leurs pièces à un validateur et partager les récompenses de bloc. Les chances de sélection d'un validateur augmentent avec le nombre de délégateurs qui le soutiennent. Les validateurs peuvent ajuster la part reversée aux délégateurs comme incitation, et leur réputation est également cruciale pour attirer des délégateurs.

Nominated Proof of Stake ou NPoS

Le Nominated Proof of Stake de Polkadot est un mécanisme de consensus similaire au Delegated Proof of Stake mais avec une différence clé. Dans le NPoS, si un nominant met en jeu derrière un validateur malveillant, il risque de perdre sa mise. Les nominants peuvent choisir jusqu'à 16 validateurs derrière lesquels staker. Le réseau répartira ensuite leur mise équitablement entre les validateurs choisis. Polkadot utilise des théories du jeu et des élections pour déterminer qui forge un nouveau bloc.

Proof of Staked Authority ou PoSA

La BNB Smart Chain implémente le mécanisme Proof of Staked Authority pour atteindre le consensus du réseau. Ce modèle de consensus combine Proof of Authority et Proof of Stake, où les validateurs alternent la forge des blocs. 21 validateurs actifs, qui ont mis en jeu ou auquel on a délégué une quantité substantielle de BNB, sont éligibles à participer au processus de consensus. L'ensemble des validateurs est sélectionné quotidiennement et stocké par BNB Chain.

Conclusion

L'ajout de blocs de transactions à un réseau s'est transformé depuis l'avènement du Bitcoin. Le système Proof of Stake a supprimé le besoin de puissance de calcul pour établir le consensus crypto, avec de nombreux bénéfices. L'histoire a prouvé le succès du Proof of Stake, indiquant que les réseaux Proof of Work, y compris Bitcoin, pourraient bientôt devenir rares. L'avenir semble appartenir au Proof of Stake, qui semble avoir une place pérenne sur le marché.