Un schéma de preuve de travail coopérative pour les protocoles de consensus distribués

Table des matières

1. Introduction

Cet article propose un raffinement du schéma traditionnel de preuve de travail (Proof-of-Work, PoW), qui consiste généralement à trouver un nonce produisant une sortie de hachage cryptographique avec un nombre spécifié de zéros en tête. L'innovation centrale est un schéma de preuve de travail coopérative conçu pour permettre à plusieurs utilisateurs autonomes de collaborer à la génération de la preuve de travail pour leurs propres transactions. Cette collaboration vise à établir un consensus sur l'ordre des transactions au sein d'un système de registre distribué.

La motivation principale est de s'éloigner du modèle minier compétitif basé sur les frais (où les mineurs rivalisent pour résoudre des énigmes et percevoir des frais) pour adopter un modèle coopératif basé sur une taxe (où les utilisateurs collaborent et paient une taxe). Les auteurs soutiennent que ce changement pourrait atténuer plusieurs problèmes :

• Réduction de la consommation énergétique : En remplaçant la concurrence acharnée par une coopération frugale, l'effort de calcul global (et donc la consommation d'énergie) pourrait être considérablement réduit.
• Augmentation du débit et équité : Une concurrence réduite entre les mineurs pourrait conduire à un traitement plus rapide des transactions et moins de risques de discrimination envers certains groupes d'utilisateurs.
• Sécurité renforcée : Les attaques par déni de service (DoS) deviennent plus coûteuses pour l'attaquant en raison de la taxe sur les transactions inhérente au système.

Le schéma est présenté comme une solution native à la coopération, contrastant avec les mécanismes externes existants comme les pools de minage, qui peuvent souffrir de problèmes d'alignement des incitations.

2. Consensus

Cette section établit le problème fondamental : atteindre un consensus distribué dans un réseau pair-à-pair sans autorité centrale. Les pairs communiquent via un protocole de diffusion (gossiping) et doivent maintenir un registre partagé et convenu des transactions.

Le défi central est le délai de propagation des messages. Dans un environnement idéal à faible fréquence de transactions, un consensus pourrait être atteint en observant une pause soutenue dans le trafic réseau — un « arrêt complet » — indiquant que tous les pairs ont probablement vu le même ensemble de messages. Ces messages pourraient alors être ordonnés de manière canonique (par exemple, par hachage) et ajoutés au registre.

Cependant, les fréquences de transactions réelles sont trop élevées pour ce schéma simple. C'est là que la preuve de travail agit comme un limiteur de fréquence. En exigeant la résolution d'une énigme coûteuse en calcul pour chaque transaction (ou bloc de transactions), la PoW réduit artificiellement le rythme auquel de nouveaux événements de consensus peuvent être proposés. La difficulté de l'énigme peut être calibrée pour atteindre la faible fréquence nécessaire au mécanisme de consensus « basé sur la pause » pour fonctionner efficacement sur l'ensemble du réseau.

3. Preuve de travail coopérative

L'article formalise le schéma coopératif proposé. Bien que les détails mathématiques complets soient présentés dans la section suivante, le changement conceptuel est clair. Au lieu de mineurs individuels rivalisant pour résoudre une énigme et obtenir une récompense de bloc, les utilisateurs formant un ensemble de transactions travaillent ensemble pour générer une seule preuve de travail pour cet ensemble.

Le mécanisme doit garantir que :

1. La coopération est vérifiable et sécurisée.
2. Le travail collectif atteint l'objectif de difficulté du réseau.
3. Le consensus résultant sur l'ordre des transactions est contraignant et inviolable.

La « taxe sur les transactions » proposée remplace les « frais de transaction ». Cette taxe est payée par les utilisateurs participant à la session de minage coopératif, internalisant ainsi le coût de la formation du consensus au sein du groupe d'utilisateurs plutôt que de l'externaliser vers une classe distincte de mineurs.

4. Idée centrale et analyse

Idée centrale : L'article de Kuijper n'est pas seulement un ajustement de la PoW ; c'est une réarchitecture fondamentale des structures d'incitation de la blockchain. La véritable percée est de reconnaître que la valeur principale de la PoW dans le consensus n'est pas seulement le « travail » mais le travail en tant que dispositif de limitation de débit. Le modèle coopératif inverse la logique en faisant de cette limitation de débit un processus collaboratif et piloté par les utilisateurs, plutôt que compétitif et piloté par les mineurs. Cela s'attaque directement à la cause profonde du dilemme énergétique de Bitcoin — non pas le hachage lui-même, mais la course économique qui exige toujours plus de hachage.

Enchaînement logique : L'argumentation suit une logique élégante : 1) Le consensus nécessite une faible fréquence d'événements, 2) La PoW impose une faible fréquence via un coût, 3) Par conséquent, l'entité supportant le coût contrôle le rythme du consensus. La PoW traditionnelle laisse les mineurs contrôler ce rythme pour le profit. Le schéma de Kuijper rend le contrôle aux utilisateurs en leur faisant supporter le coût (taxe) directement pour leurs propres transactions. Le passage de la contrainte technique (délai de propagation) à la solution économique (support coopératif des coûts) est convaincant.

Points forts et faiblesses : Sa force réside dans l'alignement élégant des incitations. En liant directement le coût du consensus aux initiateurs des transactions, il élimine les problèmes de valeur extractible par les mineurs (MEV) et de centralisation des pools qui affligent des systèmes comme Ethereum avant la fusion (Merge). Cependant, la faiblesse flagrante est le « problème d'amorçage » — comment initier la coopération dans un environnement sans confiance ? L'article élude cette question critique de coordination. Comme le montrent les analyses de théorie des jeux appliquées à la blockchain (par exemple, les travaux sur arXiv concernant la dynamique du consensus), atteindre une coopération spontanée et stable entre des acteurs rationnels et anonymes est notoirement difficile sans un échafaudage social ou algorithmique préexistant. Le schéma semble également supposer une homogénéité de la puissance de hachage des utilisateurs qui n'existe pas, ce qui pourrait conduire à de nouvelles formes de centralisation où les utilisateurs à forte puissance dominent les groupes coopératifs.

Perspectives exploitables : Pour les concepteurs de protocoles, le principal enseignement est d'explorer des modèles hybrides. Ne pas rejeter entièrement la PoW compétitive ; l'utiliser comme couche de repli ou pour des points de contrôle, tout en permettant la PoW coopérative pour des lots de transactions à haute fréquence et faible valeur. Implémenter un mécanisme de mise en jeu (staking) parallèlement au travail coopératif pour résoudre le problème d'amorçage — les utilisateurs doivent engager des jetons pour rejoindre une session coopérative, pénalisant ainsi les mauvais acteurs. Cela combine la sécurité de la Preuve d'enjeu (Proof-of-Stake, PoS) avec la limitation de débit de la PoW. De plus, le concept de « taxe sur les transactions » devrait être rigoureusement modélisé à partir de données réelles de systèmes de paiement pour trouver un taux optimal qui décourage le spam sans entraver l'utilisabilité.

5. Détails techniques et formalisation mathématique

Le schéma de preuve de travail coopérative peut être formalisé comme suit :

Soit $T = \{tx_1, tx_2, ..., tx_n\}$ un ensemble de transactions proposé par un groupe d'utilisateurs $U = \{u_1, u_2, ..., u_m\}$.

Soit $H(\cdot)$ une fonction de hachage cryptographique (par exemple, SHA-256). La PoW traditionnelle nécessite de trouver un nonce $N$ tel que pour un bloc $B$, $H(B || N) < D$, où $D$ est la cible de difficulté.

Dans le modèle coopératif, le « bloc » est l'ensemble de transactions convenu $T$. L'énigme est résolue collectivement. Chaque utilisateur $u_i$ contribue une solution partielle (une « part ») $s_i$. La preuve de travail collective $P$ est une fonction de toutes les parts et de l'ensemble de transactions :

$P = F(T, s_1, s_2, ..., s_m)$

La condition pour une preuve de travail coopérative valide devient :

$H(P) < D$

La fonction $F$ doit être construite de telle sorte que :

1. Elle nécessite un effort de calcul combiné significatif de la majorité de $U$ pour trouver des entrées $s_i$ produisant $H(P) < D$.
2. Elle permette de vérifier que tous les $u_i \in U$ ont contribué à $P$.
3. Elle empêche tout utilisateur unique ou petit sous-ensemble de dominer la solution ou de forger la participation des autres.

Une construction potentielle pour $F$ pourrait impliquer des schémas itératifs de type multi-signature ou des fonctions à délai vérifiable (Verifiable Delay Functions, VDF) combinées à des engagements de hachage, garantissant que le travail est séquentiel et doit être contribué par différentes parties.

6. Cadre d'analyse et exemple de cas

Cadre : Évaluation des changements de mécanismes de consensus

Nous pouvons analyser cette proposition en utilisant un cadre comparant les dimensions clés :

Exemple de cas : Lot de microtransactions

Imaginez que 1000 utilisateurs souhaitent effectuer des paiements fréquents et de faible montant (par exemple, au sein d'un marché de données IoT).

• PoW traditionnelle : Chaque transaction attend qu'un mineur l'inclue dans un bloc, en concurrence avec d'autres pour la priorité des frais. Latence élevée, coût effectif élevé.
• PoW coopérative : Ces 1000 utilisateurs forment un groupe temporaire. Ils travaillent collectivement sur une seule PoW pour un bloc contenant toutes leurs transactions. Le travail est distribué, donc le coût individuel est faible. Une fois la PoW résolue, le bloc est propagé. La « taxe » payée est répartie entre eux, probablement inférieure aux frais individuels. Le consensus sur l'ordre de leur lot est atteint directement.

Ce cas met en lumière le potentiel d'augmentation du débit dans des scénarios spécifiques à volume élevé et faible valeur.

7. Perspectives d'application et orientations futures

Perspectives d'application :

• Blockchains de consortium à autorisation : Cadre idéal où les participants sont connus et ont une relation préexistante, résolvant le problème d'amorçage. Utile pour les chaînes d'approvisionnement ou les registres interbancaires.
• Solutions de mise à l'échelle de couche 2 : Le schéma coopératif pourrait être utilisé pour atteindre un consensus au sein d'un ensemble de participants à un canal d'état (state channel) ou à une sidechain, avec un règlement périodique sur une chaîne principale.
• Oracles de données décentralisés : Des groupes de nœuds oracle pourraient utiliser la PoW coopérative pour atteindre un consensus sur la valeur d'un point de données avant de la soumettre sur la chaîne, ajoutant un coût aux fausses déclarations.

Orientations de recherche futures :

1. Preuves de sécurité formelles : Le schéma nécessite une analyse cryptographique rigoureuse pour prouver sa sécurité contre les attaques Sybil, les collusions et d'autres modèles de menace dans des conditions réseau réalistes.
2. Conception de mécanismes pour la formation de groupes : Comment les groupes coopératifs se forment-ils dynamiquement ? Des recherches sont nécessaires sur l'appariement algorithmique de groupes, utilisant potentiellement des idées de la théorie des appariements ou des processus stochastiques.
3. Intégration avec d'autres modèles de consensus : Exploration d'hybrides avec la Preuve d'enjeu (PoS) ou la Preuve d'autorité (Proof-of-Authority, PoA) pour la sélection des groupes ou la couche de finalité.
4. Quantification de l'impact énergétique : Construction de modèles de simulation détaillés pour quantifier les économies d'énergie potentielles par rapport à la PoW traditionnelle sous divers scénarios d'adoption et de charge transactionnelle.

8. Références

1. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.
2. Demers, A., et al. (1987). Epidemic Algorithms for Replicated Database Maintenance. Proceedings of the Sixth Annual ACM Symposium on Principles of Distributed Computing.
3. Eyal, I., & Sirer, E. G. (2014). Majority is not Enough: Bitcoin Mining is Vulnerable. International Conference on Financial Cryptography and Data Security.
4. Back, A. (2002). Hashcash - A Denial of Service Counter-Measure.
5. Buterin, V., et al. (2014). A Next-Generation Smart Contract and Decentralized Application Platform. Ethereum White Paper.
6. King, S., & Nadal, S. (2012). PPCoin: Peer-to-Peer Crypto-Currency with Proof-of-Stake.
7. Zhu, J., et al. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks. Proceedings of the IEEE International Conference on Computer Vision (ICCV). (Référence CycleGAN pour l'analyse de structure adversaire/de coordination)