Babylon : Réutiliser le minage Bitcoin pour renforcer la sécurité des protocoles Proof-of-Stake

1.1. Du Proof-of-Work au Proof-of-Stake

La sécurité de Bitcoin repose sur une immense puissance de calcul (environ $1.4 \times 10^{21}$ hachages/sec), rendant les attaques prohibitivement coûteuses mais au prix d'une consommation énergétique considérable. En revanche, les blockchains Proof-of-Stake (PoS) comme Ethereum 2.0, Cardano et Cosmos sont économes en énergie et offrent des fonctionnalités comme la finalité rapide et la responsabilité via les pénalités sur les mises. Cependant, cette transition introduit de nouveaux défis de sécurité.

1.2. Problèmes de sécurité du Proof-of-Stake

L'article identifie des limitations fondamentales pour atteindre une sécurité cryptéconomique minimisant la confiance dans les systèmes PoS purs :

• Attaques à longue portée non pénalisables : Des adversaires peuvent utiliser d'anciens jetons acquis à bas prix pour réécrire l'historique après le retrait des mises, une prouesse impossible en PoW en raison de la difficulté cumulative.
• Censure et blocage non pénalisables : Certaines attaques sur la vivacité ne peuvent pas être pénalisées économiquement.
• Problème d'amorçage : Les nouvelles chaînes PoS avec une faible valorisation de leurs jetons manquent de sécurité intrinsèque.

Les auteurs postulent qu'aucun protocole PoS ne peut fournir une sécurité avec pénalités sans hypothèses de confiance externes.

2.1. Architecture centrale et minage fusionné

Les mineurs Babylon effectuent un minage fusionné avec Bitcoin. Ils intègrent des données liées à Babylon (par exemple, des points de contrôle de chaîne PoS) dans les blocs Bitcoin qu'ils minent déjà. Cela confère à Babylon le même niveau de sécurité que Bitcoin à coût énergétique marginal nul.

2.2. Service d'horodatage avec disponibilité des données

Le service central que Babylon fournit aux chaînes PoS est un service d'horodatage avec disponibilité des données. Les chaînes PoS peuvent horodater :

• Les points de contrôle de blocs (pour la finalité)
• Les preuves de fraude
• Les transactions censurées

Une fois les données horodatées sur Bitcoin via Babylon, elles héritent de l'immuabilité et de la résistance à la censure de Bitcoin, utilisant ainsi efficacement Bitcoin comme une ancre robuste.

3.1. Théorème de sécurité cryptéconomique

La sécurité d'un protocole PoS amélioré par Babylon est formellement capturée par un théorème de sécurité cryptéconomique. Ce théorème modélise des validateurs rationnels, motivés économiquement, et définit la sécurité en termes de coût requis pour violer la sécurité ou la vivacité, en tenant compte des pénalités.

3.2. Sécurité et vivacité avec pénalités

L'analyse formelle démontre que Babylon permet :

• Sécurité avec pénalités : Toute violation de sécurité (par exemple, une attaque à longue portée créant un point de contrôle conflictuel) peut être prouvée cryptographiquement, et la mise du validateur fautif peut être pénalisée. Le coût pour attaquer la sécurité dépense la pénalité.
• Vivacité avec pénalités : Certaines classes d'attaques sur la vivacité (par exemple, la censure persistante des demandes d'horodatage) deviennent également identifiables et punissables.

Cela fait passer la sécurité PoS d'une hypothèse de "majorité honnête" à une hypothèse économique et vérifiable.

4.1. Analyse originale : Idée centrale et raisonnement logique

Idée centrale : Le génie de Babylon ne réside pas seulement dans le consensus hybride ; il réside dans la reconnaissance de la puissance de hachage de Bitcoin comme un actif sous-utilisé, un coût irrécupérable. Au lieu de concurrencer ou de remplacer Bitcoin, Babylon exploite de manière parasitaire son budget de sécurité de plus de 20 milliards de dollars pour résoudre les problèmes les plus insolubles du PoS. Il s'agit d'une stratégie classique de "symbiose plutôt que substitution", rappelant la manière dont les solutions de couche 2 comme le Lightning Network exploitent la couche de base de Bitcoin plutôt que de la réinventer.

Raisonnement logique : L'argument est tranchant : 1) Le PoS pur ne peut atteindre seul une sécurité avec pénalités (un résultat négatif qu'ils affirment). 2) La confiance externe (par exemple, le consensus social) est maladroite et lente. 3) Bitcoin offre la source de confiance externe la plus coûteuse, décentralisée et robuste qui existe. 4) Par conséquent, il faut horodater l'état PoS sur Bitcoin pour hériter de ses propriétés de sécurité. Le saut logique de l'étape 3 à 4 est là où réside l'innovation : rendre cet horodatage efficace et cryptéconomiquement solide via le minage fusionné.

Forces et faiblesses : La principale force est la réutilisation élégante des ressources. C'est un multiplicateur de force pour la sécurité PoS. Le modèle de sécurité formel est également une contribution significative, fournissant un cadre rigoureux similaire à ceux utilisés pour analyser des protocoles comme Tendermint Core ou le consensus d'Algorand. Cependant, la force du modèle dépend fortement de l'hypothèse du "validateur rationnel" et de l'évaluation précise des coûts d'attaque par rapport aux pénalités – un problème complexe de théorie des jeux. Une faiblesse critique est l'introduction d'une dépendance de vivacité envers Bitcoin. Si Bitcoin connaît une congestion prolongée ou un bug catastrophique, la sécurité de toutes les chaînes PoS connectées se dégrade. Cela crée un nouveau vecteur de risque systémique, centralisant la vivacité autour des performances de Bitcoin.

Perspectives exploitables : Pour les investisseurs et les développeurs, Babylon crée une nouvelle thèse de valorisation : Bitcoin en tant que plateforme de sécurité en tant que service. Les chaînes PoS n'ont plus besoin de construire leur sécurité uniquement à partir de leur propre capitalisation boursière. Cela pourrait considérablement abaisser la barrière à l'entrée pour les nouvelles chaînes. Pratiquement, les équipes doivent évaluer le compromis entre l'obtention d'une sécurité avec pénalités et l'acceptation du temps de bloc de Bitcoin (~10 minutes) comme latence minimale pour la finalité. La feuille de route future doit traiter la dépendance de vivacité, peut-être via des mécanismes de secours ou l'exploitation de plusieurs chaînes PoW, pas seulement Bitcoin.

4.2. Détails techniques et formulation mathématique

La sécurité peut être conceptualisée par une analyse coût-bénéfice pour un adversaire. Soit :

• $C_{attack}$ le coût total pour exécuter une attaque de sécurité (par exemple, une révision à longue portée).
• $P_{slash}$ la valeur de la mise qui peut être prouvablement pénalisée en conséquence.
• $R$ la récompense potentielle de l'attaque.

Un protocole offre une sécurité cryptéconomique si, pour toute attaque réalisable, la relation suivante est vérifiée :

$C_{attack} + P_{slash} > R$

Dans une attaque à longue portée en PoS pur, $P_{slash} \approx 0$ car l'ancienne mise est retirée. Babylon augmente $P_{slash}$ en permettant à la chaîne PoS d'horodater une preuve de fraude sur Bitcoin, rendant la violation indéniable et la mise (même récemment retirée) pénalisable sur la base de l'enregistrement immuable. Le coût $C_{attack}$ inclut désormais le coût de réécrire à la fois l'historique de la chaîne PoS et les blocs Bitcoin contenant l'horodatage compromettant, ce qui est informatiquement irréalisable.

Le processus d'horodatage implique de créer un engagement cryptographique (par exemple, une racine Merkle) du point de contrôle de la chaîne PoS et de l'intégrer dans la blockchain Bitcoin via une sortie OP_RETURN ou une méthode similaire pendant le minage fusionné.

4.3. Cadre d'analyse et exemple de cas

Scénario : Une nouvelle blockchain spécifique à une application basée sur Cosmos ("Zone") souhaite se lancer mais a une faible capitalisation boursière initiale (10 millions de dollars). Elle est vulnérable à une attaque à longue portée peu coûteuse.

Protocole amélioré par Babylon :

1. Les validateurs de la Zone créent périodiquement (par exemple, tous les 100 blocs) un point de contrôle – un hachage de bloc signé représentant l'état de la chaîne.
2. Ils soumettent ce point de contrôle au réseau Babylon.
3. Un mineur Babylon, tout en minant un bloc Bitcoin, inclut la racine Merkle du point de contrôle dans la transaction coinbase.
4. Une fois le bloc Bitcoin confirmé (par exemple, 6 confirmations), le point de contrôle est considéré comme finalisé par la Zone. La sécurité de cette finalité est désormais garantie par la puissance de hachage de Bitcoin.

Atténuation de l'attaque : Si un attaquant tente plus tard de créer une chaîne conflictuelle bifurquant avant ce point de contrôle, il doit également réécrire la chaîne Bitcoin à partir du bloc contenant l'horodatage. Le coût de cette opération est de plusieurs ordres de grandeur supérieur à la valeur de mise de la Zone elle-même, rendant l'attaque économiquement irrationnelle. De plus, les signatures des validateurs originaux sur le point de contrôle fournissent une preuve de fraude qui peut être utilisée pour pénaliser leur caution, même s'ils se sont depuis désengagés.

Ce cadre transforme la sécurité d'une fonction de la propre mise de 10 millions de dollars de la Zone en une fonction de la sécurité de plusieurs milliards de dollars de Bitcoin, louant effectivement la sécurité de Bitcoin.