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 requis 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 pour leurs propres transactions. Cette collaboration vise à établir un consensus sur l'ordre des transactions dans un registre distribué sans recourir à des pools de minage centralisés.

Le schéma proposé cherche à résoudre les problèmes inhérents au PoW standard, tels que le désalignement des incitations dans les pools de minage et la course compétitive et énergivore entre les mineurs. En permettant une coopération directe, il envisage de remplacer les frais de transaction (payés aux mineurs) par des taxes sur les transactions (payées par les utilisateurs effectuant la transaction eux-mêmes). Ce changement a le potentiel d'atténuer « l'effet inflationniste sur la consommation d'énergie » associé au minage compétitif et de favoriser des stratégies plus frugales et coopératives.

Les avantages potentiels énoncés incluent :

• Une meilleure défense contre la discrimination des utilisateurs par les mineurs de transactions.
• Un débit système accru grâce à la réduction de la concurrence entre mineurs.
• Une plus grande dissuasion contre les attaques par déni de service (DoS), car les attaques entraîneraient le coût de la taxe de transaction.

2. Consensus

L'article situe le problème dans le contexte des réseaux pair-à-pair (P2P) nécessitant un registre distribué. Tous les pairs doivent s'accorder sur l'état du registre sans autorité centrale ni élection préalable d'un leader.

Le défi fondamental est le délai de propagation des messages. Dans un environnement de transactions idéal et à basse fréquence, un consensus pourrait être atteint en observant une pause 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 devient cruciale. En exigeant un effort de calcul (résolution d'un puzzle cryptographique), le PoW réduit artificiellement le taux effectif auquel un seul pair peut proposer de nouvelles entrées dans le registre. La difficulté du puzzle peut être calibrée pour fixer une limite supérieure à la fréquence des transactions, créant les « périodes de calme » nécessaires à l'émergence d'un consensus de facto.

3. Preuve de travail coopérative

L'article formalise le schéma coopératif, mais l'extrait fourni est tronqué. D'après l'introduction, la formalisation implique probablement un mécanisme où :

1. Les utilisateurs contribuant à une transaction peuvent également contribuer de la puissance de calcul pour résoudre le puzzle PoW associé.
2. L'effort collectif remplace le travail d'un mineur unique.
3. Le consensus sur l'ordre des transactions découle de cet effort coopératif, éventuellement lié à l'ensemble des utilisateurs coopérants.
4. La « taxe » est une contribution obligatoire (en effort de calcul ou en coût dérivé) payée par les parties à la transaction, internalisant ainsi le coût du consensus.

Cela contraste avec le modèle traditionnel où des mineurs externes se font concurrence pour résoudre le PoW contre des frais, conduisant à des pools et à une centralisation potentielle.

4. Idée centrale et perspective analytique

Idée centrale : L'article de Kuijper n'est pas seulement un ajustement des algorithmes de hachage ; c'est une intervention économique et de théorie des jeux fondamentale dans la conception des blockchains. La véritable innovation est de découpler l'effort de consensus de la recherche de profit du minage et de le coupler directement à l'utilité de la transaction. Le passage des frais-pour-le-mineur à la taxe-par-l'utilisateur renverse complètement la structure d'incitation, visant à aligner la santé du réseau sur la coopération des utilisateurs plutôt que sur la concurrence des mineurs. Cela fait écho aux principes observés dans la recherche en conception de mécanismes d'institutions comme le Stanford Crypto Economics Lab, qui explore comment structurer les incitations pour obtenir les résultats souhaités du système.

Enchaînement logique : L'argument est logiquement solide mais repose sur une hypothèse critique non prouvée : que les utilisateurs coopéreront efficacement et honnêtement sans introduire de nouvelles surcharges de coordination ou de nouveaux vecteurs d'attaque. L'article identifie correctement le gaspillage énergétique et la pression de centralisation (via les pools) dans le PoW du Bitcoin, comme documenté dans de nombreuses études (par exemple, le Cambridge Bitcoin Electricity Consumption Index). Il pose ensuite la coopération comme antidote. Cependant, le saut logique est de supposer que la coopération est plus simple à orchestrer dans un environnement sans confiance que la concurrence. L'histoire des systèmes P2P montre que la collaboration nécessite souvent des protocoles complexes (comme le donnant-donnant de BitTorrent) pour éviter le parasitisme — un problème que ce schéma doit résoudre.

Points forts et faiblesses : Points forts : La vision est convaincante. Réduire l'inflation énergétique et la discrimination pilotée par les mineurs sont des objectifs nobles. Le concept d'une « taxe sur les transactions » internalisant les externalités est économiquement élégant, similaire aux concepts de taxe carbone appliqués au gaspillage computationnel. Faiblesses : L'article est manifestement léger sur le « comment ». La formalisation est tronquée, mais même le postulat manque d'un mécanisme concret pour prévenir les attaques Sybil où un utilisateur crée de nombreuses fausses identités pour éviter de contribuer sa juste part de travail. Comment le « travail coopératif » est-il vérifié et attribué ? Sans cela, le système pourrait être plus vulnérable, et non moins. De plus, remplacer un modèle compétitif connu et éprouvé par un modèle coopératif novateur introduit un risque significatif et des obstacles à l'adoption, un défi également rencontré par d'autres innovations de consensus comme la Preuve d'enjeu (Proof-of-Stake) lors de ses premières périodes de critiques.

Perspectives exploitables : Pour les chercheurs, cet article est une mine d'or pour les travaux de suivi. La prochaine étape immédiate est de concevoir et simuler un jeu spécifique de PoW coopératif, en analysant ses équilibres de Nash. Conduit-il inévitablement à la coopération, ou peut-il être manipulé ? Pour les praticiens, le principal enseignement est le principe, et non la mise en œuvre immédiate. Réfléchissez à la manière d'appliquer « l'internalisation coopérative des coûts » dans votre conception de système. Un modèle hybride pourrait-il fonctionner, où une taxe de transaction de base finance un ensemble décentralisé de validateurs, mélangeant les idées de cet article avec la preuve d'enjeu déléguée ? L'idée centrale — rendre l'émetteur de la transaction responsable des coûts de consensus — devrait être explorée dans les solutions de couche 2 ou les nouvelles conceptions de registre où le modèle de menace est différent du cadre entièrement sans permission du Bitcoin.

5. Détails techniques et formalisation mathématique

Bien que la formalisation complète soit tronquée, le schéma proposé s'appuie sur le PoW standard basé sur le hachage cryptographique. Le PoW traditionnel nécessite de trouver un nonce $n$ tel que pour des données de bloc $B$, une fonction de hachage $H$ et une cible de difficulté $T$ :

$H(B, n) < T$

Dans un cadre coopératif, cela se transforme probablement. Supposons un ensemble de transactions $\tau$ proposé par un groupe d'utilisateurs $U = \{u_1, u_2, ..., u_k\}$. Chaque utilisateur $u_i$ contribue une solution de travail partielle $w_i$. Le PoW coopératif pourrait exiger :

$H(\tau, \text{Aggrégat}(w_1, w_2, ..., w_k)) < T$

Où $\text{Aggrégat}$ est une fonction combinant les contributions individuelles. Le mécanisme de taxe implique que chaque $u_i$ doit dépenser des ressources proportionnelles à son enjeu ou son rôle dans $\tau$, garantissant que le travail collectif satisfait la difficulté $T$. La vérification devrait confirmer que chaque $w_i$ est valide et contribué de manière unique, empêchant les attaques par rejeu ou falsification.

6. Cadre d'analyse et exemple conceptuel

Scénario : Alice, Bob et Charlie veulent que leurs transactions ($tx_a$, $tx_b$, $tx_c$) soient incluses dans le prochain bloc.

PoW traditionnel (Compétitif) : Les mineurs M1, M2, M3 se font concurrence pour résoudre $H(bloc, n) < T$ pour un bloc contenant ces transactions plus des frais. Le gagnant (par exemple, M2) obtient les frais. Alice, Bob et Charlie sont passifs.

PoW coopératif (Proposé) :

1. Alice, Bob et Charlie forment un groupe temporaire pour leurs transactions.
2. Le protocole leur assigne un puzzle conjoint : Trouver des entrées $(w_a, w_b, w_c)$ telles que $H(tx_a, tx_b, tx_c, w_a, w_b, w_c) < T$.
3. Ils calculent chacun des solutions partielles localement. Alice trouve $w_a$, Bob trouve $w_b$, Charlie trouve $w_c$.
4. Ils combinent leurs résultats. Le travail combiné satisfait la difficulté.
5. Ils diffusent les transactions ainsi que la preuve conjointe $(w_a, w_b, w_c)$.
6. Le réseau vérifie le hachage et que chaque $w_i$ est lié à son propriétaire de transaction respectif.
7. Au lieu de payer des frais, ils ont chacun « payé » une taxe sous la forme de leur effort de calcul $w_i$. Leurs transactions sont ajoutées.

Défi clé dans ce cadre : Empêcher Charlie de se relâcher et d'utiliser une solution d'une époque précédente (attaque par rejeu) ou de copier le travail de Bob. Le protocole a besoin d'un moyen de lier $w_i$ à l'identité de $u_i$ et au lot de transactions spécifique, potentiellement en utilisant des signatures numériques : $w_i = \text{Sign}_{u_i}(H(tx_i) \, || \, \text{époque})$. Cela ajoute de la complexité.

7. Perspectives d'application et orientations futures

Applications immédiates : Ce schéma est le plus viable dans les blockchains de consortium ou les applications décentralisées (dApps) spécialisées où les participants ont une relation préexistante et semi-confiance. Par exemple, un consortium de chaîne d'approvisionnement où tous les membres sont connus et acceptent de partager la charge de maintenance du registre pour leurs transactions mutuelles.

Orientations de recherche futures :

1. Analyse formelle de théorie des jeux : Modéliser le schéma comme un jeu pour identifier des équilibres coopératifs stables et des stratégies de sabotage potentielles.
2. Modèles hybrides : Combiner le PoW coopératif avec d'autres mécanismes de consensus (par exemple, la Preuve d'enjeu pour la finalité, le PoW coopératif pour l'ordonnancement).
3. Intégration de couche 2 : Implémenter le modèle de taxe coopérative sur les rollups de couche 2, où les lots de transactions sont finalisés sur une chaîne principale. Les utilisateurs du rollup pourraient prouver coopérativement la validité de leur lot.
4. Intégration de fonction à délai vérifiable (VDF) : Remplacer ou compléter le puzzle de hachage par une tâche basée sur une VDF. Cela pourrait garantir que le « travail » est basé sur le temps et non parallélisable, simplifiant potentiellement la mesure équitable de la contribution.
5. Standardisation des preuves de contribution : Développer des protocoles cryptographiques légers pour prouver la contribution individuelle à une preuve conjointe, un problème proche de la recherche sur les preuves à divulgation nulle de connaissance.

La vision à long terme est un écosystème blockchain où les coûts environnementaux et économiques du consensus sont supportés directement par ceux qui bénéficient de la transaction, promouvant la durabilité et l'équité — un pas significatif au-delà du paradigme de minage de première génération « au vainqueur les spoils ».

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. Cambridge Centre for Alternative Finance. (2023). Cambridge Bitcoin Electricity Consumption Index (CBECI). [https://ccaf.io/cbeci/index](https://ccaf.io/cbeci/index)
6. Zhu, J., et al. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks (CycleGAN). IEEE International Conference on Computer Vision (ICCV). [Cité comme exemple d'un article introduisant une approche nouvelle et structurellement différente (cohérence cyclique) d'un problème connu (traduction d'image), analogue à l'approche novatrice de cet article pour le PoW].
7. Roughgarden, T. (2020). Transaction Fee Mechanism Design for the Ethereum Blockchain: An Economic Analysis of EIP-1559. Stanford University. [Souligne la profondeur de l'analyse économique requise pour des changements d'incitation réussis dans la blockchain].