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<figure class="wp-block-image"><img src="https://web.d.center/wp-content/uploads/2020/10/blockchain-fundamentals-l-1024x402.jpg" alt="" class="wp-image-1257"/></figure>



La Blockchain est un outil qui a permis pour la première fois d’organiser et de stocker l’information de façon décentralisée.



Plutôt que d'être géré par une tierce partie, les données sont distribuées sur de nombreux ordinateurs indépendants - le réseau de “noeuds” qui exécutent le [tooltip content="l'ensemble des règles ou procédures qui gèrent le transfert des données entres les appareils"] protocole de la blockchain [/tooltip]. Ces données stockées et mises à jour en continu constituent ce que l’on appelle un registre distribué - l'histoire de toutes les transactions ayant eu lieu sur une blockchain donnée. Ce registre est dit distribué, car il est dupliqué sur tous les ordinateurs des participants au réseau qui exécutent le même protocole, fixant les règles de fonctionnement de la blockchain. Ceci assure que personne ne puisse modifier le registre ou les règles de manière centralisée.



Une telle structure unique permet, et pour la première fois aussi, le transfert d’un actif numérique d’un propriétaire à un autre de façon décentralisée et sans laisser de copies de cet actif en route.



Le terme Blockchain vient du fait que les mises à jour (transactions) du registre sont régulièrement publiées et stockées dans une structure appelée “bloc”. Chaque bloc est numériquement horodaté et lié de manière cryptographique au bloc précédent, formant de ce fait une immutable “chaîne de blocs”. 



<h2><a href="https://d.center/explore/blockchain-underlying-technologies" class="ek-link">Technologies sous-jacentes</a></h2>





Le fonctionnement de la blockchain repose sur un ensemble de concepts et de technologies touchant à plusieurs domaines notamment les mathématiques (complexité algorithmique, les fonctions à sens unique, courbes elliptiques, le problème du logarithme discret), la cryptographie (cryptographie asymétrique, les signatures numériques, les fonctions cryptographiques de hachage, l’horodatage numérique, la preuve à divulgation nulle de connaissance) et l’informatique distribuée (P2P).&nbsp; 





<h2><a href="https://d.center/explore/consensus-protocol" class="ek-link">Consensus</a></h2>



Les nouvelles transactions (ou mises à jour du registre) sont regroupées en blocs et ajoutées à la blockchain selon un mécanisme appelé consensus (signifiant que tous les noeuds du réseau se sont mis d’accord sur ces mises à jour). Les noeuds du réseau qui ajoutent les nouveaux blocs sont rémunérés en monnaies natives de la blockchain nouvellement créées et/ou en frais de transactions comme incitation à maintenir un bon fonctionnement de la blockchain.



<h2><a href="https://d.center/explore/blockchain-functions" class="ek-link">Les fonctions de la blockchain</a></h2>



La principale fonction d’une blockchain est d'assurer la tenue d’un registre de données. Bitcoin à été la première blockchain créée et c’est un registre public contenant par ordre chronologique l'entièreté des transactions de bitcoins. Avec le temps de plus en plus d’applications sont apparues, permettant d’exécuter des conditions plus complexes directement sur la blockchain grâce à des smart contrats. La création de tokens (des actifs circulant sur la blockchain autres que la monnaie native) en est un exemple.



<h2><a href="https://d.center/explore/blockchain-governance" class="ek-link">Gouvernance de la blockchain</a></h2>



 En tant que nouvelle technologie en constante évolution, la blockchain se doit d'implémenter des améliorations et des modifications. La manière dont les nœuds du réseau, les utilisateurs et d’une manière plus large, la communauté de la blockchain se mettent d'accord sur ces implémentations s’appelle la gouvernance. La gouvernance joue un rôle fondamental dans la dynamique de la blockchain et est souvent le lieu de débats passionnés et passionnants.

<figure class="wp-block-image"><img src="https://web.d.center/wp-content/uploads/2020/11/CONSENSUS-PROTOCOL-1024x429.png" alt="" class="wp-image-1487"/></figure>



Le consensus est un des éléments clés dans un système distribué et son choix (PoW, PoS, PBFT…) est déterminé en grande partie par l'objectif de la blockchain.



La blockchain fonctionne grâce à un réseau d’ordinateurs indépendants, sur lesquels est exécuté son protocole: c’est la première réalisation concrète de la technologie des registres distribués (distributed ledger technology ou DLT en anglais). Ce choix a été fait pour que la tenue de la blockchain (le registre) ne dépende pas d’une autorité centrale. Obtenir cette caractéristique révolutionnaire à une contrepartie particulière: tous les ordinateurs du réseau doivent stocker une blockchain identique et se mettre d’accord sur chaque mise à jour. Le mécanisme permettant d’arriver à ce résultat s’appelle un consensus. 



Un système distribué est un ensemble d’ordinateurs (nœuds) indépendants et spatialement séparés qui travaillent ensemble sur une tâche commune. Cette indépendance et cette répartition spatiale compliquent fortement l'obtention du consensus. Cette problématique est centrale dans les recherches sur les registres distribués (une sous-partie de l’informatique distribuée) et fait l’objet de continuelles recherches. 



<h2>Comprendre un système distribué </h2>



Un consensus doit prendre en compte les caractéristiques d’un système distribué et ses acteurs. 



Les caractéristiques d’un système distribué: 



<ul>
<li>Concurrence - les noeuds travaillent chacun indépendamment et simultanément</li>



<li>Pas nécessairement d’horloge commune (global clock) - difficile de dater et ordonner les événements entre les nœuds</li>



<li>Passage des messages - tout consensus repose sur la transmission de messages entre les nœuds. En fonction du type de transmission on distingue deux classes de systèmes distribués :
<ul>
<li>Système synchrone: les messages seront délivrés dans un délai de temps défini</li>



<li>Système asynchrone: les messages peuvent être retardé pour un période de temps indéfini</li>
</ul>
</li>



<li>&nbsp;Partition du réseau - une partie du réseau ne communique plus avec l’autre</li>
</ul>







Les acteurs d’un système distribué sont les noeuds qui peuvent être :&nbsp; 



<ul>
<li>Simplement défaillants - nœuds ayant des problèmes techniques (pannes etc)</li>



<li>Byzantins - noeuds au comportement incohérent ou malicieux</li>



<li>Altruiste - noeud au comportement toujours honnete vis a vis du réseau</li>



<li>Rationnel - noeud agissant au mieux de leur intérêt&nbsp;</li>
</ul>



Une blockchain dans la théorie des systèmes distribués peut être assimilée à une “replicated state machine“-&nbsp;



un ensemble de nœuds équivalents permettant de passer après réception de données (transactions) d’un état&nbsp; à un autre (transition)&nbsp;selon des règles communes et tenant un registre historique de l’ensemble de ces états (blockchain).



Le but du consensus est que les nœuds se mettent d’accord sur les transitions (la valeur en sortie) et le registre, et ce en tenant compte de toutes les caractéristiques du système concerné et du comportement de ses différents acteurs. Il n’est pas surprenant qu’une telle tâche peut rapidement devenir problématique et que sa conception dépend des conditions particulières dans lesquelles évolue le réseau. 



<h2>Théorie du consensus&nbsp; </h2>



Un algorithme donné permet un consensus s’il peut satisfaire les deux conditions:&nbsp; 



<ul>
<li>Accord /sûreté (agreement / safety) - tous les nœuds non défaillants donnent la même valeur valide en sortie</li>



<li>Bonne fin (termination / liveness) - tous les nœuds non défaillants finissent par décider d’une valeur en sortie</li>
</ul>



Atteindre un consensus dans un système synchrone est beaucoup plus aisé que dans un système asynchrone, notamment en ce qui concerne la condition de bonne fin. Mais dans la réalité beaucoup de ces systèmes évoluent dans un environnement asynchrone, ce qui présente des enjeux supplémentaires. 



Selon l’étude de Fischer, Lynch et Paterson un consensus déterministe dans un système distribué asynchrone est impossible si ne serait-ce qu’un seul nœud est simplement défaillant (résultat d’impossibilité FLP). Le terme déterministe signifie qu’une fois d’accord sur le nouvel état, celui-ci est définitif et ne changera jamais. 



Cette étude amène à la conclusion que pour contourner l’impossibilité et arriver à un consensus il faudra soit évoluer dans un système partiellement synchrone, soit opter pour un consensus non déterministe. 



<h2>Consensus dans un système partiellement synchrone: PBFT </h2>



Dans un système partiellement synchrone et en absence de [tooltip content=" noeuds au comportement incohérent ou malicieux "] nœuds byzantins [/tooltip] des algorithmes comme Paxos ou RAFT permettent d’obtenir un consensus.&nbsp; 



En cas de présence de nœuds byzantins, l’apport théorique fondamental est une recherche de Leslie Lamport, Robert Shostak et Marshall Pease appelée Le problème des généraux byzantins. Cette recherche montre qu’un système avec n nœuds byzantins doit avoir au moins (3n+1) nœuds. Autrement dit, pour arriver à un consensus un système doit être constitué de moins d’un tiers de nœuds byzantins.&nbsp; 



La méthodologie de cette étude ne s’applique qu’aux systèmes synchrones, mais des recherches ont été entreprises avec des conditions de synchronicité partielle. Les consensus qui se basent sur ces études sont en général appelés BFT, ou Byzantine Fault Tolerant.&nbsp; 



Un algorithme en particulier s’est avéré très utile: appelé PBFT (Practical Byzantine Fault Tolerant), il a été proposé en 1999 par Miguel Castro et Barbara Liskov. S’en inspirent aujourd’hui de nombreuses blockchains (Stellar, Ripple, Hyperledger, Tendermint...) 



L'algorithme PBFT et ses variantes demandent des conditions de synchronicité partielle et sa mise en œuvre nécessite la circulation de nombreux messages entre les nœuds. Il y a la désignation d’un leader qui propose le nouvel état, des rounds d’échange d’information, des votes... on considère que la quantité de messages augmente exponentiellement avec le nombre de nœuds. De ce fait, ces algorithmes sont peu adaptés aux blockchains publiques comportant un nombre très important de nœuds, ils sont surtout utilisés dans le cas de peu de nœuds ou dans les blockchains privées.&nbsp; 



Pour résumer, les consensus comme PBFT qui contournent l'impossibilité FLP par des conditions de synchronicité partielles sont plus particulièrement adaptés à certaines blockchains, mais restent délicats à mettre en œuvre. De nombreuses recherches sont toujours en cours pour améliorer l’algorithme ou l’adapter aux différentes conditions. 



<h2>Consensus non déterministes: PoW et PoS </h2>



Bitcoin est la première blockchain créée et donc la première à avoir mis en œuvre un algorithme de consensus pour une blockchain. Bitcoin étant public et ayant de nombreux nœuds, l'impossibilité de FLP a été contournée en prenant une approche non déterministe. 



L’innovation de Bitcoin s’appelle  la preuve de travail (Proof of Work ou PoW en anglais), qui au lieu d’élire un leader donne une possibilité à quiconque aura fourni la preuve de travail demandée (résolution d’un problème cryptographique) de proposer un nouvel état, en l'occurrence d’ajouter un nouveau bloc à la blockchain (voir <a href="https://d.center/explore/mining-and-consensus" class="ek-link">Bitcoin: consensus et minage</a>). 



Le consensus PoW est non déterministe, car il se peut que différents blocs (états) soient proposés en même temps et que des parties du réseau se mettent d’accord sur un nouvel état A et qu’une autre partie du réseau se mette d'accord sur un nouvel état B, ajoutant ainsi deux blocs différents à la blockchain à la même hauteur. En termes de consensus la PoW assure la bonne fin  (tous les nœuds non défaillants finissent par décider d’une valeur en sortie), mais pas la sûreté (tous les nœuds non défaillants donnent la même valeur valide en sortie). Cela peut paraître contradictoire avec la notion de consensus, car s’il n’y a pas de sûreté,il n'y a pas de consensus, sauf que cette situation ne perdure pas et que rapidement le réseau converge vers une même blockchain, en choisissant celle ayant produit le plus de travail. On dit alors que la sûreté est probabiliste,  c’est-à-dire que plus un bloc est suivi d'autre blocs et donc plus le temps passe, plus la probabilité que ce bloc soit définitif tend vers 1.   



Le consensus PoW ne traite pas le problème des nœuds byzantins de manière classique (nœuds byzantins devant être inférieurs à un tiers),&nbsp; il contourne le problème en rendant les actes d’acteurs byzantins trop onéreux et aléatoires quant au résultat souhaité. Comme dans le cas de la finalité des blocs (sûreté), on n’est pas assuré mathématiquement du résultat, mais il existe une très forte probabilité d’y arriver.&nbsp; 



Le consensus PoW a fait ses preuves et la blockchain Bitcoin fonctionne dans des conditions d’asynchronicité avec beaucoup de nœuds et de possibles acteurs byzantins. De nombreuses autres blockchains l’ont aussi adopté. Si la réussite de PoW est manifeste, ce consensus a aussi ses inconvénients : lenteur, finalité des blocs non immédiate, consommation d'énergie, concentration des mineurs (ceux qui fournissent la PoW)... 



Pour essayer de pallier ces inconvénients, d’autres types de consensus sont nés, tout en conservant l’aspect non déterministe et l’idée de devoir fournir une contrepartie pour proposer le nouveau bloc à la blockchain. Le plus connu d’entre eux est le PoS (Proof of Stake, parfois traduit en français comme une preuve d’enjeu) et un de ses dérivés le DPoS (Delegated Proof of Stake). 



Au lieu de fournir une preuve de travail demandant de dépenser de l'énergie, la PoS demande de posséder de la monnaie native de la blockchain,&nbsp; la chance de proposer un bloc étant liée plus ou moins directement a la quantité de monnaie que l’on possède, autrement dit sa part dans la blockchain. 



<h2>Un consensus parfait ? </h2>



Chaque consensus a ses avantages et ses inconvénients et peut être soumis à des attaques spécifiques. Les critères de choix pour un consensus adapté dépendent des caractéristiques demandées à la blockchain concernée, notamment :&nbsp; 



<ul>
<li>Nombre de nodes</li>



<li>Public ou privé</li>



<li>Besoin ou non de finalité immédiate</li>



<li>Sécurité du réseau</li>



<li>Rapidité</li>



<li>Capacité (nombre de transactions par seconde) ...</li>
</ul>







A l’heure actuelle la plupart des blockchains ont des consensus s’inspirant de la PoW, PoS, DPoS ou PBFT. Ils peuvent aussi mixer ces consensus ou en créer de nouveaux, la recherche d’un consensus parfait est toujours en cours et les évolutions se succèdent.

<figure class="wp-block-image"><img src="https://web.d.center/wp-content/uploads/2020/11/POW-1024x429.png" alt="" class="wp-image-1489"/></figure>



Créé pour Bitcoin, Proof of Work a été le premier protocole de consensus qui a permis aux nœuds du réseau de se mettre d’accord sur l’état et la mise à jour de la blockchain. 



Aussi appelé Preuve de Travail en français, la PoW demande aux nœuds qui veulent proposer le nouveau bloc (appelés mineurs) de trouver et diffuser une donnée demandant l’utilisation d’une ressource computationnelle importante, mais qui une fois trouvée est très facilement vérifiable par le reste du réseau. Cette donnée est la solution d’un problème qui par construction ne peut être résolu que par l’utilisation de la force brute, obligeant les mineurs à investir dans du matériel spécialisé et à dépenser des sommes importantes en électricité. Ces dépenses sont dans un sens un gage de la bonne intention du mineur, car il ne serait pas économiquement rentable de saboter le système (voir <a href="https://d.center/explore/bitcoin-consensus-and-mining" class="ek-link">Bitcoin: consensus et mining</a>).



Le consensus PoW tel qu’il est utilisé dans Bitcoin a aussi la particularité de gérer le rythme d'émission des bitcoins: le nœud ayant obtenu le droit d’inscrire le prochain bloc reçoit pour cela une récompense en bitcoins nouvellement créés.&nbsp;



<h2>Le mécanisme de la PoW</h2>



La nature du problème à résoudre utilise une particularité des fonctions de hachage - des fonctions mathématiques qui en entrée acceptent des données numériques de toutes tailles et qui renvoient en sortie une donnée numérique de taille fixe (le hash). Ce hash est unique pour une entrée donnée et deux entrées différentes ne peuvent pas aboutir à un même hash en sortie. Le hash est une fonction one-way - à partir du hash on ne peut pas remonter à la donnée d’entrée et donc pour obtenir un certain hash donné la seule possibilité est d’essayer toutes les entrées possibles jusqu'à trouver la bonne (utilisation de la force brute), et c’est cette caractéristique qu’utilise la PoW. Pour obtenir une PoW le mineur doit hacher l'en-tête du bloc qu’il propose jusqu'à trouver un hash qui commence avec un minimum spécifié de zéros. Cependant comme une même donnée donne un même hash le mineur ajoute à chacun de ses essais une donnée variable appelée le nonce.



La difficulté de cette tâche est ajustée régulièrement en fonction de la puissance du réseau et ce pour pouvoir produire les nouveaux blocs dans une période de temps moyenne spécifique à chaque blockchain.



Une fois un nonce valide trouvé, le mineur diffuse son bloc horodaté dans le réseau qui le vérifie et l’ajoute à la blockchain s’il est correct tel que spécifié par le protocole.



Cette méthode n'assure pas la finalité immédiate (sûreté) des blocs dans la mesure où deux nœuds peuvent fournir quasiment au même moment deux preuves de travail et donc proposer chacun leur bloc. Dans ce cas et si les deux blocs sont valides ils seront acceptés chacun par une partie du réseau, créant ainsi deux chaînes distinctes. Cependant ce problème sera résolu avec le temps, les nœuds choisissant toujours la chaîne avec le plus de travail.



<h2>Attaques sur une blockchain PoW</h2>



Une attaque classique sur toute blockchain est l'attaque pour effectuer une Double Dépense - une méthode qui pour une blockchain PoW consiste à effectuer une dépense sur la blockchain actuelle (et recevoir en contrepartie un bien ou un service) et en parallèle de créer une autre blockchain sans cette transaction de dépense. Si à un moment donné la chaine en parallèle contient plus de travail que la chaîne initiale, l'attaquant la diffuse au réseau qui la reconnaîtra comme la nouvelle blockchain. A ce moment-là l'attaquant aura eu son bien ou service et aura récupéré le montant de sa dépense (elle ne figure pas dans la nouvelle blockchain).



<div class="wp-block-image"><figure class="aligncenter"><img src="https://web.d.center/wp-content/uploads/2020/12/Bitcoin-double-spending.svg" alt="" class="wp-image-1543"/></figure></div>



Pour pouvoir faire cette double dépense à coup sûre, l’attaquant (un 
 noeud byzantin 
 noeud au comportement incohérent ou malicieux 
 dans la théorie des consensus) devra posséder plus de 50% de la puissance computationnelle du réseau (aussi appelé hashrate, la quantité de hash exécutée par seconde) et pouvoir la maintenir le temps de créer un certain nombre de blocs.



Cette attaque se nomme attaque à 51% et sa probabilité d'occurrence baisse lorsque le réseau se renforce.



En somme, le consensus PoW né avec Bitcoin a fait les preuves de sa robustesse et est considéré encore à l’heure actuelle comme le consensus le plus sûr. Ses détracteurs soulignent pourtant sa consommation d’énergie importante et la difficulté d’augmenter la capacité de transactions (nombre de transactions par seconde).