La preuve de travail (PoW) est similaire aux certifications de la vie réelle telles que les diplômes ou les permis de conduire, où la validation est obtenue par le biais d'examens (par exemple, réussir des tests pertinents). Dans le monde cryptographique, la preuve de travail sert de modèle de consensus fondamental pour les réseaux blockchain, établissant la norme pour que les nœuds parviennent à un consensus. Ce modèle confirme les transactions et génère de nouveaux blocs dans la blockchain, établissant un mécanisme d'incitation qui récompense les nœuds qui génèrent avec succès des blocs.

La proposition de PoW

La recherche universitaire liée au PoW a commencé au début des années 1990. En 1993, Cynthia Dwork, informaticienne américaine et professeure à l’Université de Harvard, a proposé le concept de PoW pour résoudre les problèmes de spam. En 1997, Adam Back a inventé la technologie HashCash, appliquant le mécanisme PoW pour contrer les attaques par déni de service et l’abus de spams. Cela nécessitait que chaque expéditeur d’e-mail effectue une petite quantité de calcul de hachage, ce qui provoquait intentionnellement un bref retard.
La technologie HashCash a ensuite été largement utilisée pour le filtrage du spam et mise en œuvre par Microsoft dans des produits tels que Hotmail, Exchange et Outlook. En 2008, Satoshi Nakamoto a appliqué le concept de PoW au consensus de la blockchain dans l’article fondateur « Bitcoin : A Peer-to-Peer Electronic Cash System », introduisant l’algorithme de consensus PoW pour le système Bitcoin.

Principe

L'algorithme de consensus PoW est basé sur les fonctions de hachage. Pour une chaîne d'entrée donnée s, la fonction de hachage H(s) produit une sortie de longueur fixe, et le calcul de H(s) est efficace. Les fonctions de hachage utilisées dans les systèmes de blockchain comme Bitcoin et Ethereum doivent satisfaire aux trois critères suivants :

1. Résistance aux collisions : Il devrait être improbable que deux entrées différentes produisent la même sortie de hachage.
2. Irreversibilité : Étant donné une sortie de hachage H(s), il devrait être computationnellement difficile de rétro-ingénierie l'entrée sss.
3. Imprévisibilité : Mis à part les méthodes de force brute, aucun autre méthode ne devrait être capable de produire une entrée qui hash à une valeur cible spécifique.

Comment ça marche

L'algorithme de consensus PoW suit ces étapes :

1. Définition du niveau de difficulté : Le système spécifie une valeur de difficulté globale, qui détermine le résultat de calcul de hachage requis pour le prochain bloc. En général, la valeur de hachage doit être inférieure à un certain seuil. À mesure que le réseau se développe, le niveau de difficulté augmente et le système ajuste périodiquement la difficulté.
2. Emballage des transactions: Les nœuds collectent plusieurs messages de transaction et les regroupent dans le corps d'un nouveau bloc.
3. Assemblage de l'en-tête de bloc : Les nœuds assemblent l'en-tête de bloc, qui comprend généralement la valeur de hachage du bloc précédent, la valeur de hachage des transactions dans le nouveau bloc, la valeur de difficulté actuelle, une horodatage et une valeur de nonce aléatoire.
4. Calcul de hash : Les nœuds utilisent l'algorithme de hash spécifié (par exemple, double SHA-256 dans Bitcoin) pour calculer le hash de l'en-tête de bloc. Si le hash ne satisfait pas aux exigences de difficulté, les nœuds modifient le nonce et recalculent le hash. Le nœud qui parvient à calculer avec succès un hash satisfaisant aux exigences de difficulté diffuse le nouveau bloc sur le réseau.
   
5. Vérification et acceptation : Les nœuds recevant le bloc diffusé vérifient sa validité (par exemple, en hachant en double SHA-256 l'en-tête du bloc dans Bitcoin). Si la vérification est réussie, ils acceptent le nouveau bloc et l'ajoutent à leur copie locale du grand livre distribué.
6. Compétition pour le prochain bloc: Les nœuds commencent à concourir pour le droit d'ajouter le prochain bloc.
   Dans l'algorithme PoW, seul le nœud qui calcule en premier un hachage répondant aux exigences de difficulté obtient le droit d'ajouter le nouveau bloc au grand livre distribué. Les autres nœuds répliquent ensuite le nouveau bloc pour maintenir la cohérence sur le grand livre distribué.

Limitations

L’algorithme de consensus PoW s’appuie sur la puissance de calcul pour allouer le droit d’enregistrer les transactions. À mesure que l’échelle des réseaux blockchain augmente, il en résulte un gaspillage important de ressources informatiques et d’électricité. En 2020, le réseau Bitcoin a consommé 134,89 milliards de kilowattheures, soit l’équivalent de la consommation annuelle d’électricité d’une province. Cette consommation d’énergie élevée est une limitation majeure de la preuve de travail.
De plus, le temps de calcul prolongé de l'algorithme de consensus PoW entraîne des temps d'attente prolongés pour obtenir des droits d'enregistrement, prolongeant ainsi les cycles de confirmation des transactions et réduisant l'efficacité de génération de blocs. Par exemple, Bitcoin génère un bloc environ toutes les 10 minutes, limitant ses transactions par seconde (TPS) et mettant en évidence les contraintes d'efficacité de l'algorithme de consensus PoW.