En résumé : les règles de consensus désignent le mécanisme régissant le bon fonctionnement d'une blockchain ; ce sont les règles à respecter par les utilisateurs (nœuds) afin de pouvoir prendre part au réseau. Ces règles permettent la sécurisation de la blockchain car elles définissent quel utilisateur pourra inscrire un nouveau bloc de donnée.
La sécurisation par Proof of Stake (en Français preuve d'enjeu) est une méthode de consensus. Elle se caractérise par une désignation aléatoire de l'utilisateur pouvant ajouter un bloc à la blockchain. Ce tirage au sort est pondéré par la quantité de crypto-monnaie détenue par l'utilisateur.
Principe de fonctionnement
La preuve d'enjeu est une méthode de consensus par laquelle un nœud du réseau est sélectionné aléatoirement afin d'ajouter un nouveau bloc au registre blockchain. Pour pouvoir prétendre à ajouter un nouveau bloc, le nœud doit fournir une preuve de possession de la crypto-monnaie associée à la blockchain. La sélection aléatoire du nœud est alors pondérée par la quantité de crypto-monnaie possédée par chaque nœud du réseau.
En d'autres termes, plus l'utilisateur possède une grande quantité de crypto-monnaie, plus il est susceptible d'être tiré au sort et donc de disposer du droit d'ajouter le prochain bloc.
Un utilisateur possédant 1 000 jetons à 10 fois plus de chance d'être sélectionné par rapport à un utilisateur n'en possédant que 100. Le nœud "élu" est appelé valideur.
L'intérêt principal pour un nœud d'être valideur est de récupérer la récompense associée à la création d'un bloc. Cette récompense est versée automatiquement (code informatique) au nœud dans la crypto-monnaie correspondante au réseau.
Cette définition du Proof of Stake ne désigne que la finalité de cette méthode de consensus. Les algorithmes permettant le "tirage au sort" sont en réalité plus complexes et prévoient des limitations pour combler les potentielles failles.
Un protocole en évolution constante
Peercoin (2012) fut l'une des premières monnaies électroniques à utiliser la preuve d'enjeu comme méthode de consensus. La sélection du valideur suit un algorithme déterministe qui inclue une part d'aléatoire. Au sein de chaque nouveau bloc, le précédent valideur exécute une fonction mathématique déterminant qui sera le prochain valideur. Si ce dernier ne répond pas où demeure hors-ligne, un deuxième nœud est "tiré au sort", et ainsi de suite.
Plusieurs failles à ce système ont rapidement été découvertes par la communauté. Parmi elles, on peut noter le pilonnage d'enjeu, qui désigne la possibilité pour un valideur d'essayer une multitude de combinaisons possibles jusqu'à ce que l'algorithme le désigne lui même comme valideur du prochain bloc.
De plus, tout comme dans le mécanisme par preuve de travail, la chaîne de blocs la plus longue est par défaut considérée comme la chaîne valide. Sans qu'aucune pénalité ne soit prévue dans le protocole, des nœuds malicieux pourraient alors tenter de surcharger le réseau en proposant une multitudes de blocs sur chaque chaîne potentielle pour s'assurer de créer le bon bloc sur la bonne chaîne. Dans ce cas de figure, il se peut qu'aucun consensus ne soit trouvé. Cette problématique est nommée "nothing at stake" (aucune mise en jeu) dans la mesure où il n'existe pas de pénalité pour dissuader cette stratégie.
Néanmoins, ces failles peuvent être simplement corrigées et il existe de nombreux autres protocoles Proof of Stake ayant chacun leurs spécificités (ShadowCash, Nxt, BlackCoin, NuShares/NuBits, Qora, Nav Coin, Casper...). Certains de ces protocoles s'appuient notamment sur la notion de pari (betting en Anglais), tels que Casper qui devrait être utilisé par Ethereum. Les valideurs mettent en jeu leur épargne dans le processus de validation. Lorsqu'un comportement malicieux est avéré, la mise est automatiquement perdue.
De nombreux paramètres de la sécurisation par preuve d'enjeu peuvent ainsi être modifiés. Le Proof of Stake étant apparu après le Proof of Work, il reste cependant moins éprouvé en usage réel et dans la littérature scientifique.
Le concept de consensus par Proof of Stake rassemble ainsi de nombreux protocoles différents et demeure en constante évolution.
Le problème de la centralisation des richesses
Le risque de concentration des richesses fut l'une des premières critiques formulées à l'encontre de la sécurisation par preuve d'enjeu. Une répartition trop inégale des jetons, ou le ralliement de plusieurs utilisateurs, pourrait conduire à la prise du pouvoir sur le réseau par un petit nombre de nœuds. Ces derniers seraient en effet exagérément avantagés dans le processus de tirage au sort. Les plateformes d'achat et de trading seraient les premières concernées.
Plusieurs solutions existent pour remédier au problème. Il peut être possible de définir un seuil maximal d'enjeu, c'est à dire la quantité maximale de crypto monnaie prise en compte dans l'algorithme de tirage au sort. Au delà de la limite, l'utilisateur n'est pas plus avantagé.
Le sharding et la fragmentation des tâches de calcul au sein du réseau de la blockchain permet aussi de répondre au risque d'accumulation des richesses. En suivant ce modèle, les opérations sont distribuées en temps réel et automatiquement réparties à de petits groupes de nœuds dont le rôle sur le registre demeure cloisonné.
Avantages et utilisation
Par opposition à une sécurisation par preuve de travail (Proof of Work) très consommatrice en énergie (tel que pour Bitcoin), le Proof of Stake ne nécessite que très peu de ressources matérielles. L'argument écologique peut être mis en avant.
L'implémentation de pénalités économiques au sein du protocole envers les nœuds malicieux (betting) est simple.
La participation à la sécurisation du réseau (et donc à la perception de la récompense associée à la création d'un bloc) est, en théorie, relativement universelle dans le cas d'une sécurisation par Proof of Stake. Par opposition, la mise en place d'un nœud avec matériel de calcul peut s'avérer plus onéreux pour le grand public dans le cas des blockchains Proof of Work (ASICS, CPU, etc.).
Le risque de centralisation est diminué dans la mesure où les économies d’échelle constituent moins un problème. Tel que l'a formulé Vitalik Buterin : 10 millions d’une crypto-monnaie vous donnent exactement 10 fois plus de retour sur investissement qu’un million, sans que n’entre en jeu l’avantage disproportionné que permet d’atteindre la production en masse de matériel de minage.