Qu'est-ce que le consensus ?
Un protocole de consensus est un mécanisme de blockchain qui assure la synchronisation entre les nœuds et établit un accord sur les transactions et les blocs à considérer comme légitimes et donc ajoutés à la blockchain. Ce sont des méthodologies tolérantes aux pannes pour maintenir un état unique du réseau et harmoniser tous les nœuds distribués.
Le but d'avoir un mécanisme de consensus est de valider et d'authentifier les transactions et donc de garantir que l'intégrité du réseau blockchain reste intacte. Un consensus est un accord sur ce qui est acceptable et ce qui ne l'est pas ! avant de créer un registre immuable et de l'ajouter aux blocs du réseau. Un consensus peut être donné par tout ou partie des nœuds du réseau qui ont obtenu le droit de valider une transaction (ou un bloc). Ces nœuds sont appelés validateurs ou mineurs ou vérificateurs en fonction de la terminologie adaptée au réseau et au protocole de consensus utilisés. Ce blog discute de la nécessité d'un mécanisme de consensus et élucide l'analyse et le processus de conclusion sur le protocole de consensus approprié pour un réseau blockchain.
Pourquoi un mécanisme de consensus est-il nécessaire?
La 4e itération de la révolution industrielle fait passer l'industrie moderne d'une version simplement numérisée de ce qui était manuel il y a quelques décennies à un système cyber-physique décentralisé efficace, sécurisé et robuste. Aujourd'hui, l'objectif est d'introduire de meilleurs outils technologiques, capables de permettre un réseau de produits et de services sans confiance et sans autorisation, qui sont plus efficaces et mieux conçus pour le Web3.0 et d'autres technologies émergentes.
Ils sont implémentés pour assurer un état unique du réseau et que tous les nœuds sont connectés au bon réseau. Un mécanisme de consensus est l'identité de contrôle unique qui assure la sécurité et l'authenticité du grand livre décentralisé, une chaîne de blocs. Les blocs de transactions ne sont ajoutés à la blockchain existante qu'après avoir été authentifiés et validés par le mécanisme propre à la blockchain pour convenir de l'exactitude de la transaction. Un consensus est obligatoire pour étendre la chaîne en ajoutant des blocs, où chaque bloc est une collection de transactions. C'est la croissance de la chaîne qui maintient le réseau fonctionnel. Le mécanisme de consensus garantit que les transactions restent accessibles et que le système reste transparent. Les algorithmes de consensus éliminent les intermédiaires tiers pour garantir l'exactitude des transactions. À mesure que le consensus atteint un état global des transactions dans la chaîne, tous les nœuds/homologues peuvent se faire confiance. Cela induit une tolérance aux pannes dans le réseau.
Dans une blockchain, le registre distribué est géré de manière décentralisée. Dans certaines chaînes, plusieurs nœuds indépendants prennent la responsabilité de maintenir la blockchain tandis que dans d'autres, le consensus est davantage de nature automatisée et les nœuds ne sont responsables que de la soumission ou de la proposition des transactions. C'est grâce à un mécanisme de consensus que l'expérience utilisateur est améliorée grâce à la vérité convenue entre les parties prenantes qui représentent les nœuds et les composants hétérogènes du réseau.
Élection d'un mécanisme de consensus
L'évolution de la technologie blockchain s'est accompagnée d'une évolution congruente et d'une innovation dans les mécanismes de consensus. Le protocole de consensus peut avoir de nombreux objectifs tels que le maintien de la sécurité, la coopération, l'égalité des droits des nœuds, la gouvernance de la blockchain, un certain pourcentage de participation des nœuds, etc. ces objectifs de consensus forment les prémisses pour examiner tout bloc et valider son ajout à la chaîne pour atteindre le prochain état stable, fiable et sécurisé du réseau.
Pour conclure sur tout mécanisme de consensus, il est important de comprendre les priorités et le cadre de la blockchain. Parallèlement à cela, il est nécessaire de comprendre l'architecture requise, les fonctionnalités sous-jacentes et les principaux composants impliqués dans le mécanisme de consensus. Par la suite, une méthodologie consensuelle convenant à la blockchain peut être conclue. Vous trouverez ci-dessous certaines des principales caractéristiques prises en compte lors de l'évaluation d'un mécanisme de consensus à utiliser sur une blockchain.
Analyse des algorithmes de consensus pour les applications
● Type de chaîne de blocs
En fonction des propriétés de l'application ou du système qui utilise la blockchain, le degré de contrôle et d'accessibilité de la blockchain est classé en privé, public ou consortium. Le mécanisme de consensus doit rester le même tout en garantissant la sécurité et l'intégrité de la blockchain.
● Gouvernance décentralisée
Un réseau, lorsqu'il est gouverné par des acteurs répartis sur le réseau, garantit premièrement que la blockchain ne finira pas par être contrôlée de manière centralisée, entraînant une gouvernance monopolistique motivée par les intérêts d'une petite partie des utilisateurs, et deuxièmement garantit que toutes les décisions prises par un consensus distribué sont visant un objectif commun de bénéficier de la blockchain et de maintenir sa sécurité et son intégrité.
● Évolutivité et attaques
Toute blockchain doit être évolutive. Un consensus comme PoW qui nécessite une puissance de calcul élevée rend impossible une mise à l'échelle libre. Les chaînes de blocs destinées à être adoptées à l'échelle mondiale doivent impérativement être évolutives et les mécanismes de consensus tels que PoT et ELASTICO sont conçus pour les aider.
L'évolutivité vient avec le compromis pour que la blockchain devienne plus sensible aux attaques, par conséquent la gouvernance et le consensus de la blockchain doivent être choisis avec soin pour assurer une sécurité élevée.
● Modèle de tolérance de l'adversaire
Aucun réseau ne peut être à l'abri des pannes. De même, chaque blockchain est susceptible de deux principaux types de défauts - crash et byzantine, discutés plus loin. La protection de la blockchain contre les opérations malveillantes doit être intégrée dans la gouvernance et le modèle consensuel de la blockchain. Le mécanisme de consensus doit garantir que la robustesse de la blockchain est maintenue à travers les attaques et les vulnérabilités.
Un mécanisme de consensus qui peut aider la blockchain à éviter de telles attaques et même à se rétablir de manière transparente au cas où l'une d'entre elles se produirait est une autre mesure qui aide à conclure pourquoi un mécanisme de consensus particulier peut ou non convenir à la blockchain.
● Paramètres de performances
La numérisation et la mondialisation ont augmenté le nombre de transactions effectuées dans tous les secteurs verticaux. Au fil des ans, les blockchains ont également évolué de quelques transactions par jour au traitement de blocs complets en quelques secondes. Par conséquent, un cas d'utilisation nécessitant un traitement et une finalisation des transactions en temps réel nécessiterait également un tel mécanisme de consensus. Un tel mécanisme de consensus nécessite la disponibilité ininterrompue des nœuds de validation.
La bande passante, la latence et le débit sont les paramètres essentiels à surveiller qui rendent une blockchain fiable. Une blockchain doit maintenir un débit élevé et des valeurs de latence faibles. Il doit prendre en charge une bande passante capable de gérer la quantité de trafic qu'il a l'intention d'attirer. Des mécanismes tels que DPoS, PoET et Tendermint prennent en charge une évolutivité et un débit élevés.
● La complexité du modèle de communication
Sur la base du temps de réponse, un protocole de consensus doit être en mesure de répondre aux exigences de communication. Qu'elle soit synchrone (faible temps de réponse) ou asynchrone (temps de réponse élevé), c'est l'application qui détermine quel type de communication et quel protocole de consensus seront les mieux adaptés au cas d'utilisation spécifique.
Recueillir un consensus à partir de plusieurs nœuds distribués est une tâche fastidieuse. De la proposition d'un bloc à ajouter à la chaîne jusqu'au point où il est ajouté et où tous les nœuds sont arrivés à l'état mis à jour de la blockchain, le parcours n'est ni fluide ni prévisible. Un mécanisme de consensus qui reconnaît et gère la même chose est d'une grande importance pour les blockchains avec un volume élevé de transactions et donc des blocs prêts pour la validation.
● Structure du quorum
Pour qu'un système distribué applique un fonctionnement cohérent, il existe un nombre ou un pourcentage minimum de nœuds qui doivent consentir, pour qu'un bloc soit considéré comme valide et ajouté à la chaîne. Un algorithme de consensus avec une structure de quorum qui applique la décentralisation et la distribution du consensus est préférable pour toute blockchain.
● Besoins énergétiques
Une préoccupation majeure à l'échelle mondiale est les besoins énergétiques et les taux d'émission du consensus. Aujourd'hui, la plupart des applications et des utilisateurs sont sceptiques et enclins à choisir un mécanisme de consensus qui a un faible impact sur la qualité environnementale déjà en baisse.
À l'heure actuelle, la plus grande et la plus ancienne blockchain fonctionnant sur PoW qui nécessite des niveaux extrêmes de puissance de calcul est considérée comme la plus hostile à l'environnement et l'attention s'est déplacée vers de meilleurs mécanismes tels que PoS, PoB et PoC.
● Catégorie Exploitation minière et Consensus
Sur la base de la taille du réseau, des protocoles de consensus peuvent être conclus. Un réseau avec un grand nombre de nœuds distribués favorise le consensus basé sur la preuve tandis qu'un réseau plus petit préfère les mécanismes de consensus basés sur le comportement de vote. Ceci est cependant assez rudimentaire. Plus important est le modus operandi qu'un mécanisme de consensus emploie. Les mécanismes de consensus sont globalement classés comme suit :
- Basé sur la preuve : Ceux qui dépendent de la preuve des validateurs basés sur des paramètres comme la puissance de calcul, la capacité de gravure, la richesse, la mémoire, etc.
- Basé sur les capacités : Ceux-ci sont destinés à réduire les besoins énergétiques mais souffrent d'un défaut inhérent de susceptibilité à la centralisation en fonction de la capacité considérée.
- Basé sur le vote : Un mineur est élu par vote pour proposer, générer et valider un bloc. Aux élections partielles, le problème de la centralisation est résolu dans une large mesure. De plus, les exigences fondées sur la preuve sont également prises en charge par les électeurs. Cependant, ce mécanisme peut indirectement souffrir de :
a). Défaut de crash: surchargeant le nœud élu avec la tâche de validation et ne disposant d'aucun mécanisme de sauvegarde en cas d'échec sur l'extrémité de validation élue.
a). Faute byzantine: Il s'agit d'un défaut subtil où l'on pense qu'une distribution illusoire de consensus existe bien que le consensus puisse être centralisé au sein de quelques nœuds.
● Finalité consensuelle
Il existe deux grandes catégories de finalité des transactions : absolue et probabiliste. Le consensus probabiliste peut avoir des transactions annulées, qui ne peuvent pas être validées plus tard dans le même bloc et seront donc régénérées et revalidées pour être validées dans un bloc. Ici, le temps de réponse est un facteur qui influence la détermination du mécanisme de consensus qu'il soit probabiliste ou absolu. Aujourd'hui, seuls l'ondulation et le DBFT offrent une finalité absolue. L'objectif principal d'un consensus est de maintenir un état global authentique de la blockchain, d'éliminer l'intérêt direct d'un ou plusieurs nœuds et d'avoir un objectif dédié de maintenir la confidentialité des données. Une blockchain doit toujours rester dans un état convenu par chaque nœud, c'est-à-dire dans un état perpétuel d'intégrité incontestable.
● Attaques
L'accessibilité et la transparence mondiales rendent les blockchains très sensibles aux menaces. Un mécanisme consensuel traitant du commerce financier devrait aider les utilisateurs à atténuer les risques tout en gardant le contrôle des actifs entre les mains du propriétaire. La réalisation d'un état global dans la chaîne et son maintien induisent la confiance entre les nœuds et les pairs.
Selon la catégorie des attaques de sécurité auxquelles une blockchain est susceptible, des mécanismes de consensus peuvent être utilisés pour ajouter une couche de sécurité sur la blockchain. RAFT, PoB et PoA sont quelques protocoles qui résistent aux attaques DDos tandis que PoT et Ripple sont robustes en ce qui concerne les attaques Sybil.
Il y a quelques considérations supplémentaires à prendre en compte avant qu'un mécanisme de consensus ne soit finalisé, elles peuvent inclure l'approche de mise en œuvre, la tokenisation et la force de l'algorithme.
Aucun paramètre n'influence à lui seul le choix d'un mécanisme de consensus particulier. La combinaison de ces paramètres a un impact sur le fonctionnement d'un mécanisme de consensus dans diverses applications développées sur cette blockchain.
Consensus hybride
Sans compromettre les caractéristiques uniques des mécanismes de consensus comme l'évolutivité, la sécurité, la décentralisation et le fonctionnement rapide sans autorisation, les mécanismes de consensus peuvent être combinés pour former un consensus approprié pour un cas d'utilisation particulier. Le but de l'hybridation est d'obtenir le meilleur des deux mondes, la blockchain publique et privée. La fusion est présidée par la compatibilité du consensus individuel employé. Le résultat ici est une blockchain hybride, qui subit des restrictions de visibilité plus strictes des réseaux externes et un traitement interne plus fluide.
L'hybridation peut ne pas être employée sur la blockchain elle-même mais sur une deuxième couche au-dessus de la blockchain, la couche fonctionnelle où la plupart des applications sont déployées. Bien qu'ici la deuxième couche de contrôle et de fonctionnalité soit ajoutée, cela réduit la charge sur la blockchain principale. Cela ne doit pas être comparé à un mécanisme de double consensus tel qu'utilisé par Solana, Solana a un consensus où les blocs sont pipelinés sur la base de PoH tandis que la validation est effectuée via PoS. Il s'agit d'une blockchain indépendante utilisant deux mécanismes de consentement à deux moments différents.
Migrer vers un autre mécanisme de consensus
Ethereum a créé beaucoup de remous en migrant vers PoS depuis PoW. Ce n'est pas un processus fluide. En plus de l'effort et de la capacité, la phase de transition est en proie à une énorme vulnérabilité et nécessite donc des efforts supplémentaires pour se protéger contre Sybil et d'autres attaques. Ethereum lui-même l'a fait par phases, car une fois qu'une blockchain est fonctionnelle et publique, il n'y a plus d'arrêt des transactions qui se produisent et de la génération de blocs. La migration sur Ethereum a été effectuée par phases, et jusqu'au moment de la rédaction de ce PoW est parallèlement fonctionnel avec PoS. Le mécanisme et les considérations de migration dépassent le cadre de ce blog, bien qu'Ethereum ait montré qu'il est possible et complexe à la fois.
L'avenir du consensus
L'avenir de la numérisation est centré sur la blockchain et, par conséquent, les mécanismes de consensus sont à l'étude. Chaque nouvelle blockchain essaie de surpasser ce qui a déjà été fait. Solana a introduit un tout nouvel ensemble de protocoles comme le niveau de la mer et la rupture des nuages pour défier les chaînes de blocs courantes. Il en a profité et a atteint une popularité concurrentielle en un rien de temps. L'objectif n'est cependant pas une seule blockchain ou le meilleur mécanisme de consensus uniquement. L'objectif est d'atteindre un niveau de coopération où les blockchains individuelles peuvent fonctionner et la monnaie ou toute transaction numérique est réalisable sans les limites de l'architecture sous-jacente ou de la blockchain ou du mécanisme de consensus en vigueur. Metaverse, l'espace numérique unique ultime est loin jusqu'à ce que les blockchains individuelles soient parfaitement intégrables pour former une alliance synergique.
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