La blockchain doit évoluer pour être compétitive. Voici la piste technologique d’un acteur majeur du domaine

De nombreux secteurs industriels, économiques ou sociétaux, comme les domaines bancaires, logistiques, de l’agroalimentaire ou de la santé, voient dans la blockchain une innovation majeure de sécurisation et de fluidification de leurs transactions numériques.

Parfois qualifiée de révolutionnaire, cette technologie, initiée par le Bitcoin en 2008, reste souvent incomprise et sujette à des doutes justifiés quant à sa maîtrise, notamment de ses impacts économiques et environnementaux. Le 15 septembre 2022, la blockchain Ethereum, un des acteurs principaux du domaine, a effectué une évolution majeure, appelée « The Merge », en modifiant son mécanisme interne de validation, passant de la « preuve de travail » à la « preuve d’enjeux ». Loin d’être une anecdote technique, cette évolution lève un verrou important qui va permettre de produire des solutions plus efficaces, fiables et durables à l’échelle industrielle.

Le but est de certifier les transactions, sécuriser les systèmes d’information et contribuer à établir une véritable confiance numérique dans un monde où la modalité numérique des interactions individuelles est devenue incontournable et majoritaire. Par exemple, le monde de la logistique et du transport international sur les grandes places portuaires est en attente du déploiement de solutions réellement efficaces qui, associées à la digitalisation du traçage des marchandises et des conteneurs, permettront de sécuriser et de fluidifier de manière significative le passage portuaire dans un contexte de smart port – un sujet sur lequel nous travaillons beaucoup en collaboration avec le port du Havre.

Mais à l’heure actuelle, la blockchain ne permet pas des taux de transactions élevés (par rapport aux réseaux de payements par carte bancaire par exemple), car elle demande de faire de longs calculs… qui sont aussi très énergivores.

Mais c’est quoi, au juste, une « blockchain » ?

Une blockchain, ou « chaîne de bloc », est un registre numérique décentralisé où sont notarisées des transactions. Un réseau de validateurs agit comme des notaires numériques : ils maintiennent chacun une copie du registre de transactions, empêchant ainsi que l’un d’eux le modifie sans l’accord des autres. Les nouvelles transactions sont agrégées en blocs chaînés (voir figure ci-dessous).

schéma expliquant le fonctionnement des blockchains

Création d’un nouveau bloc.
Cyrille Bertelle et Claude Duvallet, Fourni par l’auteur

Chaque nouveau bloc à chaîner contient une « empreinte numérique » du précédent, empêchant ainsi toute tentative de modification d’un bloc : en modifiant l’empreinte, celui-ci casserait la chaîne.

schéma expliquant le fonctionnement des blockchains

Ajout d’un nouveau bloc.
Cyrille Bertelle et Claude Duvallet, Fourni par l’auteur

La blockchain est qualifiée d’infalsifiable grâce aux deux mécanismes précédemment décrits : la technique de chaînage et la duplication sur le réseau de validateurs.

Deux questions se posent alors : d’abord, comment fonctionne l’inscription d’un nouveau bloc dans la chaîne pour qu’il soit accepté par l’ensemble des validateurs ? Ensuite, comment inciter ces validateurs à travailler au bon fonctionnement de la blockchain ?

La première question repose sur un « mécanisme de consensus » entre l’ensemble des validateurs – la mutation récente d’Ethereum porte sur ce mécanisme. La seconde question conduit à rémunérer le validateur sélectionné pour inscrire un nouveau bloc par une cryptomonnaie, associée à la blockchain.

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La croissance sans fin des ressources nécessaires au consensus par « preuve de travail »

La première blockchain est le Bitcoin, mis en place en 2008 par Satoshi Nakamoto. Sa conception repose sur un mécanisme de consensus entre les validateurs du réseau, appelé « preuve de travail », qui permet de valider collectivement chaque nouveau bloc à inscrire et de rémunérer le validateur sélectionné pour le faire. Celui-ci est sélectionné car il est le premier à résoudre un problème cryptographique nécessitant d’importantes ressources de calcul (ordinateurs, temps, énergie) qui s’accroissent avec le développement de la cryptomonnaie.

Au début du Bitcoin, ce mécanisme de « preuve de travail » s’effectuait grâce au travail de quelques dizaines de validateurs utilisant des micro-ordinateurs. Aujourd’hui, il mobilise plusieurs dizaines de milliers de validateurs qui travaillent simultanément (faisant les mêmes calculs pour résoudre le même problème) sur des ressources informatiques puissantes appelées fermes de minage. Le coût énergétique de ces fermes de minage dans le monde est estimé en 2022 à une consommation énergétique proche de 75 % de celle des ménages français.

L’usage du Bitcoin est pourtant encore relativement confidentiel par rapport aux règlements effectués par un réseau bancaire comme Visa ou Mastercard. Son extension conduirait à une catastrophe écologique avant de s’essouffler puis mourir naturellement, sauf à rester à un niveau d’utilisation anecdotique. Par ailleurs, ce qui est lié au coût du calcul, les taux de transactions sont très faibles (plusieurs minutes pour effectuer et valider chaque transaction) par rapport à ceux des réseaux bancaires comme Visa (des milliers de transactions par seconde).

Ethereum, lancé en 2015 en se basant sur un nouveau concept, celui de « smart contract », vise à sécuriser et automatiser des opérations plus sophistiquées que des simples échanges de valeurs monétaires. Ce nouveau concept ambitionne ainsi de révolutionner la gestion des transactions de l’ensemble des acteurs industriels, économiques et sociétaux cités précédemment. À ses débuts, Ethereum utilisait le mécanisme de consensus de Bitcoin qui avait fait ses preuves (la « preuve de travail »), tout en annonçant une transition vers d’autres mécanismes de validation plus vertueux énergétiquement.

Les alternatives à la « preuve de travail »

Les mécanismes de consensus ont fait l’objet d’importants travaux de recherche avant l’apparition de la blockchain. En effet, les réseaux pair-à-pair qui stockent et partagent des données ne peuvent pas fonctionner sans ces mécanismes, qui permettent de valider les informations partagées.

De nombreux modèles conceptuels de consensus existent : la preuve de travail (celle du Bitcoin), la preuve d’enjeu (à l’origine de l’évolution « The Merge » d’Ethereum), la preuve de capacité, la preuve d’enjeu déléguée, la preuve de service, la preuve d’autorité, la preuve de confiance pour n’en citer que quelques-unes. Ces consensus se caractérisent notamment par la méthode de sélection des validateurs et le mécanisme de validation lui-même.

La preuve d’enjeu, retenue pour l’évolution d’Ethereum, ne repose pas sur la sélection d’un validateur, consécutive à un calcul coûteux effectué de façon concurrente par l’ensemble des validateurs (comme dans Bitcoin). La sélection se fera par un tirage aléatoire proportionnel à son « enjeu », qui correspond à une quantité de jetons représentative de la qualité de son activité. Seul le validateur sélectionné construira le nouveau bloc – sans résoudre de coûteux problème cryptographique – et le soumettra à l’approbation de tous les autres. Ainsi, le coût de l’opération devient quasiment négligeable par rapport à la preuve de travail.

Une limitation est que le choix de la technique du consensus retenu ne doit pas conduire à des situations de monopole de certains validateurs (éventuellement soutenus par des organisations ou des états) dans un système ouvert et public, grâce à leur capacité de calcul ou d’enjeux. À l’échelle d’un réseau mondial visant de nombreux secteurs d’activités, Ethereum devait s’assurer qu’il préservait la confiance du système lors de l’introduction de son nouveau consensus. Même si le mécanisme de « preuve d’enjeu » a été largement étudié, il n’avait jamais été déployé à une si grande échelle que celle visée par Ethereum.

Pour conclure, les blockchains publiques basées sur la preuve de travail sont vouées à l’échec pour un réel déploiement durable à des échelles industrielles. Le Bitcoin en est une illustration.

La migration vers la preuve d’enjeu (ou un autre mécanisme plus vertueux en coût énergétique) est incontournable pour que la blockchain réponde aux grands enjeux économiques, industriels et sociétaux sur lesquels elle est attendue.

Mais, son déploiement reste conditionné à la nécessité de rémunérer les validateurs sur une blockchain publique par une cryptomonnaie qui est inévitablement liée à des appétits de spéculation. Il faut savoir maîtriser cet « effet de bord » dans l’ingénierie des nouveaux systèmes d’informations à base de blockchains.

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