Blockchain : Une technologie fondée sur la décentralisation des données
Blockchain… Cette technologie est très souvent associée à Bitcoin, initié en 2009. Depuis, de nombreuses blockchains ont été développées. Mais concrètement, comment cette nouvelle technologie permet-elle de gérer des transactions1 sur Internet, de partager des données, entre tiers qui ne se font pas confiance, a-priori ?
François-Henri Paroissin
Chief Digital Officer chez Société Générale Private Banking France
Les réseaux traditionnels sont centralisés : ce sont des réseaux dans lesquels un tiers de confiance est indispensable pour recueillir les demandes de transactions, vérifier les identités des demandeurs, valider ces demandes et enfin les exécuter, le cas échéant. Dans ces systèmes, il existe un seul et unique registre et une seule autorité qui contrôle le système.
L’exemple de la banque : le rôle de la banque est de conserver une trace de ce que possèdent les clients et l’historique des transactions effectuées. La banque stocke toutes ces informations dans un registre centralisé. Le tiers de confiance est la banque.
La blockchain (« chaîne de blocs ») est une technologie alternative de stockage et de transfert d’informations. Elle permet de partager de façon décentralisée une base de données, sécurisée et inaltérable, sans recours à un tiers de confiance, au sein d'un réseau composé de nœuds. Plus le nombre de nœuds est important, plus le réseau est vaste et, toutes choses égales par ailleurs, plus la blockchain est sécurisée.
Les nœuds sont des ordinateurs individuels sur lesquels tourne le logiciel de la blockchain, assimilable à un protocole, c’est-à-dire un ensemble de règles permettant à chacun de communiquer. Tous ces ordinateurs interagissent les uns avec les autres On parle de réseau pair à pair (ou peer to peer, en anglais). Nous verrons qu'il existe plusieurs types de nœuds.
Dans une blockchain, le registre est unique mais copié à de multiples endroits (nœuds), public (tout le monde peut consulter les transactions) et inaltérable (les transactions sont immuables). En termes de confidentialité, les transactions sont toutefois protégées du fait de leur caractère pseudonyme.
Les nœuds partagent donc chaque mise à jour du registre, à savoir l’historique de toutes les transactions qui ont eu lieu sur le réseau.
Par ailleurs, deux outils du domaine cryptographique sont fondamentaux pour le bon fonctionnement d’une blockchain : la chiffrement asymétrique (qui permet de signer des transactions et d’en vérifier la validité) et le hashage. Nous détaillerons plus loin ces concepts.
Une blockchain est constituée de plusieurs types de nœuds, dont les trois principaux sont :
Les nœuds complets, qui stockent une copie complète de la blockchain (historique des transactions depuis l’origine) et font tourner le protocole. Ils diffusent aux autres nœuds les transactions émises. Si une transaction est non valide, elle est rejetée. Les transactions valides entrent dans un « mempool »2 , une sorte d’espace constitué des transactions en attente d’être ajoutées à la blockchain par un nœud mineur ou validateur.
Les nœuds légers, qui ne stockent pas la totalité des transactions effectuées sur la blockchain, mais uniquement les en-têtes des blocs de la blockchain. Ils peuvent donc vérifier les transactions mais ne participent pas à la sécurisation du réseau, comme les nœuds complets. Ils sont notamment utilisés par les portefeuilles logiciels de cryptoactifs.
Les nœuds mineurs ou validateurs, qui sont chargés de constituer des blocs de transactions valides, en attente dans le mempool, et de les ajouter à la blockchain pour que les transactions soient bien exécutées (cf. ci-après).
Pourquoi parle-t-on de blocs ? De chaînes de blocs ?
Une blockchain est une suite de blocs de transactions ajoutés les uns après les autres, dans l'ordre chronologique. On parle de chaîne car ils sont reliés les uns aux autres grâce à une fonction cryptographique fondamentale appelée hashage, ce qui permet de sécuriser la blockchain.
Cette fonction de hashage prend en entrée n'importe quelles données de n'importe quelle taille et génère en sortie un hash, i.e. une chaine de caractères de longueur fixe. Pour simplifier, c'est une sorte de signature numérique des données en entrée. La moindre modification d’une de ces données en entrée aura pour effet de générer un hash tout à fait différent, ce qui permet très simplement de détecter l’altération de tout ou partie des données sources.
Dans le cas de la blockchain, chaque en-tête d’un bloc de transactions (= l’entrée) est hashé et le hash correspondant est ajouté au bloc suivant. Autrement dit, si la moindre transaction d'un bloc précédent était modifiée, le hash du bloc entier serait complètement différent et cela serait détecté instantanément. Cela impacterait tout l'historique des transactions, donc toute modification serait détectée lors de la mise à jour du registre, créant une divergence entre hashs, et rejetée par les nœuds.
Cela permet d'éviter qu’une personne malveillante procède à une double dépense3. Et comme il s'agit d'un système décentralisé, l'attaquant devrait modifier la majorité des copies du registre, ce qui est en pratique impossible quand le nombre de nœuds est très élevé.
Exemple :
Le hash de l’en-tête du bloc N-1 est
9fc07c2c159594398feb31779dcc184c1ffe9868e29e42f452c98778074cf811
Si la moindre modification était apportée à une transaction du bloc N-1, le hash de l’en-tête du bloc N-1 deviendrait, par exemple :
afaa62b51605a9662346d449cf0aa6ca41eb47662435ebb510e75de3b907a797
Ce nouveau hash est totalement différent de celui qui a été calculé initialement et cette modification se répercuterait sur les blocs suivants.
L’historique des transactions est identique sur tous les ordinateurs du réseau. Dès qu'un nouveau bloc est ajouté, les nœuds complets se synchronisent de façon à conserver le même état des transactions.
Comment peut-on être sûr que les transactions sont bien valides ? Puisqu’il n'y a pas d'autorité centrale, comment cela fonctionne-t-il ?
La validité des transactions repose sur la cryptographie asymétrique, qui permet de générer des paires de clés composées de clés publiques (partageables) et de clés privées (secrètes). Chaque clé publique est dérivée d'une clé privée, cette dernière permettant d'accéder aux tokens et de les transférer en signant la transaction. La clé publique permet aux nœuds de vérifier la validité d’une transaction signée avec la clé privée.
Pour qu’une blockchain fonctionne, il est indispensable que soit établi un consensus entre toutes les parties prenantes au réseau (i.e. les nœuds présentés ci-avant). Il existe plusieurs algorithmes de consensus. Les plus connus sont la preuve de travail et la preuve d’enjeu4.
Ce sont les nœuds mineurs (blockchain à preuve de travail) ou validateurs (blockchain à preuve d'enjeu) qui sont chargés d’ajouter les nouveaux blocs de transactions valides à la blockchain :
Dans les blockchains à preuve de travail, chaque mineur tente d'être le premier à trouver la solution à un problème cryptographique défini par le protocole. La résolution de ce problème nécessite de réaliser de très nombreuses itérations (et donc un coût en énergie très élevé correspondant à la puissance de calcul utilisée). Quand un mineur a trouvé la solution, il l’annonce aux autres mineurs qui peuvent très facilement la vérifier. Le mineur peut ensuite ajouter son bloc de transactions à la blockchain et reçoit en contrepartie de nouveaux tokens, ainsi que les frais de transactions. Un bloc est ajouté à intervalles réguliers, dépendant de la blockchain. La blockchain croît et le registre est mis à jour par tous les nœuds. C'est un consensus distribué fondé sur les mathématiques qui permet de savoir à tout instant qui possède quoi. Compte tenu de la puissance de calcul nécessaire, et donc de son coût économique, un mineur est incité à respecter les règles de validation s’il veut percevoir les nouveaux tokens émis et les frais de transaction.
Dans les blockchains à preuve d’enjeu, le consensus est différent. Les validateurs mettent en jeu un certain nombre de tokens. En général, plus ils détiennent de tokens, plus ils ont de chance d’être sélectionnés pour valider les transactions et former le bloc qui sera rattaché à la blockchain. De façon schématique, il existe également une incitation économique à constituer les blocs correctement car sinon le validateur perd les tokens immobilisés, ce qui représente une perte financière conséquente. En contrepartie d’une validation conforme au protocole, le validateur perçoit de nouveaux tokens et les frais de transaction. Ces mécanismes de récompenses peuvent varier d’une blockchain à l’autre et dépendent du protocole qui peut évoluer dans le temps.
Blockchains publiques, privées, ou de consortium
L’essence même d’une blockchain est d’être ouverte à quiconque veut y participer. On parle de blockchain publique, ouverte, permisssionless. Comme nous l’avons vu, elles fonctionnent avec des algorithmes de consensus.
Les plus connues sont Bitcoin et Ethereum. Chacun peut installer le code source du protocole, open source, et peut devenir un nœud du réseau. De même, tout le monde peut utiliser une blockchain pour effectuer des transactions, avec une paire de clés, privée et publique. Enfin, tout le monde peut consulter les transactions de la blockchain puisque par nature, le registre distribué est public. Il suffit de consulter une blockchain explorer (exemples : pour Bitcoin, Bitcoin Explorer; pour Ethereum, Etherscan ; pour Solana, Explorer Solana)
Une blockchain publique est donc synonyme de transparence totale.
A côté des blockchains publiques, il existe :
Des blockchains de consortium : le processus de consensus est contrôlé par un ensemble présélectionné de nœuds ou par un nombre présélectionné de parties prenantes (ex. : Ripple)
Des blockchains privées : ne peuvent y accéder que des utilisateurs autorisés, selon des règles imposées par l'entreprise qui contrôle ce réseau. On y retrouve une notion d’autorité centrale, ce qui peut difficilement conférer la qualité de blockchain à un tel réseau.
Les blockchains publiques sont la colonne vertébrale du web3, de l’internet de la valeur5 : Bitcoin qui pourrait être une réserve de valeur sur le long terme, Ethereum et les blockchains de niveau 2 qui offrent des possibilités d’engager différentes parties via les smart contracts, de proposer des stable coins, socle essentiel de la finance décentralisée6. Autant d’opportunités de développer de nouveaux écosystèmes économiques et financiers.
1 Transfert de cryptomonnaies, exécution d'un contract, enregistrement de données...
2 « mem » pour «memory »
3 Cf. Bitcoin : « décryptage » et clés de compréhension
4 Certaines blockchains ont fait évoluer leur protocole de consensus, tel Ethereum qui est passé d’une preuve de travail à un preuve d’enjeu.
5 Exprimé simplement, le web 3 est une amélioration du web2, tel que nous le connaissons actuellement. Le web3 est doit apporter davantage de sécurité et de décentralisation.
6 Ces sujets seront développés dans de prochains articles.
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