Proof of Work et Proof of Stake : les différences entre les deux consensus

Une blockchain publique n'a pas d'autorité centrale pour décider quelles transactions sont valides et dans quel ordre elles sont inscrites. Ce rôle revient au mécanisme de consensus. Deux familles dominent : la preuve de travail (Proof of Work, PoW), utilisée par Bitcoin, et la preuve d'enjeu (Proof of Stake, PoS), adoptée par Ethereum depuis 2022 et par la plupart des blockchains récentes. Les deux répondent au même problème, la double dépense, mais avec des ressources différentes : de l'énergie et du matériel d'un côté, des jetons immobilisés de l'autre.

La preuve de travail : le modèle de Bitcoin

Le principe décrit par Satoshi Nakamoto

La preuve de travail est décrite dans le livre blanc de Bitcoin, publié par Satoshi Nakamoto en 2008. Le document s'inspire du système Hashcash d'Adam Back. Pour produire un bloc, un participant fait varier un nombre, le nonce, jusqu'à obtenir une empreinte SHA-256 du bloc qui commence par un nombre donné de bits à zéro. Trouver cette valeur demande en moyenne un très grand nombre d'essais. La vérifier ne demande qu'un seul calcul.

Le livre blanc résume l'idée en une formule : la preuve de travail revient à « un processeur, une voix ». La chaîne la plus longue, celle qui a accumulé le plus de travail, fait foi. Pour modifier un bloc passé, un attaquant doit refaire le travail de ce bloc et de tous les blocs suivants, puis rattraper la chaîne honnête. Le système reste sûr tant que les nœuds honnêtes contrôlent ensemble plus de puissance de calcul que les attaquants.

Une difficulté qui s'ajuste

Selon la FAQ de bitcoin.org, un nouveau bloc est ajouté environ toutes les 10 minutes en moyenne. Le réseau relève ou abaisse automatiquement la difficulté pour maintenir ce rythme, quel que soit le nombre de mineurs. La documentation développeurs de Bitcoin précise que ce recalcul a lieu tous les 2 016 blocs, à partir des horodatages des blocs. Le mineur qui trouve un bloc valide reçoit les bitcoins nouvellement créés et les frais des transactions incluses. Cette récompense diminue avec le temps, jusqu'à un plafond de 21 millions de bitcoins.

Une finalité probabiliste

En preuve de travail, une transaction n'est jamais définitive au sens strict. Plus il y a de blocs empilés au-dessus d'elle, plus il devient coûteux de la réécrire. La FAQ de bitcoin.org indique que six confirmations sont souvent considérées comme un niveau de sécurité suffisant. La documentation développeurs rappelle qu'une attaque fiable contre l'historique suppose de détenir la majorité de la puissance de hachage du réseau : c'est la fameuse « attaque des 51 % ».

D'autres blockchains en preuve de travail

Bitcoin n'est pas le seul réseau à utiliser la preuve de travail. Monero s'appuie sur RandomX, un algorithme adopté à partir de la version 0.15 du logiciel. Il est optimisé pour les processeurs généralistes et vise à décourager l'usage de circuits spécialisés (ASIC), afin de mieux répartir les récompenses de minage. Ce choix illustre un débat propre à la preuve de travail : le matériel spécialisé rend le minage plus efficace, mais concentre la production de blocs entre les mains des acteurs les mieux équipés.

La preuve d'enjeu : le modèle d'Ethereum

Des validateurs qui immobilisent des jetons

En preuve d'enjeu, la ressource rare n'est plus la puissance de calcul mais la cryptomonnaie du réseau. Sur Ethereum, la documentation officielle indique qu'un validateur doit déposer 32 ETH dans le contrat de dépôt et faire tourner trois logiciels distincts. Le temps est découpé en créneaux de 12 secondes, regroupés en époques de 32 créneaux. À chaque créneau, un validateur est tiré au sort pour proposer un bloc ; d'autres validateurs l'attestent.

Une finalité explicite

Contrairement à la preuve de travail, Ethereum fournit une finalité explicite. Les premiers blocs de chaque époque servent de points de contrôle. Lorsqu'une paire de points de contrôle recueille les votes d'au moins deux tiers de l'ETH mis en jeu, les blocs concernés sont finalisés. Pour revenir sur un bloc finalisé, un attaquant devrait accepter de perdre au moins un tiers de l'ETH total mis en jeu, selon la même documentation.

Le slashing : la sanction économique

La preuve d'enjeu ajoute un levier absent de la preuve de travail : la destruction d'une partie de la mise. Sur Ethereum, proposer deux blocs pour un même créneau ou publier des attestations contradictoires expose au slashing. La sanction va de moins de 0,1 % de la mise pour un validateur sanctionné isolément jusqu'à 100 % de la mise lorsque de nombreux validateurs fautent en même temps. Toutes les blockchains en preuve d'enjeu n'appliquent pas la même règle. La page officielle de Solana sur le staking précise que le slashing n'y est pas automatique : un attaquant qui provoque l'arrêt du réseau peut être sanctionné au redémarrage.

The Merge : le passage d'Ethereum à la preuve d'enjeu

Ethereum a fonctionné en preuve de travail, avec l'algorithme Ethash, jusqu'en 2022. The Merge a été exécuté le 15 septembre 2022 : la chaîne historique a fusionné avec la Beacon Chain, déjà en preuve d'enjeu. La fondation précise que l'appellation « Eth2 », ou « Ethereum 2.0 », est abandonnée : il n'existe plus qu'un seul réseau, Ethereum.

Des variantes selon les réseaux

Chaque blockchain adapte le principe. Cardano repose sur Ouroboros, présenté par sa documentation comme le premier protocole de preuve d'enjeu prouvé sûr ; il sélectionne des pools de staking en fonction de l'enjeu qu'ils contrôlent. Polkadot utilise le Nominated Proof of Stake (NPoS) : des nominateurs adossent leurs jetons aux validateurs en qui ils ont confiance, et la finalité est obtenue dès que plus de deux tiers des validateurs attestent d'une chaîne. Sur Solana, les votes des validateurs sont pondérés par l'enjeu, et la délégation ne transfère pas la propriété des jetons au validateur.

Les différences majeures

Consommation d'énergie

C'est l'écart le plus documenté. Selon la documentation d'Ethereum sur la preuve de travail, les mineurs d'Ethereum consommaient environ 70 TWh par an au plus fort, à peu près autant que la République tchèque. La page de la fondation consacrée à la consommation d'énergie, qui s'appuie sur une étude du Crypto Carbon Ratings Institute (CCRI), estime que The Merge a réduit la consommation électrique annualisée du réseau de plus de 99,988 %, pour la ramener à environ 0,0026 TWh par an. La page sur The Merge retient de son côté une baisse estimée à 99,95 %. Les ordres de grandeur concordent : la preuve d'enjeu ne repose pas sur une course au calcul.

Sécurité et coût d'une attaque

En preuve de travail, attaquer suppose d'acquérir et d'alimenter plus de la moitié de la puissance de minage. En preuve d'enjeu, il faut détenir une part de l'enjeu total. La documentation d'Ethereum distingue plusieurs seuils : un tiers de l'enjeu suffit à empêcher la finalisation, 51 % permettent de contrôler le choix de la chaîne. La fondation estime que la preuve d'enjeu rend ces attaques plus coûteuses qu'en preuve de travail, car la mise de l'attaquant peut être détruite par le slashing. La preuve de travail, elle, bénéficie du recul : Bitcoin repose sur ce modèle depuis son lancement.

Barrières à l'entrée et centralisation

Le minage en preuve de travail exige du matériel, souvent spécialisé, et une électricité bon marché. En preuve d'enjeu, la barrière est financière : 32 ETH pour un validateur Ethereum autonome. Les pools de staking permettent de participer avec n'importe quel montant, mais la fondation Ethereum signale leurs risques : failles de contrats intelligents, gouvernance hors de contrôle du déposant, concentration des opérateurs. Les deux modèles ont donc leur propre risque de centralisation : les fermes de minage d'un côté, les grands pools de staking de l'autre.

Finalité des transactions

La preuve de travail offre une finalité probabiliste : la sécurité d'une transaction croît avec le nombre de blocs ajoutés après elle. La preuve d'enjeu d'Ethereum, comme celle de Polkadot, offre une finalité explicite, obtenue par le vote d'une majorité qualifiée de validateurs.

Le tableau des différences

• Ressource engagée : puissance de calcul et électricité pour la preuve de travail ; jetons immobilisés pour la preuve d'enjeu.
• Producteurs de blocs : mineurs en compétition ; validateurs tirés au sort en fonction de leur enjeu.
• Sanction : coût du travail perdu ; destruction possible de la mise (slashing).
• Finalité : probabiliste ; explicite sur Ethereum et Polkadot.
• Énergie : élevée ; réduite de plus de 99,9 % dans le cas d'Ethereum.
• Exemples : Bitcoin, Monero ; Ethereum, Cardano, Polkadot, Solana.