Comprendre le Proof of Stake (PoS) : fonctionnement, variantes et blockchains

Qu'est-ce que le Proof of Stake ?

Le Proof of Stake (PoS), ou preuve d'enjeu, est un mécanisme de consensus : un ensemble de règles qui permet aux nœuds d'une blockchain de se mettre d'accord sur les blocs valides sans autorité centrale. Le droit de proposer et de valider des blocs dépend des jetons qu'un participant immobilise sur le réseau, et non de la puissance de calcul qu'il dépense, comme dans le Proof of Work de Bitcoin.

Le mot anglais « stake » désigne l'enjeu, la mise. Le validateur engage une partie de ses jetons en garantie : s'il se comporte honnêtement, il reçoit des récompenses ; s'il triche, le protocole peut détruire une partie de sa mise.

Les origines : Peercoin et l'« âge des pièces »

Le premier réseau à avoir mis en œuvre la preuve d'enjeu est PPCoin, devenu Peercoin. Son livre blanc, signé Sunny King et Scott Nadal et daté du 19 août 2012, indique que les auteurs ont formalisé l'idée en octobre 2011 et que le concept circulait déjà dans les cercles Bitcoin la même année.

Peercoin reposait sur l'« âge des pièces » (coin age), défini dans ce document comme le montant détenu multiplié par la durée de détention : 10 pièces conservées 90 jours représentent 900 pièces-jours. Pour créer un bloc, le détenteur se paie lui-même via une transaction spéciale, appelée coinstake, qui consomme cet âge accumulé. Le système restait hybride : le Proof of Work servait surtout à l'émission initiale, la preuve d'enjeu assurant l'essentiel de la sécurité. Les auteurs mettaient en avant un réseau dont la sécurité ne dépend plus, à long terme, de la consommation d'énergie.

Ce critère d'ancienneté est propre au modèle de Peercoin. Les grandes blockchains actuelles en preuve d'enjeu ne l'utilisent pas.

Comment fonctionne la preuve d'enjeu ?

Les réseaux diffèrent dans le détail, mais le principe suit les mêmes étapes : immobiliser des jetons, être tiré au sort pour proposer ou attester un bloc, être récompensé ou sanctionné.

L'exemple d'Ethereum

Ethereum décrit précisément son mécanisme dans sa documentation officielle. Pour devenir validateur, un utilisateur dépose 32 ETH dans un contrat de dépôt. Le temps est découpé en créneaux de 12 secondes, regroupés en époques de 32 créneaux. À chaque créneau, un validateur est choisi de façon pseudo-aléatoire pour proposer un bloc, et un comité de validateurs, lui aussi tiré au sort, vote sur sa validité.

Un bloc devient définitif (finalisé) quand une paire de points de contrôle recueille les votes d'au moins deux tiers de l'ETH misé. Revenir sur un bloc finalisé obligerait un attaquant à perdre au moins un tiers de tout l'ETH en jeu.

Les sanctions : le slashing

La sécurité du PoS repose sur la perte possible de la mise. Sur Ethereum, proposer deux blocs pour le même créneau ou publier des votes contradictoires entraîne un slashing. La documentation précise que la pénalité est inférieure à 0,1 % de la mise pour un validateur isolé, mais peut atteindre 100 % en cas d'attaque coordonnée. Tous les réseaux n'appliquent pas la même règle : sur Solana, selon la Fondation Solana, le slashing n'est pas automatique et peut être décidé au redémarrage du réseau après une attaque qui l'aurait arrêté.

Les principales variantes

Le Pure Proof of Stake d'Algorand

Algorand tire au sort, à chaque étape, le proposeur de bloc et les membres des comités de vote au moyen d'une fonction aléatoire vérifiable (VRF). Selon la documentation développeurs d'Algorand, plus un compte détient d'algos en ligne, plus il a de chances d'être sélectionné, comme si chaque algo participait à sa propre loterie. Un nouveau comité est désigné à chaque étape.

Le Liquid Proof of Stake de Tezos

Le Liquid Proof of Stake permet de confier son poids de validation à un validateur sans lui transférer ses jetons. Sur Tezos, d'après la documentation officielle, un validateur, appelé baker, doit disposer d'une puissance d'au moins 6 000 tez. Un détenteur peut soit staker ses tez, qui sont alors gelés et exposés au slashing, soit les déléguer : ils restent alors disponibles, ne peuvent pas être sanctionnés, mais pèsent trois fois moins dans la puissance du baker.

Le Nominated Proof of Stake de Polkadot

Polkadot distingue les validateurs, qui font tourner les nœuds et produisent les blocs, et les nominateurs, qui choisissent les validateurs qu'ils soutiennent. Le wiki Polkadot indique que le réseau répartit automatiquement la mise entre validateurs pour maximiser la sécurité, et qu'en cas d'attaque les validateurs comme leurs nominateurs peuvent perdre tout ou partie de leur mise.

Le Proof of Importance de NEM

Le Proof of Importance, introduit par NEM, ne regarde pas seulement la quantité de jetons détenue. Son successeur Symbol, qui le fait évoluer sous le nom de PoS+, calcule l'importance d'un compte à partir de trois facteurs, selon sa documentation : la mise, les frais de transaction payés et le fait d'exploiter un nœud. Seuls les comptes détenant plus de 10 000 jetons peuvent participer à la création de blocs.

Le Proof of Staked Authority de BNB Smart Chain

BNB Smart Chain combine délégation et autorité. Sa documentation décrit un ensemble restreint de validateurs, élus selon le BNB qu'eux-mêmes et leurs délégants ont mis en jeu. Les 21 premiers forment le groupe qui produit le plus de blocs, et la composition est recalculée toutes les 24 heures.

Quelles blockchains utilisent le Proof of Stake ?

• Ethereum : en preuve d'enjeu depuis The Merge, le 15 septembre 2022.
• Cardano : son protocole Ouroboros sélectionne les pools de staking selon la mise qu'ils contrôlent ; la documentation Cardano le présente comme le premier protocole de preuve d'enjeu dont la sécurité a été prouvée.
• Solana : les détenteurs de SOL délèguent à des validateurs sans perdre la propriété de leurs jetons ; les récompenses sont versées à chaque époque, d'environ deux jours.
• Polkadot : Nominated Proof of Stake.
• BNB Smart Chain : Proof of Staked Authority.
• Tezos et Algorand : respectivement Liquid et Pure Proof of Stake.

The Merge : le passage d'Ethereum au Proof of Stake

Le 15 septembre 2022, Ethereum a abandonné le minage pour la preuve d'enjeu. Ce changement, appelé The Merge, a fusionné le réseau principal avec la Beacon Chain, déjà en preuve d'enjeu. Selon la page officielle consacrée à The Merge, la consommation d'énergie d'Ethereum a baissé d'environ 99,95 %.

Proof of Stake et Proof of Work : les différences

Le Proof of Work sécurise le réseau par une dépense d'énergie : pour réécrire l'historique, un attaquant devrait mobiliser plus de puissance de calcul que les mineurs honnêtes. Le Proof of Stake la remplace par un capital immobilisé : un attaquant devrait réunir une part importante des jetons en jeu et risquerait de les perdre par slashing.

La preuve d'enjeu consomme donc beaucoup moins d'énergie, comme l'illustre le cas d'Ethereum. Elle soulève en revanche d'autres questions : le poids des plus gros détenteurs, la concentration de la mise chez quelques prestataires de staking, ou la complexité des règles de sanction. Les variantes décrites plus haut répondent chacune à leur manière à ces critiques, par la délégation, la nomination ou la prise en compte de l'activité des comptes.