Mécanismes cryptographiques de la preuve d’enjeu

La preuve de travail (PoW) sécurise les chaînes de blocs grâce à une dépense de calcul : les mineurs se disputent la recherche d'une empreinte inférieure à une cible, et le gagnant ajoute le bloc suivant. Cela consomme une quantité d'électricité proportionnelle à la sécurité du réseau. La preuve d'enjeu (PoS) remplace le calcul par un enjeu économique : les validateurs immobilisent une cryptomonnaie en garantie, et le protocole sélectionne les proposeurs de blocs proportionnellement à leur enjeu. La transition d'Ethereum de la PoW à la PoS (The Merge, septembre 2022) a réduit la consommation d'énergie de plus de 99,9 %.

Dans la PoS d'Ethereum (le consensus Gasper), les validateurs mettent en jeu 32 ETH en envoyant une transaction de dépôt à un contrat intelligent sur la couche d'exécution. Ce dépôt comprend une clé publique BLS (l'identité du validateur), un justificatif de retrait et une signature prouvant la possession de la clé. Le contrat de dépôt émet un événement de journalisation ; la couche de consensus lit ces journaux et met les validateurs en file d'attente pour leur activation après un délai (environ 12 à 24 heures dans des conditions normales). La garantie de 32 ETH reste bloquée jusqu'à l'activation des retraits.

Les validateurs d'Ethereum utilisent deux paires de clés : une clé de signature BLS12-381 pour les tâches de consensus (attestations, propositions de blocs, comité de synchronisation) et une clé de retrait distincte pour transférer les fonds. Les signatures BLS sur les courbes BN-254 ou BLS12-381 permettent une agrégation efficace : des centaines de milliers de signatures de validateurs peuvent être combinées en une seule signature de 96 octets. Cette agrégation est essentielle à la capacité de montée en charge ; sans elle, chaque créneau nécessiterait des gigaoctets de données de signature.

La chronologie du consensus d'Ethereum est divisée en créneaux (12 secondes chacun) et en époques (32 créneaux, soit 6,4 minutes). À chaque créneau, un validateur est sélectionné de manière pseudo-aléatoire comme proposeur de bloc. Tous les validateurs actifs sont répartis en comités (généralement 512 validateurs chacun) qui attestent la tête de la chaîne. Les affectations aux comités changent à chaque époque au moyen d'un algorithme de mélange fondé sur RANDAO (Fisher-Yates, avec RANDAO comme source d'entropie), afin d'empêcher la manipulation de la composition des comités.

La sélection des validateurs dans la PoS exige un aléa imprévisible et impossible à manipuler. Ethereum utilise RANDAO, un schéma d'engagement-révélation intégré au protocole. Chaque proposeur de bloc doit inclure une signature BLS sur le numéro de l'époque courante ; cette signature apporte une nouvelle entropie, combinée par XOR à la valeur RANDAO accumulée. La sortie de RANDAO sert à sélectionner le proposeur du créneau suivant et à mélanger les comités. Un adversaire qui contrôle le dernier révélateur d'une époque peut légèrement biaiser RANDAO en retenant son bloc, mais seulement au prix de sa récompense de bloc.

La sécurité de la PoS dépend du comportement honnête des validateurs. La pénalisation sanctionne deux comportements fautifs précis : l'équivoque (signer deux blocs différents pour le même créneau) et le vote d'encerclement (émettre des attestations contradictoires). La preuve de pénalisation est soumise sur la chaîne sous la forme d'une transaction contenant deux messages signés dont le contenu est contradictoire, mais qui utilisent la même clé de validateur. Le validateur fautif perd une partie de son enjeu (au minimum 1/32, et potentiellement la totalité si de nombreux validateurs sont pénalisés simultanément) et est forcé de quitter le système.

Le mécanisme de finalité d'Ethereum est Casper, le mécanisme convivial de finalité (FFG), superposé à la règle de choix de branche LMD-GHOST. À chaque époque, les validateurs émettent des votes de point de contrôle (source, cible), où source désigne le dernier point de contrôle justifié et cible le bloc marquant la limite de l'époque courante. Un point de contrôle est justifié lorsque les deux tiers de la mise y attestent ; un point de contrôle justifié devient définitif lorsque le point de contrôle suivant est lui aussi justifié. Une fois qu'un bloc est définitif, il ne peut pas être révoqué sans détruire au moins un tiers de tous les ETH mis en jeu, ce qui rend sa révocation économiquement désastreuse.

Entre les points de contrôle définitifs, les validateurs doivent s'accorder sur la tête canonique de la chaîne. Ethereum utilise LMD-GHOST (sous-arbre observé le plus lourd, choisi de manière gloutonne à partir du dernier message). La dernière attestation de chaque validateur compte comme un vote ; l'algorithme de choix de branche suit, à chaque point de bifurcation, la branche dont le poids de mise cumulé est le plus élevé, en ne comptant que le message le plus récent de chaque validateur. La combinaison de LMD-GHOST (vivacité) et de Casper FFG (finalité) forme Gasper, le protocole de consensus complet d'Ethereum.

Les clés des validateurs Ethereum utilisent une séparation cryptographique délibérée. La clé de signature BLS est en ligne (elle sert à chaque créneau pour les attestations) et présente donc un risque plus élevé. L'identifiant de retrait est le hachage d'une clé distincte (ou une adresse d'exécution Ethereum après EIP-4895). Cette séparation signifie qu'une clé de signature compromise ne peut pas voler les ETH mis en jeu : l'attaquant peut seulement faire sanctionner le validateur, qui perd sa mise. Seule la clé de retrait peut lancer un transfert de fonds, et elle peut être conservée hors ligne dans un dispositif matériel.

La technologie de validation distribuée (DVT) remédie au risque de point unique de défaillance du staking individuel. Grâce aux signatures BLS à seuil, une seule clé de validateur est répartie entre plusieurs opérateurs (par exemple, 3 sur 5). La proposition d'un bloc ou une attestation nécessite un accord au seuil avant la production d'une signature BLS combinée. Aucun opérateur ne détient la clé complète. Des projets comme Obol Network et SSV Network mettent en œuvre DVT, améliorant la tolérance aux pannes et permettant le staking institutionnel sans conservation centralisée des clés.

Les différentes chaînes fondées sur la preuve d'enjeu mettent en œuvre les mécanismes cryptographiques de manière différente. Solana utilise une variante de Tower BFT avec des horodatages de type VDF (preuve de l'historique) pour établir l'ordre avant le consensus. Cardano utilise Ouroboros, un protocole de preuve d'enjeu dont la sécurité est démontrée, avec des preuves formelles de sécurité cryptographique dans le modèle de composabilité universelle. Les chaînes Cosmos utilisent Tendermint BFT, un protocole BFT classique offrant une finalité par quorum des deux tiers en un seul tour. Chaque conception établit des compromis différents entre sécurité, vivacité, décentralisation et débit.

Quelle est la principale preuve cryptographique utilisée pour sanctionner un validateur Ethereum ?

La preuve d'enjeu remplace le calcul de la preuve de travail par une garantie économique. Les validateurs Ethereum utilisent des clés BLS12-381 pour produire des attestations agrégeables. RANDAO fournit un aléa interne au protocole pour sélectionner le proposant et mélanger les comités. Casper FFG assure la finalité au moyen de votes de points de contrôle soutenus par une supermajorité des deux tiers. LMD-GHOST détermine le choix de branche entre les points de contrôle. Les sanctions punissent les comportements contradictoires et les votes englobants grâce à des preuves inscrites sur la chaîne de messages signés contradictoires. DVT améliore la résilience en répartissant une clé BLS selon un seuil.