Analyse du mécanisme de consensus de Solana : la preuve de participation déléguée et la preuve de l'historique

Rédaction : Cookies Research

Traduction : Block unicorn

Le mécanisme de consensus d'une blockchain est chargé de valider la validité des transactions et de les ajouter à la chaîne dans un ordre précis. Selon le mécanisme de consensus choisi, l'efficacité du processus de validation et de tri varie, entraînant différents niveaux de débit. Dans le domaine des blockchains, Solana se distingue comme une chaîne haute performance, avec un temps de bloc de 400 millisecondes, un nombre moyen de transactions par seconde (TPS) compris entre 2 000 et 3 000, et un TPS théorique maximal de 65 000 (à titre de comparaison, le TPS d'Ethereum est d'environ 12).

Cet article vise à mettre en lumière deux composants architecturaux clés de Solana qui contribuent à son haut débit : son mécanisme de consensus Proof of Stake délégué (DPoS) et son mécanisme Proof of History (PoH).

1. Mécanismes de consensus traditionnels

Commençons par comprendre un goulet d'étranglement majeur dans les blockchains : la scalabilité.

Chaque nœud d'un réseau blockchain distribué possède sa propre horloge interne, fonctionnant selon cette horloge système locale. Lorsqu'une transaction a lieu, le nœud y appose un horodatage basé sur cette horloge locale.

L'image ci-dessous illustre l'horloge interne d'un nœud :

Le moment final de confirmation ou de rejet d'une transaction repose également sur cette horloge système locale. Dans les mécanismes de consensus traditionnels (comme le Proof of Work - PoW ou le Proof of Stake - PoS), tous les nœuds doivent communiquer entre eux pour synchroniser leurs horloges locales, afin d'avoir une perception commune du temps lors du traitement des transactions. Cette communication permet d'établir une référence temporelle commune, garantissant que l'ensemble du réseau partage une vision cohérente du temps, nécessaire pour coordonner l'ordre et la confirmation des transactions.

Dans une blockchain distribuée, où des milliers de nœuds sont répartis à travers le monde, des écarts inévitables existent entre les horloges locales des nœuds, ce qui conduit à des désaccords sur les horodatages des transactions. Cela pose un problème lorsque les nœuds doivent s'accorder sur les transactions effectuées et leur ordre dans les blocs. Ce phénomène est appelé le problème de synchronisation des horodatages, qui devient plus grave et complexe à mesure que le réseau augmente son nombre de nœuds pour renforcer sa décentralisation.

Finalement, cela ouvre une voie possible aux attaques malveillantes. Les écarts temporels permettent à des acteurs malintentionnés de diffuser de fausses transactions dont les horodatages imitent ceux légitimes, tentant ainsi de prendre le contrôle du réseau. Pour éviter toute manipulation des transactions, d'importantes ressources en temps et en puissance de calcul sont nécessaires pour vérifier l'exactitude des horodatages. Cela peut entraîner des retards dans la confirmation des blocs, voire le rejet de certains blocs (car les nœuds peuvent voter contre leur validité en raison d'horodatages divergents).

2. Qu'est-ce que la Proof of History (PoH) ?

La Proof of History (PoH) dans Solana sert à prouver que les transactions ont été correctement ordonnées, et ce de manière facilement vérifiable par les validateurs du réseau.

Contrairement à la situation décrite dans la première section, où chaque nœud dispose de son horloge indépendante, la PoH agit comme une horloge globale que tous les nœuds utilisent pour vérifier l'écoulement du temps entre deux événements. Grâce à cette horloge unique, tous les nœuds consultent le même historique des transactions, éliminant ainsi tout désaccord potentiel sur l'ordre des opérations. Cela permet d'atteindre rapidement un consensus, réduisant considérablement le temps nécessaire pour valider et ajouter une transaction à la blockchain.

La PoH repose sur une méthode cryptographique permettant de créer un enregistrement continu et chronologique des transactions. Plongeons plus profondément dans son fonctionnement.

3. Approfondissement technique de la PoH

Chaque transaction est traitée via SHA-256, une fonction de hachage cryptographique connue pour produire, à partir de n'importe quelle entrée, une sortie unique et imprévisible. Lorsqu'une transaction est hachée, le résultat sert d'entrée pour le hachage de la transaction suivante. Ce processus crée un ordre intégré entre les transactions, formant une longue chaîne continue.

La Proof of History (PoH) exploite les fonctions de délai vérifiables (VDF), essentielles pour attester de l'écoulement du temps dans la blockchain. Les VDF sont des fonctions intensives en calcul, qui reposent non seulement sur le hachage précédent mais incluent aussi la durée écoulée. Ce mécanisme permet à Solana de démontrer cryptographiquement qu'un certain temps s'est réellement écoulé, générant ainsi des sorties successives. Il en résulte un ordre clair et vérifiable des transactions, assurant une chronologie cohérente des événements. Les validateurs peuvent donc facilement vérifier combien de temps s'est écoulé, renforçant davantage la crédibilité du réseau.

L'utilisation de la Proof of History (PoH) dans Solana ajoute une couche solide de sécurité et d'intégrité. Toute tentative de falsification d'une partie de la chaîne de hachage obligerait à recalculer tous les hachages ultérieurs, une tâche extrêmement coûteuse en ressources, protégeant ainsi efficacement le réseau contre les modifications.

La PoH réduit considérablement la quantité d'informations que chaque validateur doit traiter par bloc. En utilisant la version hachée de l'état le plus récent des transactions, le temps de confirmation des blocs est fortement raccourci. Lorsqu'un validateur (ou nœud de réplication) reçoit un bloc, la séquence PoH lui fournit un ordre des transactions cryptographiquement fiable, qu'il peut accepter sans avoir besoin de le revérifier. Cette efficacité est cruciale pour accélérer le mécanisme de consensus, car le réseau peut rapidement sélectionner et passer au prochain validateur pour la validation du bloc suivant.

4. Le Proof of Stake délégué (DPoS)

Après avoir mieux compris la PoH, cette section explique comment celle-ci s'intègre au mécanisme de consensus de Solana, le DPoS.

Dans le DPoS, chaque validateur ayant misé des $SOL peut participer à la gouvernance du réseau — en votant sur la validité des blocs et en décidant de leur ajout à la blockchain. Les détenteurs de $SOL qui ne souhaitent pas participer directement au processus de mise (y compris vous et moi) peuvent déléguer leurs jetons à d'autres validateurs, devenant ainsi des délégués. Ce processus de délégation attribue aux validateurs le pouvoir de vote des délégués, proportionnellement à la quantité de $SOL qu'ils détiennent. En échange de leur mise, les délégués reçoivent une part des récompenses accordées pour la création de blocs.

Le principe de fonctionnement du système DPoS est que les nœuds disposant d'une plus grande mise ont plus de chances d'être sélectionnés pour valider les transactions et les ajouter à la blockchain. La perspective de recevoir des récompenses incite les nœuds à maintenir des performances élevées et une intégrité rigoureuse.

À présent que nous avons compris à la fois le DPoS et la PoH, combinons ces connaissances pour décrire brièvement le processus typique de confirmation d'un bloc sur Solana.

5. Aperçu général du mécanisme de consensus de Solana

1. Sélection du nœud leader : le nœud leader est chargé de générer la séquence PoH (Proof of History ordonnant les transactions) et de créer le bloc.

Ce choix repose sur le poids de mise du nœud, augmenté par les jetons délégués par les détenteurs de $SOL. Le rôle de leader circule entre les validateurs.

2. Horodatage des transactions : le nœud leader reçoit les transactions et utilise la PoH pour les horodater, établissant ainsi leur ordre.

3. Création du bloc : à partir de la séquence PoH, le nœud leader commence ensuite à construire un bloc.

4. Diffusion du bloc : le bloc nouvellement créé est envoyé aux nœuds de réplication (autres validateurs du réseau distribué).

5. Validation de la validité des transactions : les nœuds de réplication vérifient deux éléments :

a. Ordre des transactions : ils utilisent la séquence PoH pour confirmer que les transactions sont dans le bon ordre. Étant donné qu'il s'agit d'une horloge globale, cette vérification ne nécessite aucune communication aller-retour entre les nœuds (contrairement aux mécanismes classiques comme PoW ou PoS).

b. Validité des transactions : ils s'assurent que chaque transaction respecte les règles du réseau et est valide.

6. Finalisation du bloc : une fois l'ordre et la validité des transactions vérifiés, le bloc est ajouté à la blockchain. Un nouveau nœud leader est alors sélectionné, et le cycle recommence.

Conclusion

Solana continue d'améliorer activement son architecture blockchain. Parmi les récents développements figurent QUIC, la qualité de service pondérée par la mise (QoS) et les marchés de frais localisés. De plus, l'écosystème attend avec impatience une amélioration significative de l'efficacité grâce au lancement de Firedancer. À noter également que l'architecture unique de Solana — OPOS (exclusivement Solana) — pourrait ouvrir la voie à de nouveaux cas d'utilisation.