a16z : 8 défis dans la conception de mécanismes blockchain
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a16z : 8 défis dans la conception de mécanismes blockchain
La crypto et le Web3 regorgent de problèmes de conception mécanismique.
Dédié à des analyses Web3 approfondiesRédaction : Tim Roughgarden, responsable de la recherche chez a16z crypto
Traduction : 0xxz, Jinse Finance
L’étude approfondie d’un domaine vous apprend à reconnaître que les problèmes rencontrés dans le monde réel ne sont souvent que de mauvaises imitations de problèmes déjà bien résolus. Par exemple, lorsque j’enseigne les bases des algorithmes, mes étudiants apprennent à identifier les problèmes qui se ramènent à un calcul de plus court chemin ou à une programmation linéaire.
Ce type de correspondance fonctionne également en conception de mécanismes, une « théorie inverse des jeux » qui utilise les incitations pour atteindre des résultats souhaités. Les outils et enseignements issus de la conception de mécanismes sont particulièrement utiles en théorie des enchères, en conception de marchés et en théorie du choix social.
Les domaines du crypto et du web3 regorgent de problèmes liés à la conception de mécanismes. On pourrait penser que beaucoup de ces problèmes peuvent être résolus simplement en adaptant des concepts classiques, en appliquant des idées anciennes à de nouveaux contextes. Toutefois, les contraintes et défis propres aux protocoles blockchain sans autorisation obligent souvent à repenser les principes fondamentaux de problèmes supposément déjà résolus. C’est ce qui rend la conception de mécanismes dans le web3 complexe. Mais c’est précisément cette complexité qui rend la conception de mécanismes dans le web3 fascinante.
Dans cet article, je vais examiner certains des défis auxquels est confrontée la conception de mécanismes dans le web3. Ces défis peuvent sembler familiers aux utilisateurs natifs du crypto, mais une compréhension plus profonde de la conception de mécanismes devrait offrir à tous les concepteurs une nouvelle perspective sur la raison pour laquelle leur résolution s’avère si difficile. Pour les spécialistes de la conception de mécanismes, si vous envisagez de concevoir de nouvelles applications, vous pourriez être intéressé par les défis posés par l’environnement sans autorisation.
Mais tout d’abord, qu’est-ce que la conception de mécanismes ?
La formation du domaine de la conception de mécanismes remonte au moins à 1961, lorsque l’économiste de l’Université Columbia et futur prix Nobel William Vickrey formalisa officiellement le modèle d’enchères scellées au deuxième prix. Bien que ce type d’enchères ait été utilisé dès 1797 par l’auteur Johann Wolfgang von Goethe pour vendre le manuscrit de son épopée « Hermann und Dorothea », puis couramment adopté par les collectionneurs de timbres au XIXe siècle, il n’a été pleinement formalisé qu’en 1961 par Vickrey, et est désormais fréquemment appelé « enchères de Vickrey ». Dans ce modèle, le plus offrant remporte l’enchère mais paie le montant de la deuxième meilleure offre. Ce système incite les participants à révéler leurs véritables préférences et attribue l’objet à celui qui lui accorde la plus grande valeur.
L’enchère de Vickrey est une conception élégante et efficace, appliquée dans le monde réel, régulièrement ajustée et mise à jour selon les circonstances, où la pratique informe la théorie et vice versa. Comme l’enchère de Vickrey, l’histoire de la conception de mécanismes en tant que discipline formelle est une histoire tissée d’interactions entre théorie et pratique, à la fois profonde et belle.
Contrairement à la théorie des jeux — qui part d’interactions stratégiques pour explorer les résultats les plus rationnels — la conception de mécanismes ne démarre pas d’un jeu, mais d’un résultat désiré. Son objectif est d’ingénierie inversée : concevoir un jeu dont l’équilibre produise le résultat souhaité (caractérisé par l’efficacité, l’équité ou certains comportements). Dans le cas de l’enchère de Vickrey, l’objectif final est d’inciter les participants à révéler leur prix maximal d’acceptation sans les pénaliser.
Les opportunités d’application de la conception de mécanismes dans le web3 sont nombreuses. Par exemple, un protocole blockchain peut vouloir obtenir un résultat où les participants agissent honnêtement (sans dévier du comportement attendu). Ou encore, un protocole peut chercher à obtenir des informations précises sur la valeur des transactions afin d’allouer efficacement l’espace des blocs aux transactions les plus valorisées.
Ces problèmes de conception de mécanismes sont toujours difficiles, mais ils le sont encore davantage dans l’environnement blockchain.
1. Absence de confiance
La conception dans le domaine blockchain devient plus difficile lorsqu’il n’existe aucune entité fiable pour exécuter le mécanisme.
Tout l’intérêt des protocoles blockchain sans autorisation est justement de ne faire confiance à aucune entité ou individu spécifique, mais seulement à une hypothèse moyenne de confiance : suffisamment de nœuds participant au protocole doivent être honnêtes.
Pourtant, il y a un paradoxe dans de nombreuses architectures blockchain : chaque lot de transactions ajouté à l’historique de la chaîne, et devant s’exécuter dans la machine virtuelle gérée par le protocole, résulte d’une décision unilatérale prise par un seul nœud.
Vous ne savez pas si vous pouvez faire confiance à ce nœud.
C’est pourquoi on voit rarement des enchères de Vickrey dans le domaine blockchain. Une implémentation naïve serait rapidement vulnérable à la manipulation par un producteur de bloc non fiable. Le problème est que ce dernier peut créer une « fausse enchère » (shill bid), proposant un prix légèrement inférieur à celui du futur gagnant, forçant ainsi le vainqueur à payer presque toute sa mise initiale (et non la véritable deuxième meilleure offre).
Grâce à ces fausses enchères lancées par des producteurs de blocs non fiables, l’enchère de Vickrey se réduit effectivement à une enchère au premier prix — ce qui explique en partie pourquoi les enchères au premier prix sont si courantes dans le web3. (Une branche récente de la littérature classique sur la « conception de mécanismes fiables » examine aussi les enchères avec des commissaires-priseurs non fiables, mais sous un angle différent.)
2. Collusion fréquente
Un autre facteur compliquant la conception de mécanismes dans le blockchain est la possibilité de collusion entre participants. Par exemple, les enchères au deuxième prix sont facilement manipulables via des paiements compensatoires. En effet, puisque le gagnant paie la deuxième meilleure offre, un enchérisseur peut soudoyer le deuxième meilleur pour qu’il propose un prix nettement plus bas.
La littérature académique sur la conception de mécanismes ne s’inquiète guère de ce problème. L’une des raisons pourrait être que la collusion (notamment avec paiements compensatoires) est difficile à réaliser dans le monde réel. Après la collusion, le gagnant peut refuser de verser la corruption, rendant les paiements compensatoires peu fiables. (Comme dit le proverbe : « Pas d’honneur entre voleurs. »)
Toutefois, dans le contexte blockchain, les participants potentiels à une collusion peuvent souvent utiliser des contrats intelligents pour garantir des engagements fiables, rendant la collusion opérationnelle. Une autre raison est l’absence de mécanismes dissuasifs contre les collusions avec paiements compensatoires — notamment le mécanisme de « publication des prix », qui ne divulgue que les offres, rien de plus.
Pire encore, les utilisateurs du protocole peuvent non seulement se concerter entre eux, mais aussi avec les producteurs de blocs (non fiables), ce qui équivaut à la collusion entre un soumissionnaire et le commissaire-priseur dans une enchère réelle.
La résistance à ce type de collusion est l’une des motivations principales derrière la destruction (« burn ») d’une partie des frais de transaction dans le mécanisme de frais EIP-1559 d’Ethereum. Sans cette destruction (ou sans retenir ces revenus des producteurs de blocs), ceux-ci et les utilisateurs finaux pourraient s’entendre par compensation et contourner tout prix plancher que le mécanisme tente d’imposer.
3. Ne pas pouvoir compter uniquement sur l’État de droit
Le problème de collusion n’est clairement pas nouveau. Il a tourmenté divers mécanismes dans la vie réelle pendant des siècles. Pourtant, en consultant la littérature sur la conception de mécanismes, on est surpris par le peu d’attention accordée à ce sujet. Bien que celle-ci aborde franchement les incitations des participants à manipuler unilatéralement le mécanisme, elle laisse généralement ce problème à une notion implicite et non formalisée d’« État de droit ». Par exemple, les participants pourraient signer un contrat légal s’engageant à ne pas tricher. En cas de collusion avérée, l’affaire serait transmise aux autorités judiciaires. Le concepteur du mécanisme peut aider en créant un système facilitant la détection de telles collusions.
Il existe un secret bien gardé dans beaucoup de travaux de conception de mécanismes : la dépendance à l’égard de l’État de droit. Certes, on ne peut pas dire qu’il n’y a aucun État de droit dans les protocoles blockchain sans autorisation — nous voyons souvent les forces de l’ordre poursuivre avec succès des activités criminelles sur des blockchains sans autorisation — mais le niveau de protection juridique est bien moindre que dans les applications traditionnelles de la conception de mécanismes.
Si l’on ne peut pas compter sur l’État de droit en dehors du mécanisme, alors le concepteur doit intégrer la solution directement dans le mécanisme. Cette approche est largement adoptée dans les décisions de conception de mécanismes dans le domaine blockchain. Dans le protocole Ethereum notamment, des exemples foisonnent : de la destruction des frais de base dans l’EIP-1559 à la confiscation des mises des validateurs malhonnêtes dans le protocole de consensus.
4. Un espace de conception plus vaste
L’espace de conception dans le web3 est plus large que ce à quoi les concepteurs de mécanismes sont habitués. Ils doivent donc repenser chaque problème donné. Par exemple, de nombreux mécanismes impliquent des paiements, qui, dans les applications traditionnelles, seraient effectués en monnaie fiduciaire comme le dollar. Or, de nombreux protocoles blockchain possèdent leur propre monnaie native, et les mécanismes internes au protocole peuvent manipuler cette monnaie.
Imaginez que, dans un article classique de conception de mécanismes, une partie de votre description soit : « Imprimez une grande quantité de nouvelle monnaie et distribuez-la à un groupe de participants. » Hors contexte blockchain, cela paraît absurde. Mais dans le cadre d’un protocole blockchain, c’est tout à fait possible. Le protocole contrôle la monnaie, donc certaines parties du mécanisme peuvent frapper ou brûler des jetons.
Cela signifie que des conceptions impossibles sans monnaie native deviennent réalisables. Comment inciter les mineurs de Bitcoin à suivre correctement le protocole ? Grâce à des récompenses inflationnistes : en créant de nouvelles unités (de bitcoins) pour motiver les producteurs de blocs. Sans monnaie native, une telle conception serait impossible.
5. La monnaie native peut poser d’autres problèmes
Le point précédent souligne le pouvoir de la monnaie native. Deux choses sont possibles : « frapper » (comme le protocole Bitcoin crée de nouveaux bitcoins pour récompenser les mineurs) et « brûler » des jetons (comme le fait le mécanisme de frais EIP-1559 d’Ethereum en détruisant de l’ETH pour lutter contre la collusion). La monnaie native introduit des dangers inconnus de la conception de mécanismes traditionnelle : des décisions de conception microéconomique peuvent avoir des conséquences macroéconomiques.
En conception classique, aucune force macroéconomique n’est à craindre. Aucune méthode d’enchères traditionnelle n’affecte sensiblement la masse monétaire américaine ou le taux d’inflation. Pour le web3, c’est un défi entièrement nouveau. Quels problèmes peuvent survenir ? Voici deux exemples : l’un sur la création de bitcoins, l’autre sur la destruction d’ETH.
À cause de l’utilisation de récompenses par bloc — créant de nouvelles unités pour motiver les mineurs — Bitcoin est contraint à une inflation. Il lui faut donc une politique monétaire définissant le taux d’inflation et son évolution temporelle. Satoshi Nakamoto a fixé une limite absolue de 21 millions de bitcoins. Avec un plafond d’offre rigide, le taux d’inflation doit tendre vers zéro.
Si l’inflation atteint zéro, comment continuer à inciter les mineurs à maintenir le protocole et assurer la sécurité de Bitcoin ? On espère que les frais de transaction compenseront les récompenses manquantes, même si cette probabilité semble faible. Il est bien connu que si les frais de transaction tendent vers zéro, le protocole Bitcoin connaîtra de graves problèmes de sécurité.
Dans un article, les chercheurs en informatique de Princeton Miles Carlston, Harry Kalodner, Matthew Weinberg et Arvind Narayanan ont mis en lumière une autre différence entre frais de transaction et récompenses par bloc. Alors que la récompense par bloc est constante (au moins entre deux « halvings » successifs), les frais de transaction peuvent varier d’un ordre de grandeur — introduisant ainsi de nouvelles instabilités stratégiques dans le protocole. En ce sens, la décision macroéconomique d’un plafond d’offre fixe a des conséquences microéconomiques négatives sur le protocole et ses participants.
De même que la création de blocs exerce une pression inflationniste sur Bitcoin, la destruction des frais de transaction dans l’EIP-1559 constitue une force déflationniste pour Ethereum. Dans le protocole Ethereum (qui utilise effectivement des récompenses inflationnistes pour les validateurs), une lutte oppose ces deux forces, et la déflation l’emporte souvent. L’ETH est désormais une monnaie nettement déflationniste — conséquence macroéconomique d’une décision microéconomique de conception du mécanisme de frais.
La déflation est-elle bonne ou mauvaise pour le protocole Ethereum ? Les détenteurs d’ETH apprécient la déflation, car, toutes choses égales par ailleurs, leurs jetons augmentent progressivement de valeur. (Ce bénéfice secondaire a probablement contribué à convaincre l’opinion publique de soutenir le passage à l’EIP-1559.) Pourtant, le terme « déflation » effraie les économistes macro classiques, rappelant la stagnation économique japonaise des années 1990.
Qui a raison ? Personnellement, je ne pense pas que les monnaies fiduciaires souveraines soient une analogie appropriée pour des cryptomonnaies comme l’ETH. Alors, quelle est la bonne analogie ? C’est encore une question ouverte, nécessitant de nouvelles recherches : pourquoi une monnaie déflationniste peut-elle fonctionner comme cryptomonnaie soutenant un protocole blockchain, mais pas comme monnaie fiduciaire nationale ?
6. Ne pas pouvoir ignorer la pile technique sous-jacente
En informatique, l’un des objectifs est d’atteindre la modularité et des abstractions propres, ce qui nous permet de faire confiance à une partie d’un système. Lors de la conception ou de l’analyse d’un composant, vous devez connaître les fonctions fournies par d’autres parties. Mais idéalement, vous ne devriez pas avoir à comprendre comment ces fonctions sont implémentées en profondeur.
Dans les protocoles blockchain, cet idéal n’est pas encore atteint. Bien que les développeurs et concepteurs aimeraient se concentrer sur la couche applicative, ils ne peuvent ignorer le fonctionnement et les détails de la couche infrastructure.
Par exemple, si vous concevez un market-maker automatisé (AMM), vous devez tenir compte de la possibilité que des producteurs de blocs non fiables contrôlent l’ordre des transactions. De même, en concevant un mécanisme de frais pour un rollup (L2), vous devez non seulement payer pour les ressources consommées par le L2, mais aussi pour tous les coûts générés par le protocole L1 sous-jacent (par exemple, le stockage des calldata).
Dans ces deux cas, un mécanisme efficace à un niveau nécessite une connaissance détaillée d’un autre niveau. Peut-être, à mesure que la technologie blockchain mûrira, pourrons-nous mieux séparer les couches. Mais nous n’en sommes pas encore là.
7. Travailler dans un environnement à ressources computationnelles limitées
Le « computer in the sky » implémenté par les protocoles blockchain est un environnement à capacité de calcul limitée. La conception de mécanismes classique se concentre uniquement sur les incitations économiques, ignorant les contraintes computationnelles (par exemple, le célèbre mécanisme VCG est irréalisable pour des problèmes complexes).
Quand Nisan et Ronen ont introduit la conception algorithmique de mécanismes en 1999, ils ont souligné la nécessité d’une traçabilité computationnelle pour que les mécanismes soient pratiquement viables. Ils ont donc proposé de limiter l’attention aux mécanismes dont le calcul et la communication croissent selon une fonction polynomiale (et non exponentielle) par rapport aux paramètres du problème.
Étant donné la faible puissance de calcul disponible dans les machines virtuelles des protocoles blockchain, les mécanismes « on-chain » doivent être extrêmement légers — le temps polynomial et la communication sont nécessaires, mais insuffisants. Par exemple, c’est la rareté des ressources computationnelles qui explique pourquoi les AMM dominent totalement le DeFi sur Ethereum, plutôt que des solutions plus traditionnelles comme les carnets d’ordres à cours limité.
8. Être encore à un stade très précoce
Quand les gens disent que le web3 en est encore à ses débuts, ils pensent souvent aux opportunités d’investissement ou au taux d’adoption. Mais d’un point de vue scientifique, nous en sommes encore plus tôt. Cela rend les choses encore plus difficiles — mais ouvre aussi d’immenses opportunités.
Les avantages d’un domaine de recherche mature sont considérés comme allant de soi : modèles et définitions établis, consensus sur les questions clés, indicateurs de progrès partagés, vocabulaire commun, vaste base de connaissances collective, manuels validés, cours en ligne, etc.
Or, dans de nombreux aspects du blockchain, nous ne savons pas encore quels sont les « bons » modèles et définitions pour raisonner clairement et progresser sur les grandes questions. Par exemple, quel est le bon concept d’incitation à la compatibilité dans le contexte d’un protocole blockchain ? Quelles sont les couches de la pile web3 ? Quelles sont les composantes de la valeur extractible maximale (MEV) ? Ce sont autant de questions ouvertes.
Pour ceux intéressés par la science du blockchain, l’immaturité du domaine est un défi. Mais participer tôt — maintenant — offre aussi des opportunités uniques.
La conception de mécanismes a toujours été un outil utile pour la couche applicative d’Internet — par exemple, les enchères en temps réel pour la publicité, ou la conception de marchés bilatéraux omniprésents aujourd’hui dans le e-commerce, les groupes d’achat, etc.
Mais dans le web3, la conception de mécanismes informe aussi les décisions de conception de l’infrastructure elle-même.
Rappelez-vous les années 1970-1980, quand les protocoles de routage Internet étaient encore en phase de discussion et de conception. À ma connaissance, aucun expert en incitations ou en conception de mécanismes n’a participé à ces discussions. Rétrospectivement, on réalise aujourd’hui que leur contribution aurait pu être précieuse. En revanche, dans le web3, dès le livre blanc initial de Bitcoin, les incitations ont été au cœur des discussions.
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