Preuve de travail et avenir de Bitcoin en Chine – Scaling Bitcoin #4

Cette série d’articles a pour but de rendre compréhensibles les nombreuses améliorations développées par les experts du réseau Bitcoin, à travers la conférence organisée en novembre à l’Université de Standford – Scaling Bitcoin.

Cette quatrième partie, moins dense que la précédente, concerne la preuve de travail, cette méthode de consensus qui fait la force de Bitcoin. Bobby Lee, co-fondateur de la plateforme de change chinoise BTCC (désormais close), a livré son point de vue sans concession sur la “Bitcoin mania” chinoise.

The Future of Proof of Work

How custom hardware contributes to blockchain scaling

Par Chen Min (Avalon)

Chen Min, chip architect chez Avalon, l’un des tout premiers fabricants de matériel de minage, a souhaité dans cette contribution dresser le bilan de la preuve de travail utilisée sur Bitcoin et expliquer pourquoi et comment le matériel de minage influe sur la scalabilité du réseau. Après les CPUs, puis les GPUs, le minage de Bitcoin repose désormais sur l’emploi de puces spécialisées, les ASICs (Application Specific Integrated Circuit). Afin d’éviter la variance, les mineurs, qui étaient auparavant nombreux à mener leurs activités en solitaire, se retrouvent désormais regroupés en pools. Les nœuds non-miniers du réseau, eux, ne touchent aucune récompense.

Bilan début novembre 2017, après 8 ans d’existence :

• La difficulté du réseau est passée de 1 à 1,452,839,779,146 ;
• L’efficience énergétique est passée de 3000 W/GH à 0,1 W/GH ;
• Le coût du matériel de minage est passé de 10 000 $/GH à 0,06 $/GH.

Impact économique du minage : 5 milliards de dollars par an sont investis dans du matériel et 5 % des transistors produits dans l’industrie des semi-conducteurs sont destinés au minage. Beaucoup d’énergie est dépensée pour assurer la sécurité du réseau et le prix de certaines pièces informatiques classiques est à la hausse à cause de la forte demande (comme la mémoire vive dans le cas du minage d’ethers). 5 milliards de dollars représentent une somme colossale, et si autant d’argent était investi dans des solutions de stockage ou dans l’amélioration de la bande passante, cela pourrait contribuer à accroître grandement la scalabilité.

Chen Min a évoqué les processeurs quantiques^[1] et préconisé de se préparer à utiliser ces technologies : être quantum friendly plutôt que quantum resistant^[2].

Du point de vue du fabricant de matériel de minage, si augmenter le nombre de transactions traitées par le réseau lui permet de gagner plus d’argent, l’alignement économique lui permettra de développer du matériel toujours plus performant. Cependant, la scalabilité n’est pas récompensée économiquement et reste limitée par le protocole lui-même. Quel est donc le chemin économique vers la scalabilité au long terme ?

• Réconcilier les processus de minage et de validation des transactions ;
• Récompenser les mineurs en fonction du nombre de transactions traitées.

Selon Chen Min, la clef réside dans la preuve de contribution : si la preuve de travail récompense la sécurisation de la blockchain, la proof of contribution récompenserait les efforts déployés pour améliorer la scalabilité de la blockchain.

Les slides de la présentation.

Bobtail: A Proof-of-Work Target that Reduces Blockchain Mining Variance

Why Variance is the Root of All Evil

par Brian N. Levine (College of Information and Computer Sciences University of Massachusetts Amherst)

Brian Levine a présenté Bobtail, sa solution pour réduire la variance dans le minage. En introduction, le chercheur a tenu à rappeler que la variance du délai inter-blocs – qui est normalement de 10 minutes – est plus qu’ennuyeuse, elle est surtout à la racine de nombreux problèmes :

• les doubles dépenses^[3] ;
• le selfish mining (minage égoïste)^[4] ;
• les attaques éclipses^[5].

Sa méthode est simple, et les résultats en termes de sécurité, qui augmente de façon significative, sont excellents.

De quels chiffres parle-t-on au juste ? Le problème de la variance touche toutes les crypto-monnaies basées sur la preuve de travail. Pour ce qui est du réseau Bitcoin, 80% des blocs minés le sont entre 1 et 21 minutes, et 5 % des blocs prennent plus d’une demi-heure à être minés.

C’est évidemment la preuve de travail qui est à l’origine de cette variance élevée : tous les mineurs sont en compétition pour trouver un hash qui doit commencer par un nombre défini de zéros (une cible parmi une distribution uniforme de valeurs de hachage). Le premier qui le trouve gagne, donc si le réseau de mineurs est très chanceux, le bloc produit le sera en avance; s’il est malchanceux, il sera en retard. En quoi cette variance pose-t-elle des problèmes ?

• Il est facile de voir que si la variance était réduite, cela augmenterait significativement la régularité du réseau : c’est un avantage que de nombreux concurrents possèdent par rapport à Bitcoin, car attendre six confirmations pour éviter une double dépense est très pénible. Réduire ce délai d’attente à un seul bloc serait beaucoup plus efficace.
• Plus la variance du minage augmente, plus la sécurité du réseau diminue. Brian Levine a utilisé l’exemple du casino pour illustrer ce point : lorsqu’un joueur en franchit la porte, il sait qu’au long terme, c’est toujours la maison qui gagne. Son but est donc de jouer jusqu’à ce qu’il soit gagnant, puis de quitter les lieux. Seule la variance inhérente aux jeux de hasard lui permet de tenter cette stratégie : le joueur l’utilise à son avantage – la maison peut même perdre plusieurs fois d’affilée. Sur le réseau Bitcoin, il est de même possible d’utiliser la variance à son avantage pour mener différentes attaques.

La double dépense

La double dépense est une course entre les mineurs honnêtes et ceux qui ne le sont pas : en effet, pour effectuer une double dépense, le mineur attaquant doit miner plus de blocs que les mineurs honnêtes dans le même laps de temps et diffuser ce fork sur le réseau. La preuve de travail cumulée étant supérieure à la chaîne “honnête”, c’est la chaîne “malhonnête” qui est considérée comme valide aux yeux du réseau. L’attaquant attend donc que les mineurs honnêtes éprouvent une séquence malchanceuse de découverte de blocs, ou bien qu’il soit lui-même très chanceux et qu’il trouve plus de blocs à la suite que ses concurrents.

Ainsi, plus le délai de production des blocs diverge de la moyenne, plus la probabilité de réussite d’une double dépense augmente.

Le minage égoïste (selfish mining)

Le minage égoïste est une attaque qui est aussi favorisée par la variance inhérente au réseau : il s’agit, pour le mineur ou le pool de minage malhonnête, une fois qu’il a trouvé un bloc valide, de ne pas publier et distribuer la solution sur le réseau. Il continue alors à miner le bloc suivant pour garder son avance. Lorsque le reste du réseau est sur le point de le rattraper, le mineur égoïste diffuse alors ses blocs : sa portion de chaîne étant celle qui cumule le plus de preuve de travail, il peut alors réclamer la récompense associée.

Bobtail : réduire la variance

La solution à l’épreuve de travail (le hash valide) est un échantillon pris dans une distribution [0, S] (où S = 2^256 – 1 dans le cas du SHA 256 de Bitcoin), et dont la valeur doit être inférieure à une cible t (la difficulté de l’épreuve de travail augmente lorsque t diminue).

La méthode Bobtail consiste à prendre les k échantillons (provenant de tous les mineurs) les plus bas dont la moyenne est inférieure à la cible t. La cible t est ajustée en fonction du nombre d’échantillons k requis par le réseau. Il est possible de changer la valeur k d’un bloc à l’autre sans problème.

Gains en termes de sécurité :

• Relativement à la double dépense : à l’heure actuelle, k = 1 (un seul en-tête inférieur à la cible est requis par le réseau afin que le bloc soit valide). Pour un mineur possédant 20% de la puissance de hachage du réseau, la probabilité de réussite d’une double dépense après une confirmation est de 13%. Après six confirmations, cette probabilité tombe à 1 %. Avec k = 5, la probabilité de réussir une double dépense pour ce mineur malhonnête est de 1% pour z = 1. Lorsque k = 40, le mineur malhonnête doit  posséder 40% de la puissance de hachage du réseau pour que cette probabilité soit supérieure à 1 % : l’attaque est cinquante fois plus difficile.

• Relativement au minage égoïste : avec k>= 5, l’attaquant doit posséder 43 % de la puissance de hachage pour faire du selfish mining. Avec k >= 20, ce dernier requiert 49 % de la puissance de hachage.

Déploiement :

Le chercheur a décrit trois approches :

• L’approche naïve consiste pour les mineurs à annoncer les en-têtes des blocs dès qu’ils les ont trouvés. Pour chaque bloc, la taille de l’en-tête est de k * 80 octets. Cependant, étant donné que les en-têtes peuvent être volés, les mineurs ne sont pas incités à les partager.
• La deuxième approche consiste à récompenser tous les mineurs qui fournissent un échantillon valable. Ces derniers collectent les transactions et créent un en-tête standard comportant des informations (le hash actuel, le hash précédent et leur adresse). Lorsqu’une valeur correcte est trouvée (inférieure à k * t), celle-ci est annoncée. Comme ce hash inclut un hash de l’adresse des mineurs, il ne peut être volé par un autre mineur. Puisqu’il comporte également un hash faisant référence au bloc précédent, il ne peut pas être réutilisé. Cependant, lorsqu’un bloc est trouvé, il reste k – 1 valeurs qui pourraient être réutilisées.
• Afin d’éviter ce problème, la troisième approche consiste à rajouter un nouveau champ au hash, le LOS (la valeur la plus basse observée par un mineur) : les mineurs seront récompensés en fonction de l’écart entre le hash qu’ils soumettent et le plus petit hash observé, ce qui rend la réutilisation d’un hash coûteuse, car cet écart grandit avec le temps.

La publication des chercheurs.

Les slides de la présentation.

The Past, Present, and Future of Bitcoin in China

Par Bobby Lee (CEO et co-fondateur de BTCC)

C’est un véritable one man show que Bobby Lee a livré à l’audience, à peine quelques semaines après le China ban (interdiction des opérations de change monnaies fiat/crypto-monnaies en Chine). La plateforme de Bobby Lee, BTCChina, avait cessé ses activités quelques semaines plus tôt, le 30 septembre. Ni morose, ni déprimé pour un sou, c’est un Bobby Lee survolté qui est monté sur scène pour nous régaler avec un discours purement crypto-anarchiste et plein d’humour.

L’histoire de Bitcoin en Chine a-t-elle pris fin ?

Après avoir plaisanté au sujet de la folle ascension du cours du bitcoin, qui a certainement contribué à lui rendre le sourire, Bobby Lee a dressé un bref historique de la folie Bitcoin en Chine. Le point de départ : les premières années de trading qui ont suivi l’ouverture de la plateforme BTCC (2011-2012). Bien que le prix dépassât les 100 CNY en juillet 2011, il s’effondra au cours du reste de l’année, avant de remonter en 2012 et de connaître un premier pic au-dessus des 1500 CNY en avril 2013.

C’est avant tout pour permettre aux mineurs chinois de vendre leurs bitcoins au sein du territoire national que Bobby Lee a créé BTCC : à l’époque, la plateforme de change principale était la tristement célèbre MtGox, située au Japon.

Le premier show télévisé chinois ayant mentionné Bitcoin eut lieu juste avant le premier price rally d’avril 2013 : le cours fut multiplié par 20 en quelques semaines ! Le second rally qui suivit (novembre 2013) fut encore plus impressionnant, lorsque le cours atteignit les 7 000 CNY. La correction fut déclenchée par la première annonce des autorités de régulation chinoises au sujet de la crypto-monnaie, qui fut surinterprétée (il ne s’agissait pas d’interdire Bitcoin). Le marché fut fortement baissier durant les deux années qui suivirent, avec de lourdes conséquences économiques pour l’industrie minière… avant de repartir à la hausse en 2016 puis exploser en 2017 et dépasser les 30 000 CNY peu avant la conférence, malgré l’interdiction des ICOs au sein du territoire chinois. C’est sans émotion que Bobby Lee a évoqué le bannissement des plateformes de change qui l’obligea à déposer la clef sous la porte : l’aventure BTCC prit fin après 2 205 jours de trading continu, et c’est non sans fierté que Lee fit remarquer que c’était la première fois qu’une plateforme de change de crypto-monnaies cessait son activité tout en étant capable de rembourser l’intégralité de ses clients.

Avec beaucoup d’humour et d’extrapolation, l’ex-CEO de la plus importante plateforme de change chinoise a livré ses prédictions quant au cours du bitcoin :

À quoi sert Bitcoin en Chine ? Certainement pas à effectuer des paiements ou à dépenser sa crypto-épargne ! Bitcoin est utilisé comme placement financier et comme outil d’investissement spéculatif.

Comment investir dans Bitcoin ? Là encore, Bobby Lee a fait beaucoup rire l’assemblée en listant les quatre erreurs les plus graves du crypto-investisseur :

1. Être indécis et ne pas investir !
2. Ne pas en acheter assez !
3. Vendre après un gain faible (30 % à 300 %) !
4. Vendre durant un panic crash !

Que pensent les régulateurs chinois de Bitcoin ? Il est trop décentralisé, ce n’est pas une vraie devise monétaire, Bitcoin viole le contrôle des capitaux imposé par le gouvernement, il sert à blanchir de l’argent, il est trop anonyme, il alimente des schémas de Ponzi et n’est utilisé que pour frauder ! De plus, il pose des problèmes de sécurité, attire les hackers, permet aux simples citoyens d’investir dans des entreprises via les ICOs, il est difficile à taxer, peut être utilisé à des fins de corruption, il est beaucoup trop spéculatif (les marchés peuvent s’effondrer du jour au lendemain), et surtout, surtout : il est beaucoup trop compétitif face à une devise numérique centralisée émise par un Etat.

Bitcoin est une révolution fondamentale qui effraie les gouvernements ! Selon Bobby Lee, ils sont beaucoup trop lents et n’arrivent pas à suivre l’innovation. Se sentant menacé, le gouvernement chinois prévoit probablement, à terme, de supprimer purement et simplement Bitcoin…

Mais alors Bobby, comment acheter du bitcoin en Chine ? Autant tenter d’acheter des armes ou des films pornographiques, répond-t-il ! La Chine ne veut plus entendre parler de Bitcoin… Mais ce dernier survivra ! Il est beaucoup trop décentralisé et n’a pas de frontières. Bitcoin ne peut pas mourir !

Pourquoi le cours du bitcoin n’en finit-il pas de monter ? Bobby a régalé l’audience avec sa réponse :

L’intervention en vidéo.

C’est sur l’ode anarchiste de Bobby Lee que s’acheva la première journée de conférences. L’apéritif réunissant tous les participants permit à certains d’évacuer le trop plein d’informations théoriques accumulées, et à d’autres de se les faire préciser…