Au-delà d’une propriété essentielle de la blockchain : « Strong Chain Quality »

La qualité de la chaîne (CQ) constitue une propriété centrale de la blockchain. En termes simples, elle implique :

Détenir 3 % de la participation vous octroie le contrôle de 3 % de l’espace de blocs au fil du temps.

Cette qualité de chaîne a suffi aux premières générations de blockchains, qui présentaient un faible débit — mais les blockchains modernes bénéficient d’une bande passante nettement supérieure et peuvent intégrer de nombreuses transactions dans un seul bloc.

Cela conduit à une notion plus rigoureuse et plus granulaire, qui reflète la répartition de l’espace de blocs à l’intérieur de chaque bloc, et non seulement la fraction moyenne sur le temps. Nous appelons cette propriété Qualité de chaîne forte (SCQ) :

Détenir 3 % de la participation vous octroie le contrôle de 3 % de l’espace de blocs dans chaque bloc.

En substance, cette propriété permet aux parties prenantes de disposer de voies virtuelles dans une blockchain à haut débit, garantissant l’inclusion de leurs transactions.

« Qualité de chaîne » pour les blockchains

L’une des innovations majeures de Bitcoin, désormais présente dans presque toutes les blockchains, est l’introduction d’un mécanisme de récompense intégré au protocole pour les proposeurs de blocs : les jetons nouvellement émis et les frais de transaction sont attribués à la partie qui parvient à ajouter un bloc à la machine d’état. Ces récompenses sont définies dans la fonction de transition d’état et apparaissent dans l’état final du système.

Dans le modèle traditionnel de l’informatique distribuée, les parties sont divisées entre honnêtes et malveillantes. Il n’est pas nécessaire de récompenser les parties honnêtes pour leur comportement correct ; leur honnêteté est supposée dans le modèle.

Dans le modèle cryptoeconomique, les parties sont considérées comme des acteurs rationnels, parfois avec des fonctions d’utilité inconnues — et l’objectif est de concevoir des incitations pour que leur comportement visant à maximiser leur profit soit aligné avec le succès du protocole. Combiné au mécanisme de récompense intégré, cela conduit à la définition idéalisée suivante de la Qualité de chaîne :

• Qualité de chaîne (CQ) : Une coalition détenant X % de la participation totale a, après GST, une probabilité de X % d’être le proposeur de chaque bloc ajouté à la chaîne.

Une chaîne qui s’écarte de la qualité de chaîne peut permettre à des coalitions d’accumuler une part disproportionnée des récompenses, ce qui décourage le comportement honnête et menace la sécurité du protocole.

De nombreuses blockchains modernes satisfont, ou cherchent à satisfaire, cette propriété en utilisant une rotation aléatoire des leaders pondérée par la participation. Parmi les défis notables : le Selfish Mining de Bitcoin (dans cette littérature, CQ est appelée Ideal CQ, voir ici) ; la résistance à la bifurcation de queue de Monad ; et le protocole LMD GHOST d’Ethereum (où les problèmes de CQ sont souvent désignés comme des « reorgs », voir Goldfish).

Où intervient la « Qualité de chaîne forte »

Lorsque l’espace de blocs est abondant, il n’est pas nécessaire d’accorder à un seul proposeur le pouvoir de monopole sur le contenu du bloc entier — l’espace de blocs peut plutôt être réparti entre plusieurs parties pour un même bloc. La définition cryptoeconomique suivante de la Qualité de chaîne forte illustre cette idée :

• Qualité de chaîne forte : Une coalition détenant X % de la participation totale a, après GST, le contrôle de X % de l’espace de blocs dans chaque bloc.

Cette propriété idéalisée conduit implicitement à l’abstraction de voies virtuelles, où les coalitions contrôlent effectivement une fraction dédiée de l’espace de blocs dans chaque bloc.

D’un point de vue économique, détenir une voie virtuelle revient à posséder un actif productif pouvant générer des frais et des revenus MEV. La compétition entre entités externes pour acquérir et maintenir ces voies, via l’accumulation de participation, génère une demande soutenue pour le token L1 sous-jacent. Plus la valeur économique d’une voie donnée est élevée, plus les incitations à la compétition pour la participation sont fortes, et plus la valeur s’accumule sur la participation L1 qui régit l’accès à cet espace de blocs. Cette abstraction permet d’envisager des notions renforcées de résistance à la censure, qui sont saisies par la propriété de validité SCQ du protocole.

À propos de la Qualité de chaîne forte et de la résistance à la censure

Des travaux récents ici soulignent l’importance de protocoles résistants à la censure qui incluent immédiatement tous les apports des parties honnêtes, plutôt que seulement à terme. La Qualité de chaîne forte (SCQ) peut être vue comme une extension de cette propriété dans un contexte où la capacité des blocs est fixe.

En pratique, aucun protocole ne peut satisfaire la notion idéale de résistance à la censure s’il y a plus de demande d’inclusion de transactions que d’espace disponible dans les blocs. SCQ répond à cette limitation en ne requérant pas que toutes les transactions honnêtes soient toujours incluses, mais en donnant à tous les nœuds ayant misé une allocation garantissant l’inclusion de leurs transactions.

Le protocole MCP a été proposé comme un module complémentaire aux protocoles de consensus de type Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT) pour les rendre résistants à la censure. Ce protocole satisfait également SCQ en attribuant l’espace de blocs aux proposeurs au prorata de la participation (cf. section 5.3 du MCP). Les protocoles existants BFT basés sur DAG permettent d’implémenter un mempool multi-écrivains qui offre également un certain niveau de résistance à la censure.

Les implémentations standard de ces protocoles ne parviennent pas à atteindre strictement SCQ car elles permettent aux leaders de retarder sélectivement des ensembles de transactions. Toutefois, de légères modifications de ces protocoles peuvent leur permettre de retrouver SCQ (voir les résultats récents ici et ici). Un sujet connexe est l’inclusion forcée des transactions pour réduire la censure (voir aussi EIP-7805).

MCP montre également comment obtenir une propriété de dissimulation renforcée permettant aux parties prenantes de créer des voies privées virtuelles dont le contenu n’est révélé que lorsque le bloc entier est rendu public. Nous développerons cet aspect dans de futurs articles.

Comment obtenir la Qualité de chaîne forte

Obtenir la Qualité de chaîne forte après GST nécessite de garantir que le proposeur ne puisse pas censurer les apports des parties prenantes. Cela se fait via un protocole en deux tours avec deux modifications mineures de presque tout protocole BFT basé sur les vues :

• Tour 1 : chaque partie envoie son apport certifié à toutes les parties.

• Tour 2 : chaque partie recevant un apport certifié de la partie i ajoute i à sa liste d’inclusion. Elle envoie ensuite sa liste d’inclusion au leader, s’engageant ainsi à n’accepter que les blocs contenant tous les apports de cette liste.

• Proposition BFT : le leader reçoit ces messages et inclut dans le bloc l’union de toutes les listes d’inclusion reçues.

• Vote BFT : une partie ne vote pour un bloc que s’il contient tous les apports de sa liste d’inclusion.

Il est facile de vérifier que cette esquisse de protocole peut être convertie en un protocole complet satisfaisant la Qualité de chaîne forte post-GST, assurant la résistance à la censure et la vivacité pour un leader honnête. Ajouter SCQ pré-GST nécessiterait également d’attendre un quorum de valeurs ou de listes à chaque tour. Nous développerons ce protocole et ses généralisations dans de futurs articles.

Des travaux récents ont montré que la Qualité de chaîne forte et la résistance à la censure nécessitent deux tours supplémentaires en plus des tours de vote d’un protocole BFT classique (comme l’esquisse de protocole ci-dessus). Nous approfondirons aussi ce résultat dans de prochains articles.

Si la Qualité de chaîne forte (SCQ) détermine la fraction d’espace de blocs qu’une coalition peut contrôler, elle ne précise pas entièrement comment les transactions sont ordonnées pour l’exécution. SCQ peut être interprétée comme la réservation d’un espace dans un ensemble pour chaque nœud ayant misé, sans garanties sur l’ordre des transactions de cet ensemble.

Cela ouvre un vaste champ de recherche sur la conception de mécanismes d’ordonnancement des transactions qui peuvent renforcer l’équité et l’efficacité dans l’écosystème blockchain. Une approche prometteuse consiste à ordonner les transactions selon les frais de priorité. Nous développerons également les nuances de l’ordonnancement dans de futurs articles.

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