Comment une Blockchain est-elle sécurisée ? (Comprendre la cryptographie et le consensus)

Fondements de la cryptographie Blockchain

1. La cryptographie à clé publique constitue le fondement de l’identité et de l’autorisation des transactions dans la blockchain. Chaque utilisateur détient une clé privée connue de lui seul et une clé publique correspondante visible sur le réseau.

2. Les signatures numériques sont générées à l'aide de la clé privée pour prouver la propriété sans la révéler. Chaque transaction est signée cryptographiquement, ce qui rend toute falsification immédiatement détectable.

3. Les fonctions de hachage telles que SHA-256 transforment les données d'entrée en sorties de longueur fixe. Même la modification d'un seul caractère dans l'entrée produit un hachage complètement différent, garantissant l'intégrité des données entre les blocs.

4. Les arbres Merkle regroupent plusieurs hachages de transactions en un seul hachage racine stocké dans l'en-tête du bloc. Cette structure permet de vérifier de manière efficace et sécurisée si une transaction spécifique appartient à un bloc.

5. L'algorithme de signature numérique à courbe elliptique (ECDSA) est largement adopté dans Bitcoin et Ethereum pour une taille de signature compacte et une sécurité renforcée avec des longueurs de clé relativement petites.

Les mécanismes de consensus en tant qu’acteurs de la sécurité

1. La preuve de travail (PoW) oblige les mineurs à résoudre des énigmes nécessitant beaucoup de calculs. L'ajustement de la difficulté garantit que de nouveaux blocs sont ajoutés à des intervalles prévisibles tout en rendant la réécriture de l'historique d'un coût prohibitif.

2. Proof of Stake (PoS) sélectionne les validateurs en fonction de la quantité de jetons natifs qu'ils mettent en jeu. Les comportements inappropriés entraînent des réductions d’actifs, c’est-à-dire une perte permanente des actifs mis en jeu, créant ainsi de fortes dissuasions économiques contre les attaques.

3. La preuve de participation déléguée (DPoS) présente des producteurs de blocs élus qui tournent selon un calendrier déterministe. La responsabilité est renforcée par un vote continu et un suivi de la réputation en temps réel.

4. La tolérance aux pannes byzantine pratique (PBFT) permet une finalité rapide en exigeant que les deux tiers plus un des nœuds de validation se mettent d'accord sur chaque transition d'état. Il tolère jusqu'à un tiers de participants malveillants ou fautifs.

5. Les modèles hybrides combinent l'équité de distribution initiale du PoW avec l'efficacité énergétique et l'alignement de la gouvernance à long terme du PoS, observés dans les premières itérations des documents de conception d'Ethereum 2.0.

Immuabilité grâce à la conception structurelle

1. Chaque bloc contient le hachage du bloc précédent, formant une chaîne cryptographique. La modification d'un bloc historique modifie son hachage, rompant le lien avec tous les blocs suivants.

2. Les nœuds complets vérifient indépendamment chaque transaction et bloquent par rapport aux règles de consensus. Aucune entité ne contrôle la validation ; la divergence déclenche le rejet de la majorité.

3. Les modèles UTXO (Unspent Transaction Output) suivent la propriété au niveau de la sortie plutôt que des soldes des comptes. Cela élimine les conditions de concurrence et simplifie la logique de dépenses basée sur un script.

4. Les modèles basés sur des comptes comme celui d'Ethereum utilisent des noms occasionnels pour empêcher les attaques par rejeu et imposer un ordre strict des transactions provenant du même expéditeur.

5. Les horodatages intégrés dans les en-têtes de bloc ne sont pas fiables individuellement mais gagnent en crédibilité grâce aux conventions collectives et aux ajustements difficiles tout au long de la chaîne.

Stratégies de défense au niveau du réseau

1. La topologie peer-to-peer distribue le contrôle sur des milliers de nœuds géographiquement dispersés, supprimant les points centraux de défaillance ou de censure.

2. Les protocoles Gossip propagent rapidement les nouvelles transactions et les blocages sur le réseau, réduisant ainsi la latence et augmentant la redondance.

3. Les techniques de résistance Sybil limitent le nombre d'identités qu'un seul acteur peut contrôler, souvent via des dépenses en ressources telles que la puissance de hachage ou les jetons mis en jeu.

4. Les algorithmes de difficulté adaptatifs répondent aux changements dans le taux de hachage total du réseau ou dans la participation des validateurs, en maintenant des temps de blocage cohérents malgré les ressources fluctuantes.

5. Les clients légers s'appuient sur des preuves SPV (Simple Payment Verification) qui valident les en-têtes de bloc et les chemins Merkle sans télécharger les données de la chaîne complète, équilibrant ainsi la sécurité et l'accessibilité.

Foire aux questions

Q : Les ordinateurs quantiques peuvent-ils aujourd’hui briser la cryptographie blockchain ? Les ordinateurs quantiques actuels manquent de qubits et de correction d'erreurs pour prendre en compte les grandes clés RSA ou inverser les signatures ECDSA. Les algorithmes cryptographiques post-quantiques normalisés par le NIST sont en cours de tests d'intégration dans plusieurs protocoles de couche 1.

Q : Que se passe-t-il si deux blocs sont extraits simultanément ? Les nœuds acceptent temporairement les deux branches. Quelle que soit la chaîne qui accumule le plus de preuves de travail ou d’enjeu cumulatifs, elle devient canonique. Les transactions dans le fork abandonné reviennent au mempool pour être réincluses.

Q : Comment les preuves sans connaissance améliorent-elles la sécurité de la blockchain ? Ils permettent de vérifier la validité des transactions sans exposer les données sous-jacentes, préservant ainsi la confidentialité tout en maintenant l'intégrité du consensus. Les zk-SNARK et zk-STARK sont déployés respectivement dans Zcash et StarkNet.

Q : La blockchain avec autorisation est-elle moins sécurisée que la blockchain sans autorisation ? Les hypothèses de sécurité diffèrent. Les chaînes autorisées échangent la résistance à la censure contre du débit et la conformité réglementaire. Leur modèle de menace suppose des participants de confiance (et non des adversaires), de sorte que les garanties cryptographiques évoluent vers la confidentialité et l'auditabilité plutôt que vers la décentralisation.