Comparaison des mécanismes de consensus (Polkadot / Cardano / Venom)

15 min readSep 20, 2023

Les mécanismes de consensus sont essentiels pour la sécurité, la scalabilité et l’efficacité des réseaux blockchain, et des plateformes populaires telles que Polkadot, Cardano et Venom ont des approches uniques pour atteindre le consensus.

Dans cette section, nous comparerons les mécanismes de consensus utilisés par ces blockchains afin de comprendre leur fonctionnement.

Polkadot

Le mécanisme de consensus de Polkadot, connu sous le nom de Nominated Proof-of-Stake (NPoS), est conçu pour atteindre un consensus parmi les parachains (plusieurs blockchains) dans le réseau Polkadot. NPoS combine des éléments du Proof-of-Stake (PoS) et du Delegated Proof-of-Stake (DPoS) pour garantir la sécurité et l’intégrité du réseau.

Dans NPoS, les parties prenantes, également appelées “nominators” (les nominateurs), participent au processus de consensus en sélectionnant un nombre fixe de validateurs via un processus de mise en jeu. Les nominateurs bloquent leurs DOT (la cryptomonnaie native de Polkadot) en tant que garantie dans un processus appelé “nomination”. Les validateurs, quant à eux, sont responsables de la production de blocs et de la validation des transactions.

Les validateurs dans Polkadot sont élus de manière décentralisée grâce à un processus de vote appelé “phragmén”, où les nominateurs ont la possibilité de modifier leurs nominations à tout moment. Les meilleurs validateurs ayant le plus de nominations sont sélectionnés pour participer à la production de blocs.

Cela garantit que le processus de consensus est dynamique et peut s’adapter aux changements dans le réseau.

Une fois les validateurs élus, ils travaillent ensemble dans une chaîne de relais pour finaliser les transactions et parvenir à un consensus parmi les parachains. La chaîne de relais sert de chaîne principale dans Polkadot et est responsable de la coordination de la communication et du consensus entre les parachains.

En plus des nominateurs et des validateurs, Polkadot inclut également des “pêcheurs” (fishermen) qui surveillent le réseau à la recherche de comportements malveillants. Les pêcheurs peuvent contester les actions des validateurs, et en cas de succès, les DOT nominés du validateur contesté peuvent être réduits, ce qui diminue leurs récompenses en mise.

Le mécanisme de consensus NPoS dans Polkadot vise à garantir une sécurité élevée, une scalabilité et une décentralisation en combinant les avantages du PoS et du DPoS. Il permet aux parties prenantes de participer à la production de blocs et à la prise de décision tout en assurant l’intégrité et la stabilité globales du réseau.

Cardano

Le mécanisme de consensus de Cardano s’appelle Ouroboros, qui est un protocole de proof-of-stake (PoS) conçu pour parvenir à un consensus entre les nœuds du réseau Cardano. Ouroboros garantit que les transactions sont validées, ajoutées à la blockchain et sécurisées sans avoir besoin de l’extraction de ressources intensive, comme dans les protocoles de proof-of-work (PoW).

Le protocole PoS Ouroboros de Cardano repose sur un système d’époques, de créneaux (slots), et de leaders d’époque, où les époques sont divisées en créneaux, et chaque créneau a un leader de créneau désigné. Les leaders de créneau sont responsables de la production de blocs dans leurs créneaux assignés et de la validation des transactions au sein de ces blocs.

La sélection des leaders de créneau est déterminée par le biais d’un processus aléatoire appelé “loterie”, où les parties prenantes, également connues sous le nom de détenteurs d’ADA (la cryptomonnaie native de Cardano), participent en mettant en jeu leur ADA en tant que garantie. Plus un détenteur d’ADA possède de jetons, plus ses chances d’être sélectionné en tant que leader de créneau sont élevées.

Cardano utilise également un concept appelé “production de blocs décentralisée” (DBP), où les leaders de créneau pour chaque époque sont sélectionnés à l’avance, ce qui leur permet de se préparer et de valider efficacement les transactions. Cela contribue à obtenir une haute capacité de traitement des transactions et des temps de confirmation de transactions réduits.

Pour garantir la sécurité et prévenir les comportements malveillants, le protocole PoS Ouroboros de Cardano inclut également un mécanisme de “vieillissement des jetons” (coin-age), qui exige que les détenteurs de jetons “vieillissent” leurs avoirs en ADA avant de pouvoir participer à la loterie. Cela décourage les changements fréquents de comportement des parties prenantes et favorise leur engagement à long terme dans le réseau.

À mesure que le paysage de la technologie blockchain continue d’évoluer, nous avons assisté à l’émergence de réseaux blockchain qui apportent de nouvelles fonctionnalités et caractéristiques dans l’espace, en s’appuyant sur les géants de l’industrie tels que Bitcoin et Ethereum.

Dans cette comparaison, nous examinerons de plus près Polkadot, Cardano et Venom, et nous plongerons dans leurs avantages et inconvénients uniques. De plus, nous explorerons leurs mécanismes de consensus, leurs solutions de scalabilité, leurs niveaux de décentralisation et le nombre de projets construits sur leurs plateformes. En comprenant les similitudes et les différences entre ces réseaux blockchain, nous pouvons obtenir des informations sur leurs cas d’utilisation potentiels et leurs implications pour l’avenir de l’industrie de la blockchain.

Technologie

Lors de l’évaluation des plateformes blockchain, la compréhension de la technologie sous-jacente est cruciale. Dans cette section, nous comparerons de manière exhaustive la technologie utilisée par Polkadot, Cardano et Venom, en explorant leurs caractéristiques uniques, leurs protocoles et leurs capacités pour obtenir des informations sur leur expertise technique et leurs cas d’utilisation potentiels.

Présentation de Polkadot

Polkadot est une plateforme blockchain multi-chaînes qui vise à connecter plusieurs blockchains, leur permettant de partager des données et des actifs de manière sécurisée et évolutive. La technologie derrière Polkadot repose sur plusieurs composants clés qui travaillent ensemble pour permettre ses fonctionnalités uniques.

Chaîne de Relais (Relay Chain) : La Chaîne de Relais est la chaîne principale de Polkadot, qui coordonne la communication entre les différentes parachains (sous-chaînes) et maintient le consensus global du réseau. Elle est responsable de la gestion de la sécurité partagée et de l’interopérabilité entre les chaînes connectées. La Chaîne de Relais utilise un algorithme de consensus appelé Nominated Proof-of-Stake (NPoS) qui implique des nominateurs et des validateurs pour sécuriser le réseau et valider les transactions.

Parachains : Les Parachains sont des blockchains indépendantes qui fonctionnent en parallèle à la Chaîne de Relais. Chaque parachain peut avoir son propre mécanisme de consensus, sa gouvernance et son économie de jetons, permettant aux développeurs de personnaliser leur blockchain en fonction de leurs besoins spécifiques. Les parachains peuvent se connecter à la Chaîne de Relais via un mécanisme d’enchères de créneaux, où elles enchérissent pour obtenir des emplacements pour devenir partie intégrante du réseau Polkadot.

Ponts (Bridges) : Les Ponts sont des connecteurs permettant à Polkadot d’interagir avec d’autres blockchains, y compris ceux qui ne sont pas construits sur Polkadot. Les Ponts facilitent le transfert d’actifs et de données entre différentes blockchains, facilitant ainsi la communication et l’interopérabilité entre les chaînes.

XCMP (Cross-Chain Message Passing) : XCMP est le protocole de communication utilisé par Polkadot pour permettre les transactions et le transfert de données entre chaînes. Il permet aux parachains de s’envoyer des messages les unes aux autres et à la Chaîne de Relais, facilitant ainsi l’interopérabilité entre différentes chaînes.

Environnement d’Exécution de Polkadot (Polkadot Runtime Environment, PRE) : Le PRE est un cadre qui permet aux développeurs de construire des parachains sur Polkadot. Il fournit un environnement isolé où les développeurs peuvent écrire une logique personnalisée dans différents langages de programmation, tels que Rust ou WebAssembly (Wasm), et la déployer en tant que parachain sur Polkadot.

Gouvernance de Polkadot : Polkadot dispose d’un modèle de gouvernance décentralisée qui permet aux détenteurs de jetons de participer au processus de prise de décision du réseau. Cela inclut le vote sur les mises à jour proposées, les changements de paramètres et l’ajout de nouvelles parachains au réseau.

Présentation de Cardano

Cardano est une plateforme blockchain qui vise à fournir un environnement sécurisé, évolutif et décentralisé pour la création d’applications décentralisées (dApps) et l’exécution de contrats intelligents. La technologie sous-jacente de Cardano est composée de plusieurs éléments clés qui travaillent ensemble pour permettre ses fonctionnalités uniques.

Couche de Règlement de Cardano (Cardano Settlement Layer, CSL) : Le CSL est la couche fondamentale de Cardano, responsable du traitement des transactions et de la tenue du registre. Il utilise un algorithme de consensus appelé Ouroboros, qui est un protocole de proof-of-stake (PoS) garantissant la sécurité et l’intégrité de la blockchain. Ouroboros repose sur des recherches cryptographiques rigoureuses et offre des garanties de sécurité vérifiables.

Couche de Calcul de Cardano (Cardano Computation Layer, CCL) : La CCL est la couche où les contrats intelligents sont exécutés sur Cardano. Elle utilise une approche unique appelée le modèle UTXO étendu (Unspent Transaction Output), qui combine la sécurité du CSL avec la flexibilité du modèle basé sur des comptes utilisé dans d’autres blockchains. En conséquence, le modèle UTXO étendu permet d’exécuter efficacement et en toute sécurité des contrats intelligents complexes.

Propositions d’Amélioration de Cardano (Cardano Improvement Proposals, CIPs) : Cardano dispose d’un processus de gouvernance formalisé grâce auquel les parties prenantes peuvent proposer et voter sur des modifications du protocole. Ces propositions sont appelées Cardano Improvement Proposals (CIPs) et visent à garantir que le réseau puisse évoluer et s’adapter au fil du temps de manière décentralisée.

Machine Virtuelle de Cardano (Cardano Virtual Machine, CVM) : La CVM est une fonctionnalité unique de Cardano qui permet aux développeurs d’écrire des contrats intelligents dans différents langages de programmation. Initialement, Cardano prend en charge Plutus, qui est un langage spécifique au domaine (DSL) pour l’écriture de contrats intelligents en Haskell. Cependant, Cardano prévoit de prendre en charge d’autres langages de programmation à l’avenir, ce qui le rendra plus accessible aux développeurs ayant des préférences linguistiques différentes.

Trésorerie de Cardano : Cardano dispose d’un système de trésorerie intégré qui collecte une partie des frais de transaction et les distribue pour financer le développement de l’écosystème, les propositions de projets et les initiatives communautaires. Cette trésorerie auto-suffisante est gérée grâce au processus de gouvernance de Cardano, permettant aux parties prenantes de participer à l’allocation des fonds.

Consensus de Proof-of-Stake (PoS) : Cardano utilise un algorithme de consensus PoS, spécifiquement Ouroboros, qui permet aux détenteurs d’ADA de participer à la validation des blocs et de gagner des récompenses en mettant en jeu leurs jetons. PoS est plus économe en énergie par rapport au proof-of-work (PoW) utilisé dans certaines autres blockchains, ce qui rend Cardano plus respectueux de l’environnement.

Présentation de Venom

La blockchain Venom utilise la technologie de sharding pour traiter simultanément des contrats intelligents dans des “shards” plus petits avec des ensembles de données partagées entre les “shard validators” (validateurs de shard). La plateforme utilise également un mécanisme de consensus de Proof-of-Stake (PoS) pour sécuriser le réseau.

Protocole de Sharding Dynamique : La blockchain Venom utilise le sharding pour traiter simultanément des contrats intelligents dans des “shards” plus petits avec des ensembles de données partagées entre les “shard validators”. Le Protocole de Sharding Dynamique dans Venom permet au réseau de s’adapter aux charges changeantes en régulant la quantité et la taille des shards.

Shardchain : Une shardchain est une portion réduite de l’état de la blockchain responsable d’un sous-ensemble spécifique de comptes. Initialement, un seul ensemble de validateurs traite toutes les transactions, mais à mesure que le volume des transactions augmente, la shardchain peut être divisée en plusieurs shardchains pour répartir la charge.

Événements de Division (Split Events) : La blockchain Venom utilise un événement de division annoncé à l’avance dans les en-têtes des blocs correspondants de shardchain et de masterchain. Si les blocs de shardchain sont au moins à 90 % complets pendant une période configurable (par exemple, 100 secondes), la division a lieu.

Un sous-ensemble de validateurs est sélectionné pour exécuter des transactions pour une plage spécifique d’adresses dans la shardchain, et ce sous-ensemble est tourné. Lorsqu’une shard est divisée en deux, des validateurs supplémentaires sont choisis pour maintenir les performances et la sécurité. Cela permet une utilisation efficace des ressources et un traitement concurrent des transactions tout en garantissant la sécurité.

Événements de Fusion (Merge Events) : L’événement de fusion dans la blockchain Venom est déclenché lorsque la somme des tailles des shardchains sœurs reste en dessous de 60 % de la taille maximale de bloc pendant 100 secondes. Les validateurs génèrent alors un drapeau “want merge”, signalant aux deux shardchains de fusionner.

Les validateurs commettent un drapeau “merge commit” dans les en-têtes de leurs shardchains respectives et cessent de créer de nouveaux blocs dans des shardchains séparées. Les blocs et les transactions combinés sont utilisés pour créer un nouvel état pour la shardchain fusionnée, réduisant le nombre de shardchains, améliorant l’efficacité et réduisant les coûts.

Masterchain : La masterchain est le socle sécurisé de la blockchain Venom, bénéficiant à toutes les workchains connectées. Les validateurs avec de grosses mises génèrent de nouveaux blocs de masterchain, tandis que d’autres validateurs créent des blocs de shardchain.

La masterchain facilite la coordination entre les workchains, maintient la configuration du réseau et stocke la configuration de shard ainsi que les derniers hachages de blocs. Les shardchains génèrent des blocs simultanément, et le bloc de masterchain est généré légèrement plus tard pour inclure les hachages des blocs de shardchain pour la finalisation.

Basechain : Venom est composé de deux réseaux : la Masterchain et la Basechain. La Basechain est la workchain de couche 1 initiale pour les utilisateurs finaux, permettant les dApps et servant de plateforme pour l’exécution de contrats intelligents. Pour l’exécution de contrats intelligents, les deux réseaux utilisent la Threaded Virtual Machine (TVM), la Basechain ayant des coûts de stockage et d’exécution moins élevés que la Masterchain.

Mécanismes de consensus

Dans cette section, nous allons comparer les mécanismes de consensus utilisés par ces blockchains afin de comprendre comment ils fonctionnent.

Polkadot

Dans NPoS, les parties prenantes, également connues sous le nom de “nominators” (les nominateurs), participent au processus de consensus en sélectionnant un nombre fixe de validateurs via un processus de mise en jeu. Les nominateurs bloquent leurs DOT (la cryptomonnaie native de Polkadot) en tant que garantie dans un processus appelé “nomination”. Les validateurs, quant à eux, sont responsables de la production de blocs et de la validation des transactions.

Cela garantit que le processus de consensus est dynamique et peut s’adapter aux changements dans le réseau.

Cardano

Le mécanisme de consensus de Cardano s’appelle Ouroboros, qui est un protocole de proof-of-stake (PoS) conçu pour atteindre un consensus entre les nœuds dans la blockchain Cardano. Ouroboros garantit que les transactions sont validées, ajoutées à la blockchain et sécurisées sans avoir besoin d’une extraction de ressources intensive, comme dans les protocoles de proof-of-work (PoW).

Le protocole PoS Ouroboros de Cardano repose sur un système d’époques, de créneaux (slots) et d’époques, où les époques sont divisées en créneaux, et chaque créneau a un leader de créneau désigné. Les leaders de créneaux sont responsables de la production de blocs dans leurs créneaux assignés et de la validation des transactions au sein de ces blocs.

La sélection des leaders de créneaux est déterminée par un processus aléatoire appelé “loterie”, où les parties prenantes, également connues sous le nom de détenteurs d’ADA, participent en misant leur ADA (la cryptomonnaie native de Cardano) en garantie. Plus un détenteur d’ADA possède d’ADA, plus ses chances d’être sélectionné en tant que leader de créneau sont élevées.

Cardano utilise également un concept appelé “production de blocs décentralisée” (DBP), où les leaders de créneaux pour chaque époque sont sélectionnés à l’avance, ce qui leur permet de préparer et de valider les transactions efficacement. Cela contribue à obtenir un débit élevé de transactions et des temps de confirmation de transactions faibles.

Pour garantir la sécurité et prévenir les comportements malveillants, le protocole PoS Ouroboros de Cardano comprend également un mécanisme de “pièce d’âge” qui oblige les parties prenantes à “vieillir” leurs avoirs en ADA avant de pouvoir participer à la loterie. Cela décourage les changements fréquents de comportement des parties prenantes et favorise l’engagement à long terme dans le réseau.

De plus, le protocole PoS Ouroboros de Cardano permet également la délégation de mise, ce qui signifie que les détenteurs d’ADA peuvent déléguer leur mise à un pool de mise de confiance pour les représenter dans la production de blocs et la validation des transactions. Cela permet de participer au processus de consensus même pour les détenteurs d’ADA avec une mise plus faible, favorisant la décentralisation et l’inclusivité.

En résumé, le mécanisme de consensus Ouroboros de Cardano est un protocole PoS qui repose sur des époques, des créneaux et des leaders de créneaux pour atteindre un consensus entre les nœuds de la blockchain. De plus, il utilise un système basé sur la loterie avec une délégation de mise et un mécanisme de pièce d’âge pour garantir la sécurité, l’efficacité et la décentralisation du réseau.

Venom

La blockchain de Venom utilise la technique de consensus Proof of Stake (PoS) en combinaison avec l’algorithme tolérant aux fautes byzantines (BFT) pour garantir que les validateurs peuvent s’accorder sur un ensemble commun de règles.

Le validateur protège la sécurité du réseau en misant ses jetons VENOM et en acceptant de participer au consensus avec d’autres validateurs.

Le validateur garantit la sécurité du réseau en misant des jetons Venom et en participant aux tours de consensus avec d’autres validateurs. De plus, chaque validateur est responsable de soumettre des blocs candidats et de voter sur ceux présentés par d’autres validateurs.

Grâce aux pools de mise déléguée, les utilisateurs disposant d’une mise VENOM modeste peuvent participer au processus de validation. De plus, les utilisateurs du réseau peuvent utiliser ce mécanisme pour nominer d’autres utilisateurs ou institutions pour servir de validateurs.

Les détenteurs de jetons peuvent accorder plus de poids aux validateurs qui ont gagné davantage de jetons lors du processus de vote de consensus. De plus, les détenteurs de jetons peuvent voter pour de nouveaux validateurs en allouant leur mise à certains candidats pour le poste. Cela contribue à garantir que l’ensemble des validateurs représente de manière appropriée les besoins et les objectifs de l’ensemble de la communauté.

Il existe trois types principaux d’ensembles de validateurs :

Ensemble de validateurs global : Une liste de tous les validateurs choisis pour participer au processus de validation, triés par poids.
Ensemble de validateurs Masterchain : Nous choisissons le groupe avec le plus grand cumul de mise parmi le pool de validateurs disponibles.
Ensemble de validateurs Shardchain : Le traitement des blocs de chaque shard chain est supervisé par un sous-ensemble de validateurs choisis parmi l’ensemble global de validateurs.

Pour empêcher qu’une seule partie monopolise le consensus, le protocole utilise une structure de transfert de rôle en round-robin dans laquelle les validateurs se relaient pour produire des blocs. Chaque shard utilise son propre ensemble de validateurs pour faire fonctionner le mécanisme de consensus.

Chaque tour de protocole a son propre ensemble de nœuds validateurs responsables de proposer, de valider et de commettre des blocs. Avant qu’un bloc proposé puisse être ajouté définitivement au grand livre distribué, les deux tiers des nœuds validateurs du réseau doivent être d’accord. Si le bloc proposé n’est pas accepté après une durée spécifique, il est ignoré, et le tour suivant commence.

Il existe deux types d’algorithmes de consensus : ceux qui permettent les forks (le développement concurrent de plusieurs chaînes) et ceux qui ne le permettent pas. Par conséquent, un consensus peut être soit probabiliste soit déterministe.

Une fois qu’une transaction est validée dans un bloc et ajoutée à la blockchain, elle est considérée comme définitive et ne peut pas être inversée ; on parle de “finalité déterministe”. Cela garantit qu’une fois qu’une transaction est enregistrée sur la blockchain, elle ne peut pas être modifiée, ce qui est essentiel pour la sécurité et l’intégrité du réseau. Une transaction, par exemple, n’est considérée comme définitive que de manière probabiliste dans le contexte de Bitcoin. Le risque que la transaction soit inversée diminue à mesure que davantage de blocs sont ajoutés à la chaîne après la transaction.

Le Protocole de Consensus Venom se distingue des algorithmes avec finalité déterministe. Il garantit que la phase de validation de la transaction est juridiquement contraignante. Les forks sont très improbables lors de l’utilisation d’un BFT, car un fork nécessite un comportement inapproprié de la part de la majorité des validateurs.

Un grand merci à Venom APAC pour le travail de recherche.