La qualité de chaîne (Chain Quality, CQ) est un attribut fondamental d'une blockchain. En termes simples, cela signifie :

Si vous détenez 3 % de l'engagement (stake) total, alors, sur une période moyenne, vous devriez contrôler 3 % de l'espace de bloc.

Pour les blockchains précoces à faible débit, la qualité de chaîne était suffisante. Mais les blockchains modernes ont une bande passante bien plus importante, et un seul bloc peut contenir un grand nombre de transactions.

Cela amène à un concept plus fort et plus fin. Il ne se contente pas de considérer la proportion d'espace de bloc sur une moyenne temporelle, mais se concentre sur la répartition de l'espace de bloc à l'intérieur de chaque bloc. Nous appelons cela la « qualité de chaîne forte » (Strong Chain Quality, SCQ) :

Si vous détenez 3 % de l'engagement total, alors, dans chaque bloc, vous contrôlez 3 % de l'espace de bloc.

Essentiellement, cet attribut permet aux parties prenantes de disposer de « voies virtuelles » à l'intérieur d'une blockchain à haut débit, garantissant ainsi que leurs transactions seront incluses.

La « qualité de chaîne » dans la blockchain

L'une des innovations clés de Bitcoin – que presque toutes les blockchains possèdent aujourd'hui – a été d'introduire dans le protocole un mécanisme de récompense pour les proposeurs de blocs : la partie qui parvient à ajouter un bloc à la machine d'état reçoit des jetons nouvellement créés ainsi que des frais de transaction. Ces récompenses sont stipulées par la fonction de transition d'état et se reflètent finalement dans l'état du système.

Dans les modèles traditionnels de calcul distribué, les participants sont divisés en parties honnêtes et parties malveillantes. Il n'est pas nécessaire de récompenser les parties honnêtes, car le comportement honnête est l'hypothèse par défaut dans le modèle.

Dans le modèle crypto-économique, les participants sont considérés comme des acteurs rationnels, dont la fonction d'utilité peut être inconnue. L'objectif est de concevoir des incitations de sorte que ces participants, en poursuivant la maximisation de leur profit personnel, s'alignent naturellement sur le bon fonctionnement du protocole. En combinant les mécanismes de récompense internes au protocole, nous pouvons arriver à la définition idéalisée suivante de la qualité de chaîne :

Qualité de chaîne (CQ) : Une coalition détenant X % de l'engagement total a une probabilité de X % d'être le proposeur de chaque bloc ajouté à la chaîne après le temps de stabilisation global (GST).

Si une chaîne s'écarte de l'exigence de qualité de chaîne, elle peut permettre à certaines coalitions d'obtenir une part de récompenses supérieure à la normale, affaiblissant ainsi les incitations à un comportement honnête et menaçant la sécurité du protocole.

De nombreuses blockchains satisfont à cette propriété ou s'efforcent de le faire via des « mécanismes de rotation aléatoire des leaders basés sur le poids de l'engagement ».

Les défis typiques actuels incluent : le problème de « minage égoïste » (selfish mining) de Bitcoin ; le problème de résistance aux fourches de queue (tail forking) de Monad ; et les problèmes dans le protocole LMD GHOST d'Ethereum.

L'origine de la « qualité de chaîne forte »

Lorsque l'espace de bloc est suffisamment abondant, nous n'avons pas à confier le contenu entier d'un bloc à un seul proposeur monopolistique. Au contraire, l'espace de bloc d'un même bloc peut être réparti entre plusieurs participants. La définition crypto-économique de la qualité de chaîne forte exprime précisément cette idée :

Qualité de chaîne forte (SCQ) : Une coalition détenant X % de l'engagement total contrôle X % de l'espace de bloc dans chaque bloc après le temps de stabilisation global (GST).

Cette propriété idéalisée introduit implicitement le concept abstrait de « voie virtuelle ». C'est-à-dire que la coalition contrôle effectivement, dans chaque bloc, une portion dédiée de l'espace de bloc.

D'un point de vue économique, détenir une voie virtuelle équivaut à détenir un actif productif générateur de revenus, qui peuvent provenir des frais de transaction ou de la MEV (Valeur Extractible Maximale). Pour acquérir et maintenir ces voies, des entités externes entreront en concurrence autour de l'engagement (stake), créant ainsi une demande continue pour le jeton L1 sous-jacent. Plus la valeur économique qu'une voie peut générer est grande, plus la motivation des parties à rivaliser pour l'engagement est forte, et plus la valeur accumulée par l'engagement L1 contrôlant l'accès à cet espace de bloc est élevée. Grâce à cette abstraction, nous pouvons traduire une plus grande résistance à la censure en une propriété de validité SCQ dans le protocole.

Qualité de chaîne forte et résistance à la censure

Des recherches récentes ont montré l'importance cruciale des protocoles résistants à la censure. Ces protocoles doivent non seulement garantir que les entrées des parties honnêtes sont finalement incluses, mais aussi qu'elles sont incluses immédiatement. La qualité de chaîne forte (SCQ) peut être vue comme une extension de cette propriété dans le cas où la capacité des blocs est limitée.

Dans des scénarios pratiques, si le volume de transactions en attente d'inclusion dépasse l'espace de bloc disponible, aucun protocole ne peut satisfaire l'idéal de résistance à la censure. La SCQ aborde cette limitation de manière plus pragmatique : elle n'exige pas que toutes les transactions honnêtes soient toujours incluses, mais attribue plutôt à chaque nœud engagé un « budget », garantissant que ses transactions seront incluses dans les limites de ce budget.

Le protocole MCP a été proposé comme un composant au-dessus des protocoles de consensus existants de type tolérance aux pannes byzantines pratiques (PBFT), dans le but de les rendre résistants à la censure. Ce protocole satisfait également l'exigence SCQ – il alloue de l'espace de bloc aux proposeurs proportionnellement à leur part d'engagement. Les protocoles BFT existants basés sur des graphes acycliques dirigés (DAG) offrent une manière de mettre en œuvre un mempool à multiples rédacteurs, et possèdent également un certain degré de résistance à la censure.

Les implémentations standard de ces protocoles échouent souvent à satisfaire strictement la SCQ car elles permettent au leader de retarder sélectivement certains sous-ensembles de transactions. Cependant, de légères modifications de ces protocoles pourraient permettre de retrouver la SCQ. Une direction connexe est celle de « l'inclusion forcée des transactions », utilisée pour réduire les comportements de censure.

Le MCP montre également comment réaliser une propriété cachée plus forte. Grâce à celle-ci, les parties prenantes peuvent créer des voies privées virtuelles, dont le contenu n'est révélé que lorsque le bloc entier est rendu public. Nous développerons ce point dans un prochain article.

Comment réaliser la qualité de chaîne forte

Pour obtenir la qualité de chaîne forte après le temps de stabilisation global (GST), la clé est de s'assurer que le proposeur ne peut pas arbitrairement censurer les entrées des parties prenantes. Cela peut être réalisé par un protocole en deux tours. Sur la base de presque tous les protocoles BFT basés sur les vues, seules deux petites modifications sont nécessaires :

Premier tour : Chaque participant envoie son entrée certifiée à tous les autres participants.

Deuxième tour : Si un participant reçoit une entrée certifiée du participant i, il ajoute i à sa liste d'inclusion. Ensuite, ce participant envoie sa liste d'inclusion au leader. Cette action équivaut à un engagement : il n'acceptera que les blocs qui incluent toutes les entrées de cette liste.

Proposition BFT : Le leader, après avoir reçu ces messages, inclut dans le bloc l'union de toutes les listes d'inclusion reçues.

Vote BFT : Un participant ne votera en faveur d'un bloc que si ce bloc contient toutes les entrées de sa propre liste d'inclusion.

Il est facile de voir qu'à partir de cette esquisse de protocole, on peut construire un protocole complet. Ce protocole peut satisfaire la qualité de chaîne forte après le GST, offrir une résistance à la censure, et maintenir la liveness (activité) lorsque le leader est honnête. Pour réaliser la SCQ avant le GST, il faudrait également attendre un nombre suffisant (quorum) de valeurs ou de listes à chaque tour. Nous détaillerons ce protocole et ses extensions dans un prochain article.

Des recherches récentes indiquent que pour réaliser la qualité de chaîne forte et la résistance à la censure, il est nécessaire d'ajouter deux tours supplémentaires (comme dans l'esquisse de protocole ci-dessus) au-dessus du tour de vote habituel des protocoles BFT. Nous détaillerons également ce résultat dans un prochain article.

Bien que la qualité de chaîne forte (SCQ) spécifie la proportion d'espace de bloc qu'une coalition contrôle, elle ne prescrit pas complètement la manière dont les transactions sont ordonnées à l'intérieur du bloc. La SCQ peut être comprise comme : réserver de l'espace pour chaque nœud engagé, mais sans faire aucune garantie sur l'ordre des transactions dans cet espace.

Cela ouvre un riche espace de recherche pour la conception de mécanismes d'ordonnancement des transactions. Un bon mécanisme d'ordonnancement pourrait encore améliorer l'équité et l'efficacité au sein de l'écosystème blockchain. Une direction intéressante consiste à ordonner les transactions en fonction des frais de priorité.