Bitcoin, fonctionnement et technologies

Écrit par Maxime B.

Introduction

En raison du contexte géopolitique et de l’actualité américaine, le Bitcoin fait de nouveau parler de lui et vient d’atteindre le cap historique des 100 000$.

On entend souvent que le Bitcoin est une monnaie électronique or la monnaie actuelle est déjà largement électronique. Lors d’une transaction en dehors des paiements en liquide, la banque débite votre compte et crédite celui du vendeur. Il n’y a pas d’échanges d’argent physique et tout se passe dans les livres de comptes de la banque, soit sa base de données de toutes les transactions.

En Union européenne, plus de 90% de la monnaie est électronique.

Le Bitcoin est également une monnaie électronique mais elle est décentralisée ce qui signifie que la base de données de toutes les transactions n’est pas gérée pas une instance centrale mais partagée dans un immense réseau peer-to-peer. Toutes les personnes connectées au réseau Bitcoin peuvent héberger une copie de la base de données qui contient toutes les transactions.

Chaque instance et copie de la base est nommé un noeud et communique avec les autres noeuds du réseau. Ce type de base de données distribuées rend leur destruction plus difficile en raison de toutes ses copies et n’importe qui peut inscrire une transaction dans la base de données sans le contrôle d’une instance centrale.

Une banque classique met en place plusieurs sécurités :

• Elle identifie l’auteur des transactions ;
• Elle vérifie si l’auteur dispose des fonds nécessaires pour effectuer le paiement ;
• Elle empêche les modifications frauduleuses de la base de données des transactions.

Pour sécuriser son réseau et proposer de solides garanties, Bitcoin utilise plusieurs technologies :

• La signature électronique;
• La Blockchain.

La signature électronique

Bitcoin utilise le principe de la cryptographie asymétrique afin d’identifier l’auteur d’une transaction.

En cryptographie, on utilise généralement une clé qui permet de chiffrer et déchiffrer des messages. Dans les techniques de chiffrements les plus simples, on peut déchiffrer un message que si on possède la clé qui a permis de le chiffrer. Il existe des systèmes de chiffrages plus sophistiqués qui sont asymétriques (comme le RSA): la clé qui sert à chiffrer le message n’est pas la même que celle qui sert à le déchiffrer. Le chiffrage asymétrique n’est pas une opération lettre à lettre mais transforme le message dans son ensemble et est donc impossible à faire dans l’autre sens si on n’a pas la clé de déchiffrage.

Une utilisation classique de la cryptographie asymétrique est d’avoir une clé de chiffrement publique. Tout le monde peut ainsi envoyer des messages codés via cette clé mais on est le seul à pouvoir les déchiffrer via la clé privée. Ceux qui écrivent les messages ne peuvent pas se lire entre eux ni même se relire.

Bitcoin implémente une signature électronique via la cryptographie asymétrique inverse de l’utilisation courante : la clé de chiffrement est personnelle et la clé de déchiffrement est publique. L’utilisateur est donc le seul à pouvoir chiffrer et inscrire une transaction à son nom alors que tout le monde est en mesure de déchiffrer la transaction grâce à la clé publique. La clé publique est partagée et connue de tous les noeuds du réseau.
Grâce à ce mécanisme en place, les transactions sont impossibles à falsifier sans posséder la clé privée mais également non réfutables.

Structure des transactions

Quand une transaction est effectuée, cette dernière contient une référence vers les transactions précédentes qui ont fourni les Bitcoins nécessaires à cette transaction.

Cette référence aux transactions passées a deux intérêts :

• Pour valider une transaction, on n’a pas besoin de connaître le solde exacte du compte d’une personne, il suffit juste de vérifier que les transactions auxquelles elle fait référence pour la source des Bitcoin n’ont pas déjà été utilisées dans une transaction passée;
• Cela bloque le copier / coller de transactions : La double dépense est impossible.

La Blockchain

La base de données du réseau Bitcoin étant dupliquée, ces dernières doivent communiquer entre elles, se synchroniser et résoudre les conflits en cas de double dépenses sur deux noeuds différents.
Chaque noeud du réseau enregistre les nouvelles transactions dans une liste de transactions « en attente » qu’il partage aux différents noeuds. Ainsi tous les noeuds du réseau possèdent une liste de transactions « en attente » qui peuvent être légèrement différentes les unes des autres.
Périodiquement, environ toutes les 10 minutes, un des noeuds du réseau prend ses transactions en attente et les déclare validées. Tous les autres noeuds se synchronisent alors sur ce groupe de transaction qui est nommé un bloc. La liste des transactions qui sont validées se présentent sous la forme d’une suite de blocs : la blockchain.

Choix du noeud

Pour qu’un bloc puisse être validé il doit disposer d’un identifiant qui est calculé via un calcul mathématique complexe. Une fois cet identifiant calculé, le bloc peut proposer sa liste de transactions en attente et les autres blocs s’aligneront dessus. Chaque noeud du réseau travaille en permanence pour essayer de résoudre en premier ce calcul et être ainsi sélectionné.

Calcul de l’identifiant

L’identifiant d’un bloc utilise le principe de fonction de hachage.

Une fonction de hachage prend en entrée une chaîne de caractères de longueur variable et retourne en sortie une autre chaîne de caractère de longueur fixe. Le moindre changement dans la chaîne d’entrée provoque un grand changement dans la chaîne de sortie: une lettre de différence dans une phrase génère ainsi une sortie totalement différente !

Pour calculer l’identifiant d’un bloc, la fonction de hachage prend trois éléments :

• L’identifiant du bloc précédent;
• La liste des transactions à valider;
• Un nombre appelé Nonce.

Le résultat de la fonction est une liste de caractères qui est utilisé comme identifiant. Le principe de chaine est implémentée par le fait que l’identifiant d’un bloc est utilisé dans le calcul de l’identifiant du bloc suivant. Cela protège la base de données contre la moindre modification: si on souhaite modifier une transaction, cela va complètement changer le hachage du bloc et donc son identifiant (et donc changer les identifiants des blocs suivants et ainsi de suite dans toute la chaine). Il est donc impossible de modifier une transaction dans le passé sans avoir à recalculer tous les identifiants de tous les blocs qui sont arrivés depuis.

Une fonction de hachage se calcul rapidement et une modification d’identifiants en chaine serait rapide. Pour s’en prémunir, Bitcoin rajoute des conditions supplémentaires qui rendent le calcul de l’identifiant complexe.

Le troisième élément en paramètre de la fonction de hachage est un nombre appelé Nonce. La présence de ce paramètre modifie donc le résultat du hachage du bloc. Bitcoin impose des conditions sur le résultats du hachage qui fait qu’il faut tester un certain nombre de Nonces différents avant d’en trouver un qui respecte ces conditions. Le seul moyen d’y parvenir se fait via la force brute et les conditions sont faites pour qu’un résultat soit trouvé en moyenne toutes les 10 minutes dans le réseau. Ces conditions sont rendues de plus en plus difficiles au fur et à mesure que le réseau grandit et que la puissance de calcul des ordinateurs augmente pour conserver cette moyenne de 10 minutes.

Ce qui est interessant avec ce système est que l’on protège la blockchain de la fraude en demandant aux différents noeuds du réseau de résoudre un problème compliqué pour avoir le droit de contribuer; c’est ce que l’on appelle la preuve de travail. La capacité à frauder devient donc liée à la puissance de calcul dont on dispose et il faudrait plus de 50% de la puissance de calcul de tout le réseau pour compromettre la blockchain.

Il existe tout de même une probabilité que deux noeuds du réseau proposent leur bloc de manière presque simultanée (voir un risque de piratage de quelques blocs). Dans ce cas, le réseau (et donc tous les noeuds) conserve les deux chaines de blocs différentes mais les blocs ne travaillent que sur la plus longue des deux chaine. Ainsi une des deux chaine va rapidement prendre le pas sur l’autre (au bout de 5 ou 6 blocs). C’est pour cela que quand une transaction est faite sur le réseau Bitcoin, il est préférable d’attendre environ 1h afin d’être sûr que la transaction a bien été inscrite.

Les noeuds du réseau sont rémunérés en Bitcoin lors de la validation d’un bloc ce qui motive le travail et sécurise le réseau. C’est ce mécanisme de rémunération qui permet la création de nouveaux Bitcoin et permet l’augmentation de la masse monétaire. Cette récompense en Bitcoin décroit au fil du temps via un mécanisme nommé Halving qui a été conçu pour contrôler l’inflation en entraînant une raréfaction de l’offre. La masse monétaire des Bitcoin va converger vers 21 millions.

Conclusion

Pour résumer, Bitcoin permet un système :

• décentralisé ;
• sans autorité de régulation ;
• transparent via un mécanisme de création monétaire connu ;
• avec des Frais de transaction réduits ;
• éternel via l’inscription des données dans la blockchain.

Cette implémentation de la blockchain montre que c’est un système fiable et robuste qui pourrait permettre dans le futur de sécuriser de nouveaux processus ou applications.