Qu’est-ce qu’une blockchain ? Définition et anatomie des protocoles décentralisés

Par Vincent Gaspalon

Sommaire

Plus de 300 000 transactions sont enregistrées chaque jour sur la blockchain Bitcoin. Un volume déjà significatif, et pourtant seulement la face émergée de l’iceberg blockchain. Cette technologie de rupture, dont l’adoption ne cesse de croître, reste encore un mystère pour beaucoup.

Si l’on connaît ses applications grand public comme les crypto monnaies, la blockchain est en réalité (beaucoup) plus que cela. De la cryptographie des clés à l’infrastructure en réseau, en passant par les différents consensus et l’architecture en blocs, il y a beaucoup à découvrir. Prêt à démystifier les mécanismes qui régissent ce nouveau paradigme ?

Comprendre les origines et composants de la blockchain

image 3d de blockchain - blockchain definition

Si la blockchain est considérée comme une véritable technologie de rupture, elle repose en réalité sur des briques techniques préexistantes mais assez disjointes jusqu’en 2008 et l’apparition en ligne du Bitcoin.

Les prémices : cryptographie, bases de données distribuées, consensus distribué

➡️ La cryptographie moderne est liée aux travaux fondateurs des mathématiciens Whitfield Diffie, Martin Hellman et Ralph Merkle. Ceux-ci ont travaillé sur la création d’une cryptographie à clé publique dans les années 1970. Ils ont posé les bases de la sécurisation et de l’authentification des données numériques.

 

Parallèlement, les concepts théoriques de bases de données réparties et de systèmes distribués sans intermédiaire ont émergé dans les années 80-90. L’entreprise Xerox s’est illustrée avec son projet pionnier Cedar, un langage crypto lancé en 1980.

 

Enfin, il y a eu les recherches sur les algorithmes de consensus. Pour faire simple, la validation d’opérations par des nœuds multiples sans entité centrale. Les travaux sur les consensus avancent énormément dans les années 1990-2000. On peut citer les travaux sur la tolérance aux pannes byzantines du chercheur Leslie Lamport, ou le protocole Paxos développé par Lamport et Öuzalp en 1998.

 

Mais c’est l’ingénieuse combinaison et application de toutes ces briques, par le mystérieux Satoshi Nakamoto en 2008, qui va réellement permettre l’émergence du concept de blockchain décentralisée.

Le protocole Bitcoin comme catalyseur de l'innovation blockchain

En 2008, au plus fort de la crise financière, un mystérieux internaute répondant au nom de Satoshi Nakamoto met en ligne un livre blanc qui a pour titre « Bitcoin : A Peer-to-Peer Electronic Cash System ».

livre blanc bitcoin -blockchain définition

1ère page livre blanc bitcoin – Source : bitcoin.org

L’invention est aussitôt partagée dans les cercles académiques et fait grand bruit. Ce document technique fondateur décrit les principes d’un nouveau système de monnaie électronique décentralisée, qui fonctionne sans besoin d’autorité centrale. Qu’apporte très concrètement ce projet ?

 

✅ D’abord, il résout le problème de la double-dépense. Ce problème séculaire est assez simple : en l’absence d’un tiers de confiance central, comment empêcher qu’un même compte numérique ne soit dépensé à plusieurs reprises. La solution apportée combine un registre distribué infalsifiable avec la cryptographie à clé publique/privée. Grâce à cette architecture, chaque échange de monnaie est enregistré de manière irréversible et vérifiable par l’ensemble des nœuds du réseau.

 

Ensuite, il assemble de façon assez surprenante les différentes technologies existantes, à savoir réseaux pair-à-pair, cryptographie, algorithmes de consensus. Il réussit ce tour de force avec une nouvelle innovation : la preuve de travail. Cette architecture rompt avec la nécessité d’une autorité centrale, permettant à la monnaie virtuelle Bitcoin d’être réellement décentralisée sans tiers de confiance.

 

Pour tout comprendre sur la cryptomonnaie en plus de la blockchain, nous avons rédigé un guide complet sur la cryptomonnaie.

Étude de cas : comment fonctionne le protocole Bitcoin ?

L’année suivante (2009), le premier bloc Bitcoin est miné. Quinze ans après, le protocole Bitcoin représente l’implémentation la plus connue et répandue de la technologie blockchain. Examinons son fonctionnement.

 

Tout commence avec une transaction initiale envoyée par une personne utilisant le réseau Bitcoin. Ce transfert de bitcoin est diffusé à l’ensemble des nœuds participants. Au même moment, des milliers de transactions sont rassemblées dans une « mémoire de transactions » (mempool), en attente de validation.

schéma transaction blockchain - blockchain definition

Processus de transaction actuel – Source : bitcoin.org

C’est là qu’interviennent les mineurs. Chaque « mineur » va entrer en compétition avec d’autres pour être le premier à résoudre un problème mathématique complexe. Pour le résoudre, il va déployer de la puissance de calcul de son ordinateur (d’où l’idée de preuve de travail, nous y reviendrons).

 

La difficulté de ce défi mathématique, basé sur un algorithme de hachage cryptographique (SHA-256), est ajustée dynamiquement. De sorte que le réseau Bitcoin maintient un temps moyen de 10 minutes avant qu’un nouveau bloc soit miné avec succès.

 

Une fois le problème résolu, le mineur diffuse à son tour le nouveau bloc, comprenant les transactions validées et leur preuve de travail, auprès de tous les autres nœuds. Ces derniers peuvent alors rapidement vérifier l’authenticité de l’information grâce au hachage, avant de l’ajouter à leur copie locale de la blockchain.

 

Le mineur est récompensé par l’émission de nouveaux bitcoins, injectés dans le système à chaque bloc. Il perçoit également les frais de transaction associés.

 

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Les différents types de consensus

Comme nous l’avons vu, une blockchain fonctionne avec un mécanisme de consensus. On dit « consensus » car tous les participants du réseau doivent se mettre d’accord, de manière collective et sans autorité centrale, sur l’ordre des transactions. Vous l’aurez compris, il s’agit d’un point fondamental.

La Preuve de travail (PoW - Proof-of-Work)

C’est le consensus originel utilisé par Bitcoin. La preuve de travail repose sur une dépense énergétique. Dépenser un bitcoin, c’est transférer du travail stocké, et ce, de manière démontrable. De la même façon qu’une pépite d’or représente aussi une preuve de travail, car il a bien fallu la miner !

 

C’est cela, l’économie Bitcoin : des mineurs entrent en compétition pour résoudre un problème de calcul complexe . Le premier à trouver la solution peut ajouter un nouveau bloc à la chaîne, et reçoit en récompense de nouveaux bitcoins.

✅  Quels avantages ? La preuve de travail donne l’assurance d’un très haut niveau de sécurité. Un attaquant devrait fournir 51 % de la puissance totale du réseau pour réussir à corrompre la blockchain. Ou alors, il devrait prendre le contrôle des ordinateurs délivrant 51% de la puissance de calcul sur le réseau… Un récent rapport d’ETC Group estime qu’il faudrait pas moins de 10 milliards de dollars… par heure pour y parvenir !

 

Quels inconvénients ? Il faut savoir que le minage est un processus extrêmement énergivore, rendant la preuve de travail très coûteuse.

La Preuve d'enjeu (PoS | Proof-of-Stake)

Au lieu de mineurs, ce sont des validateurs qui engagent (« to stake », mettre en jeu) une partie de leurs tokens dans un dépôt comme garantie. C’est un peu comme un pari – ils prennent le risque de perdre leur mise si le réseau évolue défavorablement (inflation, fausse information, attaques, etc.).

L’algorithme de consensus sélectionne alors aléatoirement un validateur pour créer le prochain bloc, proportionnellement à l’enjeu déposé.

✅  Quels avantages ? La vérification des transactions devient d’un coup plus économe en énergie ! De plus, l’enjeu requis pour attaquer le réseau est très élevé.

 

❌  Quels inconvénients ? Le niveau de sécurité est théoriquement moins élevé que la PoW, surtout avec une répartition très inégale des dépôts de stake entre validateurs.

Blockchain publique vs privée

Si les principes de base de la blockchain sont les mêmes, il existe deux grandes familles distinctes en fonction de leur degré d’ouverture et de décentralisation : les blockchains publiques et les blockchains privées ou permissionnées.

Les blockchains publiques

Exemples de blockchains publiques :

Bitcoin (BTC)

La blockchain publique décentralisée originelle pour la cryptomonnaie éponyme.

logo bitcoin - blockchain definition

Ethereum (ETH)

Blockchain publique de référence supportant les smart contracts et la finance décentralisée.

logo ethereum - blockchain definition

Litecoin (LTC)

Une des premières blockchains publiques alternatives au Bitcoin, à l’empreinte carbone réduite.

logo litecoin - blockchain definition

Ce sont les blockchains véritablement décentralisées, ouvertes à tous et où n’importe qui peut participer au processus de validation des transactions selon les règles établies. 

 

Elles sont ouvertes et transparentes : n’importe qui peut rejoindre le réseau peer-to-peer, devenir un nœud et consulter l’intégralité des transactions en toute transparence.

 

Elles sont totalement décentralisées : il n’y a aucune autorité centrale de contrôle. Le consensus est établi collectivement par l’ensemble des participants selon les règles du protocole.

Les blockchains publiques sont réputées offrir les plus hauts niveaux de transparence, d’immuabilité et de résistance à la censure. Mais leur complète décentralisation rend aussi leur gouvernance plus complexe… 

Les blockchains privées/permissionnées

Exemples de blockchains privées/permissionnées :

Hyperledger Fabric

Une technologie permissionnée très populaire pour les entreprises, soutenue par des géants comme IBM.

logo hyperledger fabric - blockchain definition

Quorum

La blockchain d’entreprise de JPMorgan Chase basée sur Ethereum mais en mode

logo quorum - blockchain definition

Corda

Développée par un consortium de banques, c’est une blockchain taillée pour le secteur financier.

logo corda - blockchain definition

À l’opposé, les blockchains permissionnées sont des réseaux contrôlés par une ou plusieurs autorités régulatrices ayant un droit de regard sur la participation au réseau.

 

Elles sont contrôlées par une organisation : seulement certains nœuds autorisés peuvent traiter et valider les transactions. Le contrôle est centralisé.

 

L’accès est restreint aux participants : l’identité de chaque participant au sein du réseau est connue, permettant une confidentialité accrue des données.

 

Si les blockchains privées sacrifient une partie de la décentralisation et de la transparence, elles peuvent en contrepartie offrir de meilleures performances. Ce mode opératoire convient mieux aux entreprises désireuses de bénéficier des avantages de cette technologie (traçabilité, efficacité) sans renoncer au contrôle.

Transactions et smart contracts

Les transactions classiques (transferts)

➡️ La transaction de transfert d’actifs reste l’unité de base d’une blockchain. Chacune comprend : 

 

  • Les données  (montant, priorité, autre information)
  • L’adresse de portefeuille
  • La signature numérique du propriétaire via sa clé privée

 

Les mineurs/validateurs récupèrent ces transactions, vérifient leur validité (fonds suffisants, signature légitime) puis les regroupent dans un bloc candidat. Une fois validé par consensus, le bloc est ajouté à la chaîne – impossible de le modifier.

 

Les utilisateurs paient généralement des petits frais pour qu’une transaction soit prise en compte. Ils sont proportionnels à la charge de calcul utilisée / déployée. Ces frais, dans la crypto monnaie native, sont une incitation économique pour tout acteur du réseau.

 

Découvrez davantage de détails dans notre article dédié à l’achat de crypto monnaie et notre article sur les NFT.

L'innovation des smart contracts

Un smart contract est un programme se déployant sur la blockchain. Il définit des règles et conditions d’exécution automatiques, sans intervention humaine. Un excellent exemple dont la plupart des gens ont probablement entendu parler est celui des NFT (Non-Fungible Tokens).

 

Prenons l’exemple d’un NFT représentant une œuvre d’art numérique sur la blockchain Ethereum. Le smart contract définissant ce NFT contient plusieurs instructions codées :

 

  • Il établit l’authenticité et la propriété de l’œuvre, en associant de manière immuable les métadonnées (nom de l’artiste, date, description, etc.) à une empreinte numérique unique sur la blockchain.
  • Il gère les droits de propriété et de transfert. Seul le détenteur actuel du NFT peut effectuer une transaction pour vendre ou transférer la propriété à un nouveau propriétaire.
  • Il peut inclure des conditions supplémentaires, comme des royalties / redevances codées à verser automatiquement à l’artiste à chaque revente.

 

Ainsi, quand quelqu’un échange ce NFT sur un marché décentralisé, le smart contract s’exécute automatiquement : il transfère la propriété à l’acheteur, verse les royalties à l’artiste si prévu et enfin enregistre l’échange de manière immuable. On vous en dit plus dans notre article dédié à la définition des NFT.

Décrypter l'architecture des blockchains : les « couches »

Pour comprendre les différences de fonctionnement et de performances entre les blockchains, il est essentiel de s’intéresser à leur architecture. On distingue trois couches clés dans une blockchain : la couche d’exécution, la couche de règlement et la couche de disponibilité des données et de consensus.

Les trois « couches » d'une blockchain

Couche d’exécution : c’est le moteur de la blockchain sur internet, responsable de l’exécution des transactions et des contrats intelligents. Elle définit les règles de changement d’état du réseau.

 

Couche de règlement : elle gère la finalisation des transactions et la mise à jour de l’état global du réseau. C’est en quelque sorte le « notaire » de la blockchain.

 

Couche de disponibilité des données et de consensus : elle assure que les données sont disponibles pour tous les participants et qu’un consensus est atteint sur l’état du réseau, évitant toute divergence.

schéma blockchain monolithique modulaire - blockchain definition

Les blockchains monolithiques (Bitcoin, Solana) ou modulaires (Ethereum, Avalanche, Cosmos) ?

Dans une blockchain monolithique, ces trois couches sont gérées par un unique protocole de consensus. C’est le cas de :

BITCOINBitcoin et de sa preuve de travail (PoW), où les mineurs sont à la fois au service de l'exécution des transactions, de leur validation et de la sécurisation du réseau.
SOLANASolana adopte également une architecture monolithique, bien que basée sur un consensus de preuve d'enjeu (PoS).

À l’inverse, les blockchains modulaires comme Ethereum, Avalanche ou Cosmos séparent ces couches. Chaque couche peut ainsi être optimisée au service de sa tâche spécifique, et évoluer sans compromettre l’ensemble :

AVALANCHEAvalanche utilise des subnets — des blockchains souveraines mais interopérables — pour gérer l'exécution, tandis que la blockchain principale ne sert qu'au règlement.
COSMOSCosmos pousse la logique encore plus loin avec son architecture multi-chaînes, où de nombreuses blockchains autonomes communiquent via une messagerie (IBC).

Si l’approche modulaire est plus complexe à développer et à sécuriser en raison des interactions entre couches, elle offre en revanche une excellente capacité de passage à l’échelle et une plus grande adaptabilité aux différents cas d’usage.

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En somme, les blockchains monolithiques comme Bitcoin misent sur la sécurité et la résilience, quitte à sacrifier la flexibilité. À l’inverse, les designs modulaires d’Avalanche et Ethereum visent l’adaptabilité et la performance, au prix d’une certaine complexité.

Conclusion : les blockchains se multiplient… mais pour quel usage ?

Faisons un pont avec l’actu pour finir. Nous sommes en 2024 et il existe des centaines de blockchains, dont beaucoup ont été abandonnées au fil des cycles baissiers. Pourtant, de nouvelles blockchains continuent d’être lancées à un rythme soutenu (dans l’actualité : Mantle, Base, Celestia, Manta, etc.).

 

➡️  L’objectif est de résoudre le trilemme des blockchains historiques comme Bitcoin et Ethereum : concilier décentralisation, sécurité et scalabilité. Plusieurs approches sont tentées, mais aucune de ces nouvelles blockchains ne résout complètement ces problèmes pour le moment. Leur valeur ajoutée et leur utilisation réelle restent limitées.

 

Nous pourrions parler du réseau français Tezos, ou du réseau EOS qui détient le record, bien lourd à porter, de la plus grosse levée de fonds publique à ce jour (4 milliards de dollars en juin 2018).

 

Pourtant, nombre de ces blockchains affichent des valorisations élevées et décorrélées des usages réels (Cardano 17 Mds$, Tron 10 Mds$, Aptos 3 Mds$…). Le marché reste spéculatif ! Et les levées de fonds récentes (Manta 31 M$, Celestia 56 M$) indiquent que le mouvement va se poursuivre avec de nouveaux réseaux (dans l’actualité : Monda, Nibiru, LayerZero…).

 

Malgré des valorisations élevées, l’usage et la valeur ajoutée de ces nouvelles blockchains restent à démontrer. Le marché demeure spéculatif en pariant sur leur potentiel futur. Nous évoquons la question dans notre article dédié aux crypto monnaies à fort potentiel en 2024.

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Questions fréquentes

L’objectif de la blockchain est de fournir un registre sécurisé, transparent et décentralisé pour enregistrer les transactions. En éliminant les intermédiaires, elle réduit les coûts et améliore l’efficacité des processus. La blockchain garantit l’intégrité et la transparence des données, ce qui est crucial pour de nombreux secteurs.


Chaque transaction est cryptée et ajoutée à un bloc. Ce bloc est ensuite lié de manière immuable à la chaîne de blocs précédente, assurant ainsi la sécurité et la traçabilité des transactions. La décentralisation du réseau de nœuds vérificateurs empêche toute altération ou falsification des données, rendant le système pratiquement inviolable.


La blockchain est particulièrement utile dans des secteurs comme la finance, où elle sécurise les transactions, et la logistique, où elle assure une traçabilité transparente. Elle trouve également des applications dans la santé pour sécuriser et partager les dossiers médicaux de manière confidentielle.

La blockchain fonctionne comme un registre numérique décentralisé. Chaque transaction est enregistrée dans un bloc, puis ajoutée à une chaîne de blocs de manière sécurisée et immuable. Les transactions sont vérifiées par un réseau d’ordinateurs appelés nœuds. Cette structure assure transparence et sécurité sans nécessiter d’intermédiaire.

La blockchain la plus utilisée est actuellement celle du Bitcoin. Créée en 2009, elle a été la première blockchain et reste la plus populaire pour les transactions financières grâce à sa sécurité et à sa décentralisation robuste. Le Bitcoin est souvent considéré comme l’or numérique en raison de sa valeur et de son adoption croissante comme réserve de valeur.

 

Ethereum est également largement utilisé, en particulier pour sa capacité à exécuter des contrats intelligents et à héberger des applications décentralisées (dApps). Lancée en 2015, la blockchain Ethereum permet non seulement des transactions financières, mais aussi des programmations complexes grâce à ses contrats intelligents. Cela en fait une plateforme très versatile et essentielle dans l’écosystème des cryptomonnaies.

 

Ces deux blockchains dominent le marché en termes d’utilisation et de capitalisation. Bitcoin est principalement utilisé pour les transactions financières et comme réserve de valeur, tandis qu’Ethereum est reconnu pour ses capacités techniques avancées et ses applications diverses dans de nombreux secteurs.

La blockchain permet une sécurisation élevée des données grâce à plusieurs mécanismes sophistiqués. Chaque transaction est cryptée et enregistrée dans un bloc. Ce bloc est ensuite lié cryptographiquement au bloc précédent, formant ainsi une chaîne immuable de blocs, d’où le nom « blockchain ». Cette structure assure que toute tentative de modification d’un bloc précédent invaliderait tous les blocs suivants, rendant la falsification des données pratiquement impossible.

 

Les transactions doivent être validées par un consensus de nœuds indépendants. Ces nœuds vérifient et approuvent chaque transaction, garantissant ainsi que seules les transactions légitimes sont ajoutées à la chaîne. Ce mécanisme de validation par consensus empêche toute modification non autorisée des données.

 

La décentralisation du réseau est un autre aspect crucial de la sécurité de la blockchain. Contrairement à un système centralisé, où un point de défaillance peut compromettre l’ensemble du réseau, la blockchain répartit les données à travers de nombreux nœuds indépendants. Cela rend les attaques informatiques beaucoup plus difficiles, car il faudrait compromettre simultanément une majorité de nœuds pour altérer les données.

La blockchain est infalsifiable grâce à plusieurs mécanismes robustes qui assurent sa sécurité et son intégrité. Chaque transaction effectuée sur la blockchain est cryptée et enregistrée dans un bloc. Ce bloc est ensuite lié cryptographiquement au bloc précédent, formant une chaîne immuable de blocs. Cette structure unique garantit que toute tentative de modification d’un bloc antérieur invaliderait tous les blocs suivants, rendant ainsi la falsification pratiquement impossible.


Les transactions doivent être validées par un consensus de nœuds indépendants, qui vérifient l’authenticité et la légitimité de chaque transaction avant de l’ajouter à la chaîne. Ce processus de validation par consensus empêche toute modification non autorisée des données, car une seule entité ne peut pas altérer les informations sans l’accord des autres nœuds.


La décentralisation du réseau joue également un rôle crucial dans l’infalsifiabilité de la blockchain. Les données sont réparties sur de nombreux nœuds indépendants, ce qui signifie qu’une attaque réussie nécessiterait de compromettre simultanément une majorité de ces nœuds. Cette distribution rend les attaques informatiques extrêmement difficiles et coûteuses.

La blockchain fonctionne comme un registre numérique décentralisé. Chaque transaction est enregistrée dans un bloc, puis ajoutée à une chaîne de blocs de manière sécurisée et immuable. Les transactions sont vérifiées par un réseau d’ordinateurs appelés nœuds. Cette structure assure transparence et sécurité sans nécessiter d’intermédiaire.

La blockchain peut être utilisée dans de nombreux secteurs grâce à ses caractéristiques uniques de sécurité, de transparence et de décentralisation. Voici quelques domaines clés où la blockchain trouve des applications :

  1. Finance : La blockchain est largement utilisée pour les transactions financières, les paiements transfrontaliers, et la gestion des actifs. Elle permet des transactions rapides, sécurisées et à moindre coût en éliminant les intermédiaires financiers.

 

  1. Logistique et chaîne d’approvisionnement : La blockchain améliore la traçabilité des produits, de leur production à leur distribution. Elle permet de suivre chaque étape d’un produit et d’assurer l’authenticité des biens, réduisant ainsi la fraude et les erreurs.

 

  1. Santé : Dans le domaine de la santé, la blockchain est utilisée pour sécuriser et partager les dossiers médicaux des patients. Elle garantit la confidentialité des données et permet un accès rapide et sécurisé aux informations médicales par les professionnels de santé autorisés.
  2. Immobilier : La blockchain simplifie les transactions immobilières en enregistrant les contrats et les titres de propriété sur un registre décentralisé, réduisant ainsi le risque de fraude et accélérant le processus de transfert de propriété.

Gouvernance et vote électronique : La blockchain peut sécuriser les processus de vote en garantissant l’intégrité des votes et en empêchant toute manipulation. Elle assure un système transparent et vérifiable pour les élections.

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