Preuve de travail (PoW) : comment les mineurs sécurisent une blockchain
La preuve de travail (proof of work, PoW) est un mécanisme de consensus, une règle qui permet à de nombreux ordinateurs de s’accorder sur un registre commun sans autorité centrale, dans lequel les participants démontrent un effort de calcul coûteux que chacun peut vérifier rapidement. Dans Bitcoin, cet effort consiste à trouver le hash d’un bloc inférieur ou égal à une cible fixée.
La preuve de travail est née comme moyen de lutte contre les courriers indésirables
L’idée de la preuve de travail a été proposée pour lutter contre les courriers indésirables des années avant l’existence de Bitcoin. Dans un article intitulé « Pricing via Processing or Combatting Junk Mail », présenté en 1992 et publié en 1993, Cynthia Dwork et Moni Naor ont suggéré qu’un utilisateur devrait effectuer un calcul modérément difficile pour accéder à une ressource partagée. Ce coût visait à décourager les usages abusifs, les auteurs ciblant en particulier les courriers indésirables.
De manière générale, une preuve de travail est une donnée coûteuse et longue à produire, mais facile à vérifier pour autrui. Hashcash, un système créé par Adam Back, associait une preuve basée sur le hachage de ce type à chaque e-mail pour dissuader le spam et les abus de type déni de service. Le déni de service consiste à submerger un service de requêtes afin d’en empêcher l’usage par d’autres.
Le livre blanc de Bitcoin, daté du 31 octobre 2008 et publié sous le nom de Satoshi Nakamoto, décrit une conception de preuve de travail semblable à Hashcash. Bitcoin l’utilise pour permettre à un réseau d’ordinateurs de s’accorder sur une seule chaîne de blocs sans autorité centrale.
Comment fonctionne la preuve de travail dans Bitcoin ?
Le minage de Bitcoin est le processus de création de blocs valides, et la création d’un bloc valide exige de démontrer une preuve de travail. Un mineur est un participant qui tente de trouver un bloc valide. Un mineur commence par rassembler les transactions en attente dans un bloc candidat, c’est-à-dire un lot de transactions proposé pour la chaîne. Ensuite, le mineur renseigne l’en-tête du bloc, un résumé de 80 octets de ce bloc.
Bitcoin hache l’en-tête deux fois avec SHA-256, une méthode appelée double SHA-256. SHA-256 est une fonction de hachage cryptographique. Une fonction de hachage transforme des données de taille quelconque en une empreinte de longueur fixe appelée hash. La preuve de travail impose une condition : lu comme un nombre, le hash de l’en-tête doit être inférieur ou égal à la cible.
La cible est un seuil que le hash d’un bloc valide ne doit pas dépasser. La difficulté du réseau mesure à quel point la cible actuelle est plus difficile à atteindre que la cible la plus facile autorisée par les règles. Lorsque la cible baisse, la difficulté du réseau augmente, et une cible plus basse laisse moins de hashs acceptables, ce qui allonge la recherche.
Pour obtenir un hash différent, un mineur modifie le nonce, un nombre de 32 bits stocké dans l’en-tête. Le mineur hache ensuite l’en-tête, compare le résultat à la cible, puis recommence. Cette recherche est souvent appelée « casse-tête de hachage », mais rien n’est résolu par l’ingéniosité : en moyenne, un hash inférieur ou égal à la cible ne peut être trouvé que grâce à une quantité correspondante de travail par force brute, c’est-à-dire en essayant valeur après valeur.
Le tableau ci-dessous illustre la même recherche à une échelle miniature. La règle est fictive, ce n’est pas la véritable règle de Bitcoin, et elle applique SHA-256 une seule fois au lieu de deux. Le condensé SHA-256 du texte « hello » suivi d’un nonce doit commencer par un nombre défini de zéros. Les condensés sont écrits en hexadécimal, une notation en base 16 qui utilise les chiffres 0-9 et les lettres a-f. Un condensé qui commence par des zéros est un petit nombre, donc chaque règle agit comme une cible.
Dans cette recherche miniature, chaque zéro supplémentaire multiplie par 16 le nombre moyen de tentatives. Une règle à trois zéros nécessite en moyenne environ 4 096 tentatives, et une règle à quatre zéros environ 65 536, mais une recherche donnée peut en prendre plus ou moins, comme le montrent les deux lignes réussies : 10 285 est supérieur à 4 096, et 60 068 est inférieur à 65 536. Vérifier l’un ou l’autre de ces résultats ne demande qu’un seul calcul SHA-256.
La recherche réelle de Bitcoin est bien plus vaste. Le nombre attendu de hashs par bloc correspond approximativement à la difficulté du réseau multipliée par 2 puissance 32. En octobre 2026, cela représente plus de 500 sextillions de hashs par bloc en moyenne, un chiffre qui évolue à chaque ajustement de la difficulté du réseau. Un sextillion s’écrit avec un 1 suivi de 21 zéros.
Vérifier le travail d’un bloc coûte bien moins cher que de le produire. Un nœud est un ordinateur du réseau Bitcoin qui vérifie les blocs selon les règles du réseau. Pour vérifier le travail d’un bloc, un nœud recalcule une seule fois le double hash SHA-256 de l’en-tête du bloc et le compare à la cible. Produire le bloc a demandé ce nombre considérable d’essais, alors que le vérifier ne nécessite qu’un seul calcul de hash. C’est cet écart qui fait de ce travail une preuve.
La preuve de travail permet aux nœuds de s’accorder sur une seule chaîne sans autorité centrale
Deux mineurs peuvent trouver des blocs valides presque au même moment, ce qui laisse le réseau avec des versions concurrentes de la chaîne. La preuve de travail donne à chaque nœud une règle de choix : un nœud suit la chaîne qui cumule le plus de travail, c’est-à-dire celle qu’il serait le plus difficile à reconstituer. Comme chacun peut vérifier le travail accompli, aucune autorité centrale n’a besoin de décider quelle chaîne fait foi.
Chaque bloc contient le hash du bloc précédent, de sorte que modifier un bloc passé implique de refaire le travail pour ce bloc et pour tous les blocs qui le suivent. La preuve de travail est conçue pour rendre coûteuse la réécriture de l’historique, et le coût de modification d’un bloc particulier augmente à mesure que des blocs s’ajoutent après lui.
La preuve de travail concerne aussi la double dépense, soit la tentative de dépenser deux fois les mêmes BTC. Annuler un paiement déjà inclus dans un bloc impliquerait de refaire ce travail.
Les mineurs perçoivent la subvention et les frais, et la difficulté du réseau fixe le rythme
Dans Bitcoin, un mineur dont le bloc valide est accepté par le réseau reçoit la récompense de bloc. Cette récompense comporte deux parties : la subvention de bloc, qui correspond à des BTC nouvellement créés, et les frais de transaction payés par les utilisateurs dont les transactions figurent dans ce bloc. En octobre 2026, la subvention des mineurs s’élève à 3,125 BTC par bloc depuis le dernier halving d’avril 2024.
La subvention de bloc est divisée par deux tous les 210 000 blocs, un événement appelé halving qui survient environ tous les quatre ans. Seule la subvention est réduite de moitié, pas les frais.
Tous les 2 016 blocs, le protocole Bitcoin ajuste la difficulté du réseau. Il mesure le temps qu’ont pris ces blocs, à partir des horodatages enregistrés dans leurs en-têtes, et compare ce résultat à 1 209 600 secondes, soit deux semaines. Il redimensionne ensuite la cible proportionnellement, afin que les blocs continuent d’arriver en moyenne toutes les 10 minutes environ. Un seul ajustement peut modifier la difficulté du réseau d’un facteur maximal de 4, dans un sens comme dans l’autre.
Le hashrate est le nombre total de hashs par seconde calculés par les machines du réseau. Lorsque le hashrate augmente, les blocs ont tendance à arriver plus vite que toutes les 10 minutes, et l’ajustement suivant fait grimper la difficulté du réseau. Lorsque les blocs arrivent trop lentement, l’ajustement abaisse la difficulté du réseau. Cet ajustement ne mesure que le temps entre les blocs : il ne tient pas compte du nombre de mineurs ni du prix du BTC.
Le temps de bloc de 10 minutes de Bitcoin est une moyenne, pas une garantie pour chaque bloc pris individuellement. Dans un modèle statistique de découverte de blocs, environ 63 % des blocs arrivent dans les 10 minutes suivant le précédent.
En quoi la preuve de travail diffère-t-elle de la preuve d’enjeu ?
La preuve de travail et la preuve d’enjeu sont toutes deux des mécanismes de consensus qui déterminent quel participant ajoute le prochain bloc à une blockchain. Une blockchain est un registre partagé composé de blocs liés entre eux dans l’ordre. La preuve de travail lie ce droit à un travail de calcul : un mineur hache jusqu’à ce qu’un bloc atteigne la cible.
La preuve d’enjeu lie ce droit aux cryptomonnaies qu’un participant immobilise en garantie, ce qui signifie que les pièces restent bloquées pendant que le participant prend part à l’ajout de blocs. Un participant qui tente une activité illégitime peut être sanctionné.
Les deux mécanismes diffèrent par ce que chaque participant engage : un travail de calcul pour la preuve de travail, des pièces bloquées pour la preuve d’enjeu.
Pourquoi la preuve de travail consomme-t-elle de l’électricité ?
Le minage de Bitcoin consomme de l’électricité parce que la preuve de travail est un calcul réel, et les machines qui calculent consomment de l’énergie. Ce coût fait partie de la définition même : une preuve de travail demande des essais successifs pour être produite, et dans Bitcoin, ce sont les machines qui effectuent ces essais.
Chaque hash calculé par une machine consomme de l’énergie, donc davantage de hashs signifie généralement davantage d’énergie consommée. Si davantage de machines rejoignent le réseau, les blocs ont tendance à arriver plus vite, la difficulté du réseau augmente lors de l’ajustement suivant, et chaque bloc demande alors en moyenne davantage de hashs.
Certains décideurs politiques et gestionnaires de réseaux électriques se sont inquiétés de l’impact de la consommation électrique des mineurs de cryptomonnaies aux États-Unis sur les coûts, la fiabilité et les émissions. Les estimations publiées de la consommation électrique de Bitcoin varient selon la méthode utilisée et la période couverte.
Un hash valide prouve qu’un effort a été fourni, pas qu’une transaction est valide
Un hash inférieur ou égal à la cible démontre que quelqu’un a effectué le travail. Il ne dit rien sur la validité des transactions contenues dans le bloc. Un nœud complet n’accepte un bloc que si chaque transaction qu’il contient est valide et n’a pas déjà été dépensée, et des logiciels de nœud comme Bitcoin Core rejettent un bloc qui revendique plus que la subvention plus les frais, quel que soit le travail accompli derrière.
La preuve de travail ne rend pas non plus l’historique immuable. Elle rend coûteuse sa réécriture. Une partie qui contrôle la majorité du hashrate du réseau peut réviser l’historique récent des transactions et empêcher la confirmation de nouvelles transactions. Attendre davantage de confirmations, c’est-à-dire de blocs construits au-dessus du bloc qui enregistre une transaction, augmente le coût de sa révision sans en éliminer la possibilité.
La preuve de travail ne rémunère pas non plus l’effort en tant que tel. Au niveau du protocole, le hachage qui n’aboutit pas à un bloc accepté ne reçoit aucune récompense de bloc, quelle que soit la quantité d’électricité consommée.
27 novembre 2025
