Bitcoin - Implémentation du système blockchain

Ce cours couvre les fondements techniques et pratiques de l'implémentation du système Bitcoin, en explorant les protocoles, les algorithmes de consensus et les mécanismes de sécurité sous-jacents. Il aborde également la création de portefeuilles numériques, les transactions blockchain et l'intégration des smart contracts. Ce PDF, rédigé par Pascal Pares, offre une approche détaillée pour comprendre et maîtriser les aspects clés de Bitcoin, depuis sa conception jusqu'à son déploiement. Il inclut des exemples concrets et des exercices pour renforcer les compétences des développeurs et des passionnés de cryptomonnaies.

Objectifs d'apprentissage

Comprendre les principes fondamentaux du système Bitcoin, y compris son architecture décentralisée et son fonctionnement basé sur la blockchain.
Maîtriser le mécanisme des transactions Bitcoin, leur validation et leur intégration dans la blockchain.
Analyser le rôle des mineurs et le processus de minage, y compris la preuve de travail (PoW) et la résolution des problèmes de consensus.
Étudier les enjeux de sécurité, notamment la prévention de la double dépense et les mécanismes d'autorégulation du réseau.
Explorer les aspects techniques avancés, tels que la structure des blocs, les jetons d'horodatage et la gouvernance décentralisée.

Public cible

Ce cours s'adresse aux développeurs, ingénieurs en informatique, chercheurs en cryptographie et aux professionnels de la finance intéressés par les technologies blockchain. Une connaissance de base en programmation (JavaScript) et en concepts cryptographiques est recommandée pour tirer pleinement profit des annexes techniques.

Introduction

Bitcoin est la première cryptomonnaie décentralisée, introduite en 2009 par Satoshi Nakamoto. Son système repose sur une combinaison de cryptographie, de théorie des jeux et de réseaux peer-to-peer pour créer une monnaie numérique résistante à la censure et aux fraudes. Ce cours explore en détail son implémentation technique.

Les objectifs du système Bitcoin

Bitcoin vise à établir un système de paiement électronique sans autorité centrale, où les transactions sont irréversibles et vérifiables par tous. Il résout le problème des généraux byzantins grâce à un consensus distribué et à une incitation économique via les mineurs.

Les transactions

Une transaction Bitcoin transfère de la valeur entre des adresses (clés publiques). Elle est signée numériquement avec une clé privée et propagée sur le réseau. Chaque transaction référence des sorties précédentes (UTXO) et crée de nouvelles sorties, garantissant l'intégrité via des scripts (ex. ScriptPubKey).

Les blocs et les jetons d'horodatage

Les transactions sont regroupées dans des blocs, liés chronologiquement via des hashs cryptographiques. Les mineurs ajoutent des blocs en résolvant un problème mathématique (preuve de travail), générant un jeton d'horodatage immuable. Ce processus sécurise l'historique des transactions contre les modifications rétroactives.

Un système multi-agents

Le réseau Bitcoin est composé de nœuds (full nodes, light clients) et de mineurs. Les nœuds valident les transactions selon des règles consensuelles, tandis que les mineurs compétitionnent pour ajouter des blocs et percevoir des récompenses (frais + nouveaux bitcoins).

Les mineurs

Les mineurs investissent en puissance de calcul (hashrate) pour sécuriser le réseau. Leur rôle inclut : (1) Vérifier les transactions, (2) Résoudre la preuve de travail (SHA-256), (3) Propager les blocs valides. La difficulté ajuste dynamiquement pour maintenir un intervalle de 10 minutes entre blocs.

Le principe du consensus

Bitcoin utilise le consensus Nakamoto : la chaîne valide est celle avec la plus grande preuve de travail cumulée. Les conflits (forks) sont résolus lorsque les mineurs prolongent une branche, abandonnant les autres. Ce mécanisme garantit une seule vérité partagée malgré l'absence de coordination centrale.

L'autorégulation et la gouvernance

Les règles du protocole (ex. limite des 21M de bitcoins) sont appliquées par consensus. Les mises à jour (soft/hard forks) nécessitent l'adoption par la majorité des acteurs. Les incitations économiques alignent les intérêts des participants, évitant les abus de pouvoir.

La fraude de la double dépense

Bitcoin empêche la double dépense via la confirmation des transactions (6 blocs recommandés). Un attaquant devrait contrôler >51% du hashrate pour réécrire l'historique, ce qui est économiquement dissuasif. Les annexes détaillent les preuves cryptographiques sous-jacentes.

Annexes techniques

Le cours inclut deux annexes pratiques : (1) Un exemple JavaScript (Node.js) pour calculer un jeton d'horodatage, illustrant la preuve de travail. (2) Un script de vérification de transaction, démontrant l'exécution des scripts Bitcoin et la validation des signatures ECDSA.

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