a16z : Exploration de 8 défis dans la conception de mécanismes de blockchain

Auteur original : Tim Roughgarden, responsable de la recherche sur les crypto-monnaies chez a16z

Traduction originale : 0x xz, Golden Finance

Étudier un domaine en profondeur vous apprend à reconnaître que les problèmes du monde réel ne sont que de piètres déguisements de problèmes bien résolus. Par exemple, lorsque j'enseignais les bases de l'algorithme, les étudiants apprenaient à reconnaître les problèmes qui se résumaient à des calculs de chemin le plus court ou à la programmation linéaire.

Ce type de recherche de modèles fonctionne tout aussi bien dans la conception de mécanismes, une sorte de « théorie des jeux inversés » qui utilise des incitations pour atteindre les résultats souhaités. Les outils et les leçons de la conception de mécanismes sont particulièrement utiles dans la théorie des enchères, la conception des marchés et la théorie du choix social.

La cryptographie et le Web3 sont truffés de problèmes de conception de mécanismes. On pourrait penser que de nombreux problèmes peuvent être résolus en appliquant ce qui se trouve dans les manuels, en donnant un nouveau souffle à de vieilles idées. Cependant, les défis et les limites uniques des protocoles de blockchain sans autorisation obligent souvent à repenser les fondamentaux de problèmes apparemment résolus. Cela rend la conception de mécanismes dans le Web3 complexe. Mais ce sont aussi ces défis qui rendent la conception de mécanismes Web3 fascinante.

Dans cet article, je vais explorer certains des défis auxquels est confrontée la conception des mécanismes Web3. Ces défis peuvent être familiers aux utilisateurs natifs de la cryptographie, mais une compréhension plus approfondie de la conception des mécanismes devrait fournir à tous les constructeurs une nouvelle perspective sur les raisons pour lesquelles la résolution de ces problèmes est si difficile. Pour les concepteurs de mécanismes, si vous pensez à de nouvelles applications, vous pourriez être intéressé par les défis posés par les environnements sans autorisation.

Mais d’abord, qu’est-ce que la conception d’un mécanisme ?

Le domaine de la conception de mécanismes remonte au moins à 1961, lorsque William Vickrey, économiste à l'université de Columbia et plus tard lauréat du prix Nobel, a formalisé l'enchère sous pli cacheté au deuxième prix. Ce format d'enchère a été utilisé dès 1797 lorsque l'auteur Johann Wolfgang von Goethe a vendu le manuscrit de son poème épique Hermann et Dorothée et était couramment utilisé par les collectionneurs de timbres au XIXe siècle, mais il n'a été formalisé par Vickrey qu'en 1961 et est maintenant souvent appelé l'enchère Vickrey. Dans le modèle d'enchère Vickrey, le plus offrant l'emporte, mais paie la deuxième enchère la plus élevée. Cette enchère stimule les véritables préférences des enchérisseurs et livre l'objet à la personne qui estime l'enchère la plus élevée.

La vente aux enchères Vickrey est une conception élégante et efficace qui a été appliquée dans le monde réel, adaptée et mise à jour en fonction de nouvelles circonstances, la pratique éclairant la théorie et vice versa. Comme la vente aux enchères Vickrey, l'histoire de la conception de mécanismes en tant que discipline formelle est une histoire de l'intersection de la théorie et de la pratique, à la fois profonde et belle.

Contrairement à la théorie des jeux, qui établit les dimensions de l'interaction stratégique et explore les résultats les plus plausibles du comportement, le domaine de la conception de mécanismes ne commence pas par les jeux, mais par les résultats souhaités. L'objectif de la conception de mécanismes est de rétroconcevoir une certaine forme de jeu afin que le résultat souhaité (qui peut être caractérisé par l'efficacité, l'équité ou certains comportements) soit équilibré. Dans le cas d'une enchère Vickrey, l'objectif ultime est d'inciter les participants à payer le montant maximum qu'ils sont prêts à payer sans les pénaliser.

Les possibilités de conception de mécanismes dans le Web3 sont nombreuses. Par exemple, un protocole de blockchain peut vouloir obtenir un résultat dans lequel les participants au protocole se comportent de bonne foi (et ne s'écartent pas du comportement attendu). Ou, un protocole peut vouloir obtenir des informations précises sur les valeurs des transactions afin d'allouer efficacement l'espace de bloc aux transactions les plus précieuses.

De tels problèmes de conception de mécanismes sont toujours difficiles, mais les défis sont encore plus uniques dans le contexte de la blockchain.

1. Manque de confiance

Sans une partie de confiance pour appliquer les mécanismes, la conception dans l’espace blockchain devient beaucoup plus difficile.

L’intérêt d’utiliser un protocole de blockchain sans autorisation est que vous n’avez pas besoin de faire confiance à une entité ou à une personne en particulier, vous avez juste besoin d’une hypothèse de confiance « moyenne » selon laquelle suffisamment de nœuds exécutant le protocole sont honnêtes.

Mais l’ironie de nombreuses architectures blockchain est que chaque lot de transactions ajouté à l’historique de la chaîne pour être exécuté dans la machine virtuelle maintenue par le protocole est le produit d’une décision unilatérale prise par un seul nœud.

Il n’est pas certain que vous puissiez faire confiance à ce nœud.

C’est pourquoi les enchères Vickrey sont rarement utilisées dans le domaine de la blockchain. La mise en œuvre naïve des enchères Vickrey se heurte rapidement au problème de la manipulation par des producteurs de blocs non fiables. Le problème est qu’un producteur de blocs peut créer une fausse enchère appelée « enchère de complaisance » qui est légèrement inférieure à l’enchère du gagnant potentiel, obligeant ainsi le gagnant à payer presque la totalité de son enchère (plutôt que la véritable deuxième enchère la plus élevée).

Les fausses enchères de producteurs de blocs non fiables entraînent effectivement le retour de l'enchère Vickrey à une enchère au premier prix, ce qui est l'une des raisons pour lesquelles les enchères au premier prix sont si courantes dans le Web3. (La dernière branche de la littérature sur la conception de mécanismes traditionnels sur les mécanismes de confiance considère également la conception d'enchères pour les commissaires-priseurs non fiables, mais sous un angle différent.)

2. Collusion

Une autre raison pour laquelle la conception d’un mécanisme de blockchain est difficile est la collusion entre les participants de la blockchain. Par exemple, les enchères au deuxième prix peuvent facilement être organisées avec des paiements de compensation. La raison est simple : comme l’enchérisseur gagnant paie la deuxième offre la plus élevée, il peut soudoyer le deuxième enchérisseur le plus élevé pour qu’il propose une offre beaucoup plus basse.

Les études universitaires sur la conception des mécanismes ne se sont pas vraiment préoccupées de ce problème. L’une des raisons pourrait être que la collusion (en particulier la collusion avec des paiements compensatoires) est difficile à réaliser dans le monde réel. Après une collusion, le gagnant peut tout simplement refuser de payer le pot-de-vin, il est donc difficile d’obtenir des paiements compensatoires crédibles. (Comme le dit le dicton : il n’y a pas de justice entre voleurs.)

Cependant, dans le contexte de la blockchain, les collusions potentielles peuvent souvent utiliser des contrats intelligents pour fournir des engagements fiables, ce qui permet à la collusion de fonctionner réellement. La deuxième raison est l’absence d’un mécanisme pour supprimer et compenser la collusion en matière de paiement – un mécanisme de divulgation des prix qui ne fournit que des devis et rien d’autre.

Pire encore, les utilisateurs du protocole pourraient potentiellement s’entendre non seulement entre eux, mais aussi avec des producteurs de blocs (non fiables) (équivalent à une collusion entre les enchérisseurs et le commissaire-priseur dans une vente aux enchères réelle).

La protection contre le dernier type de collusion est l'une des principales motivations pour brûler une partie des frais de transaction dans le mécanisme de frais de transaction EIP-1559 d'Ethereum. Sans « brûler » (ou retenir ces revenus des producteurs de blocs), les producteurs de blocs et les utilisateurs finaux peuvent s'entendre par le biais de paiements compensatoires et échapper à tout prix de réserve que le mécanisme tente d'imposer.

3. Nous ne pouvons pas compter uniquement sur l’État de droit

Le problème de la collusion n’est évidemment pas nouveau. Il affecte depuis des siècles de nombreux mécanismes réels, mais si vous examinez la littérature sur la conception des mécanismes, vous serez peut-être surpris de constater à quel point elle aborde peu le problème. La littérature aborde de front les motivations des acteurs individuels à manipuler unilatéralement le mécanisme, mais elle laisse généralement le problème à une notion méconnue de « l’état de droit ». Par exemple, les participants au mécanisme peuvent signer un contrat juridique stipulant qu’ils ne s’entendront pas. Si une collusion est détectée, elle est portée devant les voies légales. Les concepteurs de mécanismes peuvent aider en créant un mécanisme qui rend la détection de la collusion relativement facile.

Il existe un secret non révélé dans une grande partie de la littérature sur la conception de mécanismes : le recours à la règle de droit. Bien que nous ne puissions pas dire qu’il n’existe pas de règle de droit dans le domaine des protocoles de blockchain sans autorisation (nous voyons souvent les forces de l’ordre poursuivre avec succès des crimes sur des blockchains sans autorisation), l’étendue de la règle de droit est bien moindre que dans les applications de conception de mécanismes traditionnels.

Si vous ne pouvez pas compter sur la règle de droit en dehors du mécanisme, il incombe alors au concepteur de résoudre le problème au sein du mécanisme. Cette approche est courante dans les décisions de conception de mécanismes dans l'espace blockchain. Dans le protocole Ethereum en particulier, les exemples abondent, de l'EIP-1559 qui brûle les revenus des frais de base à la réduction des validateurs qui se comportent mal dans son protocole de consensus.

4. Espace de conception plus grand

L'espace de conception dans le Web3 est plus vaste que ce à quoi les concepteurs de mécanismes sont habitués. Par conséquent, les concepteurs doivent repenser tous les problèmes posés. Par exemple, de nombreux mécanismes impliquent des paiements qui, dans les applications de conception de mécanismes traditionnels, seraient effectués en monnaies fiduciaires telles que le dollar américain. De nombreux protocoles de blockchain ont leurs propres monnaies natives, et les mécanismes au sein de ces protocoles sont capables de manipuler ces monnaies.

Imaginez que vous écriviez un article sur la conception d'un mécanisme traditionnel et que la description de votre mécanisme soit la suivante : imprimer une nouvelle monnaie et la distribuer à un groupe de participants. En dehors du contexte de la blockchain, c'est ridicule. Mais lorsque vous parlez de la conception d'un mécanisme dans le contexte d'un protocole de blockchain, vous pouvez tout à fait le faire. Le protocole contrôle la monnaie, donc une partie du mécanisme du protocole peut créer des jetons ou les brûler.

Cela signifie que certaines conceptions qui seraient impossibles sans une monnaie native deviennent possibles. Par exemple, comment inciter les mineurs de Bitcoin à exécuter le protocole comme prévu ? Par le biais de récompenses liées à l'inflation : en imprimant de nouvelles pièces (Bitcoins) pour inciter ces producteurs de blocs. Sans une monnaie native, une telle conception ne serait pas possible.

5. Les monnaies nationales peuvent entraîner d’autres problèmes

La raison précédente met en évidence le pouvoir des monnaies natives. Vous pouvez faire deux choses avec les monnaies natives : la frappe de pièces (la façon dont le protocole Bitcoin frappe de nouveaux Bitcoins pour inciter les mineurs) et la destruction de jetons (la façon dont le mécanisme de frais de transaction Ethereum EIP-1559 détruit l'ETH pour résister à la collusion). Les monnaies natives comportent des dangers qui n'existent pas dans la conception des mécanismes traditionnels : les décisions de conception microéconomiques peuvent avoir des conséquences macroéconomiques.

Dans la conception des mécanismes traditionnels, il n'y a aucune raison de s'inquiéter des forces macroéconomiques. Les enchères traditionnelles n'ont pas eu d'impact significatif sur la masse monétaire ou le taux d'inflation aux États-Unis. Il s'agit d'un défi complètement nouveau pour le domaine de la conception du Web3. Quels problèmes peuvent survenir ? Laissez-moi vous donner deux exemples, l'un sur la frappe de Bitcoin et l'autre sur la destruction d'ETH.

En raison de l’utilisation de récompenses par bloc – qui incitent les mineurs à imprimer de nouvelles pièces – Bitcoin est obligé de connaître une inflation. Par conséquent, il doit également avoir une politique monétaire correspondante pour déterminer le taux d’inflation et son évolution au fil du temps. Satoshi Nakamoto a également fixé un plafond d’offre strict de 21 millions de Bitcoins. Étant donné qu’il existe un plafond strict sur le nombre de Bitcoins, le taux d’inflation doit se rapprocher de zéro.

Si le taux d’inflation est vraiment nul, comment inciter les mineurs à continuer à faire fonctionner le protocole et à assurer la sécurité du Bitcoin ? On espère que les frais de transaction compenseront les récompenses manquantes, même si les chances que cela se produise sont assez minces. Il est bien connu que si les frais de transaction sont proches de zéro, le protocole Bitcoin souffrira de problèmes de sécurité majeurs.

Les informaticiens de Princeton Miles Carlston, Harry Kalodner, Matthew Weinberg et Arvind Narayanan ont souligné dans un article une autre différence entre les frais de transaction et les récompenses de bloc. Alors que la récompense de bloc est la même pour chaque bloc (au moins entre les « halvings » successifs de la récompense de bloc), les frais de transaction peuvent varier de plusieurs ordres de grandeur, ce qui introduit à son tour de nouvelles instabilités de la théorie des jeux dans le protocole. En ce sens, la décision macroéconomique de fixer un plafond d’offre a des conséquences microéconomiques négatives pour le protocole et ses participants.

Tout comme la récompense par bloc est une force inflationniste pour Bitcoin, la combustion des frais de transaction dans EIP-1559 est une force déflationniste pour Ethereum. Dans le protocole Ethereum (qui utilise des récompenses de validation inflationnistes), il existe un bras de fer entre ces deux forces, la déflation l'emportant souvent. L'ETH est désormais une monnaie déflationniste nette, conséquence macroéconomique de décisions de conception motivées par des considérations microéconomiques dans le mécanisme des frais de transaction du protocole.

La déflation est-elle bonne ou mauvaise pour le protocole Ethereum ? Les détenteurs d'ETH aiment la déflation car, toutes choses étant égales par ailleurs, leurs jetons prennent de la valeur au fil du temps. (En fait, ce sous-produit pourrait bien être ce qui a finalement influencé l'opinion publique en faveur d'un passage au mécanisme de frais de transaction de l'EIP-1559.) Pourtant, le terme de déflation effraie les macroéconomistes de formation classique, rappelant la stagflation économique japonaise des années 1990.

Qui a raison ? Personnellement, je ne pense pas que les monnaies fiduciaires souveraines soient la bonne analogie pour les cryptomonnaies comme l'ETH. Alors, quelle est la bonne analogie ? Cela reste une question ouverte qui doit être approfondie par les chercheurs en blockchain : pourquoi les monnaies déflationnistes peuvent-elles être des cryptomonnaies qui prennent en charge les protocoles blockchain, mais pas des monnaies fiduciaires qui prennent en charge les États souverains ?

6. N'ignorez pas la pile sous-jacente

L'un des objectifs que nous nous efforçons d'atteindre en informatique est la modularité et les abstractions claires, qui nous permettent de faire confiance à certaines parties d'un système. Lors de la conception et de l'analyse d'une partie d'un système, vous devrez peut-être connaître les fonctionnalités générées par d'autres parties du système. Mais idéalement, vous n'avez pas besoin de savoir comment ces fonctionnalités sont implémentées en coulisses.

Nous n’avons pas encore atteint cet état idéal dans les protocoles de blockchain. Si les développeurs et les concepteurs de mécanismes souhaitent se concentrer sur la couche applicative, ils ne peuvent ignorer le fonctionnement de la couche infrastructure et ses détails.

Par exemple, si vous concevez un market maker automatisé, vous devez envisager la possibilité que des producteurs de blocs non fiables soient responsables de l'ordre des transactions. Ou, si vous envisagez de concevoir un mécanisme de frais de transaction pour un rollup (L2), vous devez payer non seulement pour la consommation de ressources de L2, mais également pour tous les coûts encourus par le protocole L1 sous-jacent (par exemple, le stockage des données d'appel).

Dans les deux exemples, la conception d’un mécanisme efficace pour une couche nécessite une connaissance détaillée des autres couches. Peut-être qu’à mesure que la technologie blockchain mûrira, nous aurons une séparation claire des différentes couches. Mais nous n’en sommes certainement pas encore là.

7. Nécessite de travailler dans un environnement de calcul contraint

L'ordinateur dans le ciel implémenté par le protocole blockchain est un environnement contraint en termes de calcul. La conception traditionnelle des mécanismes se concentre uniquement sur les incitations économiques et ignore les problèmes de calcul (par exemple, le célèbre mécanisme Vickrey-Clark-Groves est infaisable pour les problèmes d'allocation très complexes).

Lorsque Nisan et Ronen ont proposé la conception de mécanismes algorithmiques en 1999, ils ont souligné que nous avions besoin d'une certaine forme de traçabilité informatique pour que les mécanismes aient une signification pratique dans le monde réel. Ils ont donc proposé de limiter l'attention aux mécanismes de calcul et de communication qui évoluent avec une certaine quantité de fonction polynomiale (et non exponentielle) des paramètres du problème.

Étant donné que les machines virtuelles du protocole blockchain effectuent très peu de calculs, les mécanismes sur la chaîne doivent être extrêmement légers : le temps polynomial et la communication sont nécessaires mais pas suffisants. Par exemple, la rareté est la principale raison pour laquelle les teneurs de marché automatisés dominent complètement la DeFi Ethereum, plutôt que des solutions plus traditionnelles comme les carnets d'ordres à cours limité.

8. Encore aux premiers stades

En général, lorsque les gens disent que le Web3 en est à ses débuts, ils font référence soit à l'opportunité d'investissement, soit à l'adoption. Mais d'un point de vue scientifique, nous en sommes encore plus loin. Cela ne fera que devenir plus difficile, même si les opportunités sont énormes.

Les avantages de travailler dans un domaine de recherche mature sont tenus pour acquis par tous. Il existe des modèles et des définitions acceptés. Il existe un consensus sur les questions les plus importantes. Il existe une coordination essentielle sur la façon de mesurer les progrès. Il existe un vocabulaire commun et une vaste base de connaissances publiques. Il existe également des voies d’accélération, notamment des manuels bien évalués, des cours en ligne et d’autres ressources.

Parallèlement, dans de nombreux aspects de l'espace blockchain, nous ne connaissons pas encore les « bons » modèles et définitions pour réfléchir clairement et progresser sur des problèmes importants. Par exemple, quel est le concept le plus important des incitations à la compatibilité dans le contexte des protocoles blockchain ? Quelles sont les couches de la pile web3 ? Quels sont les composants de la valeur maximale extractible (MEV) ? Ce sont toutes des questions ouvertes.

Pour ceux qui s'intéressent à la science de la blockchain, l'immaturité du domaine constitue un défi. Mais s'impliquer tôt, dès maintenant, offre également des opportunités uniques.

La conception de mécanismes a toujours été un outil utile au niveau de la couche applicative Internet, comme les enchères publicitaires en temps réel ou la conception de marché bilatérale qui prévaut aujourd’hui dans la plupart des applications grand public en ligne, du commerce électronique aux achats groupés.

Mais dans le Web3, la conception des mécanismes informe également les décisions de conception concernant l’infrastructure elle-même.

Repensez aux années 1970 et 1980, lorsque les protocoles de routage Internet étaient encore en cours de discussion et de conception. Autant que je sache, aucune personne experte en matière de conception de mécanismes et d’incitations n’était présente à la table des discussions. Avec le recul, nous réalisons maintenant que de telles personnes auraient pu fournir des informations utiles pour la conception. Pendant ce temps, dans le web3, avec la publication du livre blanc original sur Bitcoin, les mécanismes d’incitation ont fait partie des discussions dès le début.

La confusion qui règne autour du modèle, de la définition et des indicateurs de réussite du Web3 nous indique en réalité que nous vivons un âge d’or. Les futures générations d’étudiants et de scientifiques nous envieront d’être au bon endroit au bon moment et d’avoir la possibilité de façonner la trajectoire de cette technologie. Même s’il n’y a peut-être pas beaucoup de manuels dans ce domaine, il y en aura un jour, et ces livres décriront le travail que nous faisons actuellement.

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