Bitcoin comme étalon monétaire interplanétaire avec horodatage par preuve de transit

Table des matières

1. Introduction

Cet article explore la faisabilité d'établir Bitcoin comme un étalon monétaire partagé entre la Terre et Mars, en relevant les défis profonds posés par la communication interplanétaire. Le temps de propagation lumineuse unidirectionnel (OWLT) entre les deux planètes varie de 3 à 22 minutes, avec une connectivité intermittente et des coupures. Ces contraintes physiques rendent l'extraction minière synchronisée de Bitcoin impraticable, mais laissent place à la vérification asynchrone, aux paiements locaux et au règlement. Ce travail introduit une nouvelle primitive cryptographique, l'horodatage par preuve de transit (PoTT), pour créer des pistes de vérification inviolables pour les données Bitcoin traversant ces liaisons à haute latence et sujettes aux perturbations.

2. Contributions principales

Les contributions principales de l'article sont :

• Architecture Bitcoin interplanétaire : Une conception consciente de la physique qui préserve les paramètres de la couche de base de Bitcoin (intervalle de bloc de 10 minutes, plafond de 21 millions) tout en permettant un fonctionnement fiable sur des unités astronomiques (UA).
• Horodatage par preuve de transit (PoTT) : Une nouvelle primitive fournissant une preuve cryptographique et irréfutable du moment où les données sont entrées et sorties d'une liaison à haute latence, créant une piste de vérification pour la responsabilité.
• Réplication prioritaire des en-têtes : Une optimisation où la propagation des en-têtes de bloc est priorisée, permettant une vérification plus rapide de la pointe de la chaîne avant l'arrivée des données complètes du bloc.
• Politique Lightning consciente de la latence : Paramétrage du `cltv_expiry_delta` du réseau Lightning et d'autres verrous temporels pour tenir compte des temps d'aller-retour interplanétaires (RTT), empêchant la fermeture prématurée des canaux.
• Voies de règlement : Analyse de deux modèles pour le règlement final : 1) une fédération forte (de confiance, à court terme) et 2) des chaînes d'engagement à extraction fusionnée aveugle (BMM) (à minimisation de confiance, à plus long terme).

3. État de l'art et fondations

Ce travail s'appuie sur plusieurs domaines clés :

• Réseaux tolérants aux délais et aux perturbations (DTN) : Notamment le Bundle Protocol Version 7 (BPv7) et son extension de sécurité (BPSec), conçus pour une communication asynchrone de type « store-and-forward » dans des environnements difficiles.
• Interconnexion spatiale : Des cadres comme LunaNet de la NASA et Moonlight de l'ESA, qui fournissent des plans architecturaux pour les communications lunaires, étendus ici aux échelles interplanétaires.
• Théorie de Bitcoin et Lightning : Travaux antérieurs sur la sécurité des verrous temporels et des canaux de paiement, qui doivent être réévalués sous des latences de plusieurs minutes.
• Analyse relativiste de Bitcoin : Des propositions antérieures suggéraient de mettre à l'échelle l'intervalle de bloc global de Bitcoin avec la distance pour préserver l'équité de l'extraction. Cet article rejette cette approche, optant pour garder le consensus de la couche de base inchangé.

4. Modèle système et hypothèses

Le modèle suppose une communication au sein de la zone habitable circumstellaire (CHZ) d'une étoile, avec le cas canonique Terre-Mars. Les paramètres clés incluent :

• OWLT : 3-22 minutes (variable).
• Connectivité intermittente due à la rotation planétaire, à la mécanique orbitale et aux conjonctions solaires.
• Utilisation de constellations maillées optiques en orbite terrestre basse (LEO) comme relais de données fiables.
• Nœuds relais au sein du DTN honnêtes mais curieux ou modérément adversariaux.
• Les règles de consensus de Bitcoin restent sacrées et inchangées.

5. Horodatage par preuve de transit (PoTT)

Le PoTT est l'innovation centrale. C'est un reçu cryptographique généré lorsqu'un paquet de données (par exemple, une transaction Bitcoin ou un en-tête de bloc) entre dans une liaison à haute latence. Le reçu comprend :

• Le hachage de la charge utile des données.
• L'horodatage d'entrée (provenant d'une balise temporelle de confiance, par exemple, un signal d'horloge atomique terrestre ou d'un satellite GPS).
• Une signature numérique du nœud d'entrée.
• Un engagement sur le temps de transit attendu ou l'horodatage de sortie.

À la sortie, le nœud de sortie fournit une signature et un horodatage correspondants. La séquence de reçus signés fournit une piste de vérification immuable, prouvant que les données étaient en transit pendant la période de latence revendiquée. Cela atténue les problèmes de responsabilité où un relais malveillant pourrait prétendre qu'un retard excessif était dû à la « physique » plutôt qu'à sa propre faute.

6. Architecture de bout en bout

L'architecture proposée intègre plusieurs composants :

1. Couche de transport : DTN (BPv7/BPSec) avec extensions PoTT fournit l'épine dorsale de type « store-and-forward ».
2. Propagation des données : La réplication prioritaire des en-têtes permet aux nœuds martiens de vérifier rapidement la preuve de travail des nouveaux blocs terrestres, mettant à jour leur vue de la pointe de la chaîne avant l'arrivée du bloc complet (avec les transactions).
3. Canaux de paiement : Les canaux Lightning sont établis avec des valeurs de `cltv_expiry_delta` considérablement augmentées. La formule tient compte de l'OWLT maximum, de la gigue ($J$) et d'une marge de sécurité ($\Delta_{extra}^{CLTV}$) : $CLTV_{delta} = 2 \times OWLT_{max} + J + \Delta_{extra}^{CLTV}$. Ceci est converti en un nombre de blocs en utilisant l'intervalle de bloc de 10 minutes de Bitcoin.
4. Tours de guet : Les tours de guet planétaires (sur Mars) surveillent les états des canaux pour pénaliser la fraude, car les tours de guet basées sur Terre seraient inefficaces en raison de la latence.
5. Règlement : Deux modèles sont proposés :
   • Fédération forte : Une fédération multi-signature sur Mars détient un solde Bitcoin indexé 1:1, émettant des actifs locaux pour un règlement rapide. De confiance mais pratique pour les premières colonies.
   • Chaîne d'engagement à extraction fusionnée aveugle (BMM) : Une chaîne latérale où les mineurs s'engagent sur des blocs Bitcoin sans voir les données de la chaîne latérale, fournissant une couche de règlement plus robuste et à minimisation de confiance si la technologie arrive à maturité.

7. Analyse de sécurité

La sécurité du PoTT repose sur l'intégrité du système de balise temporelle. Si la balise temporelle source (Terre) et destination (Mars) sont toutes deux compromises, le PoTT se réduit à des « affirmations administratives » plutôt qu'à une preuve cryptographique. L'article décrit les profils de vérification :

• Vérification complète : Pour les règlements importants, vérification de toute la chaîne PoTT et recoupement avec des sources temporelles indépendantes.
• Vérification par échantillonnage : Pour les paiements plus petits, vérification probabiliste d'un sous-ensemble de reçus PoTT pour dissuader la fraude.

L'architecture ne modifie pas le modèle de sécurité central de Bitcoin. Les attaques de double dépense nécessitent toujours 51 % de la puissance de hachage de la Terre. Le nouveau vecteur d'attaque principal est la subversion de la source temporelle, que le PoTT rend évidente.

8. Feuille de route opérationnelle

Le déploiement est envisagé en phases :

1. Phase 1 (Expérimentale) : Déployer des nœuds DTN avec PoTT sur les liaisons Terre-LEO-Lune pour tester les protocoles et la tolérance à la latence.
2. Phase 2 (Mars précoce) : Établir un système de règlement par fédération forte pour une petite base martienne. Utiliser la réplication prioritaire des en-têtes et des contrats simples à verrouillage temporel.
3. Phase 3 (Colonie mature) : Transition vers une chaîne d'engagement BMM pour le règlement si la technologie est éprouvée et adoptée sur Terre, évoluant vers un modèle plus décentralisé.

9. Conclusion

L'article démontre que Bitcoin peut fonctionner comme un étalon monétaire interplanétaire sans modifier ses règles de consensus centrales. En introduisant l'horodatage par preuve de transit et en adaptant les protocoles de couche supérieure (Lightning, chaînes latérales) pour tenir compte de la latence, un système viable pour la vérification, les paiements et le règlement entre la Terre et Mars est réalisable. La base monétaire L1 de la Terre reste intacte, préservant sa rareté, tandis que Mars opère une économie indexée localement.

10. Perspective de l'analyste

Idée centrale : Ce n'est pas seulement un article sur les réseaux ; c'est une expérience de pensée profonde sur la souveraineté monétaire et la résilience des systèmes. Les auteurs ne se contentent pas de résoudre un problème de latence—ils tentent de préparer le « noyau inaltérable » de Bitcoin à une réalité physique (la distance interplanétaire) qui brise fondamentalement ses hypothèses synchrones. La véritable innovation est le PoTT, qui reformule la latence d'une vulnérabilité en un actif vérifiable et auditable. C'est un exemple classique de l'adage « Ne luttez pas contre la physique, instrumentez-la. »

Flux logique : L'argument est élégamment récursif. Commencez par les règles immuables de Bitcoin. Confrontez l'impossibilité physique d'un consensus synchrone sur des distances de minutes-lumière. Au lieu de briser les règles (inacceptable pour les Bitcoiners), construisez une couche de responsabilité (PoTT) au-dessus d'une couche de transport tolérante (DTN). Ensuite, adaptez les couches de scalabilité existantes (Lightning, chaînes latérales) pour fonctionner dans ce nouvel environnement responsable mais asynchrone. La logique est implacable : préserver la base sacrée, innover agressivement dans les couches supérieures flexibles.

Forces et faiblesses : La force est son approche pragmatique et en couches qui respecte les réalités politiques et de sécurité de Bitcoin. L'utilisation des standards DTN (BPv7) et le déploiement par phases clair montrent une pensée d'ingénierie réaliste. Cependant, la faiblesse flagrante est l'hypothèse de confiance dans la balise temporelle. Comme les auteurs l'admettent, une source temporelle compromise réduit le PoTT à du théâtre. Les propositions de synchronisation temporelle décentralisée dans l'espace, comme l'utilisation de signaux de pulsars, sont naissantes. De plus, le modèle de « fédération forte » pour Mars précoce est une pilule amère pour les maximalistes de la décentralisation—c'est essentiellement une banque de confiance, une nécessité qui souligne la tension entre idéalisme et praticité coloniale.

Perspectives actionnables : Pour les développeurs basés sur Terre, les concepts de réplication prioritaire des en-têtes et de comptabilisation explicite de la latence dans Lightning sont immédiatement applicables aux liaisons terrestres à haute latence (par exemple, l'internet par satellite). Les régulateurs devraient noter la taxonomie claire de l'article : le Bitcoin de la Terre est inchangé, tandis que Mars utilise un système indexé. Cela crée une séparation nette des juridictions et des politiques monétaires. Pour les agences spatiales, cela fournit un cas d'usage concret et un ensemble d'exigences pour l'internet spatial de nouvelle génération (comme SCaN de la NASA) au-delà de la télémétrie, en se concentrant sur les flux de données économiques. L'appel à standardiser le PoTT au sein du groupe de travail DTN de l'IETF est la prochaine étape cruciale.

11. Détails techniques et formules

Le paramétrage clé implique le calcul des verrous temporels du réseau Lightning. Le `cltv_expiry_delta` requis en blocs est dérivé du temps d'aller-retour maximum (RTT) :

$\text{CLTV}_{\text{blocs}} = \left\lceil \frac{2 \times \text{OWLT}_{\text{max}} + J + \Delta_{\text{extra}}^{\text{CLTV}}}{600 \text{ secondes}} \right\rceil$

Où :

• $\text{OWLT}_{\text{max}}$ = Temps de propagation lumineuse unidirectionnel maximum (par exemple, 1320 secondes pour 22 minutes).
• $J$ = Allocation pour la gigue réseau (par exemple, 300 secondes).
• $\Delta_{\text{extra}}^{\text{CLTV}}$ = Marge de sécurité pour la résolution des litiges (par exemple, 144 blocs = 1 jour).
• Dénominateur 600 secondes = Intervalle de bloc de 10 minutes de Bitcoin.

Pour un canal Terre-Mars conservateur avec un OWLT de 22 minutes, le `cltv_expiry_delta` pourrait facilement dépasser 1000 blocs (~1 semaine), changeant fondamentalement l'économie de la liquidité des canaux.

12. Résultats expérimentaux et diagrammes

L'article fait référence à deux diagrammes conceptuels clés :

1. Figure 3 : Conversion des blocs CLTV : Ce graphique représente visuellement le cycle synodique Terre-Mars (OWLT de 3 à 22 min) sur une chronologie des hauteurs de bloc Bitcoin. Il montre comment le delta CLTV requis en blocs gonfle pendant la conjonction supérieure (lorsque les planètes sont de part et d'autre du Soleil). Ce ne sont pas des données expérimentales mais une visualisation critique de la contrainte de conception.
2. Figure 4 : Attachement des métadonnées PoTT : Ce diagramme détaille la pile de protocoles, montrant où les métadonnées PoTT (horodatages d'entrée/sortie, signatures) sont attachées aux paquets BPv7 transportant des données Bitcoin (en-têtes, transactions, mises à jour Lightning). Il illustre l'empilement : les données d'application Bitcoin enveloppées dans un paquet DTN augmenté par PoTT pour le transport interplanétaire.

L'aspect « expérimental » est la vérification formelle des propriétés de sécurité du protocole PoTT et l'exploration des paramètres pour les valeurs CLTV sous différentes conditions orbitales.

13. Exemple de cadre d'analyse

Cas : Évaluation du risque de finalité du règlement pour un avant-poste minier martien.

1. Définir les paramètres :
- Actif : Masse salariale mensuelle (équivalent 10 BTC).
- Modèle de règlement : Phase 2, Fédération forte.
- Menace : Insolvabilité ou fraude de l'opérateur de la fédération.

2. Appliquer le cadre PoTT :
- L'avant-poste reçoit une revendication de transaction de « peg-in » depuis la Terre.
- Au lieu de faire confiance à la revendication, il demande la piste de vérification PoTT pour le paquet de transaction BTC correspondant originaire de la Terre.
- Étapes de vérification :

1. Vérifier la signature d'entrée de la passerelle DTN terrestre connue.
2. Vérifier l'horodatage d'entrée par rapport à un flux indépendant du signal temporel du Deep Space Network de la NASA.
3. Calculer le temps de transit attendu sur la base des données éphémérides publiées pour cette date.
4. Vérifier la signature de sortie de la station relais martienne.
5. Confirmer que l'horodatage de sortie correspond à la fenêtre d'arrivée attendue.

3. Notation du risque :
- Si la chaîne PoTT est vérifiée et que les horodatages correspondent dans la gigue attendue : RISQUE FAIBLE. Le règlement peut être accepté localement.
- Si les signatures PoTT sont valides mais que les horodatages sont incohérents avec les éphémérides : RISQUE MOYEN. Signaler pour enquête ; problème possible de balise temporelle.
- Si la chaîne PoTT est manquante ou les signatures invalides : RISQUE ÉLEVÉ. Rejeter le règlement ; initier un litige avec la fédération.

Ce cadre déplace la confiance de la revendication de la fédération vers la physique vérifiable du canal de communication.

14. Applications futures et orientations

Les implications vont bien au-delà de Mars :

• Économie cislunaire : Le terrain d'essai immédiat. Le PoTT et le Lightning conscient de la latence pourraient permettre des paiements en temps réel entre les bases lunaires, les stations orbitales et la Terre, en utilisant l'OWLT d'environ 1,3 seconde comme prototype gérable.
• Gestion d'actifs en espace lointain : Des sondes autonomes ou des drones miniers dans la ceinture d'astéroïdes pourraient utiliser ce système pour des microtransactions afin de payer des services de relais de données ou du carburant, avec un règlement regroupé sur de longues périodes.
• Résilience terrestre : La technologie est directement applicable aux DTN terrestres pour la reprise après sinistre, les réseaux de capteurs distants ou les communications sous-marines, où la connectivité est intermittente.
• Temps décentralisé : La plus grande frontière de recherche est le remplacement des balises temporelles de confiance par un consensus décentralisé sur le temps. La recherche sur l'utilisation d'horloges à particules intriquées quantiquement ou d'un consensus basé sur des événements célestes (comme les arrivées d'impulsions de pulsars) pourrait finalement combler la principale faille de confiance du PoTT. Les travaux de Kapitza et al. sur la synchronisation d'horloges tolérante aux fautes byzantines dans les réseaux asynchrones fournissent un point de départ théorique.
• Canaux interplanétaires multipartites : Des travaux futurs pourraient concevoir des usines de canaux Lightning impliquant des parties sur Terre, Mars et une station spatiale, avec des HTLCs multi-sauts complexes qui tiennent compte des différentes latences sur chaque tronçon.

15. Références

1. Z. Wilcox, « Blind Merged Mining: A Protocol for Trustless Interoperability between Blockchains », 2021.
2. M. Moser et al., « Sidechains and interoperability », dans Blockchain and Cryptocurrencies, 2022.
3. NASA JPL, « Horizons System / SPICE Ephemerides », https://ssd.jpl.nasa.gov/horizons/.
4. S. Nakamoto, « Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System », 2008.
5. J. Garay et al., « The Bitcoin Backbone Protocol: Analysis and Applications », dans EUROCRYPT, 2015. (Travaux précoces analysant le consensus sous délai).
6. IETF, « RFC 2119: Key words for use in RFCs to Indicate Requirement Levels », 1997.
7. IETF, « RFC 8174: Ambiguity of Uppercase vs Lowercase in RFC 2119 Key Words », 2017.
8. CCSDS, « Bundle Protocol Version 7 (BPv7) », CCSDS 734.2-B-1, 2022.
9. P. Kapitza et al., « CheapBFT: Resource-efficient Byzantine Fault Tolerance », dans Proceedings of the 7th ACM European Conference on Computer Systems, 2012. (Pertinent pour le consensus temporel décentralisé).
10. J. Poon & T. Dryja, « The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments », 2016.