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La popularité des cryptomonnaies et de la blockchain a connu une croissance exponentielle, augmentant considérablement le nombre d'utilisateurs et de transactions. Cela a engendré des goulots d'étranglement infrastructurels pour les opérations du réseau blockchain. Pour parvenir à une adoption généralisée, le secteur doit rechercher des solutions pour résoudre ses problèmes d'évolutivité afin de pouvoir répondre à l'augmentation constante du nombre d'utilisateurs, de transactions et de données.
Deux des principales solutions utilisées par l'industrie sont la couche 1 et la couche 2 :
Couche 1: Architecture blockchain sous-jacente
Solutions de mise à l'échelle de couche 1: Modifications fondamentales apportées à la couche 1
Couche 2: Intégration tierce sur les réseaux de couche 1
Solutions de mise à l'échelle de couche 2: Améliorer la vitesse des plateformes de couche 1 sans modifier fondamentalement leur code ni leur architecture
Dans cet article, nous explorerons le trilemme de la blockchain, la couche 1 et la couche 2, et comment aider les blockchains à atteindre la scalabilité.
Le terme « trilemme de la blockchain » désigne le paradoxe d'une blockchain qui doit simultanément présenter les trois caractéristiques suivantes :
Décentralisation: Répartition de la puissance de calcul/consensus au sein d'un réseau
Sécurité: Défense contre les acteurs malveillants et les attaques réseau
Évolutivité: La capacité d'une blockchain à supporter un débit transactionnel élevé
On soutient que tout système ne peut atteindre que deux des trois caractéristiques, ce qui l'oblige à renoncer à l'une d'entre elles.
Exemples du trilemme de la blockchain
Généralement, les blockchains ont eu du mal à résoudre le trilemme de la blockchain. Examinons quelques exemples marquants.
Ethereum est décentralisé et hautement sécurisé, avec environ 561 000 validateurs. Il est quasiment impossible d'attaquer la blockchain Ethereum, car il faudrait qu'un attaquant prenne le contrôle de 51 % des validateurs pour compromettre le réseau. Cependant, cela a un coût en termes d'évolutivité, ce qui explique la flambée des frais de réseau d'Ethereum lors des pics d'activité.
Contrairement à Ethereum, la chaîne BNB n'autorise qu'un maximum de 21 validateurs. Il est donc évident que la BNB Chain n'est pas décentralisée. Cependant, cela lui permet d'atteindre un haut degré de sécurité et d'évolutivité.
La définition du mot « évolutivité » varie d'un expert à l'autre. Cependant, fondamentalement,la scalabilité de la blockchain fait référence à la capacité d'un système à offrir une expérience riche à chaque utilisateur, quel que soit le nombre total d'utilisateurs à un moment donné.
Le terme débit désigne le nombre de transactions qu'un système traite par seconde. Alors que des entreprises/canaux de paiement comme Visa traitent près de 20 000 TPS avec le réseau de paiement électronique VisaNet,la chaîne principalede Bitcoin ne peut effectuer que 3 à 7 TPS.
La différence de capacité peut paraître surprenante, mais elle s'explique simplement. Bitcoin adopte un système décentralisé, tandis que VisaNet fonctionne sur un système centralisé. La première utilise davantage de puissance de traitement et de temps pour protéger la vie privée de ses utilisateurs. Chaque transaction de données doit passer par plusieurs étapes, notamment l'acceptation, l'exploration, la distribution et la validation par un réseau de nœuds.
Alors que les cryptomonnaies devraient devenir une force incontournable dans le monde des affaires, les développeurs de la blockchain tentent d'étendre le champ d'application de cette technologie. En créant des couches blockchain et en optimisant la mise à l'échelle de la couche 2, ils souhaitent accélérer les temps de traitement et augmenter le nombre de TPS.
Prenons Ethereum comme exemple. Dans la technologie blockchain, un mécanisme de consensus est un système tolérant aux pannes qui permet de parvenir à des accords sur un état unique du réseau dans des nœuds distribués. Cesprotocoles garantissent que tous les nœuds s'accordent sur les transactions et sont synchronisés. Cela rend la chaîne Ethereum extrêmement difficile à écraser ou à attaquer.
Grâce à la stabilité et à la sécurité d'Ethereum, lafolie des ICO a commencé, incitant les individus à créer des cryptomonnaies et des applications décentralisées (DApps) sur la blockchain. Par conséquent, on a constaté un afflux d'utilisateurs et une augmentation du nombre de transactions effectuées sur Ethereum. À mesure que le système s'engorgeait, les frais de transaction — ou gaz payés aux parties traitant les transactions sur le réseau Ethereum — augmentaient.
Lorsqu'un réseau blockchain est saturé, les transactions en attente se retrouvent dans la mémoire et leur traitement prend plus de temps. Pour remédier à cela, les mineurs commencent à privilégier les transactions dont les prix du gaz sont plus élevés afin de les confirmer. Cela augmente encore le coût minimum requis pour effectuer une transaction.
Le cycle d'augmentation des prix atteint un point où les prix de l'essence montent en flèche, aggravant la situation pour tout le monde. La mise à l'échelle de couche 2 vise à apporter une solution à ce problème et à réduire les coûts des transactions.
Les réseaux de couche 1 constituent le réseau blockchain principal sur lequel sont construits les autres blockchains et les DApps. Elles sont capables de prendre en charge les transactions et les opérations effectuées sur la blockchain. Pour améliorer l'évolutivité, une couche 1 devra apporter des modifications directes au code ou à l'architecture de la blockchain. Par exemple, améliorer la vitesse de confirmation des blocs ou augmenter la capacité de données d'un bloc.
Ethereum, Binance Smart Chain et Solana sont les technologies de couche 1 les plus importantes.
Examinons quelques solutions de mise à l'échelle de couche 1.
Les différentes blockchains utilisent différents mécanismes de consensus.
Les blockchains telles que Bitcoin utilisent la preuve de travail (PoW). Bien qu'un système PoW soit extrêmement sécurisé, il peut être lent. En effet, la résolution des algorithmes cryptographiques nécessite une puissance de calcul considérable. Ethereum a débuté avec un mécanisme de consensus PoW, ce qui a entraîné une grave congestion du réseau lorsqu'un grand nombre d'utilisateurs se sont connectés au réseau Ethereum.
Depuis, Ethereum est passé à l'utilisation d'un mécanisme de consensus de preuve d'enjeu(PoS) viaThe Merge, et traite et valide désormais les nouveaux blocs par consensus du réseau. Ce changement a permis à Ethereum de modifier sa vitesse de 10 à 20 transactions par seconde (TPS) à plus de 20 000 TPS. Ceci est réalisé tout en préservant la décentralisation et la sécurité.
Les solutions de mise à l'échelle de couche 1 sont généralement introduites par l'équipe de développement de la blockchain. Créer une bifurcation (forking) une chaîne signifie mettre à jour ou ajuster une blockchain. Il existe 2 types de fourchettes : les fourchettes souples et les fourchettes dures.
Les soft forks sont des modifications architecturales compatibles avec la blockchain existante. En revanche, les hard forks sont des modifications de l'architecture blockchain qui diffèrent nettement de l'architecture existante.
Un exemple de soft fork serait le soft fork SegWit du réseau Bitcoin, qui a permis d'augmenter les performances du réseau d'environ 1 600 transactions par bloc à 3 000.
En revanche, des modifications plus importantes à apporter à la blockchain, comme l'augmentation de la taille des blocs Bitcoin à 8 Mo, nécessitent une bifurcation dure. Cela créera deux versions de Bitcoin, une version mise à jour et une version ancienne.
Le partitionnement est l'une des techniques de mise à l'échelle qui consiste à diviser de grands ensembles de transactions en ensembles de données plus petits appelés « partitions ». Le réseau traite ces fragments de réseau simultanément et en parallèle, permettant un travail séquentiel sur plusieurs transactions au lieu d'un traitement séquentiel de chaque transaction par le réseau. Il s'agit d'un mécanisme plus rapide et plus efficace.
De plus, au lieu de conserver une copie intégrale de la blockchain, chaque nœud du réseau est affecté à un fragment spécifique. Les fragments individuels échangent des adresses, des soldes et des états généraux en utilisant des protocoles de communication inter-fragments tout en fournissant des preuves à la chaîne principale.
Ziliqa et Tezos sont des exemples de blockchains ayant intégré le sharding.
Il convient toutefois de noter que le sharding est expérimental et qu'aucune infrastructure de couche 1 ne l'a encore implémenté avec succès.
Une couche 2 améliore l'évolutivité et l'efficacité d'un protocole blockchain en s'exécutant par-dessus celui-ci. Cela permettra d'effectuer des transactions en dehors de la couche 1 en utilisant un réseau externe parallèle.
Pour finaliser les résultats de la transaction, la couche 2 prend des lots de transactions de la chaîne principale, les traite en leur nom, puis regroupe les transactions dans la couche 1. La blockchain de couche 1 devient moins encombrée et, au final, plus évolutive en externalisant la majeure partie du traitement des données vers une architecture auxiliaire.
Parmi les exemples notables de technologies de couche 2, on peut citer Polygon, Optimism, Arbitrum, zkSync et le Lightning Network de Bitcoin.
Voici quelques solutions de mise à l'échelle de couche 2.
L'imbrication est l'une des solutions de mise à l'échelle de couche 2 selon lesquelles un protocole blockchain héberge d'autres blockchains à l'intérieur ou au-dessus. L'architecture blockchain imbriquée comprend généralement une blockchain principale qui définit les règles et les paramètres d'un réseau plus vaste, tandis que les exécutions sont effectuées sur un réseau interconnecté de chaînes secondaires.
La chaîne imbriquée comprend à la fois des chaînes parentes et des chaînes enfants. La chaîne parente déléguera aux chaînes enfants l'exécution de la transaction. Les transactions seront effectuées par les chaînes enfants, qui informeront ensuite la chaîne parente du résultat. La chaîne principale fournira le résultat à la couche 1 une fois les transactions terminées.
Sauf si cela s'avère nécessaire pour le règlement d'un litige, la blockchain de base sous-jacente ne participe pas aux opérations de réseau des chaînes imbriquées. Comme tout le monde travaille ensemble, c'est l'une des meilleures méthodes de mise à l'échelle et elle est plus rapide. La division du travail dans ce paradigme réduit la charge de traitement sur la chaîne principale, améliorant considérablement l'évolutivité.
Le projet OMG Plasma en est un exemple : il fait office de blockchain de couche 2 pour Ethereum afin de garantir des transactions moins chères et plus rapides.
La communication bidirectionnelle entre une blockchain et des canaux transactionnels hors chaîne peut être facilitée par un canal d'état. Le canal d'état est essentiellement une ressource adjacente au réseau qui effectue des activités à l'aide d'un mécanismemultisignature ou de contrat intelligent , sans avoir besoin d'une validation par les nœuds de la couche 1.
Les transactions peuvent être exécutées sans avoir à soumettre de données de transaction à la couche 1. Une fois les transactions terminées, l'état final du canal sera envoyé à la couche 1 pour validation. Ce mécanisme permet d'améliorer la vitesse des transactions et d'augmenter le débit global du réseau. Les chaînes d'État offrent une vitesse et une confidentialité inégalées. Sans avoir besoin de passer par des tiers tels que les mineurs, les canaux d'état constituent l'une des meilleures solutions de mise à l'échelle existantes.
Le réseau Raiden sur Ethereum et le réseau Lightning sur Bitcoin sont tous deux des exemples de canaux d'état. Ces deux systèmes utilisent des canaux d'état exécutés par des contrats de verrouillage temporel hachés (HTLC). Alors que le Lightning Network permet aux utilisateurs d'effectuer de nombreuses microtransactions en peu de temps, Raiden permettra également aux utilisateurs d'exécuter des contrats intelligents via ses canaux.
Les canaux d'état comme Lightning Network sont également entièrement sécurisés, car seuls les participants connaissent les transactions. À l'inverse, la blockchain Ethereum de couche 1 enregistre toutes les transactions dans un registre public auditable.
Les transactions par lots importants utilisent fréquemment des chaînes latérales, qui sont des réseaux blockchain distincts avec leurs propres ensembles de validateurs (et mécanismes de consensus), qui coexistent avec une couche 1 pour améliorer sa vitesse et son évolutivité.
Dans une architecture à chaîne latérale, les principales responsabilités de la couche 1 sont de garantir la sécurité générale, de valider les enregistrements de transactions par lots et de régler les conflits. Une fois que la chaîne latérale a terminé le traitement des transactions provenant de la chaîne principale, les actifs sont bloqués. De plus, la majorité des chaînes latérales disposent d'une fédération ou d'un autre organisme tiers indépendant qui vérifie s'il existe des irrégularités dans les activités entre le réseau principal et la chaîne latérale. La fédération peut être constituée soit de contrats intelligents, soit d'un groupe de personnes.
Il existe deux différences principales entre les chaînes latérales et les canaux d'état :
Les transactions effectuées sur une chaîne latérale ne sont pas privées entre les participants ; elles sont au contraire rendues publiques sur le registre.
La chaîne principale et les autres chaînes latérales ne sont pas affectées par les failles de sécurité des chaînes latérales.
L'une des approches de mise à l'échelle qui gagne en popularité dans l'environnement blockchain est le rollup. Dans les rollups, des groupes de transactions d'une couche 1 sont regroupés, traités hors chaîne, puis réintégrés dans la chaîne principale.
Par conséquent, les couches 1 n'ont pas à tout gérer indépendamment. Les rollups permettent aux réseaux de couche 1 comme Ethereum de devenir plus évolutifs. Les enroulements fonctionnent également différemment. D'autres adoptent une approche optimiste, tandis que certains utilisent la procédure de preuve à divulgation nulle de connaissance.
Les deux types de rouleaux sont :
Regroupements optimistes: Ces règles partent du principe que les transactions sont valides par défaut. Ils n'effectuent donc des calculs de détection de fraude que s'il y a contestation.
Rollups à connaissance nulle: Ces agrégats exécutent des calculs hors chaîne. Par la suite, ils soumettent la preuve de validité à la couche de base ou à la chaîne principale.
Les agrégations permettent d'augmenter le débit des transactions, d'ouvrir la participation et de réduire les frais de gaz pour les utilisateurs.
La superposition de blockchains présente plusieurs avantages. Par exemple, le principal avantage des solutions de couche 1 est que les développeurs n'ont rien à ajouter à l'architecture existante, puisque seule la couche de base est modifiée.
Par ailleurs, les solutions de mise à l'échelle de couche 2 ne modifient pas le protocole de la couche de base. De plus, ces solutions permettent d'effectuer de multiples microtransactions sans obliger les utilisateurs à payer des frais de transaction exorbitants ni à perdre du temps avec la vérification des mineurs.
Cependant, ces deux couches blockchain présentent des limitations qu'il convient de prendre en compte.
Le principal problème des couches blockchain réside dans leur intégration aux protocoles existants. Bitcoin et Ethereum ont tous deux une capitalisation boursière en milliards. Les utilisateurs échangent des millions de dollars chaque jour. Par conséquent, il n'est pas judicieux de compliquer le processus par des codages et des expérimentations inutiles, car cela nécessiterait beaucoup d'argent.
L'évolutivité est l'une des raisons pour lesquelles l'adoption massive des cryptomonnaies n'est pas possible actuellement dans l'industrie de la blockchain. À mesure que la demande de cryptomonnaie augmente, la pression pour faire évoluer les protocoles blockchain s'accentuera également. Étant donné que les deux couches blockchain présentent certaines limitations, la solution future consistera à construire un protocole capable de résoudre le trilemme de la scalabilité.
En ce qui concerne le goulot d’étranglement mentionné ci-dessus, deux options sont possibles : 1) atténuer le problème de mise à l’échelle, ou 2) rechercher des alternatives viables. Les développeurs de blockchain optent pour la première solution, se tournant vers la mise à l'échelle de couche 2 mise en œuvre avec Ethereum.
Au moment de la publication, les systèmes blockchain sont encore en développement. La question cruciale pour l'avenir est de savoir si les couches blockchain et la mise à l'échelle de la couche 2 seront temporaires ou permanentes.
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