Problème d’évolutivité de la blockchain expliqué

Lors de la création de la technologie blockchain, les développeurs comptaient sur la confidentialité et l’anonymat de l’argent numérique. Cet objectif a été atteint en introduisant le principe d’un système peer-to-peer — chaque utilisateur est égal, et il n’existe ni système de gestion ni organisme de contrôle des fonds comme les banques.

À présent, les cryptomonnaies, en tant que technologie, font face à la tâche suivante — atteindre une vitesse d’exécution élevée, comparable à celle de Visa et MasterCard. Le problème de la scalabilité demeure l’un des principaux obstacles à l’adoption massive de la technologie blockchain. Un nombre croissant d’équipes de projets blockchain recherchent des solutions susceptibles d’améliorer les performances de leur réseau. Beaucoup affirment avoir déjà résolu ou presque résolu ce problème, mais de telles déclarations doivent être prises avec scepticisme.

Objectif principal

Il y a dix ans, Bitcoin n’était pas populaire auprès des utilisateurs. Mais au fil des années, l’augmentation du nombre d’utilisateurs dans le système a créé des problèmes liés à la puissance de calcul de la technologie. L’utilisation de la cryptomonnaie est devenue plus difficile en raison des longues files d’attente causées par les limites du nombre de paiements traités par seconde. Ainsi, le problème de la scalabilité s’est aggravé.

Les développeurs ont commencé à rechercher activement des mécanismes optimaux pour stabiliser le fonctionnement. Depuis lors, les coins ont été régulièrement mis à jour ou séparés en l’absence de compromis. Toutefois, examinons les problèmes un par un.

Problème de scalabilité : l’essence de la tâche

Toutes les transactions Bitcoin sont effectuées dans des blocs qui reçoivent les données des transactions. Un bloc contient 1 Mo d’informations, et la vitesse de traitement moyenne est de quatre paiements par seconde. D’un autre côté, la puissance de traitement des mineurs est responsable du mouvement des fonds et de la stabilité des opérations. Cela est nécessaire pour calculer les algorithmes lors de la création de coins et d’enregistrements de transactions chiffrées. À chaque transaction, les mineurs de monnaie numérique reçoivent une commission.

L’augmentation du nombre de transactions réduit également la vitesse de chaque transaction. Cela permet à la blockchain de ne pas être submergée par un flux important. Tous les transferts de cryptomonnaies sont intégrés dans une longue file d’attente. Seul le coût élevé de la commission permet d’obtenir la priorité dans la file. Ce phénomène a un impact sur la liquidité (pics de prix) du coin — il est plus facile pour un acheteur d’utiliser de l’argent liquide ou une carte bancaire, même au détriment de l’anonymat et de la confidentialité.

Dans de tels cas, les utilisateurs perdent de l’intérêt et de la confiance dans la monnaie, suivis par les mineurs. En conséquence, les investisseurs perçoivent le risque des investissements et font chuter les actifs depuis leur valeur maximale et leur popularité, tandis que les traders profitent des mouvements de prix.

Comment le problème de scalabilité se manifeste

Avec la popularisation de Bitcoin, le problème de la scalabilité de la cryptomonnaie s’est manifesté en raison de la congestion du réseau. Par conséquent, l’utilisation du coin est devenue plus difficile — en mai 2017, les files d’attente des transactions ont atteint jusqu’à cinq jours. La question de l’équilibre entre vitesse et sécurité des transactions s’est donc posée.

On peut analyser le problème à l’aide d’un exemple pratique. Supposons qu’il faille transporter 500 tonnes de marchandises dans un train composé de wagons d’une capacité d’une tonne, avec un contrôle de sécurité préalable et un chargement prenant 2 heures par unité. Cependant, le coût des services de transport influence la position des marchandises dans l’ordre décroissant. En conséquence, il faut au moins deux semaines pour que les destinataires ayant payé le moins pour la livraison reçoivent le produit final. Il en va de même pour Bitcoin — il est impossible d’effectuer des paiements aussi rapidement qu’avec une carte bancaire.

À partir de ce qui précède, on peut définir le problème de scalabilité comme la limitation du nombre de transactions traitées sur une certaine période. Toutefois, la possibilité de sélectionner une commission payante peut augmenter la priorité de l’opération dans la file d’attente de la blockchain, mais ne résout pas le problème.

La première idée qui vient à l’esprit est d’augmenter la taille du bloc et le nombre de paiements traités sans mesures supplémentaires. Malheureusement, cette approche réduira la sécurité, car un traitement dosé des informations permet d’éviter le risque élevé d’attaques DDoS (congestion intentionnelle du réseau à des fins frauduleuses). La taille est prévue pour une vérification minutieuse des données. Néanmoins, il est nécessaire d’analyser en détail les solutions possibles à cette situation.

Comment résoudre la scalabilité

Les développeurs, militants et scientifiques ont commencé à rechercher des moyens de résoudre le problème de scalabilité de Bitcoin. Le moment culminant et le plus marquant fut la situation décrite en 2017 avec les longues files d’attente. C’est alors que la question a été largement débattue dans la communauté crypto. Trois concepts pour corriger cette faiblesse de la blockchain ont été mis en avant :

• augmenter la taille du bloc, réduisant ainsi les frais des paiements et augmentant le taux de traitement des transactions par seconde (TPS). Deux inconvénients existent — cette voie mène à la centralisation du coin et au risque de tentatives réussies d’attaques DDoS ;
• traitement segmenté des informations ou sharding. Une partie des informations est affichée hors des cellules. De cette manière, la blockchain est divisée en deux segments ou plus, responsables de différents groupes de transactions. Il existe également un risque d’attaques de hackers, car moins de puissance des mineurs est nécessaire pour traiter les shards. En raison de la séparation en plusieurs parties, les contrôles de sécurité nécessitent des algorithmes légers. Ainsi, des fraudeurs peuvent ajouter de fausses transactions au réseau, un exemple étant l’attaque 51 ％ ;
• un groupe de solutions L2 au problème de scalabilité. L’approche est un framework, un programme fonctionnant au-dessus de la blockchain, qui décharge un réseau existant. Ces concepts diffèrent des solutions on-chain (décisions au sein du système du coin) par l’intervention d’un intermédiaire.

La première méthode nécessite de scinder le réseau et de créer un nouveau coin. Il y a donc une perte de compatibilité ascendante avec l’original. Autrement dit, les monnaies dans un tel cas ne sont plus homogènes. Dans un environnement cryptographique, le phénomène est appelé hard fork. Bitcoin Cash a suivi cette voie. À la suite de la scission, en août 2017, une séparation avec la première cryptomonnaie a eu lieu, accompagnée d’une augmentation de la taille des blocs à 8 Mo.

La deuxième solution implique la création de sous-réseaux distincts du bloc avec le déplacement d’une partie des informations au-delà de ses limites. Dans ce cas, un soft fork se produit — une modification du protocole logiciel sans division du coin. C’est similaire à la sortie d’un patch pour un jeu vidéo avec des extensions. Un exemple est la mise à jour Segregated Witness. La taille du bloc a augmenté à 2 Mo, avec certaines informations stockées en dehors de la chaîne principale des transactions.

La solution présente des inconvénients — chaque shard sera exposé au danger d’une cyberattaque. Pour chaque segment de ce type, moins de puissance est utilisée que par unité.

Solutions de deuxième niveau

L’architecture des premières blockchains, principalement Bitcoin et Ethereum, n’a pas été conçue pour un grand nombre de transactions et d’utilisateurs, et elles ont donc une faible bande passante. Par exemple, dans Bitcoin, elle est de 5 à 7 transactions par seconde (TPS), dans Ethereum, elle est d’environ 15 TPS.

La scalabilité peut être augmentée en modifiant le code du protocole blockchain à l’aide de fonctions telles que le sharding. Mais cela prend beaucoup de temps et peut durer des années. En outre, de telles améliorations modifient les fondements de l’architecture, de sorte que la communauté du projet n’accepte pas toujours de les mettre en œuvre.

Les solutions L2 permettent au moins de résoudre partiellement le problème de faible bande passante et de frais élevés pour les transferts sans affecter le code de la blockchain principale. Leur principal avantage est la possibilité de transférer des actifs entre les adresses du « premier niveau » tout en utilisant le « deuxième niveau », qui peut être soit un protocole off-chain distinct, soit une blockchain distincte.

Quelles solutions de layer 2 existent pour Bitcoin ?

Le principal projet L2 pour la première cryptomonnaie est le Lightning Network (LN). Il fonctionne sur un protocole utilisant des smart contracts et les soi-disant canaux d’état. Le Lightning Network a été lancé en 2015, et depuis lors, il se développe activement. Fin mai 2022, la capacité totale des canaux LN avait atteint 3 900 BTC.

La fonction principale de LN est de permettre aux détenteurs de bitcoin d’effectuer des échanges directs sans écrire d’informations dans son registre. Pour cela, il faut ouvrir un canal spécial à l’aide d’une seule transaction on-chain et y déposer des bitcoins.

Après activation, le canal de paiement permet d’effectuer des transferts off-chain, c’est-à-dire en dehors du réseau principal, avec une vitesse bien plus élevée et des frais plus faibles. Contrairement aux transactions on-chain, les transactions dans les canaux du Lightning Network ne sont visibles que par leurs utilisateurs. Seuls les états initiaux et finaux des transactions sont enregistrés dans la blockchain principale.

Cette approche réduit considérablement la charge sur le réseau principal de Bitcoin : le Lightning Network est capable de traiter des milliers d’opérations par seconde tout en garantissant un niveau élevé de sécurité du système.

Quelles solutions de layer 2 existent pour Ethereum ?

Malgré sa faible vitesse, l’écosystème Ethereum est le plus demandé pour les applications décentralisées. De nombreux projets populaires dans les domaines de la finance décentralisée (DeFi) et des tokens non fongibles (NFT) fonctionnent dessus. Par conséquent, le problème de la scalabilité est particulièrement aigu pour Ethereum.

À présent, plusieurs grandes solutions L2 sont développées en parallèle :

• Polygon (MATIC) ;
• Arbitrum ;
• Optimism.

La principale technologie pour leur fonctionnement est le rollup, qui comporte deux variantes principales :

• Optimistic Rollups. Avec cette solution, les transactions sont effectuées dans le réseau L2, puis, en grands groupes, combinées en un bloc compact, que les validateurs incluent dans le réseau principal Ethereum. Les Optimistic Rollups sont utilisés dans Arbitrum et Optimism.
• ZK-Rollups. Les transactions dans le réseau de deuxième niveau sont également regroupées en paquets et envoyées au réseau Ethereum, mais leur validation s’effectue à l’aide de vérificateurs spéciaux, qui constituent une preuve cryptographique de la validité des opérations. Polygon est mis en œuvre sur la base des ZK-Rollups. Cette technologie de mise à l’échelle d’Ethereum est étudiée par le principal cofondateur de la plateforme, Vitalik Buterin.

Quelle que soit la solution L2, Ethereum, en tant que « première couche », prend en charge la fonction de vérification des transactions et de production des blocs, le registre où les états finaux sont enregistrés, ainsi que le mécanisme de consensus. Ainsi, le projet n’a pas besoin de créer sa propre infrastructure.

Il existe d’autres projets de layer 2. Par exemple, en juillet 2022, la startup Matter Labs a annoncé le lancement de zkSync 2.0. Un mois plus tard, son propre protocole, écrit dans le langage Cairo, a été lancé par le projet StarkWare.

Résumons

Il est facile de constater que, dans le protocole Bitcoin, les ressources du réseau sont utilisées de manière inefficace. Chaque nœud traite et transmet des données sur un nouveau bloc pendant seulement une petite fraction du temps. La bande passante du réseau n’est utilisée pleinement que pendant quelques secondes. Le reste du temps, ce nœud transmet des transactions non confirmées et des données de support. Cette observation a inspiré les chercheurs à trouver des schémas de protocole plus efficaces, capables d’améliorer considérablement le débit du système sans compromettre la sécurité et la décentralisation du réseau.

À présent, la communauté crypto n’est pas parvenue à une solution unique. Des débats surgissent encore, de nouveaux coins sont créés et des mises à jour de protocole sont publiées. Des solutions efficaces ont déjà été développées, mais il existe toujours un risque lié au facteur humain. Le problème sera résolu par le développement de l’intelligence artificielle en tant qu’intermédiaire des transactions.