Solutions de mise à l'échelle : que sont les protocoles de couche 1 et de couche 2

Au cours des dernières années, les industries de la crypto et de la blockchain ont connu un véritable boom, et le nombre d’utilisateurs et de transactions a également augmenté de manière significative. Si personne ne peut nier la nature révolutionnaire de cette technologie, elle a commencé à être confrontée à des problèmes de scalabilité — la capacité du système à évoluer avec l’augmentation de la demande.

À quoi servent les solutions de scalabilité ?

La décentralisation signifie que la puissance de calcul et le consensus sont répartis sur l’ensemble du réseau, tandis que la sécurité reflète la protection de la blockchain contre les malfaiteurs et les attaques de hackers. Ces deux caractéristiques sont considérées comme essentielles pour les réseaux blockchain. 

Les systèmes décentralisés hautement sécurisés rencontrent souvent des problèmes de débit des transactions, ce qui a créé un problème appelé le trilemme de la blockchain. Il stipule qu’il est presque impossible d’atteindre simultanément un haut niveau de sécurité, de décentralisation et de scalabilité, et que les réseaux blockchain ne peuvent en pratique en obtenir au maximum que deux sur trois. 

Mais de nombreux développeurs travaillent à résoudre ce problème et ont déjà obtenu des résultats significatifs. Les améliorations de la scalabilité des réseaux blockchain peuvent être classées en solutions de couche 1 et de couche 2. Chacune possède un mécanisme différent, ses propres avantages et ses propres complications. 

L’importance des solutions de scalabilité

Bien que la blockchain soit une manière plus équitable et plus sûre de détenir et de gérer de l’argent, les institutions financières centralisées sont beaucoup plus efficaces en termes de débit. Par exemple, Visa affiche 65 mille transactions par seconde, tandis que pour Bitcoin ce chiffre n’est que de 7 et pour Ethereum, il est de 15. 

Pour concurrencer les systèmes centralisés de traitement des paiements, les réseaux blockchain doivent être plus scalables afin de pouvoir absorber un nombre croissant d’utilisateurs, de transactions et de données. Si rien n’est fait, les blockchains seront engorgées par les transactions qui s’accumuleront les unes après les autres. Le système ne pourra pas toutes les traiter en même temps et cela créera des inégalités dans l’expérience utilisateur. 

Qu’est-ce qu’une blockchain de couche 1 ?

Les solutions de scalabilité de couche 1 se concentrent sur des améliorations on-chain. Elles modifient le protocole de base et l’architecture du réseau afin d’offrir un meilleur débit. Par exemple, Bitcoin, Ethereum, Binance Smart Chain et Litecoin sont des réseaux blockchain de couche 1. La solution de scalabilité de couche 1 renforce la couche de base, ou le protocole lui-même.

Sharding

Le sharding a été adapté à partir des bases de données distribuées et est devenu la solution de scalabilité de couche 1 la plus populaire. Avec le sharding, l’ensemble du réseau blockchain est divisé en morceaux ou ensembles de données appelés shards, ce qui permet aux nœuds de maintenir plus facilement des shards que l’ensemble du réseau. Tous les shards sont traités en même temps, permettant un travail séquentiel sur de nombreuses transactions. 

Chaque nœud est également attribué à différents shards. Les shards individuels fournissent des preuves à la chaîne principale et interagissent entre eux via des protocoles de communication inter-shards afin de partager les adresses, les états généraux et les soldes. 

Ethereum 2.0, la nouvelle version de la blockchain Ethereum, implémente le sharding comme solution de scalabilité.

Une autre blockchain de couche 1 qui utilise le sharding est Elrond. Elle a réussi à atteindre un débit de 100 000 TPS (transactions par seconde) via l’Adaptive State Sharding et un mécanisme de consensus Proof-of-Stake sécurisé. 

Le réseau blockchain Harmony est un autre exemple de projet utilisant des shards pour atteindre une plus grande scalabilité. Il se concentre sur l’utilisation des preuves à divulgation nulle de connaissance et des organisations autonomes décentralisées. 

Améliorations du mécanisme de consensus

Certains mécanismes de consensus sont plus efficaces que d’autres. Par exemple, le Proof-of-Work utilisé par Bitcoin, Ethereum, Litecoin, Doge, etc. offre un haut niveau de décentralisation et de sécurité. Mais en même temps, il est assez lent, ce qui pousse de nombreux développeurs à choisir le Proof-of-Stake lors du développement des réseaux. 

Même les blockchains existantes peuvent changer de mécanisme de consensus, et le meilleur exemple est Ethereum, qui prévoit de passer au mécanisme de consensus Proof-of-Stake afin d’augmenter la capacité et la décentralisation de la blockchain, tout en maintenant un haut niveau de sécurité. 

En général, aujourd’hui, les blockchains de couche 1 et de couche 2 les plus modernisées adoptent un mécanisme de consensus Proof-of-Stake ou ses variantes. Comme il élimine la nécessité pour les ordinateurs d’entrer en compétition pour la validation, le PoS offre déjà davantage de marge pour la scalabilité.

La blockchain Kava peut être un bon exemple de réseau de couche 1 qui atteint la scalabilité en utilisant un algorithme de consensus Tendermint Proof-of-Stake afin d’améliorer les transactions sur la co-chaîne EVM. 

Solana est considérée comme un protocole blockchain de couche 1 de nouvelle génération qui utilise un nouveau mécanisme de consensus Proof-of-History, prometteur, et qui a réussi à augmenter considérablement le débit avec plus de 3000 transactions par seconde. 

D’autres solutions de couche 1, un peu moins populaires, pour la crypto incluent la reparamétrisation et la création de structures de données alternatives. Le principal avantage de toutes ces méthodes est qu’elles offrent les améliorations à grande échelle les plus efficaces.

Les problèmes des solutions de couche 1 

L’un des principaux problèmes de la solution de couche 1 est que le validateur du réseau doit accepter le changement via le fork dur. Et ce n’est pas toujours facile, car dans certains cas ils y perdraient en profit. Par exemple, lorsque la blockchain passe de Proof-of-Work à Proof-of-Stake, les mineurs perdront des revenus et pourraient nier la nécessité de la scalabilité. 

Qu’est-ce qu’une blockchain de couche 2 ?

La solution de couche 2 se concentre sur la création d’une solution off-chain en faisant fonctionner une blockchain parallèle ou en construisant un réseau tiers au-dessus de l’original. Cette deuxième couche, autrement dit appelée couche de calcul, est utilisée pour désengorger le réseau principal ou parent. C’est le moyen le plus simple et le plus rapide d’améliorer la scalabilité de la blockchain.

Une partie des transactions du protocole est transférée vers l’architecture blockchain adjacente, qui traite la transaction et ne revient à la chaîne parente que pour finaliser les résultats. Les solutions de couche 2 sont souvent combinées avec des solutions de couche 1. 

Les meilleures solutions de couche 2 incluent des ponts évolutifs entre les chaînes héritées et les applications décentralisées, ce qui a conduit à la découverte de nouvelles variantes de PoS, telles que le Liquid Proof-of-Stake, le delegated Proof-of-Stake, le Hybrid PoS, et d’autres. 

Les principaux moyens d’appliquer les solutions de couche 2 sont les Nestchains, les Rollups, les State Channels et les Sidechains. 

Blockchains imbriquées 

Une blockchain imbriquée est généralement un réseau supplémentaire construit au-dessus d’une autre blockchain. Elle nécessite généralement une blockchain de base qui définit les paramètres d’un réseau plus large, tandis que les transactions et l’exécution des smart contracts se déroulent sur les chaînes secondaires interconnectées. Plusieurs réseaux peuvent être construits au-dessus de la chaîne principale sous forme de chaînes enfants. La chaîne principale délègue l’opération à la chaîne enfant qui la traite indépendamment de la chaîne principale, puis la renvoie à la parente. La participation de la chaîne principale n’est requise qu’en cas de litige à résoudre.  

Sidechains 

Une sidechain est une chaîne supplémentaire adjointe à la chaîne principale. Elle est généralement utilisée pour les transactions en gros lots. Les sidechains utilisent un algorithme de consensus indépendant, différent de celui de la chaîne principale et construit indépendamment à partir de zéro. Ce mécanisme peut être optimisé pour la vitesse et la scalabilité. La chaîne principale assure ici la sécurité, confirme les lots de transactions et résout les conflits. 

La différence entre les sidechains et les state channels réside dans le nombre de voies intégrées. Toutes les transactions sont enregistrées sur le registre public et visibles par tous les participants. Il est important de noter que les failles des sidechains n’affectent pas la chaîne principale. 

Un réseau Plasma est un exemple de solution de couche 2 de type sidechain pour Ethereum. Il se compose de petites blockchains connectées dans une structure en arbre. 

State Channels

Les state channels sont mis en œuvre pour faciliter la performance globale de la blockchain. Ils améliorent également la communication bidirectionnelle entre la blockchain et les canaux transactionnels off-chain. Un state channel n’a pas besoin de validation par les nœuds de la couche 1 ; à la place, il utilise un mécanisme de multi-signature ou de smart contract. Les transactions terminées sont enregistrées sur le réseau sous-jacent. 

Des exemples de state channels sont Celer, Bitcoin Lightning et le Lightning Network d’Ethereum. Le principal problème de cette approche est que les state channels perdent une certaine part de décentralisation pour atteindre une plus grande scalabilité. 

Roll-Ups 

Les roll-ups effectuent les opérations de transaction en dehors de la blockchain principale mais publient les données associées sur la couche 1, sécurisant ainsi les transactions sur la couche de base. Grâce à l’exécution hors niveau, les frais diminuent. Les smart contracts fonctionnent sur la couche 1, mais exécutent les transactions sur la couche 2 en utilisant les données de la blockchain principale. Il existe des roll-ups optimistes qui considèrent que les transactions sont correctes par défaut et n’exécutent le calcul que lors d’une contestation via une preuve de fraude. Les roll-ups à preuve à divulgation nulle de connaissance exécutent le calcul off-chain et soumettent des preuves de validité à la chaîne principale. 

Cartesi, Fuel Network, Optimism et Boba sont des blockchains de couche 2 utilisant des roll-ups optimistes. Loopring, Immutable X, Starkware et Polygon Hermez sont des solutions de couche 2 qui utilisent des roll-ups à preuve à divulgation nulle de connaissance. 

Les problèmes des solutions de couche 2

Le principal problème de la crypto de couche 2 est que le risque de perte de sécurité y est bien plus élevé, de sorte que les utilisateurs feront plus facilement confiance à un projet résilient comme Bitcoin ou Ethereum en raison de leur historique en matière de sécurité. Mais désormais, ils se tourneront plus souvent vers les réseaux de couche 2 en raison de la vitesse et du coût des transactions. Les experts pensent donc que l’avenir de la couche 2 réside dans des domaines ciblés, tandis que les plus grandes blockchains continueront de dominer et de se concentrer sur la sécurité. 

Conclusion 

La scalabilité est le principal obstacle sur la voie de l’adoption mondiale de la crypto. La solution consiste à construire des blockchains capables de faire face au trilemme de la scalabilité dès leur conception, tout en cherchant à améliorer les réseaux existants afin d’éviter les goulots d’étranglement. À l’heure actuelle, toutes les solutions possibles peuvent être divisées en couche 1 et couche 2. Il est difficile de comparer les solutions couche 1 et couche 2, car elles ont toutes deux des avantages et des inconvénients, même s’il est possible que l’avenir réside dans une combinaison des deux.