Blockchains Modulaires et Rollups : L'Avenir d'Ethereum et au-delà

Comprendre les Blockchains Modulaires : Améliorer la Scalabilité et la Performance des Blockchains

Pour comprendre les blockchains modulaires, il est d’abord important de voir pourquoi la modularité des blockchains et les rollups sont souvent abordés ensemble. Les deux visent à améliorer la performance des blockchains en séparant les fonctions principales – comme le consensus, la disponibilité des données, l’exécution des transactions et le règlement – en couches distinctes. Cette structure modulaire contraste avec les blockchains “monolithiques” traditionnelles, telles que les premières versions d’Ethereum, où chaque composant clé fonctionne dans une architecture monocouche. Bien que cette structure unifiée soit efficace, elle limite la scalabilité car toutes les tâches reposent sur les mêmes nœuds, ce qui crée des goulets d’étranglement à mesure que le volume des transactions augmente.

Les blockchains modulaires, quant à elles, suivent un design différent. En répartissant les fonctions principales sur des couches spécialisées, elles délèguent certaines tâches à différents nœuds, augmentant ainsi considérablement la scalabilité. Par exemple, la couche de règlement finalise les transactions, créant un registre sécurisé souvent utilisé avec les rollups, et fournit la vérification des preuves et la résolution des litiges. La couche de disponibilité des données et la couche de consensus garantissent que les données de transaction restent accessibles, un élément essentiel pour le traitement et la validation hors chaîne, permettant au réseau de maintenir un consensus sur l’état actuel de la blockchain.

En outre, les contrats intelligents fonctionnent au sein de la couche d'exécution, où ils gèrent le traitement des transactions d’applications décentralisées (dApps). Ici, la couche d'exécution se consacre au traitement des transactions et des contrats intelligents, facilitant les tâches de calcul efficaces nécessaires aux applications blockchain. Enfin, les rollups agissent comme une solution de mise à l'échelle, exécutant des transactions hors chaîne tout en publiant les données sur la couche d'exécution de la blockchain, réduisant ainsi la congestion en chaîne et améliorant davantage la performance.

Les rollups comme Arbitrum et Optimism sont devenus des solutions essentielles pour l’évolutivité de la blockchain, initialement conçues pour soutenir des blockchains monolithiques comme Ethereum en traitant l'exécution des transactions hors chaîne. Dans le modèle de blockchain modulaire, cependant, les rollups jouent un rôle crucial, fonctionnant comme une couche dédiée qui traite les transactions et publie les données de retour sur la couche 1. Cette synergie entre les rollups et l’architecture de blockchain modulaire explique pourquoi ils sont souvent discutés ensemble dans le contexte des solutions d’évolutivité future de la blockchain. Dans les sections suivantes, nous explorerons plus en profondeur cette relation, alors restez attentifs !

Blockchains Monolithiques vs. Modulaires

Les blockchains monolithiques et modulaires représentent deux approches distinctes de l'architecture blockchain, chacune avec ses forces et ses limitations. Les blockchains monolithiques, comme les premières versions d'Ethereum, intègrent toutes les fonctions—consensus, disponibilité des données, exécution des transactions et règlement—dans une seule couche, ce qui conduit souvent à des défis de scalabilité à mesure que les réseaux se développent. En revanche, les blockchains modulaires répartissent ces tâches sur plusieurs couches, chacune optimisée pour des fonctions spécifiques, ce qui améliore considérablement l'évolutivité. Pour illustrer les différences, nous examinerons des exemples concrets de blockchains modulaires par rapport aux blockchains monolithiques, montrant comment chaque approche répond aux exigences actuelles en matière de performance de la blockchain.

Les blockchains monolithiques, comme Ethereum avant ses mises à jour vers Ethereum 2.0, rencontraient d'importants problèmes de scalabilité en raison des frais de gaz élevés et des vitesses de transaction plus lentes causées par la congestion du réseau. À mesure que la base d'utilisateurs d'Ethereum grandissait, la congestion empirait, car dans les blockchains monolithiques, chaque nœud traite et stocke toutes les transactions. Cette configuration limite le débit et entrave la scalabilité. Depuis lors, plusieurs améliorations ont été apportées pour relever ces défis, notamment la transition vers Ethereum 2.0, qui a introduit le mécanisme de consensus proof-of-stake (PoS). Parallèlement, des solutions de scalabilité de niveau 2, telles qu'Optimism, Arbitrum et zkSync, ont gagné en popularité. Cependant, le modèle de blockchain modulaire, l'une des dernières avancées en technologie blockchain en 2024, offre une scalabilité encore plus grande. Dans une blockchain modulaire, comme Celestia, les fonctions de la blockchain sont divisées en couches distinctes, telles que l'exécution et le consensus & la disponibilité des données, permettant aux nœuds de se spécialiser dans des tâches spécifiques plutôt que de traiter l'intégralité des transactions. Cela réduit considérablement la charge sur le réseau et améliore la performance globale.

Comprendre les Rollups pour la Scalabilité des Blockchains

Les rollups sont devenus une solution de scalabilité essentielle pour les blockchains, en maintenant une connexion sécurisée avec la blockchain principale pour la disponibilité des données et la sécurité. Ils fonctionnent en "empilant" plusieurs transactions en un seul lot, réduisant ainsi la charge sur la couche de base qui gère le consensus et le stockage des données.

Comment les Rollups Améliorent la Performance des Blockchains

Si vous effectuez de petites transactions en cryptomonnaie et que vous pouvez supporter quelques minutes, voire quelques heures, d'attente, vous n'aurez peut-être pas besoin de recourir aux rollups. Cependant, pour des transactions plus importantes, des temps de confirmation plus rapides ou un volume élevé de transactions, les rollups offrent un avantage substantiel, permettant un traitement plus rapide et une meilleure scalabilité pour les réseaux blockchain comme Ethereum.

À partir du 7 octobre 2024, les frais de gas pour les rollups Ethereum tels qu'Optimism, Arbitrum et zkSync varient respectivement entre 0,001 et 0,02 ETH, 0,0015 et 0,015 ETH, et 0,001 et 0,005 ETH. Donc, si vous détenez des actifs sur Ethereum et que vous souhaitez économiser sur les frais ou le temps de transaction, utiliser un rollup est un choix judicieux. Voici comment ça fonctionne : vous vous connectez à votre portefeuille, comme MetaMask ou WalletConnect, et vous transférez vos actifs de la chaîne principale d'Ethereum vers un rollup comme zkSync. Ensuite, vous pouvez envoyer des transactions directement d'une adresse zkSync à une autre—simple et efficace !

Mais comment fonctionnent réellement les rollups ?

Traitement Hors-Chaîne : Dans les blockchains modulaires comme Celestia, la plupart des tâches computationnelles, telles que l'exécution des transactions et le traitement des contrats intelligents, sont effectuées hors-chaîne dans la couche du rollup, ce qui réduit la congestion sur la blockchain principale. Au lieu d'exécuter chaque transaction sur la blockchain de base, les rollups agrègent un grand nombre de transactions dans un seul lot, réduisant ainsi la charge computationnelle.

Soumission des Lots : Après avoir été traitées hors-chaîne, les transactions sont regroupées en un seul lot et soumises à la blockchain principale. Cette soumission est minimale, ne contenant que les données nécessaires à la vérification, ce qui est bien plus petit que l'exécution de chaque transaction individuellement sur la chaîne de base.

Disponibilité des Données On-Chain : Bien que l'exécution se fasse hors-chaîne, les données doivent rester accessibles pour la vérification et le consensus. Les rollups publient des preuves de données compactes, soit des preuves de validité, soit des preuves de fraude, pour garantir une vérification transparente des transactions sur la chaîne principale. Il existe deux types de preuves de rollup : les preuves de validité (utilisées par les ZK-Rollups) et les preuves de fraude (utilisées par les Optimistic Rollups).

Dépendance à la Sécurité de la Couche 1 : Les rollups dépendent de la sécurité et du consensus de la chaîne Layer 1. Si le rollup est optimiste, n'importe qui peut contester la validité des transactions par des preuves de fraude. Dans les ZK-Rollups, la preuve de validité garantit que seules les transactions valides sont acceptées. Attendez-vous, nous allons approfondir ce sujet dans un instant !

Finalité des Transactions : Une fois que le lot de transactions est confirmé sur la blockchain Layer 1, les transactions dans ce lot sont considérées comme définitives. Selon que le rollup soit optimiste ou basé sur ZK, la finalité peut se produire presque immédiatement.

Maintenant, décomposons les différents types de rollups—vous avez probablement quelques questions.

Explication des Optimistic Rollups

Optimism et Arbitrum sont des exemples bien connus de rollups optimistes, avec d'autres solutions telles que Base, Metis et Cartesi qui ont également un impact. Les rollups optimistes sont des solutions Layer 2 conçues pour améliorer le débit d'Ethereum en traitant les transactions hors-chaîne. La partie « optimiste » fait référence à l'hypothèse par défaut de la validité des transactions, ce qui signifie que toutes les transactions ne sont pas immédiatement vérifiées sur la chaîne. À la place, un résumé des lots de transactions est soumis à la Layer 1 d'Ethereum, réduisant la charge computationnelle et les exigences de stockage sur la blockchain principale. Cela est très différent des zk-rollups, qui utilisent des preuves cryptographiques pour vérifier la validité des transactions.

Le cœur du modèle de sécurité des rollups optimistes réside dans les preuves de fraude, qui permettent aux utilisateurs de contester les transactions invalides dans une fenêtre de litige déterminée. Une fois que les transactions sont traitées hors-chaîne, il y a généralement une semaine ou plus durant laquelle n'importe qui peut contester une transaction en soumettant une preuve de fraude. Si une fraude est détectée, le système réexécute la transaction pour vérifier sa validité. Ce système permet à la fois la scalabilité et la sécurité en permettant à la plupart des transactions de se dérouler sans vérification immédiate, tout en maintenant un mécanisme pour annuler les actions frauduleuses.

Les rollups optimistes comme Arbitrum et Optimism offrent des avantages de scalabilité en réduisant les frais de gas et en augmentant le débit des transactions, ce qui les rend adaptés aux dApps axées sur la réduction des frais et l'amélioration de la performance des transactions. Cependant, l'inconvénient réside dans le temps de finalité plus long en raison de la période de contestation, ce qui les rend moins idéaux pour les opérations sensibles au temps.

ZK Rollups : Une Analyse Approfondie

Les ZK-Rollups offrent une solution de scalabilité avancée, utilisant des preuves cryptographiques pour valider les transactions et améliorer l'efficacité, en particulier dans l'écosystème d'Ethereum. Contrairement aux rollups optimistes, qui supposent que les transactions sont valides jusqu'à preuve du contraire, les ZK rollups utilisent des preuves cryptographiques pour garantir que chaque transaction d'un lot est valide. Cela fait des ZK rollups un choix sécurisé, notamment pour les applications où la finalité immédiate et de haute confiance est cruciale.

Les ZK rollups fonctionnent en plusieurs étapes clés. Comme les rollups optimistes, les ZK rollups traitent les transactions hors-chaîne, mais la différence majeure réside dans la manière dont les transactions sont validées. Les ZK rollups génèrent des preuves de validité (zk-SNARKs) pour les lots de transactions, garantissant leur intégrité vérifiée avant la soumission à la chaîne principale.

Pour chaque lot de transactions, les ZK rollups créent une preuve cryptographique compacte connue sous le nom de zk-SNARK (Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge). Cette preuve vérifie la validité de toutes les transactions du lot sans révéler les données sous-jacentes ni exiger que la blockchain principale traite chaque transaction individuellement.

Une fois que la preuve zk-SNARK est générée, seule la preuve elle-même et une petite quantité de données associées doivent être envoyées à la blockchain principale. Cela réduit considérablement la charge de données et les frais de gaz associés au traitement des transactions. Lors de la soumission, la blockchain principale Ethereum vérifie la preuve zk-SNARK par rapport aux données fournies. Si la preuve est valide, l'ensemble du lot de transactions est confirmé instantanément, offrant ainsi une finalité quasi instantanée. Ce processus de vérification simplifié est particulièrement avantageux pour les applications nécessitant une confirmation rapide des transactions.

Les ZK rollups tirent parti de la sécurité de la blockchain de couche 1 sous-jacente, comme Ethereum, garantissant que la validité des transactions reste élevée grâce aux preuves cryptographiques impliquées. Ce mécanisme réduit le risque de fraude par rapport aux rollups optimistes, qui dépendent d'une période de contestation pour la vérification des transactions.

Les ZK rollups offrent des avantages significatifs, notamment une meilleure scalabilité en augmentant le débit des transactions et en réduisant les frais de gaz. Ils y parviennent en agrégeant plusieurs transactions en une seule preuve. Les zk-SNARKs permettent une finalité quasi instantanée, ce qui rend les ZK rollups idéaux pour des applications sensibles au temps telles que les paiements et le trading. De plus, les ZK rollups garantissent une confidentialité accrue des utilisateurs, car les détails des transactions restent dissimulés dans les preuves cryptographiques envoyées à la blockchain principale, préservant ainsi la confidentialité.

Des solutions ZK rollup de premier plan telles que zkSync et StarkWare sont devenues des composants essentiels de l'écosystème Ethereum. En octobre 2024, les frais de gaz pour les rollups zkSync varient de 0,001 à 0,005 ETH, offrant aux utilisateurs une alternative efficace et rentable pour le traitement des transactions plus rapides.

Comprendre L2-MEV : Impact sur la Scalabilité et la Décentralisation d'Ethereum

La MEV fait référence aux profits obtenus en manipulant l'ordre des transactions au sein des réseaux blockchain. Le concept, introduit formellement dans le document "Flash Boys 2.0" de 2019, est devenu une préoccupation croissante, notamment avec l'essor des solutions de couche 2 (L2) telles que les rollups. Les bots d'arbitrage capturent souvent la MEV dans les échanges décentralisés (DEX), et les mineurs ou validateurs peuvent manipuler l'ordre des transactions pour en tirer profit.

Dans les rollups, le séquenceur joue un rôle clé dans l'extraction de la MEV en gérant l'ordre des transactions et en soumettant les blocs à la couche 1. Actuellement, la plupart des rollups Ethereum L2 dépendent d'un séquenceur centralisé pour contrôler l'ordre des transactions, lui conférant une influence importante sur l'extraction de la MEV et affectant le potentiel de profit.

Le potentiel d'extraction de la MEV varie selon les rollups en fonction de leurs mécanismes de séquencement. Par exemple, le modèle "Premier arrivé, premier servi" d'Arbitrum limite la manipulation de la MEV en suivant l'ordre de réception des transactions. En revanche, le séquenceur d'Optimism a plus de contrôle sur l'ordre des transactions, offrant davantage d'opportunités d'extraction de la MEV. Cependant, Optimism inclut des mécanismes de protection, tels que des fenêtres temporelles pour l'inclusion des transactions, afin de limiter la capacité du séquenceur à exploiter pleinement ce pouvoir.

À mesure qu'Ethereum avance dans son plan centré sur les rollups, qui prévoit que 99 % de toute l'activité se déroulera sur des L2 à mesure que les rollups mûrissent, il sera crucial de concevoir des rollups avec des mécanismes permettant de limiter l'extraction de la MEV pour garantir l'équité et l'efficacité du réseau.

Impact de la MEV L2 sur l'Avenir d'Ethereum

L'adoption des solutions Layer 2 a déjà redéfini l'écosystème Ethereum, en particulier en ce qui concerne la dynamique de la MEV. À mesure qu'Ethereum se développe grâce aux rollups, le contrôle de l'ordre des transactions et de l'extraction de la MEV se déplace vers les réseaux L2, où les séquenceurs—qu'ils soient centralisés ou décentralisés—déterminent l'ordre des transactions. Ce changement a des implications importantes pour la scalabilité et la décentralisation d'Ethereum :

Les solutions L2 comme Optimism et Arbitrum améliorent considérablement la scalabilité d'Ethereum en réduisant la charge sur la couche 1. Cependant, la centralisation des séquenceurs peut créer un goulot d'étranglement, augmentant ainsi le potentiel d'extraction de la MEV. Bien que la mise à l'échelle centrée sur les rollups promette une plus grande scalabilité, il est vital d'obtenir un séquencement équitable des transactions pour maintenir les principes de décentralisation d'Ethereum et éviter la manipulation de l'ordre des transactions, ce qui pourrait nuire à l'équité du réseau.

Une solution pour limiter l'extraction de la MEV consiste à décentraliser le rôle des séquenceurs. La mise en œuvre de méthodes de séquencement décentralisées ou l'introduction de systèmes de séquenceurs compétitifs peut réduire les risques de MEV et s'aligner sur les objectifs de décentralisation d'Ethereum. Cela permettrait d'améliorer la sécurité du réseau à mesure qu'Ethereum adopte davantage de solutions L2 et se rapproche de son objectif à long terme de décentralisation.

À mesure que la MEV devient une préoccupation croissante, certains L2 explorent la mise en place d'enchères MEV, où les profits de l'extraction de la MEV sont redistribués aux validateurs ou retournés aux utilisateurs, plutôt que d'être capturés uniquement par le séquenceur. Ce mécanisme pourrait réaligner les incentives économiques, assurant que la valeur soit distribuée plus équitablement au sein de l'écosystème Ethereum.

L'extraction de la MEV peut entraîner des frais de transaction plus élevés et une finalité retardée, en particulier lorsque des séquenceurs centralisés manipulent l'ordre des transactions pour en tirer profit. En revanche, des rollups plus décentralisés ou bien conçus peuvent offrir une expérience plus fluide, plus abordable et plus sécurisée. Des frais de gaz plus bas sur les solutions L2 aideront Ethereum à obtenir une adoption plus large, mais garantir l'équité du séquencement des transactions reste un défi majeur.

À mesure qu'Ethereum déplace davantage de transactions vers Layer 2, sa sécurité dépendra de plus en plus de la manière dont la MEV est gérée dans ces rollups. Les rollups avec des preuves de fraude/validité, des séquenceurs décentralisés et des mécanismes pour limiter l'extraction de la MEV renforceront la sécurité et la décentralisation d'Ethereum, garantissant ainsi que le réseau reste à la fois scalable et équitable.

En conclusion, bien que les solutions L2 comme les rollups offrent une voie scalable pour Ethereum, elles introduisent également des défis liés à l'extraction de la MEV. Le succès d'Ethereum dépendra de la manière dont ces défis sont traités par la décentralisation, la transparence et les ajustements économiques pour assurer la scalabilité et l'équité du réseau.