Blockchains modulaires et Rollups : l'avenir d'Ethereum et au-delà

Introduction aux blockchains modulaires

Avant d'aborder le sujet, il est important de comprendre pourquoi les rollups et la modularité sont souvent abordés ensemble. Le plus important à comprendre est que ces deux concepts visent à décrypter différentes fonctionnalités de la blockchain afin d'en améliorer les performances. Vous comprendrez de quoi je parle, mais un peu de patience !

Commençons par les blockchains monolithiques comme l'Ethereum initial. Ces blockchains gèrent tous les composants clés – consensus, contrats intelligents, disponibilité des données, exécution des transactions et règlement – ​​au sein d'une infrastructure monocouche. Cependant, si cette conception intégrée fonctionne, elle crée également des problèmes d'évolutivité, car tout est traité sur une seule couche, s'appuyant sur le même ensemble de nœuds, ce qui génère des goulots d'étranglement.

Comparez cela aux blockchains modulaires modernes. Elles utilisent un mécanisme différent en décomposant les fonctions clés en couches spécialisées où différentes tâches sont exécutées sur différents nœuds. La couche de règlement, par exemple, finalise les résultats des transactions, formant un registre à confiance minimale, généralement en combinaison avec l'exécution sur les rollups. Son objectif principal est de fournir une vérification des preuves et de résoudre les litiges pour les rollups. La couche de disponibilité des données et la couche de consensus facilitent la disponibilité des données des transactions pour la validation et le traitement hors chaîne, car cela est crucial pour que le réseau parvienne à un consensus sur l'état de la blockchain. Les contrats intelligents sont du code exécuté sur la couche d'exécution, qui traite les transactions des dApps. La couche d'exécution traite les transactions et les contrats intelligents et garantit l'efficacité de l'ensemble du travail de calcul. Les rollups sont une solution évolutive qui exécute les transactions hors chaîne et transmet les données à une couche d'exécution on-chain.

Approche blockchain monolithique vs. modulaire

Cela étant dit, les rollups tels qu'Arbitrum et Optimism ont évolué vers une solution de mise à l'échelle pour les blockchains monolithiques comme Ethereum, en effectuant l'exécution hors chaîne.

Cependant, ils sont devenus essentiels dans cette approche modulaire, servant souvent de couche distincte pour traiter les transactions et publier les données sur la couche 1. Cette relation étroite entre les rollups et l'architecture modulaire explique pourquoi ils sont fréquemment abordés ensemble lors de l'exploration de l'avenir de la scalabilité des blockchains. Nous approfondirons ce sujet dans les sections suivantes ! À suivre ! Blockchains monolithiques vs. modulaires Vous savez maintenant que les blockchains monolithiques et les blockchains modulaires sont deux formes architecturales différentes pour la construction de blockchains, chacune ayant ses avantages et ses inconvénients. Mais au lieu de parler de théorie, explicitons les différences et comparons quelques blockchains modulaires concrètes à leurs équivalents monolithiques.

Avant la mise à niveau vers Ethereum 2.0, les blockchains monolithiques comme Ethereum présentaient des problèmes d'évolutivité : les coûts du gaz étaient trop élevés et les transactions étaient plus lentes en raison de la congestion du réseau.

Avec la congestion, lors de la croissance d'Ethereum, le fait qu'il soit monolithique, chaque nœud traitant et stockant chaque transaction, a limité le débit et rendu la mise à l'échelle plus difficile.

De nombreuses mises à jour ont cependant été réalisées depuis pour apporter ces améliorations. La transition vers Ethereum 2.0 a introduit le mécanisme de consensus de preuve d'enjeu (PoS), et nous avons assisté à une forte augmentation des solutions de mise à l'échelle de couche 2 comme Optimism, Arbitrum et zkSync. Cependant, le paradigme de la blockchain modulaire est relativement nouveau et constitue l'un des développements les plus récents en 2024. Une blockchain modulaire, comme Celestia, divise les fonctionnalités de la blockchain en couches, telles que l'exécution, le consensus et la disponibilité des données. Cela signifie que chaque nœud n'est plus obligé de tout faire. Les nœuds peuvent se spécialiser sur une couche, ce qui réduit généralement la charge du réseau.

Comprendre les rollups

Les rollups offrent généralement une solution de scalabilité robuste, sans jamais s'écarter de la blockchain principale pour des raisons de sécurité et de disponibilité des données. En résumé, ils regroupent plusieurs transactions par lot, réduisant ainsi la charge sur la couche de base, nécessaire au consensus et à la disponibilité des données.

Fonctionnement des rollups :

Si vous effectuez de petits transferts de cryptomonnaies et que vous avez le temps d'attendre quelques minutes ou heures avant que votre transaction soit vérifiée, un rollup n'est peut-être pas nécessaire. En revanche, si vous avez besoin de transactions importantes, de délais de confirmation plus rapides ou d'un grand nombre de transactions, les rollups représentent un avantage considérable.

Au 7 octobre 2024, les prix du gas sur les rollups Ethereum tels qu'Optimism, Arbitrum et zkSync variaient généralement entre 0,001 et 0,02 ETH, 0,0015 et 0,015 ETH et 0,001 et 0,005 ETH, respectivement.

Par conséquent, si vous possédez des cryptomonnaies sur Ethereum et souhaitez économiser des frais ou du temps, utiliser un rollup est une option judicieuse.

Voici le déroulement habituel : vous ouvrez votre portefeuille, par exemple MetaMask ou WalletConnect, et si votre solde est détenu sur le réseau principal Ethereum, vous le reliez à un rollup, comme zkSync.

Vous pouvez ensuite simplement envoyer des transactions entre comptes zkSync. Simple et efficace ! Mais comment cela fonctionne-t-il en arrière-plan d'un rollup ?

1. Traitement hors chaîne : Dans les blockchains modulaires comme Celestia, la majorité des calculs hors chaîne, comme l'exécution des transactions et le traitement des contrats intelligents, s'effectue sur la couche de cumul, ce qui décharge la chaîne principale. Au lieu d'exécuter chaque transaction directement sur la blockchain principale, les cumuls regroupent des millions de transactions en un seul paquet, réduisant ainsi la charge de calcul.
2. Soumission par lots : Une fois traitées hors chaîne, les transactions sont envoyées ensemble à la chaîne principale dans une soumission groupée. La soumission est de taille minimale et ne contient que les données nécessaires à la vérification, bien plus réduites que le traitement individuel de chaque transaction sur la chaîne de base.
3. Disponibilité des données sur la chaîne : L'exécution est effectuée hors chaîne, mais les données doivent être disponibles pour être vérifiées et parvenir à un consensus. Les cumuls publient des preuves de données compressées, des preuves de validité ou de fraude, pour permettre une vérification ouverte des transactions sur la chaîne principale. Deux types de preuves de cumul sont disponibles : les preuves de validité (utilisées par les cumuls ZK) et les preuves de fraude (utilisées par les cumuls optimistes).
4. Dépendance de sécurité de la couche 1 : Les rollups reposent toujours sur la sécurité et le consensus de la chaîne de la couche 1. Si le rollup est optimiste, n'importe qui peut contester la validité des transactions grâce à des preuves de fraude. Dans les rollups ZK, la preuve de validité garantit que seules les transactions valides sont acceptées. Nous y reviendrons dans un instant, soyez patients !
5. Finalité des transactions : Une fois le lot de transactions réglé sur la blockchain de la couche 1, les transactions qu'il contient sont définitives. Selon que le rollup est optimiste ou basé sur ZK, la finalité peut être quasi instantanée.

Il est temps d'aborder les différents types de rollups, car vous avez certainement des questions.

Explication des rollups optimistes

Optimism et Arbitrum sont des implémentations très populaires des rollups optimistes, mais d'autres solutions notables sont Base, Metis et Cartesi.

D'autres solutions notables sont Base, Metis et Cartesi.

Les rollups optimistes sont une catégorie de solutions de mise à l'échelle de couche 2 visant à augmenter le débit d'Ethereum en exécutant des transactions hors chaîne.

Les rollups optimistes considèrent les transactions comme valides par défaut, d'où le nom « optimiste » pour désigner cette méthode de vérification.

Au lieu de vérifier toutes les transactions sur la chaîne, les rollups optimistes se contentent de transmettre un résumé par lot d'une transaction à la couche 1 d'Ethereum, déchargeant ainsi la couche 1 de sa charge de calcul et de stockage, et réduisant ainsi sa charge de calcul et de stockage. Cette méthode est très différente des rollups zk qui s'appuient sur des preuves cryptographiques pour vérifier la validité des transactions. Le modèle de sécurité des rollups optimistes repose sur des preuves de fraude, permettant aux utilisateurs de contester les transactions frauduleuses pendant une période de contestation. Une fois les transactions réglées hors chaîne, un délai, généralement plusieurs semaines, est prévu pour que chacun puisse contester une transaction douteuse en fournissant une preuve de fraude. En cas de fraude détectée, le système réexécute la transaction afin de vérifier sa légitimité. Il allie évolutivité et sécurité en permettant à la plupart des transactions d'être traitées sans vérification directe, tout en permettant d'annuler les activités malveillantes. Les rollups optimistes comme Arbitrum et Optimism offrent des avantages en termes d'évolutivité grâce à la réduction des frais de gaz et à une capacité de transaction accrue. Ils sont donc idéaux pour les dApps optimisées pour réduire les frais de gaz et accroître la capacité de transaction. L'inconvénient réside dans un délai de finalisation plus long dû à la période de challenge, ce qui les rend moins adaptés aux opérations urgentes.

ZK Rollups : Une analyse approfondie

Les rollups à connaissance nulle (ZK) offrent une solution haut de gamme pour la mise à l'échelle, exploitant les preuves cryptographiques pour la validation et l'efficacité des transactions, en particulier pour Ethereum. Contrairement aux rollups optimistes, qui supposent que les transactions sont valides jusqu'à confirmation contraire, les rollups ZK utilisent des preuves cryptographiques pour garantir la validité de toutes les transactions d'un lot. L'utilisation de preuves cryptographiques fait des rollups ZK un choix robuste et sécurisé, notamment pour les utilisations où l'immédiateté et la finalité de haute confiance sont importantes. Le fonctionnement des rollups ZK implique une série d'étapes clés. Tout d'abord, comme les rollups optimistes, les rollups ZK exécutent les transactions hors chaîne. La différence réside toutefois dans l'approche par laquelle ils authentifient ces transactions : les rollups ZK génèrent des preuves de validité (zk-SNARK) des transactions par lots, permettant ainsi de vérifier leur intégrité avant leur soumission à la chaîne principale. Ensuite, pour un lot de transactions, les cumuls ZK génèrent une brève preuve cryptographique appelée zk-SNARK (Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge). Cette preuve vérifie l'exactitude de toutes les transactions d'un lot sans exposer les informations sous-jacentes et sans nécessiter la validation de chaque transaction par la blockchain principale.

Une fois le zk-SNARK généré, seuls la preuve et un petit segment de données spécifiques au lot doivent être envoyés à la blockchain principale.

Cela réduit la quantité de données et les frais de gaz pour le traitement des transactions.

Après la publication, la blockchain principale compare la preuve zk-SNARK aux données fournies.

En cas de validation, l'ensemble du lot est considéré comme valide sans autre vérification, ce qui permet une finalisation quasi instantanée.

Ce mécanisme de vérification rapide améliore considérablement l'expérience utilisateur, en particulier pour les cas d'utilisation où le timing est crucial.

En termes de sécurité et de confiance, les rollups ZK héritent de la sécurité de la blockchain de couche 1 de base (par exemple, Ethereum) et bénéficient d'un niveau de confiance élevé dans l'exactitude des transactions grâce aux preuves cryptographiques. Cette approche réduit les risques de fraude pouvant survenir pendant la période de défi des rollups optimistes.

Les avantages des rollups ZK sont considérables. Ils améliorent considérablement l'évolutivité grâce à un multiplicateur important du débit des transactions et à des frais de gaz réduits, car ils regroupent efficacement plusieurs transactions en une seule preuve. Grâce à leur finalité quasi instantanée, les zk-SNARK sont particulièrement adaptés aux applications où les transactions doivent être confirmées immédiatement, comme les paiements et les échanges. De plus, les rollups ZK renforcent l'anonymat des utilisateurs, car les détails des transactions spécifiques sont masqués dans les preuves présentées à la blockchain principale. Ils sont donc parfaitement adaptés aux applications exigeant une confidentialité accrue. Des offres populaires de rollups ZK, comme zkSync et StarkWare, ont intégré l'écosystème Ethereum grâce à leur efficacité. Ces offres ont gagné en popularité au sein de l'écosystème Ethereum grâce à leur efficacité et à l'utilisation d'une technologie à connaissance nulle de nouvelle génération. En octobre 2024, les frais de gaz des rollups ZK comme zkSync variaient entre 0,001 et 0,005 ETH, ce qui constitue un argument de vente majeur pour les utilisateurs souhaitant économiser de l'argent tout en effectuant des transactions plus rapidement.

Le concept L2-MEV

La MEV, ou Valeur Maximale Extractible, est le profit obtenu en réorganisant les transactions dans les réseaux blockchain. Depuis sa définition officielle dans l'article « Flash Boys 2.0 » en 2019, la MEV est devenue un sujet brûlant, notamment avec l'avènement des solutions L2 telles que les rollups. La MEV est ce que les robots d'arbitrage tentent d'extraire dans les transactions DEX, et les mineurs et validateurs peuvent générer des profits grâce à la réorganisation des transactions. Le séquenceur joue également un rôle prépondérant dans l'extraction de la MEV lors des rollups, en gérant l'ordre des transactions et la soumission des blocs à la couche 1. Le problème est que la plupart des rollups L2 Ethereum existants disposent d'un seul séquenceur centralisé qui domine l'ordre des transactions. Ce séquenceur centralisé exerce un contrôle important sur l'extraction de la MEV, affectant ainsi l'ordre des transactions et les profits. Cependant, la taille de la MEV extractible varie d'un rollup à l'autre en fonction du mécanisme de séquençage. Dans le système « premier arrivé, premier servi » d'Arbitrum, l'ordre des transactions s'effectue par ordre de réception, ce qui limite la possibilité de manipulation de la MEV.

Le séquenceur d'Optimism, en revanche, offre un contrôle plus strict de l'ordre des transactions, offrant une plus grande flexibilité pour l'extraction de la MEV.

Néanmoins, Optimism dispose de contrôles, c'est-à-dire de fenêtres temporelles pour la publication des transactions, qui limitent l'utilisation maximale de ce pouvoir par le séquenceur.

Avec la feuille de route d'Ethereum axée sur les rollups, et en anticipant l'avenir où 99 % des transactions se dérouleront sur les L2 à mesure que les rollups prendront forme, déployer des rollups avec des mécanismes permettant de réduire la course à l'extraction de MEV sera crucial pour garantir l'équité et l'efficacité du réseau.

Impact de L2-MEV sur Ethereum

L'adoption de la couche 2 a transformé l'écosystème Ethereum, notamment la dynamique de la valeur maximale extractible (MEV). Avec l'évolution d'Ethereum grâce aux rollups, le séquençage des transactions et la dynamique d'extraction de MEV se déplacent vers ces réseaux L2, où les séquenceurs, centralisés ou décentralisés, contrôlent l'ordre des transactions. Cela a une série de conséquences pour Ethereum dans son ensemble :

1. Évolutivité avec compromis

   Les solutions L2 comme Optimism et Arbitrum améliorent considérablement l'évolutivité d'Ethereum en abandonnant sa blockchain de couche 1. Cependant, la centralisation des séquenceurs crée un goulot d'étranglement qui peut accroître le potentiel d'extraction de MEV. La feuille de route d'Ethereum, centrée sur les rollups, devrait offrir une plus grande évolutivité, mais perturbe l'équilibre avec un séquençage équitable des transactions.

   Les séquenceurs centralisés non entravés peuvent exploiter l'ordre des transactions au détriment de l'esprit de décentralisation d'Ethereum, ce qui peut entraîner une hausse des prix ou favoriser certaines transactions, sacrifiant ainsi l'esprit décentralisé d'Ethereum.

2. Décentralisation des séquenceurs

   L'une des initiatives actuelles contre l'extraction de MEV consiste à décentraliser la fonction de séquenceur. Le déploiement de protocoles de séquençage décentralisés ou de systèmes de séquenceurs compétitifs peut neutraliser les attaques MEV et s'inscrire dans les objectifs de décentralisation d'Ethereum. Les rollups peuvent potentiellement réduire les abus de MEV. Ceci est d'autant plus important qu'Ethereum est de plus en plus ouvert aux technologies L2. La décentralisation serait conforme à l'objectif à long terme d'Ethereum, qui vise à décentraliser les transactions et à renforcer la sécurité globale du réseau.

3. Incitations économiques et enchères MEV

   Avec la généralisation croissante des MEV, certains L2 testent déjà les enchères MEV. Le profit de l'extraction des MEV revient aux validateurs ou aux utilisateurs finaux, au lieu d'être récolté par le séquenceur. Ce protocole pourrait redéployer les incitations économiques pour atténuer les effets néfastes des MEV, de sorte que la valeur revienne à l'ensemble de l'écosystème Ethereum plutôt que d'être concentrée sur quelques-uns.

4. Expérience utilisateur et frais de gaz

   L'extraction MEV L2 peut entraîner des frais de transaction plus élevés et un retard de finalisation, en particulier pour les rollups avec des séquenceurs centralisés capables de réorganiser les transactions à des fins lucratives. En revanche, des rollups plus décentralisés ou plus sophistiqués, minimisant l'extraction des MEV, peuvent offrir une expérience plus économique, à faible latence et plus sécurisée.

   La baisse des prix du gaz sur les couches 2 pourrait également permettre à Ethereum d'atteindre une adoption plus large. Cependant, le défi consiste à garantir l'équité dans l'ordonnancement des transactions entre ces solutions.

5. Considérations de sécurité

   Plus le nombre de transactions traitées sur la couche 2 est élevé, plus la sécurité d'Ethereum reposera sur les techniques de gestion des MEV dans les cumuls de couche 2. Les cumuls malveillants facilitant l'extraction excessive de MEV pourraient saper la confiance dans le réseau, tandis que les cumuls avec preuves de fraude/validité, séquenceurs décentralisés et limites de MEV amélioreront la sécurité et la décentralisation d'Ethereum.

Plus précisément, si les solutions L2 comme les cumuls offrent une voie d'avenir convaincante pour l'évolutivité d'Ethereum, elles créent de nouveaux problèmes pour la MEV L2 d'Ethereum. Le succès de l'avenir d'Ethereum basé sur les cumuls dépend de la résolution de ces problèmes par la décentralisation, l'ouverture et le rééquilibrage économique, rendant Ethereum à la fois évolutif et équitable.