Les layer 2, des solutions scalables pour les blockchains actuelles

Un layer 2, c’est quoi ?

Au centre de discussions houleuses concernant la scalabilité de leur technologie, les blockchains de layer 1 telles qu’Ethereum (ETH) ou Bitcoin (BTC) doivent se démener afin de garder le contact avec les concurrents technologiquement plus avancés.

Pour les aider, de nouvelles solutions, des blockchains dites de « layer 2 », ont vu le jour. Et ce, alors même que des modifications plus profondes et complexes, telles que The Merge pour Ethereum, sont dans les tuyaux.

Ces blockchains de layer 2, plus rapides, cherchent à construire une surcouche reposant sur une blockchain mère. Cette surcouche a pour avantage principal de bénéficier de la sécurité du réseau sur lequel elle repose. Ainsi, ces blockchains à usage général sont en mesure de ne se focaliser que sur la scalabilité de leur solution.

Principalement dédiées à Ethereum, voici une liste non exhaustive des solutions de layer 2 développées pour cette blockchain :

• Polygon ;
• Optimism ;
• Arbitrum ;
• Loopring ;
• Metis ;
• Starknet.

Les blockchains actuelles et leurs problèmes de scalabilité

La blockchain, une technologie sous forme de couches

On appelle « layers » les couches nécessaires au fonctionnement d’une blockchain. Chaque couche est dépendante de celles qui la précèdent, l’inverse n’étant pas vrai. Historiquement, les blockchains comme Ethereum, Bitcoin ou Monero ne requièrent que deux couches.

La couche fondatrice, ou layer 0, contient toute l’infrastructure permettant à une blockchain de fonctionner. On y retrouve notamment le réseau de mineurs/validateurs, les nœuds ou plus généralement Internet. Étant le socle de la pyramide, cette couche est par conséquent devenue le berceau de l’interopérabilité.

Les layer 1 sont ce à quoi l’on se refère lorsque l’on parle d’une blockchain. En effet, cette couche contient tout ce qui fait la particularité de ces réseaux : blocs, méthodes de consensus, transactions, couches de calcul, etc.

? Pour aller plus loin – Les layer 0, fondations de la blockchain où règne l'interopérabilité

Le trilemme de la blockchain

Lors de la conception d’une blockchain et de son architecture, il est nécessaire de faire des choix. Le plus conséquent est celui du trilemme de la blockchain, notoirement reconnu comme étant impossible à résoudre.

Celui-ci prend le plus souvent la forme d’un triangle dont les extrémités sont des paramètres techniques d’une blockchain : sécurité, scalabilité et décentralisation. Lors de la création d’une blockchain, il est nécessaire de compromettre au moins l’un des pôles de ce trilemme.

Figure 1 : Le trilemme de la blockchain 

Le problème de la scalabilité sur les layer 1

Les blockchains populaires de layer 1, victimes de leur adoption, se sont retrouvées de nombreuses fois au cœur de discussions animées, autour de leur manque de scalabilité.

Les CryptoKitties et ICOs en 2017 ou la finance décentralisée (DeFi) et les tokens non fongibles (NFTs) en 2020-2021 ont tous deux déclenché de larges saturations du réseau Ethereum. Durant l’année 2021, les frais moyens d’une transaction dépassaient souvent les 50 $ sur la blockchain Ethereum. De leur côté, les utilisateurs du réseau Bitcoin se voyaient imposer de payer plus de 30 $ pour effectuer une simple transaction entre deux adresses.

Pour pallier à ce manque de scalabilité, il existe deux solutions majeures : la scalabilité « on-chain » et « off-chain ».

La scalabilité « on-chain », une méthode trop complexe

La scalabilité on-chain consiste en une modification de la blockchain en elle-même afin d’en améliorer les performances. The Merge (Ethereum) en est un exemple parfait. Le problème d’une telle solution est qu’une amélioration de la scalabilité sur le layer 1 se fait forcément aux dépens de la sécurité et de la décentralisation.

En effet, améliorer la performance d’une blockchain requiert des machines plus puissantes, et donc moins disponibles. Ainsi, il y aura potentiellement moins de validateurs et par conséquent la sécurité s’en verra amoindrie. S’ajoute à cela une méthode de consensus plus permissive, débouchant ainsi sur une blockchain affaiblie.

De plus, dans la majorité des cas, cette méthode implique la migration de la blockchain vers son successeur, et donc de milliards de dollars. Pour mener à bien une telle opération – comparable à celle de transférer tous les passagers d’un train vers un autre, sans les arrêter – beaucoup de temps et de ressources sont nécessaires.

Les layer 2 : des solutions ouvrant la voie de la scalabilité

Des protocoles à part entière dépendants de leur blockchain mère

Contrairement à la scalabilité on-chain, les layer 2 sont des solutions dites « off-chain ». Autrement dit, ce sont des protocoles à part entière dont l’objectif principal est de décharger la blockchain mère.

Ces protocoles sont construits suivant une philosophie radicalement différente. En effet, là où les layer 1 classiques privilégient la sécurité et la décentralisation, il est primordial pour les layer 2 d’avantager la scalabilité. L’avantage considérable des layer 2 vient de leur dépendance à leur blockchain mère, héritant ainsi de leur sécurité.

Pour ce faire, plusieurs méthodes existent, lesquelles seront expliquées plus tard dans cet article. Toutefois, toutes ces méthodes reposent sur un principe simple : combiner plusieurs transactions en une seule et unique opération. Cette dernière est alors envoyée sur la blockchain mère, où elle sera validée.

Des protocoles aux multiples avantages

Étant donné la nature des layer 2, et leur liberté de développer l’un des axes du trilemme de la blockchain, celles-ci présentent de nombreux avantages cruciaux :

• En combinant plusieurs transactions en une seule, les frais sont massivement réduits, ce qui rend la blockchain principale plus utilisable à grande échelle. À l’heure de l’écriture de ces lignes, une transaction sur les layer 2 d’Ethereum coûte en moyenne 0,05 $, contre 0,6 $ sur le réseau principal.
• Les blockchains de niveau 2 finalisent leurs transactions sur le réseau principal. Cela permet aux utilisateurs de bénéficier de la sécurité de la blockchain mère.
• Grâce à l’augmentation du nombre de transactions par seconde et à la baisse des frais, l’expérience utilisateur et les performances n’en sortiront qu’améliorées. En effet, là où Ethereum ne peut traiter que 15 transactions par seconde, les layer 2 permettent de multiplier ce nombre par près de 1000.

État des lieux des solutions actuelles de layer 2

Les channels, des canaux de communication

Les channels, sont en quelque sorte des canaux de communications entre deux adresses distinctes. Ces protocoles peer-to-peer sont les premières solutions à avoir vu le jour de par leur simplicité. Ils permettent à leurs utilisateurs d’effectuer un nombre presque illimité de transactions à très fort débit (plus de 1000 TPS). Toutes ces transactions sont effectuées hors de la blockchain mère, et seul le résultat final sera posté sur le réseau principal.

Pour permettre à cette technologie de fonctionner, les deux utilisateurs du canal doivent créer un contrat dit « multisig » en y ajoutant des fonds. Ces contrats ne sont activables que si les deux adresses donnent leur accord, constituant le principal désavantage de cette technologie. En effet, les deux utilisateurs doivent en quelque sorte s’inscrire au préalable, en plus de ne pouvoir réaliser qu’un seul type de transaction.

Une fois signé, le contrat permet aux utilisateurs d’effectuer leurs opérations off-chain jusqu’à la clôture du canal. À terme, une unique transaction sera envoyée sur le réseau principal afin de valider toutes les autres.

Cette technologie a été l’une des premières à voir le jour en matière de solutions de scalabilité. Ainsi, peu d’entre elles sont encore utilisées aujourd’hui. On retrouve notamment Lightning Network sur Bitcoin ou Raiden sur Ethereum.

Figure 2 : Fonctionnement du lightning network de Bitcoin

? En savoir plus sur le fonctionnement du Lightning Network

Plasma, une technologie de sidechains avancées

Développée par les développeurs Joseph Poon et Vitalik Buterin, Plasma est une technologie permettant de créer des copies scalables et sécurisées d’une blockchain mère, appelées « child chains ». Ainsi, cette solution permet de réaliser tout type de transactions, à l’instar de blockchains classiques comme Ethereum. Contrairement aux sidechains classiques comme Gnosis, les child chains de Plasma s’appuient sur la sécurité du réseau principal.

Pour bénéficier de cette sécurité, plusieurs méthodes peuvent être utilisées, d’où la création de diverses copies de la technologie Plasma (MVP chez OmiseGo ou AVP chez Polygon). Dans la solution de Polygon, un instantané de la child chain est effectué à intervalle régulier, puis envoyé sur Ethereum. Ainsi, si un problème intervient sur le réseau de layer 2, le dernier instantané pourrait alors être utilisé comme une sauvegarde.

Figure 3 : Architecture de la Polygon PoS Chain, utilisant une variante de Plasma

? En savoir plus sur le hub de blockchains Polygon et son token MATIC

Les rollups, la technologie privilégiée pour les layer 2

À l’heure de l’écriture de ces lignes, la technologie des rollups est la plus utilisée de par son avantage technologique. Comme son nom l’indique, celle-ci peut être résumée à un enroulage de transactions en une seule et même opération. Les rollups sont en réalité de simples blockchains à preuve d’enjeu où les validateurs bloquent des ETH en l’échange d’une part des frais de transactions. De la même manière que Plasma, celles-ci sont des blockchains à usage général, leur donnant un avantage considérable face aux channels.

On pourrait les comparer à plusieurs fichiers dont on ne garderait que les informations nécessaires à leur intégrité, et que l’on compressait dans un fichier zip, plus léger et n’occupant qu’un seul emplacement. De cette manière, les frais sont considérablement réduits et le débit de la blockchain a largement augmenté.

Toutes les transactions sont effectuées sur le layer 2. Cependant, l’enroulage est quant à lui publié sur le réseau principal à intervalle régulier. De cette manière, la finalité des transactions dépend de la blockchain mère, garantissant ainsi la sécurité de la solution.

Figure 4 : Fonctionnement de la technologie des rollups

Il existe deux grands types de rollups : les optimistic rollups et les zero knowledge (ZK) rollups.

Les optimistic rollups

Les optimistic rollups partent du principe que toutes les transactions sont valides. Cela peut paraître très dangereux pour l’intégrité d’une blockchain, mais elles mettent également à disposition de tout le monde des « fraud proofs », des outils permettant à quiconque de prouver la validité d’une transaction.

Ainsi, et contrairement à une blockchain classique, les transactions sur les optimistic rollups ne sont pas vérifiées automatiquement, mais elles restent vérifiables. Par conséquent, cette technologie est très simple à mettre en place, augmentant ainsi la décentralisation de la blockchain mère.

Les zero knowledge (ZK) rollups

Contrairement aux optimistic rollups, les ZK rollups vérifient chaque transaction. Ceci est réalisé grâce à un algorithme complexe qui détermine de façon anonyme si la transaction est valide ou non. Cette opération est conduite par des relayeurs, qui doivent bloquer des fonds afin de prouver leur bonne foi.

Ce calcul, certes complexe, aboutit sur une preuve déterminant la différence de l’état de la blockchain avant et après la transaction. Le poids de cette information est très faible, conduisant à une solution plus scalable que les optimistic rollups. Cependant, sa complexité en fait une blockchain moins décentralisée que ces dernières.

? En savoir plus sur les Optimistic rollups et les ZK rollups

Les layer 2, portes d’entrée aux réseaux scalables

Alors que les géants de niveau 1 tels que Bitcoin ou Ethereum voient constamment leurs réseaux saturés lors de moments critiques, des solutions doivent impérativement être développées. Bien qu’efficace, la modification profonde de la blockchain mère est trop complexe à mettre en place, en témoignent les nombreux retards de The Merge.

Les surcouches, ou layer 2, quant à elles, permettent de mettre à l’échelle les blockchains de layer 1 plus simplement et de façon très efficace. En effet, en bénéficiant de la sécurité du réseau principal, celles-ci ont alors la liberté de développer leur scalabilité au maximum. Plusieurs technologies tirant parti de cette libération ont dès lors été développées telles que les rollups, les channels ou encore Plasma.

Bien que ces surcouches permettent le déchargement des blockchains principales, elles connaissent également une adoption exponentielle due notamment à l’essor de la finance décentralisée (DeFi) et des tokens non fongibles (NFTs). Ainsi, elles doivent aujourd’hui faire face aux mêmes problèmes qu’elles étaient censées résoudre. Ceci est dû à une raison en particulier : la nature « usage général » de ces blockchains. C’est à ce niveau que les blockchains de niveau 3, ou layer 3, interviennent.

? Pour aller plus loin – Les layer 3, des blockchains spécialisées à la scalabilité fractale

Sources graphiques : Figure 1 : Fingo ; Figure 2 : BitPay ; Figure 3 : Polygon ; Figure 4 : Vitalik Buterin

Ingénieur de formation, je découvre la blockchain fin 2018. J’adore expliquer les concepts techniques et compliqués avec des mots simples.

Victor Morizon

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