Les layer 3, des blockchains spécialisées à la scalabilité fractale

Qu’est-ce qu’un layer 3 ?

Victime de leur adoption, les solutions de scalabilité de la blockchain Ethereum, dont le but est de décongestionner ce dernier, doivent faire face au problème même qu’elles doivent résoudre. Pour pallier cette flambée des frais, les développeurs décident de se pencher sur la création de réseaux de niveau 3. Ces derniers bénéficient de la sécurité de la blockchain mère par récursion.

À l’inverse des layer 1 et 2, la 3e couche est dite « à usage spécifique ». Autrement dit, chaque blockchain de layer 3 est construite avec une utilisation en tête, pour laquelle elle sera optimisée. Cette séparation des usages permet aux layer 3 d’être très efficaces en plus de bénéficier d’une scalabilité fractale.

À l’heure d’écriture de ces lignes, le développement de solutions de layer 3 n’en est qu’à un stade infantile. Pour le moment, seuls Avalanche et StarkWare se penchent sérieusement sur cette option afin d’améliorer l’expérience de leurs utilisateurs.

Construire une blockchain à smart contracts en couches

Le trilemme de la blockchain

Lors de la conception d’une blockchain, les développeurs doivent faire face au fameux trilemme de la blockchain. Celui-ci peut être représenté sous la forme d’un triangle dans lequel chaque sommet correspond à un paramètre crucial d’une blockchain : sécurité, scalabilité, décentralisation.

Figure 1 : Le trilemme de la blockchain 

Ce trilemme est notoire du fait qu’il n’a jamais été résolu parfaitement. Il est très commun d’avoir une blockchain qui coche deux des cases, alors que réunir les 3 caractéristiques reste pour le moment un mirage. Par exemple, Ethereum (ETH) coche les cases de la sécurité et de la décentralisation tandis que Ripple (XRP) coche celles de la sécurité et la scalabilité, délaissant complètement la décentralisation.

Figure 2 : Les différentes couches de la technologie de la blockchain

Une possible solution à ce trilemme est l’instauration de couches au-dessus d'une blockchain mère. De cette façon, la blockchain mère n’aurait à s’occuper que de la sécurité et de la décentralisation tandis que les couches supérieures pourraient se focaliser sur la scalabilité.

Les layer 1

L’idée d’une blockchain sous forme de couches n’est pas nouvelle. En effet, les premiers réseaux décentralisés comme Bitcoin ou Ethereum utilisaient déjà cette architecture à leur création. Les blockchains comme on les entend aujourd’hui sont en réalité des layer 1. Elles sont le premier échelon de la pyramide des couches et ne dépendent sur aucune autre blockchain (les layer 0 étant des ensembles de composants comme des mineurs et non des blockchains).

Dans la grande majorité des cas, les layer 1, et notamment celles dont le but est d’accueillir des applications décentralisées, font le choix de la sécurité et de la décentralisation. La raison de ce choix est qu’il est très compliqué, voire impossible, d’améliorer ces deux paramètres aux couches supérieures.

Il existe tout de même des contrexemples, comme Solana (SOL) ou la BNB Chain (BNB). Ces solutions ont toutes deux été construites avec la scalabilité au cœur des réflexions. De ce fait, la décentralisation et la sécurité ont toutes deux été délaissées.

Les layer 2

Les layer 2 sont en quelque sorte des surcouches reposant sur un layer 1. Celles-ci prennent la forme de blockchains à part entière et interviennent dans le but de décongestionner la blockchain mère. Leur rayon d’action étant limité par la dépendance à la sécurité des couches inférieures, la très grande majorité des layer 2 se focalise sur la scalabilité. Les solutions comme Optimism, Arbitrum ou Polygon sont de parfaits exemples de layer 2 cherchant à soulager leur blockchain mère, Ethereum, par le biais d’une blockchain plus rapide et moins coûteuse.

Bien que focalisés sur la scalabilité, certains protocoles choisissent de se focaliser sur l’anonymat et la confidentialité. C’est le cas de solutions comme Aztec ou Nightfall sur Ethereum.

Cette architecture à deux couches a permis à certaines blockchains comme Ethereum de se rapprocher de plus en plus de la résolution du trilemme de la blockchain. Bien que l’intégration ne se fasse pas sans friction, les layer 1 s’occupent de la sécurité et de la décentralisation tandis que les layer 2 permettent d’en améliorer la scalabilité.

Le problème de l’architecture à deux couches

La grande majorité des layer 2 sont des blockchains polyvalentes. Autrement dit, elles peuvent accueillir tous types d’applications décentralisées. Sur Polygon par exemple, on peut voir cohabiter des exchanges décentralisés comme Uniswap avec des plateformes de token non fongibles (NFTs) comme OpenSea.

Cette polyvalence, bien que pratique à l’égard des utilisateurs, comporte son lot de problèmes, le principal étant la congestion. En effet, la faiblesse des coûts de transactions et la rapidité de la solution a pour principale conséquence l’afflux, non seulement de nouveaux utilisateurs, mais également d'habitués de la layer 1 cherchant une blockchain plus rapide et moins coûteuse. On appelle cette limite la vampirisation de la blockchain mère.

Au-delà de l'abondance de nouveaux utilisateurs, la nature polyvalente des layer 2 attire de nouveaux protocoles de tout horizon qui veulent se déployer sans avoir à payer des frais exorbitants. Ainsi, une personne voulant simplement échanger une cryptomonnaie contre une autre peut être exposée contre son gré à l’explosion des frais dû aux protocoles de NFT. Avec ces trois phénomènes additionnés, les layer 2 peuvent se voir faillir à leur but premier : réduire les frais et offrir une expérience décongestionnée.

Figure 3 : Historique des frais de la blockchain Polygon

Cette congestion des layer 2 intervient notamment lors des effets de mode. Polygon est l’une des premières solutions à en avoir fait les frais, lors de la montée en puissance des applications « Play-to-Earn », ces jeux vidéo dans lesquels les joueurs sont rémunérés pour jouer.

L’une des solutions à cette flambée des prix due à la polyvalence et à la faiblesse des coûts de ces layer 2 est le développement d'une nouvelle couche de niveau 3.

Les layer 3 : des blockchains scalables à usage spécifique

Une hyper scalabilité fractale

Pour faire très simple, les layer 3 sont aux layer 2 ce que sont ces derniers aux blockchains comme Ethereum ou Bitcoin. Le développement des layer 3 intervient dans un but de résoudre le problème dû à la polyvalence des blockchains de niveau 2. À l’instar de ces dernières, la troisième couche repose sur tous les échelons qui la précèdent.

L’avantage principal de cette architecture est la scalabilité fractale qu’elle engendre. En effet, si chaque surcouche permet de multiplier la capacité de traitement par 1 000, on peut très vite arriver à une solution capable de traiter plus d’un million de transactions à la seconde.

Cette hyper scalabilité fractale permet notamment le déploiement d’applications à haut débit comme les jeux vidéo, les protocoles de paiements ou les réseaux sociaux. Jusqu’à présent, les versions centralisées de ces secteurs écrasaient leurs homologues décentralisés de par leur quasi-gratuité.

Les blockchains de niveau 3 dérivent leur sécurité des layer 2 sur lesquelles elles reposent, à l’instar de ces dernières avec leurs blockchains mères. Ainsi, la sécurité des layer 3 s’apparente à une pyramide dans laquelle tout repose sur l’échelon le plus bas par récursion.

Figure 4 : Architecture d'un layer 3

Des solutions à usage spécifique

Au-delà de cette hyper scalabilité mathématique due à l’empilement des couches, les layer 3 profitent également de leur spécialisation. Ce sont des blockchains dites « application specific ». En d'autres termes, et à l’inverse de la majorité des layer 1 et 2, une solution de niveau 3 est créée avec un usage spécifique en tête.

Le Lightning Network de Bitcoin est un exemple parfait de ces blockchains à usage spécifique. Celui-ci n'intègre que les transactions pair à pair ce qui lui permet de pouvoir traiter près d’un million de transactions à la seconde. Sorare, la célèbre application française mêlant fantasy football et blockchain, annonce également en juillet 2019 se déployer sur une version personnalisée de StarkNet, un layer 2 d’Ethereum.

La séparation en plusieurs blockchains à usage spécifique a pour avantage principal de séparer les utilisations et donc d’apporter une scalabilité horizontale. Chaque protocole ou secteur pourra non seulement bénéficier d’une blockchain développée sur mesure, mais son adoption ne se fera pas au détriment de l’expérience utilisateur globale.

Comme brièvement mentionné auparavant, ces blockchains bénéficieront d’une suite de paramètres et outils personnalisés pour satisfaire au mieux ses exigences. Un protocole de GameFi pourra par exemple privilégier un réseau rapide tandis qu’un réseau dédié aux exchanges décentralisés aura la sécurité et le débit au centre des préoccupations. Les applications expérimentales pourront également être déployées sur des réseaux canari, plus rapides et très peu coûteux, sans entraver les protocoles plus matures (comme Kusama le fait avec Polkadot).

Un exemple de layer 3 : StarkNet

À l’heure d’écriture de ces lignes, le développement de solutions de niveau 3 en est encore à ses débuts. En effet, bien que de grandes blockchains comme Avalanche aient déjà évoqué l’idée d’une scalabilité fractale grâce au déploiement de rollups sur les subnets, c'est l’équipe de StarkWare qui est la seule à s’être réellement investie dans une recherche détaillée sur les layer 3.

StarkWare développe depuis 2018 des solutions de scalabilité pour Ethereum. Parmi leurs produits actuels, on retrouve StarkNet, un layer 2 de ZK Rollup, mais également un moteur de développement nommé StarkEx, permettant le déploiement d’exchanges décentralisés scalables. Ce dernier est notamment utilisé par des géants comme dYdX ou Sorare. Cependant, à l’heure d’écriture de ces lignes, StarkEx et StarkNet sont tous deux des layer 2 et sont donc entièrement séparés l’un de l’autre.

L’idée de StarkWare est de créer un unique réseau de niveau 2, un nouveau StarkNet, reposant sur Ethereum directement. Il serait ainsi le seul à bénéficier directement de la sécurité de sa blockchain mère. De nombreux layer 3 seraient ensuite construits sur cette couche unique (dont l'actuel StarkEx), ainsi créant un écosystème de blockchains spécialisées scalables.

Figure 5 : Écosystème du réseau StarkNet

Un exemple d'un tel écosystème est illustré dans le schéma ci-dessus. On peut y distinguer plusieurs applications potentielles:

• Des StarkEx utilisant la technologie des rollups ou celle des validium pour les exchanges décentralisés comme dYdX ou les jeux comme Sorare ;
• Des forks de StarkNet focalisée sur différents aspects comme la sécurité, l’anonymat ou encore la scalabilité ;
• Des réseaux StarkNet classiques à utilisation générale afin de simplement bénéficier de la scalabilité fractale ;
• Des StarkNet spécifiques à certaines applications décentralisées. On peut par exemple penser à un layer 3 dédié entièrement à Uniswap pour non seulement décongestionner la couche mère, mais aussi pour en améliorer les performances et l’expérience utilisateur.

Les layer 3, une étape intermédiaire avant la scalabilité infinie

Les layer 3 promettent une hyper scalabilité couplée à un meilleur contrôle de la pile technologique ainsi qu’une fragmentation de la base utilisateur tout en conservant les garanties de sécurité fournies par Ethereum ou une autre blockchain mère. Ceci aytn pour but de décongestionner les blockchains de layer 2, censées résoudre ce même problème de frais.

Au-delà des layer 3, des entreprises comme StarkWare proposent également de continuer dans cet élan d’empilement de couches en créant des layer 4. Ceux-ci reposeraient alors sur les couches de niveau 3 et permettraient une scalabilité quadratique, au-delà des espérances et nécessités des utilisateurs actuels.

Cet empilement des couches de scalabilité à usage spécifique pourrait permettre aux blockchains actuelles d’atteindre les niveaux de vitesses de géants centralisés comme Visa ou Mastercard.

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

Sources graphiques : Figure 1 : Fingo ; Figure 2 : Cryptoast ; Figure 3 : PolygonScan ; Figures 4 et 5 : StarkWare

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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