Solutions blockchain Layer 1 et Layer 2 : comprendre les distinctions

Qu'est-ce que le trilemme de la blockchain (trilemme de la scalabilité)

Le trilemme de la blockchain, également appelé trilemme de la scalabilité, est un principe fondamental qui met en lumière le défi majeur du passage à l'échelle des réseaux distribués, dont les systèmes blockchain. Popularisé par Vitalik Buterin, cofondateur d'Ethereum, ce concept exprime la contrainte essentielle à laquelle les développeurs blockchain sont confrontés lors de la conception et de l'optimisation des réseaux.

Le trilemme de la blockchain se résume ainsi :

• Les réseaux distribués reposent sur trois propriétés fondamentales : décentralisation, sécurité et performance (scalabilité).
• Un système blockchain ne peut optimiser efficacement que deux de ces trois propriétés à la fois. Les concepteurs doivent nécessairement sacrifier une caractéristique pour garantir l'efficacité des deux autres.

Cette limite structurelle impose un équilibre complexe aux architectes blockchain. La décentralisation assure qu'aucune entité ne contrôle le réseau, préservant le caractère démocratique et sans confiance de la technologie blockchain. La sécurité protège le réseau contre les attaques et garantit l'intégrité des données. La performance, ou scalabilité, détermine la capacité du réseau à traiter un nombre de transactions donné sur une période donnée. Le défi est que l'amélioration d'un ou deux de ces aspects se fait souvent au détriment du troisième, posant un dilemme d'optimisation permanent pour les développeurs blockchain.

Exemples du trilemme de la blockchain

Pour illustrer comment le trilemme de la blockchain se traduit concrètement, examinons trois modèles mis en œuvre par différents réseaux blockchain, chacun adoptant des compromis distincts entre les trois propriétés clés.

1. Approche traditionnelle. Bitcoin est l'exemple emblématique d'une blockchain traditionnelle. Ce type de système repose sur un vaste réseau de nœuds complets pour fonctionner. Cette architecture garantit un niveau élevé de sécurité et de décentralisation, car des milliers de nœuds indépendants valident les transactions et détiennent une copie complète du registre blockchain. Cela se fait en revanche au détriment de la performance : le consensus entre de nombreux nœuds ralentit le traitement des transactions, réduisant le débit et allongeant les délais de confirmation. Les performances de Bitcoin, autour de 7 transactions par seconde (TPS), illustrent ce compromis où la sécurité et la décentralisation priment sur la scalabilité.

2. Approche à haut débit. Ces réseaux blockchain fonctionnent avec un nombre limité de nœuds validateurs. La sélection rigoureuse des validateurs assure la sécurité tout en permettant un débit élevé. En réduisant le nombre de validateurs participant au consensus, ces réseaux accélèrent considérablement le traitement des transactions. Toutefois, cette optimisation se fait au détriment de la décentralisation. Avec moins de nœuds contrôlant le réseau, le risque de centralisation et de collusion entre validateurs augmente. Ce modèle est courant sur les plateformes blockchain plus récentes qui privilégient la rapidité et l'expérience utilisateur, acceptant une part de centralisation comme compromis.

3. Approche multi-chaînes. Les solutions d'interopérabilité et de communication inter-chaînes constituent une autre stratégie face au trilemme de la blockchain. En permettant à plusieurs chaînes de coopérer, ces systèmes atteignent des niveaux raisonnables de décentralisation et de scalabilité. Chaque chaîne peut se spécialiser dans des fonctions spécifiques, répartissant la charge sur plusieurs réseaux. Cependant, cette architecture accroît la complexité et les risques en matière de sécurité. La gestion des interactions entre chaînes crée de nouveaux vecteurs d'attaque et des vulnérabilités potentielles. Les protocoles de pont et les systèmes de messagerie inter-chaînes deviennent des points critiques dont le compromis peut affecter la sécurité de l'ensemble de l'écosystème.

Solutions Layer 1 VS Solutions Layer 2

Saisir la différence entre les solutions Layer 1 et Layer 2 est essentiel pour comprendre l'approche de l'industrie blockchain face au défi de la scalabilité. Ces deux familles proposent des philosophies distinctes pour améliorer la performance des blockchains et traiter le trilemme.

Qu'est-ce qu'une solution Layer 1

Les solutions Layer 1 impliquent des modifications fondamentales du protocole et de l'architecture d'une blockchain. Ces évolutions interviennent au cœur du réseau et modifient son fonctionnement intrinsèque. Le Layer 1 inclut diverses approches telles que l'évolution des mécanismes de consensus, l'augmentation de la taille des blocs, l'accélération de la création des blocs ou l'intégration du sharding.

Modifier le mécanisme de consensus peut signifier passer du Proof of Work au Proof of Stake, ou adopter de nouveaux algorithmes pour améliorer l'efficacité du traitement des transactions. Augmenter la taille des blocs permet d'inclure plus de transactions dans chaque bloc et d'améliorer le débit global. Accélérer la création des blocs réduit l'intervalle entre deux blocs et accélère la confirmation des transactions. Le sharding divise la blockchain en plusieurs chaînes parallèles (shards) qui traitent les transactions simultanément, augmentant fortement la capacité du réseau.

Avantages du Layer 1

• Impact fondamental : Les évolutions architecturales du Layer 1 offrent de nouvelles bases pour le développement et la croissance à long terme, en traitant la scalabilité à la racine et en apportant des améliorations durables aux capacités du réseau.
• Fonctionnalité étendue : Les solutions Layer 1 permettent l'intégration directe de nouveaux outils et fonctionnalités dans le protocole, ce qui facilite le support d'applications complexes sans recourir à des solutions externes.
• Bénéfices à l'échelle du réseau : Les améliorations Layer 1 profitent à l'ensemble des applications et des utilisateurs, offrant des gains de performance uniformes dans tout l'écosystème.
• Pérennité à long terme : En traitant la scalabilité au niveau du protocole, Layer 1 offre des améliorations durables sans nécessiter la gestion continue de systèmes séparés.

Inconvénients du Layer 1

• Délais de mise en œuvre longs : Concevoir et déployer les solutions Layer 1 demande beaucoup de temps, incluant des années de recherche, de développement, de tests et de déploiement progressif pour garantir la stabilité et la sécurité du réseau.
• Complexité accrue : Les changements Layer 1 sont plus complexes que les solutions Layer 2, requérant l'accord des participants, des tests poussés et une coordination rigoureuse pour éviter toute perturbation du réseau.
• Risque de hard fork : Les évolutions profondes du protocole peuvent provoquer des désaccords et des scissions du réseau, comme le montrent différents épisodes de hard forks historiques.
• Défis de coordination : La mise en œuvre des évolutions Layer 1 exige une coordination entre divers acteurs (développeurs, mineurs ou validateurs, utilisateurs), rendant le processus à la fois technique et politique.

Qu'est-ce qu'une solution Layer 2

Layer 2 désigne une infrastructure additionnelle superposée à la blockchain principale. Ces solutions déchargent une partie du traitement des transactions hors de la chaîne principale, allégeant sa charge, accélérant les transactions et réduisant fortement les coûts, tout en préservant les garanties de sécurité du Layer 1 sous-jacent.

Les solutions Layer 2 traitent les transactions hors de la chaîne principale et répercutent périodiquement les résultats sur la blockchain Layer 1. Cela permet des transactions rapides et peu coûteuses, tout en bénéficiant de la sécurité et de la décentralisation du socle. Les utilisateurs effectuent de nombreuses transactions sur Layer 2, seuls les états finaux étant enregistrés sur la blockchain principale.

Différents outils et méthodes existent dans l'écosystème Layer 2 :

• Blockchains imbriquées : Blockchains secondaires fonctionnant au-dessus de la chaîne principale, avec leurs propres mécanismes de consensus et règles, et qui inscrivent périodiquement leur état sur la chaîne mère.
• State Channels : Canaux hors chaîne permettant d'effectuer plusieurs transactions de façon privée, seul l'état final étant publié sur la blockchain principale à la clôture du canal.
• Sidechains : Blockchains indépendantes en parallèle de la chaîne principale, reliées par des ponts bidirectionnels qui permettent le transfert d'actifs et conservent des consensus et paramètres de blocs distincts.

Avantages du Layer 2

• Mise en œuvre non intrusive : Les solutions Layer 2 n'exigent pas de modification du protocole principal, peuvent être déployées indépendamment sans consensus global et facilitent l'évolution rapide.
• Atténuation du trilemme : Les solutions Layer 2 permettent d'atténuer le trilemme sans modifier substantiellement la chaîne principale, offrant scalabilité et réduction des coûts tout en préservant sécurité et décentralisation.
• Déploiement simplifié : La création et le lancement des solutions Layer 2 sont plus rapides et moins complexes, favorisant l'innovation et l'expérimentation.
• Flexibilité et innovation : Plusieurs solutions Layer 2 peuvent coexister sur la même blockchain Layer 1, chacune optimisée pour des usages et applications variés, créant un écosystème riche de solutions de scalabilité.
• Bénéfices immédiats : Les utilisateurs bénéficient instantanément d'une performance accrue et de coûts réduits grâce aux solutions Layer 2, sans attendre la mise à jour du protocole.

Inconvénients du Layer 2

• Défis d'interopérabilité : Les solutions Layer 2 peuvent accentuer les problèmes de compatibilité blockchain. Les différentes architectures Layer 2 communiquent mal entre elles, fragmentant l'écosystème et compliquant l'expérience utilisateur.
• Compromis de sécurité : Même si Layer 2 hérite de la sécurité du socle, il introduit ses propres hypothèses et vulnérabilités. Les mécanismes de liaison Layer 2/Layer 1 peuvent devenir des points d'attaque et le modèle de sécurité du Layer 2 doit être fiable.
• Solution symptomatique : Les solutions Layer 2 ne règlent pas les limites de scalabilité du socle, mais contournent le problème. Une adoption trop massive peut simplement déplacer la congestion du Layer 1 vers le Layer 2.
• Complexité pour l'utilisateur : Transférer des actifs entre Layer 1 et Layer 2 ou entre solutions Layer 2 peut être source de confusion et de friction, freinant l'adoption grand public.
• Fragmentation de la liquidité : Les actifs et la liquidité se dispersent sur différents Layer 2, réduisant l'efficacité du capital et compliquant les opérations financières.

FAQ

Qu'est-ce qu'une blockchain Layer 1 et Layer 2 ? Quelles sont leurs définitions de base ?

Layer 1 est la blockchain principale où les transactions sont inscrites. Layer 2 est une solution de scalabilité sur Layer 1 qui augmente le débit et la rapidité des transactions.

Quelles sont les différences majeures entre les blockchains Layer 1 et Layer 2 concernant la rapidité, le coût et la sécurité ?

Les blockchains Layer 1 offrent une sécurité supérieure mais des vitesses de traitement plus faibles et des coûts plus élevés. Les solutions Layer 2 accélèrent les transactions et réduisent les coûts, mais leur niveau de sécurité peut être inférieur à celui du Layer 1.

Quelles sont les principales solutions Layer 2 comme Rollups, Sidechains et State Channels, et quels sont leurs avantages et inconvénients ?

Les Rollups augmentent le débit et réduisent les frais, mais rencontrent des limites de scalabilité. Les Sidechains offrent de la flexibilité, reposant sur une sécurité indépendante. Les State Channels réduisent les coûts de transaction, mais nécessitent une relation de confiance entre les parties.

Pourquoi le Layer 2 est-il nécessaire ? Quels problèmes du Layer 1 nécessitent des solutions de scalabilité ?

Les blockchains Layer 1 sont limitées en débit et imposent des frais élevés. Les solutions Layer 2 traitent les transactions hors chaîne, ce qui accélère la rapidité et réduit les coûts, tout en maintenant la sécurité et la décentralisation du Layer 1.

L'utilisation du Layer 2 affecte-t-elle la sécurité des fonds ? Comment le risque se compare-t-il au Layer 1 ?

Les solutions Layer 2 garantissent une sécurité forte en s'appuyant sur Layer 1 pour le règlement final. Elles ajoutent des risques liés aux smart contracts, mais les Layer 2 reconnus disposent d'audits et de mécanismes robustes, assurant une sécurité comparable pour des transactions plus rapides et moins coûteuses.

Quand choisir Layer 1 ou Layer 2 pour ses transactions ?

Privilégiez Layer 1 pour les transactions importantes ou finales nécessitant une sécurité maximale. Utilisez Layer 2 pour des transactions fréquentes et de faible montant afin de réduire les coûts et d'accélérer la rapidité. Le choix dépend du montant, de la fréquence et de la finalité recherchée.

Quelles sont les solutions Layer 2 d'Ethereum telles qu'Arbitrum, Optimism et Polygon, et quelles différences présentent-elles ?

Arbitrum, Optimism et Polygon sont des solutions Layer 2 pour Ethereum. Arbitrum et Optimism reposent sur la technologie des optimistic rollups, Polygon sur les zk-rollups. Ils se distinguent par leurs mécanismes de consensus, le coût des transactions et la rapidité de finalité, offrant des compromis entre sécurité et débit.

Comment fonctionne le bridging inter-chaînes Layer 2 ? Comment les fonds transitent-ils entre Layer 1 et Layer 2 ?

Les bridges Layer 2 transfèrent les fonds entre couches via des smart contracts. L'utilisateur dépose ses actifs sur Layer 1, qui sont verrouillés pendant qu'un jeton équivalent est créé sur Layer 2. Les opérateurs gèrent les transferts via des pools de liquidité. Les retraits font l'opération inverse, brûlant le jeton Layer 2 et libérant les fonds Layer 1.