Layer 1 vs Layer 2 : Analyse complète

Solutions de scalabilité de couche 1

Les blockchains de couche 1 constituent la couche protocolaire essentielle d’un réseau blockchain. Les solutions de scalabilité de couche 1 visent à accroître la capacité du réseau en optimisant l’infrastructure fondamentale de la blockchain elle-même. Elles modifient le protocole central afin d’augmenter le débit des transactions, de diminuer la latence et d’améliorer la performance globale du réseau, sans recourir à des systèmes externes.

L’approche principale de la scalabilité de couche 1 consiste à modifier en profondeur l’architecture de la blockchain, son mécanisme de consensus ou sa structure de données. Cette stratégie de modification directe garantit que les optimisations sont natives à la blockchain et préservent les propriétés de sécurité et de décentralisation qui fondent la valeur de cette technologie. En renforçant la couche de base, les solutions de couche 1 offrent un socle solide à l’ensemble de l’écosystème qui s’y construit.

Types de crypto-actifs de couche 1

Les différentes blockchains de couche 1 ont adopté des stratégies variées pour résoudre les défis de scalabilité. Comprendre leurs mises en œuvre permet d’illustrer la diversité des solutions dans l’écosystème blockchain :

• Ethereum : Est passé du Proof of Work (PoW) au Proof of Stake (PoS) lors d’une mise à niveau majeure appelée « The Merge ». Ce changement a fortement réduit la consommation d’énergie et accéléré la finalisation des transactions, préparant l’arrivée du sharding pour de futures évolutions de scalabilité.

• Cardano, Solana, Avalanche : Ces réseaux ont été conçus dès l’origine avec la scalabilité comme priorité. Ils reposent sur des mécanismes de consensus innovants et des architectures permettant un débit de transactions supérieur à celui des premières générations de blockchains.

• Bitcoin : Optimisé principalement pour la décentralisation et la sécurité, Bitcoin adopte une approche conservatrice face aux évolutions du protocole. Cela se traduit par des garanties de sécurité élevées, mais un débit limité par rapport aux blockchains plus récentes.

• Sui : Blockchain de couche 1 de nouvelle génération, spécifiquement conçue pour atteindre une scalabilité élevée, des coûts de transaction bas et une rapidité d’exécution grâce au traitement parallèle des transactions et à des structures de données innovantes.

Technologies de scalabilité de couche 1

Les blockchains de couche 1 utilisent plusieurs méthodes techniques pour améliorer la scalabilité tout en garantissant la sécurité et la décentralisation :

Ajustements de la taille des blocs et du temps de génération

Une méthode directe d’augmentation du débit consiste à modifier les paramètres des blocs. En augmentant la taille des blocs, davantage de transactions sont incluses à chaque bloc, ce qui accroît la capacité transactionnelle du réseau. Par exemple, passer de 1 Mo à 8 Mo permet d’intégrer huit fois plus de transactions par bloc.

Réduire le temps de génération des blocs permet également d’augmenter la fréquence de production des blocs et donc le débit global. Ces deux approches doivent cependant être équilibrées avec le temps de propagation sur le réseau et les contraintes de stockage, afin d’éviter les risques de centralisation.

Évolutions du mécanisme de consensus

La transition du Proof of Work, très énergivore, vers des mécanismes Proof of Stake plus efficients constitue une avancée importante en matière de scalabilité. Les mécanismes PoS réduisent la charge de calcul pour la validation des blocs, ce qui permet des confirmations plus rapides et une consommation énergétique plus faible.

Cette évolution ouvre la voie à des protocoles de consensus plus sophistiqués, capables de traiter les transactions plus efficacement tout en conservant des garanties de sécurité. La moindre consommation d’énergie rend aussi possible une augmentation de la fréquence de production des blocs.

Sharding

Le sharding est l’une des technologies de scalabilité de couche 1 les plus prometteuses. Cette approche segmente l’état du réseau blockchain en partitions parallèles appelées shards, chacune étant capable de traiter des transactions de façon indépendante. En permettant un traitement parallèle sur plusieurs shards, le débit total du réseau évolue proportionnellement au nombre de shards.

Par exemple, un réseau à 64 shards pourrait, en théorie, traiter 64 fois plus de transactions qu’un réseau mono-shard. Le sharding requiert cependant des mécanismes de coordination avancés pour garantir la sécurité et l’atomicité des transactions inter-shards.

Avantages

Les solutions de scalabilité de couche 1 présentent plusieurs atouts :

• Scalabilité élevée et efficacité économique : En optimisant le protocole de base, les solutions de couche 1 permettent d’augmenter sensiblement le débit tout en réduisant le coût unitaire des transactions, ce qui favorise l’accessibilité de la blockchain pour des usages quotidiens.

• Maintien de la décentralisation et de la sécurité : Contrairement à certaines solutions off-chain, les améliorations de couche 1 conservent les propriétés fondamentales de sécurité et de décentralisation, garantissant le fonctionnement sans confiance du réseau.

• Développement renforcé de l’écosystème réseau : Les optimisations de la couche de base bénéficient à toutes les applications et services construits au-dessus, dynamisant l’ensemble de l’écosystème.

Inconvénients

Malgré ces avantages, les solutions de couche 1 sont confrontées à certaines limites :

• Limites physiques fondamentales : Des contraintes telles que la latence réseau, la bande passante et les besoins de stockage imposent des plafonds stricts à la scalabilité d’une blockchain unique.

• Mécanismes de consensus lents : En particulier dans les systèmes Proof of Work, le consensus nécessite des ressources et du temps importants, ce qui limite la vitesse sauf à changer radicalement l’architecture.

Solutions de scalabilité de couche 2

Les solutions de couche 2 reposent sur une approche radicalement différente de la scalabilité. Plutôt que de modifier le protocole de base, elles ajoutent une infrastructure supplémentaire au-dessus de la blockchain existante, en déplaçant le traitement des transactions hors de la chaîne principale tout en s’appuyant sur ses garanties de sécurité.

L’objectif principal des solutions de couche 2 est de réduire la charge transactionnelle sur la blockchain principale grâce à des architectures off-chain. Elles traitent les transactions en dehors de la chaîne principale puis réinjectent régulièrement les résultats agrégés sur la blockchain de couche 1, ce qui permet d’augmenter le débit tout en maintenant la sécurité via des preuves cryptographiques.

Types de crypto-actifs de couche 2

Diverses solutions de couche 2 ont émergé, chacune avec des approches techniques spécifiques :

• zkSync, Starknet : Ces plateformes utilisent la technologie Zero-Knowledge Rollup (ZK-Rollup), qui regroupe des centaines de transactions en une seule preuve vérifiée sur la chaîne principale. Cette méthode apporte de solides garanties de sécurité tout en réduisant drastiquement les coûts de transaction.

• Lightning Network : Solution pionnière de couche 2 conçue pour Bitcoin, permettant des micropaiements instantanés à faible coût via des canaux de paiement off-chain, avec règlement périodique sur la blockchain Bitcoin.

• Optimism & Arbitrum : Ces plateformes mettent en œuvre les Optimistic Rollups pour faire évoluer Ethereum, considérant les transactions comme valides par défaut et n’effectuant des calculs qu’en cas de contestation, ce qui réduit considérablement la charge computationnelle.

Avantages

Les solutions de couche 2 offrent des avantages distincts :

• Pas d’impact sur la performance de la blockchain de base : En traitant les transactions off-chain, les solutions de couche 2 n’encombrent pas la blockchain principale, qui peut poursuivre ses fonctions de règlement et de sécurité de façon optimale.

• Exécution rapide des microtransactions : Les réseaux de couche 2 peuvent traiter des milliers de transactions par seconde, ce qui les rend idéaux pour les applications nécessitant un débit très élevé comme le jeu, les réseaux sociaux ou les micropaiements.

• Réduction des exigences de vérification et des frais superflus : En regroupant de nombreuses transactions en preuves ou lots uniques, les solutions de couche 2 réduisent drastiquement le coût unitaire, parfois par un facteur de 100 ou plus par rapport à la couche 1.

Inconvénients

Les solutions de couche 2 rencontrent également certains obstacles :

• Interopérabilité limitée entre blockchains : Le transfert d’actifs et de données entre différentes solutions de couche 2 et vers la couche 1 peut être complexe et chronophage, ce qui fragmente l’écosystème.

• Enjeux de confidentialité et de sécurité : Certaines solutions de couche 2 introduisent de nouveaux modèles de sécurité ou des hypothèses de confiance différentes de la couche de base, pouvant créer de nouveaux risques ou questionnements liés à la confidentialité.

Approches techniques des solutions de couche 2

Les solutions de couche 2 mettent en œuvre divers mécanismes techniques pour atteindre la scalabilité :

Rollups

Les rollups constituent la principale méthode de scalabilité de couche 2, regroupant plusieurs transactions et les soumettant à la chaîne principale sous forme d’une transaction unique :

• ZK Rollups : Utilisent des preuves cryptographiques à connaissance nulle pour valider les transactions sans révéler d’informations, offrant ainsi des garanties de sécurité équivalentes à la couche de base.

• Optimistic Rollups : Partent du principe que toutes les transactions sont valides et ne réalisent des calculs qu’en cas de contestation durant une période de litige, ce qui réduit la charge de calcul mais peut entraîner des délais de retrait.

Blockchains imbriquées

Les blockchains imbriquées créent des architectures hiérarchiques dans lesquelles une blockchain fonctionne au sein ou au-dessus d’une autre. Ce modèle parent-enfant répartit la charge de travail sur plusieurs niveaux, la chaîne parente assurant la sécurité et les chaînes enfants gérant le traitement des transactions.

Cette approche permet la spécialisation des chaînes enfants pour certains usages, tout en maintenant la sécurité héritée de la chaîne parente.

Canaux d’état

Les canaux d’état permettent une communication bidirectionnelle entre la blockchain et des canaux de transactions off-chain. Les participants peuvent réaliser un nombre illimité de transactions hors chaîne via des mécanismes multi-signatures ou des smart contracts, puis ne régler que l’état final sur la blockchain.

Cette méthode est particulièrement efficace pour les usages impliquant des interactions répétitives entre participants fixes, comme les canaux de paiement ou les applications de jeux.

Sidechains

Les sidechains sont des chaînes indépendantes fonctionnant en parallèle de la blockchain principale. Elles disposent de leur propre mécanisme de consensus et peuvent être optimisées pour des cas d’usage spécifiques, tout en restant interopérables avec la chaîne principale grâce à des passerelles dédiées.

Les sidechains autorisent la flexibilité et l’expérimentation de nouvelles fonctionnalités sans impacter la sécurité ou la stabilité de la chaîne principale.

Solutions de couche 3

La couche 3 désigne un niveau d’abstraction supplémentaire construit sur la couche 2, offrant des fonctionnalités encore plus spécialisées et optimisées pour des cas d’usage ciblés. Ce concept récent prolonge l’architecture par couches pour créer un écosystème blockchain plus modulaire et flexible.

Objectifs principaux de la couche 3

Les solutions de couche 3 visent à surpasser les limites qui persistent après la scalabilité de couche 2 :

• Interopérabilité accrue : La couche 3 facilite les interactions entre différentes blockchains et solutions de couche 2, offrant un écosystème connecté où actifs et données circulent librement.

• Optimisation adaptée aux applications : La couche 3 propose des fonctionnalités spécifiques pour certaines applications décentralisées, permettant d’ajuster performance, confidentialité et modèles économiques sans compromettre la sécurité sous-jacente.

• Niveau d’abstraction supérieur : En ajoutant des couches d’abstraction, la couche 3 réduit la complexité technique pour les développeurs et les utilisateurs, facilitant l’intégration de la blockchain dans des applications grand public.

Le trilemme de la blockchain

Le trilemme de la blockchain représente un défi fondamental : la difficulté à atteindre simultanément des niveaux optimaux de sécurité, de décentralisation et de scalabilité. Ce concept, popularisé par Vitalik Buterin (co-fondateur d’Ethereum), met en lumière les arbitrages structurels dans le design des blockchains.

Cœur du trilemme

Le trilemme affirme que les réseaux blockchain ne peuvent généralement optimiser que deux de ces trois propriétés :

• Sécurité : Protection contre les attaques, la fraude et les dysfonctionnements système
• Décentralisation : Répartition du contrôle et de la validation entre de nombreux participants indépendants
• Scalabilité : Capacité à traiter efficacement un grand nombre de transactions

Chaque réseau blockchain fait des choix différents :

• Bitcoin : Privilégie la décentralisation et la sécurité, acceptant une scalabilité réduite (environ 7 transactions par seconde). Cette orientation conservatrice assure une sécurité robuste et une résistance à la censure.

• Ethereum : Tente d’équilibrer les trois aspects grâce à des évolutions de couche 1 (PoS, sharding à venir) et des solutions de couche 2, afin d’atteindre le meilleur compromis possible.

• Solana : Focalisé sur la scalabilité, avec des milliers de transactions par seconde, mais opère avec un nombre de validateurs plus réduit, sacrifiant une part de décentralisation pour la performance.

Couche 1 vs Couche 2 : différences majeures

Bien distinguer les approches de couche 1 et de couche 2 est fondamental pour évaluer les stratégies de scalabilité blockchain :

Définition

• Couche 1 : Correspond à la modification de la couche protocolaire fondamentale de la blockchain, en changeant des paramètres essentiels, le mécanisme de consensus ou l’architecture pour améliorer la performance.

• Couche 2 : Repose sur des solutions off-chain opérant indépendamment tout en s’appuyant sur la blockchain de base pour la sécurité et le règlement final, répartissant la charge sans modifier le protocole sous-jacent.

Mécanisme de fonctionnement

• Couche 1 : Nécessite des modifications du protocole central, impliquant des mises à niveau réseau et un consensus entre les parties prenantes. Ces changements sont permanents et concernent tous les participants du réseau.

• Couche 2 : Fonctionne indépendamment du protocole de base, autorisant une innovation rapide et un déploiement sans modification de la chaîne principale. Plusieurs solutions de couche 2 peuvent coexister sur une même couche 1.

Types de solutions

• Couche 1 : Inclut les évolutions de protocole de consensus (PoW vers PoS), l’implémentation du sharding et les ajustements de taille ou de vitesse des blocs. Ces solutions sont en général limitées par la nécessité d’un consensus global.

• Couche 2 : Englobe un large éventail de solutions, dont rollups, canaux d’état, sidechains et blockchains imbriquées. L’espace de conception y est plus ouvert, permettant des solutions spécialisées et expérimentales.

Caractéristiques

• Couche 1 : Utilise des tokens natifs pour les frais et la sécurité du réseau, met en œuvre des mécanismes de consensus innovants qui déterminent les propriétés fondamentales du réseau, et offre la base de sécurité à l’ensemble de l’écosystème.

• Couche 2 : Cible la réduction des coûts de transaction, l’amélioration du débit et de la programmabilité, et l’ajout de fonctionnalités spécialisées, tout en héritant de la sécurité de la couche de base. Offre souvent une meilleure expérience utilisateur via des confirmations plus rapides et des frais réduits.

FAQ

Qu’est-ce que la couche 1 et la couche 2 ? Quelles différences ?

La couche 1 désigne la blockchain de base où les transactions sont enregistrées de manière définitive. La couche 2 est une solution de scalabilité construite sur la couche 1 pour augmenter le débit et l’efficacité des transactions. La différence principale est que la couche 2 améliore la scalabilité et la rapidité, tandis que la couche 1 assure la sécurité et la décentralisation.

Quels sont les avantages de la couche 2 par rapport à la couche 1 ? Quels problèmes principaux résout-elle ?

La couche 2 améliore nettement la vitesse des transactions, réduit les frais de gas et augmente le volume de transactions par rapport à la couche 1. Elle lève les goulots d’étranglement sur la scalabilité en traitant les transactions hors chaîne tout en maintenant la sécurité de la couche 1.

Quelles sont les solutions courantes de scalabilité de couche 2 comme les rollups, sidechains et canaux d’état ?

Les solutions de couche 2 courantes incluent les canaux d’état pour les transactions hors chaîne, les sidechains comme chaînes indépendantes, les Optimistic Rollups et ZK-Rollups qui regroupent les transactions, ainsi que Plasma pour la scalabilité hiérarchique. Chaque solution présente des compromis entre sécurité, rapidité et efficacité des coûts.

Les couches 1 et 2 diffèrent-elles grandement en vitesse et en frais de transaction ?

La couche 1 traite les transactions plus lentement et avec des frais plus élevés directement sur la chaîne principale. Les solutions de couche 2 exécutent les transactions hors chaîne, atteignant des vitesses 100 à 1 000 fois supérieures et des frais réduits de 90 %, tout en héritant de la sécurité de la couche 1.

Quelle est la sécurité de la couche 2 ? Existe-t-il des risques par rapport à la couche 1 ?

Les solutions de couche 2 héritent de la sécurité de la couche 1 via des preuves cryptographiques. Cependant, elles introduisent des risques supplémentaires tels que les vulnérabilités de smart contracts ou la centralisation des séquenceurs. Bien que généralement sécurisées, les solutions de couche 2 disposent de moins de recul que la couche 1, ce qui nécessite une vigilance accrue.

Quels sont les principaux projets de couche 2 ? (Arbitrum, Optimism, Polygon, etc.)

Les solutions phares de couche 2 incluent Arbitrum, Optimism et Polygon. Ces projets augmentent la scalabilité d’Ethereum en accélérant les transactions et en réduisant les frais grâce à la technologie Rollup, permettant des transactions plus rapides et économiques.

Quand choisir la couche 1 ou la couche 2 ?

Privilégiez la couche 1 pour une sécurité maximale et des volumes de transactions importants avec peu d’exigence de rapidité. Optez pour la couche 2 pour réduire les coûts de transaction et augmenter l’efficacité grâce à des transactions plus rapides et économiques.