Quelles sont les différences entre la Layer 1 et la Layer 2 ?

Qu’est-ce que le trilemme de la blockchain ?

La technologie blockchain s’étend désormais bien au-delà du secteur financier, avec une adoption croissante dans de multiples industries. Cela fait de la scalabilité un enjeu central pour les écosystèmes blockchain. Accroître le débit des systèmes permet aux blockchains de soutenir de nouveaux usages et d’absorber un volume plus important de transactions. Les débats sur la scalabilité de la blockchain se concentrent généralement sur les rôles des solutions de couche 1 (Layer 1) et de couche 2 (Layer 2).

Les différentes couches de la blockchain ont été conçues pour renforcer la sécurité du réseau et l’intégrité des données. Cet article explique comment elles fonctionnent ensemble pour améliorer l’interopérabilité entre blockchains.

Le trilemme de la scalabilité de la blockchain désigne la difficulté à atteindre simultanément les trois attributs fondamentaux : sécurité, décentralisation et scalabilité. Ce concept constitue aujourd’hui une contrainte clé dans le développement technologique de la blockchain.

Selon ce trilemme, une blockchain ne peut optimiser pleinement que deux de ces trois propriétés à la fois, ce qui rend complexe la maximisation des trois simultanément. Historiquement, les projets blockchain ont souvent dû sacrifier l’une de ces propriétés pour préserver la fonctionnalité du système.

Par exemple, Bitcoin maximise la décentralisation et la sécurité, mais au détriment de la scalabilité. Ethereum rencontre des défis similaires, tentant d’augmenter le débit des transactions tout en conservant une forte sécurité et décentralisation.

À ce jour, aucune cryptomonnaie n’a trouvé un équilibre optimal entre ces trois attributs. Chaque projet met l’accent sur deux — voire parfois trois — de ces caractéristiques, en faisant des compromis sur la dernière si besoin.

De nombreux développeurs ont proposé des solutions techniques et des concepts pour répondre aux enjeux de scalabilité et au trilemme. Selon leur conception, ces solutions prennent la forme de Layer 1 ou Layer 2.

Certaines cryptomonnaies sont capables de traiter des milliers de transactions par seconde, mais souvent au détriment de la décentralisation ou de la sécurité. À l’inverse, Bitcoin et Ethereum restent les exemples de référence en matière de sécurité et de décentralisation. Cardano, Avalanche et Solana sont des Layer 1 majeurs qui se distinguent par leur volonté de résoudre les problématiques de scalabilité propres à Bitcoin et Ethereum.

Solutions de scalabilité Layer 1

Pour bien distinguer la scalabilité Layer 1 de celle de Layer 2, il convient d’abord de définir la Layer 1. Comme son nom l’indique, la Layer 1 correspond à la couche de protocole fondamentale d’une blockchain. Cette architecture de base sert de registre ultime pour toutes les transactions.

Les solutions de scalabilité Layer 1 visent à améliorer cette couche fondamentale afin d’accroître la scalabilité. Plusieurs méthodes existent pour augmenter le débit réseau. Par exemple, des solutions Layer 1 peuvent modifier directement les règles du protocole, améliorer la capacité et la rapidité de traitement des transactions, ou encore étendre la capacité globale du réseau pour accueillir plus d’utilisateurs et de données.

Deux grandes familles de solutions Layer 1 se démarquent : les modifications des protocoles de consensus et le sharding. Ces deux approches jouent un rôle central dans la scalabilité au niveau Layer 1.

Par exemple, les mécanismes de consensus tels que le Proof of Stake (PoS) sont réputés plus efficaces que le Proof of Work (PoW) à la couche blockchain. Le PoS permet de maintenir la sécurité du réseau tout en réduisant fortement la consommation de ressources informatiques. Le sharding, de son côté, répartit la charge du réseau sur plusieurs ensembles de données (« shards »), ce qui autorise un traitement parallèle.

Avantages

• Scalabilité accrue : Améliorer la scalabilité est l’avantage le plus évident des solutions blockchain Layer 1. En modifiant le protocole de base, ces solutions augmentent la capacité globale de traitement du réseau.

• Sécurité et décentralisation préservées : Les solutions Layer 1 offrent une scalabilité élevée tout en maintenant la décentralisation et la sécurité. Cela garantit la fiabilité et la robustesse du réseau.

• Développement de l’écosystème facilité : Les solutions Layer 1 permettent d’intégrer de nouveaux outils, des avancées technologiques et d’autres innovations directement au protocole de base, stimulant ainsi la croissance de l’écosystème.

Inconvénients

La scalabilité limitée demeure un défi courant pour les réseaux Layer 1. Bitcoin et d’autres blockchains majeures peinent souvent à gérer les transactions lors des pics de demande. Notamment, le consensus PoW de Bitcoin exige d’importantes ressources informatiques et s’avère très énergivore.

Les modifications Layer 1 impactent directement le protocole fondamental, ce qui nécessite une analyse approfondie et un large consensus communautaire avant leur déploiement. Une fois mises en œuvre, ces évolutions sont difficiles à annuler en cas de problème.

Relever les défis du Layer 1

Faire évoluer la scalabilité des réseaux Layer 1 implique des mises à niveau fondamentales de la blockchain. Les approches suivantes se concentrent sur l’amélioration structurelle du réseau.

Amélioration des protocoles de consensus

Les algorithmes de consensus sont essentiels pour permettre aux réseaux blockchain d’aboutir à un accord. On distingue plusieurs types, dont le PoW et le PoS, chacun ayant ses propres caractéristiques et avantages.

Le PoW est encore le mécanisme le plus utilisé, mais il souffre d’un débit limité et d’une forte consommation énergétique. Les mineurs doivent résoudre des calculs complexes, nécessitant une puissance de calcul importante. À l’inverse, le PoS offre un débit supérieur.

Dans les systèmes PoS, les membres du réseau traitent et valident les blocs de transactions en fonction de leurs avoirs en crypto-actifs, ce qui supprime le besoin d’opérations énergivores. Cela permet un traitement rapide des transactions avec une consommation d’énergie bien plus faible. Ethereum a récemment achevé sa transition vers le consensus PoS pour augmenter la capacité et la décentralisation de son réseau tout en conservant un haut niveau de sécurité.

Sharding

Le sharding, issu des systèmes de bases de données distribuées, est devenu l’une des solutions Layer 1 les plus adoptées. Il consiste à diviser l’état global de la blockchain en ensembles de données indépendants appelés « shards ».

Plutôt que de demander à chaque nœud de gérer l’ensemble du réseau, le sharding répartit les tâches de façon plus ciblée. Le réseau traite alors plusieurs shards en parallèle, multipliant la capacité transactionnelle. Chaque nœud gère un shard spécifique au lieu d’entretenir une copie complète de la blockchain, ce qui réduit la charge individuelle et accroît l’efficacité globale.

Chaque shard soumet des preuves à la chaîne principale et interagit avec les autres shards via une communication inter-shards pour partager adresses, états et soldes. Ce système maintient la coordination et la cohérence sur tout le réseau. Ethereum 2.0, Zilliqa, Qtum et Tezos figurent parmi les protocoles majeurs qui explorent et déploient le sharding.

Solutions de scalabilité Layer 2

L’objectif principal de la scalabilité Layer 2 est d’exploiter des réseaux ou technologies superposés au protocole blockchain. Les protocoles off-chain ou réseaux auxiliaires contribuent à améliorer la scalabilité et l’efficacité des blockchains.

Les solutions Layer 2 déportent la charge transactionnelle du protocole blockchain vers des architectures off-chain. Ces systèmes rapportent ensuite à la blockchain principale le résultat final des transactions traitées. En déléguant le traitement à ces architectures, les Layer 2 allègent la congestion du protocole principal, rendant la scalabilité possible.

Le Lightning Network, solution phare de scaling pour Bitcoin, est l’une des Layer 2 les plus connues. Il traite les transactions en dehors de la chaîne principale et n’enregistre que le résultat final, offrant ainsi des transactions rapides et à faible coût. De nombreuses autres solutions Layer 2 sont également largement discutées dans l’écosystème.

Avantages

• Préservation de la sécurité et de la décentralisation Layer 1 : La scalabilité Layer 2 traite les transactions hors chaîne, ce qui permet au réseau de conserver la sécurité et la décentralisation de la couche 1. La chaîne principale agit comme couche de règlement final, assurant fiabilité et sécurité.

• Accélération des microtransactions : Le traitement off-chain permet une exécution bien plus rapide des microtransactions. Cela rend possibles les paiements de faible montant et les transactions en temps réel, difficiles à réaliser sur des blockchains classiques.

• Réduction des coûts de transaction : En fluidifiant la chaîne principale, le traitement off-chain diminue fortement les frais de transaction.

Inconvénients

• Défis d’interopérabilité : Les utilisateurs Layer 2 sont conditionnés par les protocoles de leur solution, ce qui peut limiter la connectivité entre blockchains. L’interopérabilité entre différentes Layer 2 demeure un défi.

• Risques de sécurité et de confidentialité : Le traitement hors chaîne introduit de nouveaux risques pour la sécurité et la confidentialité. Des mesures de protection solides sont essentielles pour les transactions off-chain.

• Fragmentation de la liquidité : La multiplication des Layer 2 peut fragmenter la liquidité, dégradant l’expérience utilisateur.

Répondre aux défis du Layer 2

Diverses approches techniques ont vu le jour pour surmonter les limites du Layer 2. Voici les principales solutions Layer 2.

Blockchains imbriquées : traitement distribué via une structure parent-enfant

Les blockchains imbriquées sont des structures hiérarchiques dans lesquelles une blockchain en accueille d’autres en son sein. Elles comprennent une chaîne principale — la blockchain de base — et de multiples chaînes enfants. La chaîne principale définit les règles du réseau, tandis que les chaînes enfants prennent en charge certains traitements spécifiques.

Grâce à cette répartition parent-enfant, la charge de la chaîne principale diminue, ce qui accroît la scalabilité. Les chaînes enfants peuvent adopter leurs propres mécanismes de consensus et être optimisées pour des usages particuliers. Le projet OMG Plasma est un exemple phare d’architecture Layer 2 imbriquée sur Ethereum.

State channels : transactions rapides hors chaîne

Les state channels relient les blockchains à des canaux de transactions off-chain, permettant des échanges bidirectionnels. Ils ne requièrent pas la validation des nœuds du réseau principal, ce qui accélère nettement le traitement.

Les participants inscrivent l’état initial du canal sur la chaîne principale, puis effectuent librement leurs transactions hors chaîne. Une fois les échanges terminés, seuls l’état final et les modifications sont enregistrés sur la blockchain. Cette méthode garantit que seul le résultat final est inscrit on-chain, et non chaque transaction intermédiaire, optimisant ainsi l’efficacité.

Liquid Network, Raiden Network (Ethereum), Celer et Bitcoin Lightning figurent parmi les state channels les plus connus. À noter toutefois : les state channels peuvent faire des compromis sur la décentralisation pour gagner en scalabilité.

Sidechains : chaînes parallèles indépendantes

Les sidechains sont des chaînes de transactions autonomes opérant parallèlement à une blockchain. Elles peuvent adopter des mécanismes de consensus distincts et viser une rapidité et une scalabilité accrues. La chaîne principale garantit la sécurité globale, valide les transactions agrégées et gère les litiges.

Contrairement aux state channels, les sidechains publient toutes les transactions et sont structurées pour qu’un incident de sécurité sur la sidechain n’affecte pas la chaîne principale. Cette indépendance limite donc les risques pour la chaîne principale.

Néanmoins, déployer une sidechain suppose de créer une infrastructure dédiée, ce qui génère des coûts et des besoins en ressources importants. Les sidechains nécessitent aussi des validateurs propres, d’où un modèle de sécurité autonome.

Différences clés entre Layer 1 et Layer 2

De nombreuses différences fondamentales opposent les solutions de scalabilité Layer 1 et Layer 2. Les sections suivantes les détaillent.

1 : Définition

Le Layer 1 regroupe les méthodes qui améliorent la couche fondamentale de la blockchain pour accélérer le traitement et augmenter le débit. Cela inclut l’agrandissement de la taille des blocs ou la modification des algorithmes de consensus. Les solutions Layer 1 dopent la performance en modifiant le protocole de base.

Le Layer 2 désigne les solutions off-chain qui réduisent la charge de la chaîne principale en externalisant le traitement. Les tâches spécifiques sont confiées à des protocoles, réseaux ou applications Layer 2, qui rapportent ensuite les résultats à la blockchain principale. Cette approche fluidifie le réseau et accélère les transactions.

2 : Fonctionnement

Le scaling Layer 1 implique des changements directs du protocole réseau. Une fois mises en œuvre, ces évolutions sont difficiles à annuler en cas de chute du volume transactionnel. Elles exigent un consensus et une mise à jour globale.

À l’inverse, le scaling Layer 2 fonctionne indépendamment, en tant que solution off-chain. Ces protocoles, réseaux ou solutions ne rapportent que les résultats finaux à la blockchain, offrant une scalabilité flexible sans toucher à la chaîne principale.

3 : Types de solutions

Pour le Layer 1, les principales solutions sont l’amélioration des protocoles de consensus et le sharding. On peut aussi agir sur la taille des blocs ou leur vitesse de génération. Ces approches optimisent les performances en modifiant la structure fondamentale de la blockchain.

En Layer 2, il n’existe quasiment aucune restriction : tout protocole, réseau ou application peut fonctionner off-chain en Layer 2, ouvrant la voie à une scalabilité flexible pour de nombreux usages.

4 : Qualité

La Layer 1 demeure la source faisant autorité pour l’information et gère le règlement final des transactions. Elle utilise des tokens natifs et donne accès aux ressources du réseau. L’innovation en matière de consensus est un marqueur fort. Toute évolution Layer 1 doit donc être planifiée et exécutée avec rigueur.

La Layer 2 offre des fonctions comparables, tout en augmentant le débit, la programmabilité et en réduisant les coûts. Chaque Layer 2 possède sa propre méthode pour réinjecter les transactions dans sa Layer 1 de référence. Elle s’appuie sur la sécurité de la chaîne principale pour permettre des transactions rapides et économiques.

L’avenir de la scalabilité blockchain

La scalabilité constitue un frein majeur à l’adoption généralisée de la blockchain. Avec l’essor des cryptomonnaies, les plateformes blockchain devront gagner en scalabilité. Les approches Layer 1 et Layer 2 présentent chacune leurs avantages et inconvénients.

Les solutions Layer 1 apportent une base solide pour la pérennité du réseau. Les Layer 2 offrent des gains immédiats de scalabilité et améliorent l’expérience utilisateur. L’avenir de la scalabilité blockchain reposera donc sur la combinaison des solutions Layer 1 et Layer 2.

Ces dernières années, de nombreux projets blockchain ont adopté une stratégie globale combinant les deux couches. Par exemple, Ethereum développe le sharding comme Layer 1 et les rollups comme Layer 2.

On voit également émerger le concept de Layer 0. Les blockchains Layer 0 offrent une infrastructure de base pour créer de nouvelles chaînes et assurer l’interopérabilité. Les chaînes construites sur Layer 0 peuvent communiquer entre elles et avec d’autres blockchains. Layer 0 forme la base des blockchains Layer 1. Parmi les Layer 0 notables figurent Cosmos, Polkadot et Avalanche. Cosmos, en particulier, sert de socle à de grandes plateformes blockchain.

À l’avenir, l’écosystème blockchain devrait évoluer vers une structure multicouche intégrant Layer 0, Layer 1 et Layer 2. Cette évolution permettra de résoudre le trilemme sécurité, décentralisation et scalabilité, et donnera à l’infrastructure blockchain la capacité de soutenir une adoption massive.

FAQ

Quelles sont les principales différences entre Layer 1 et Layer 2 ?

Le Layer 1 constitue la couche de base de la blockchain, alors que le Layer 2 regroupe des technologies off-chain construites par-dessus. Le Layer 2 traite les transactions hors de la chaîne principale, ce qui augmente la scalabilité et réduit fortement les frais de gas.

Quels sont les avantages et inconvénients des solutions Layer 2 comme Lightning Network ou Polygon ?

Les atouts majeurs sont des frais beaucoup plus bas, une exécution rapide des transactions et une expérience utilisateur optimisée. Les inconvénients : compromis en matière de sécurité et de décentralisation, fragmentation entre réseaux Layer 2 et complexité accrue pour l’utilisateur.

Dans quels cas privilégier Layer 1 ou Layer 2 ?

Le Layer 1 est recommandé pour les transactions importantes nécessitant une sécurité maximale. Le Layer 2 est idéal pour les transactions fréquentes et de faible montant, qui profitent de la rapidité et de la réduction des frais. Choisir la couche adaptée à chaque usage garantit l’efficacité des transactions.

Le Layer 2 est-il sécurisé ? Existe-t-il des risques supplémentaires par rapport au Layer 1 ?

Le Layer 2 se montre généralement sécurisé, mais présente un risque légèrement supérieur au Layer 1. Les points de vigilance majeurs concernent la qualité des audits des smart contracts et la centralisation des séquenceurs. Les principaux protocoles sont en amélioration continue, et le niveau de sécurité devrait progressivement s’aligner sur la Layer 1.

Quelles différences entre les solutions Layer 2 de Bitcoin et d’Ethereum ?

Les Layer 2 d’Ethereum prennent en charge les smart contracts et les transactions complexes, tandis que ceux de Bitcoin sont axés sur les paiements simples. Ethereum se distingue par l’héritage de sécurité ; Bitcoin privilégie l’efficacité transactionnelle.