Faire évoluer Ethereum : la quête d'une solution

Ethereum, comme de nombreuses blockchains, est actuellement confronté à une capacité limitée de traitement des transactions. Malgré la prise en charge des transferts ETH et des milliers de DApps, une utilisation accrue a entraîné des transactions plus lentes et plus coûteuses. 

Pour atténuer les frais élevés, cette situation a conduit à des décisions de conception non sécurisées telles que des services centralisés hors chaîne pour les marchés NFT. L'introduction de l'EIP 1559 a amélioré l'estimation des frais et les incitations, mais n'a pas amélioré de manière significative l'évolutivité. … Le défi de l’évolutivité est bien compris dans le trilemme populaire de la blockchain : évolutivité, décentralisation et sécurité.

Le trilemme de la blockchain affirme qu’il n’est pas possible d’atteindre simultanément trois propriétés : la décentralisation, la sécurité et l’évolutivité. Sacrifice de la décentralisation, il est beaucoup plus facile de construire un système évolutif et sécurisé, comme Web2 l'a déjà prouvé. Donnez la priorité à l’évolutivité en sacrifiant votre mécanisme de consensus et vous obtenez une blockchain inutile, dangereuse et décentralisée. Résoudre le trilemme de la blockchain est incroyablement complexe et constitue un défi permanent au cours de la dernière décennie.

Augmenter le débit : approches multiples

Au fil des années, de nombreuses solutions ont été envisagées pour résoudre le trilemme de la blockchain Ethereum. Une suggestion populaire consiste à créer des blocs plus gros ou des blocs par seconde. Bien que cela puisse sembler une bonne idée, cela intensifie les exigences de consensus envers les nœuds de blockchain et les validateurs/mineurs, conduisant à une centralisation accrue. Cela ralentit également les réorganisations, augmentant ainsi les risques de sécurité.

Une alternative consiste à créer une chaîne latérale pour réduire la charge de la chaîne principale, comme on le voit avec le réseau Polygon. Ce système implique des compromis en matière de sécurité car il repose sur un consensus plus faible qu’Ethereum (moins de capitalisation boursière). Bien que cela puisse convenir à des cas d'utilisation spécifiques, cela conduit souvent à une centralisation et ne résout pas pleinement les problèmes d'évolutivité d'Ethereum. Et de toute façon, on est encore loin des dizaines de milliers de demandes nécessaires pour faire fonctionner un système de type Visa. 

Couche 2 et partage : solutions aux défis d'évolutivité d'Ethereum ? 

Sharding et couche 2 sont largement considérés comme les meilleures options pour qu’Ethereum puisse évoluer tout en préservant le trilemme de la blockchain.  

D'un côté, partitionnement de la chaîne de blocs a longtemps été considérée comme la clé de l’évolutivité dans le monde de la blockchain. C'était la principale caractéristique d'Eth2.0 en 2019 avec le passage au système de signature BLS, au mécanisme de consensus PoS et à la mise en œuvre d'eWASM. D'autre part, Couche 2 ont connu des progrès rapides grâce à la recherche continue sur les mécanismes d’enroulement. Explorons l'état actuel de ces deux approches concurrentes et ce que leur avenir pourrait nous réserver. 

Comment fonctionne le partage de la blockchain ? 

Le terme partitionnement vient de la science des bases de données dans laquelle nous partitionnons horizontalement une base de données en éléments plus petits et gérables appelés fragments. Chaque partition est une base de données distincte contenant un sous-ensemble de données. Le partage est utilisé pour faire évoluer les bases de données en distribuant les données et les requêtes sur plusieurs serveurs, permettant ainsi à la base de données de gérer un plus grand volume de données sans avoir besoin d'un seul serveur puissant.

Cette idée de tirer parti du sharding sur les blockchains est rapidement devenue populaire parmi les développeurs. Le partitionnement de la blockchain divise le réseau en sous-réseaux plus petits appelés fragments, et les fragments permettent de traiter les transactions en parallèle. Dans une blockchain fragmentée, chaque fragment est une chaîne distincte qui fonctionne indépendamment. Cela signifie que chaque nœud, mineur/validateur peut se concentrer sur un fragment donné pour créer un consensus local. Premièrement, il permet de traiter les transactions en parallèle. Deuxièmement, chaque fragment a moins de transactions à gérer. Cela semble parfait, alors quel est le problème ?

Défis du partage : consensus, communication entre fragments et sécurité

Avec le sharding blockchain, il n’est pas facile de définir un consensus global. Quel est le consensus mondial du réseau ? Est-ce l'union de chaque consensus local ? Comment et où ancrer ce consensus local pour en créer un mondial auquel tout le monde peut avoir confiance ? Il n’est pas facile de répondre à de telles questions. 

Un autre défi important lié à la mise en œuvre du partitionnement est la communication entre fragments. En ce qui concerne les bases de données, vous n'avez pas ce problème puisque les données sont réparties sur différentes partitions, ce qui vous permet de les lire ou de les écrire indépendamment sans réels problèmes. Lorsqu’il s’agit de fragments de blockchain exécutant du code, c’est beaucoup plus complexe. Chaque fragment doit être capable d'exécuter son propre code, de consulter l'état d'un fragment différent et d'exécuter du code sur un autre. Ce n’est pas anodin. 

Cette difficulté de sharding est également liée au problème de sécurité. Cette question a été étudiée par des experts et différents schémas de partitionnement ont été considérés comme sujets à des problèmes. de nombreuses nouvelles formes d'attaques. Tout d’abord, cela remet simplement en question le mécanisme du consensus. Si vous disposez de 10 fragments et que les mineurs sont répartis par fragment, la reprise d’un fragment coûte 10 fois moins cher que la reprise de l’ensemble de la blockchain. Schématiquement, l'attaque des 51% se traduit par 5.1%. Une solution à ce problème consiste à modifier le mécanisme de consensus de Proof of Work en Proof Of Stake. C’était la principale motivation de la transition d’Ethereum vers Proof Of Stake.

Sur le sécurité devant, l'effet de La fusion a été largement débattue. Sur le décentralisation Avant, le consensus Ethereum mis à jour favorisait la centralisation, étant donné que la propriété des jetons détermine le contrôle du réseau. 

Concernant le nouveau consensus d'Ethereum, plusieurs paramètres incitent à la centralisation :

• L’exécution de votre nœud Ethereum n’est pas simple, car elle nécessite des ressources et du temps de disponibilité. Cela empêche simplement votre portefeuille de l’implémenter et de fonctionner sur votre ordinateur portable ou même votre mobile.

• Le seuil de 32 ETH et le fait qu'il n'est pas possible de se désengager avant une date inconnue ont créé un pooling et un jalonnement liquide où le Lido et les bourses ont pris la majeure partie du marché. Aujourd'hui, 4 acteurs contrôlent plus de 55% des coins mis en jeu sur la blockchain Ethereum (Lido 29.2%, Coinbase 13.1%, Kraken 7.6% et Binance 6.2%).

Dans l’ensemble, le partage de blockchain est une idée intéressante pour augmenter l’évolutivité, mais nécessite une architecture complexe, en particulier lorsqu’il s’agit de définir un consensus global et de mettre en œuvre un protocole efficace entre fragments. Beaucoup de travail a été fait pour atteindre ces objectifs, mais nous sommes encore loin de les mettre en œuvre et de saisir les impacts sur le trilemme de la blockchain. 

Les rollups à la rescousse

Les rollups compressent plusieurs transactions en une seule transaction qu'Ethereum peut exécuter, permettant l'exécution hors chaîne de nombreuses transactions avec la sécurité des règlements d'Ethereum. Il existe deux implémentations principales de cette idée : 

• Optimistic Rollups, permettant aux utilisateurs d'émettre des preuves de fraude en cas de litige
• ZK-Rollups où le réseau L2 délivre des preuves de validité.

Problème de cumul optimiste et de finalité :

Les rollups optimistes ont été conçus comme les rollups les plus ressemblant à des EVM. Ils sont optimistes car ils supposent que les utilisateurs ne soumettent pas de transactions frauduleuses, permettant ainsi l’écriture directe de la blockchain. 

Il existe un mécanisme utilisant des preuves de fraude que les validateurs L2 peuvent initialiser pour vérifier les transactions hors chaîne effectuées en quelques jours (7 jours sur Optimism). Un système anti-fraude valide identifie les étapes frauduleuses du processus de transaction, entraînant l'annulation de la transaction et une pénalité pour le validateur approuvant. Cela améliore le débit des transactions tout en préservant la sécurité de la chaîne principale d'Ethereum. 

Cependant, les cumuls optimistes posent un nouveau défi : finalité. Avec les blockchains, les transactions confirmées sont considérées comme permanentes et irréversibles, mais cela dépend du mécanisme de consensus. Par exemple, les chaînes PoW considèrent les transactions comme définitives lorsque la probabilité d’une réorganisation est faible, et les transactions Bitcoin sont définitives après 6 confirmations. Avec des cumuls optimistes, les transactions peuvent être annulées après plusieurs jours, ce qui crée un défi de finalité et un compromis différent.

Un autre type de rollup : les ZK-Rollups

Les ZK-Rollups, nommés pour leur utilisation de la technologie Zero-Knowledge Proof (ZKP) telle que les SNARK ou les STARK, sont un autre type de Rollup. Étant donné que la propriété Zero-knowledge n'est pas réellement utile, les appeler Validity Rollups pourrait être plus précis.

Le Rollup exécute un lot de transactions et produit une preuve de validité, vérifiée par un contrat intelligent sur la blockchain Ethereum, qui confirme le résultat final des transactions. La preuve cryptographique est générée à l'aide de primitives cryptographiques Zero Knowledge. 

Plus largement, les preuves sans connaissance permettent à une partie (le prouveur) de démontrer la possession de certaines informations à une autre partie (le vérificateur) sans révéler les informations réelles. Le prouveur peut avoir confiance dans la véracité de sa déclaration sans en connaître le contenu.

Conçus à l'origine pour la confidentialité, les ZKRolups utilisent des preuves sans connaissance dans un but très différent : la compression et l'informatique fiable. Les deux principales technologies à connaissance nulle sont les zk-STARK (pour un argument de connaissance transparent et évolutif sans connaissance) et les zk-SNARK (pour un argument de connaissance succinct et non interactif sans connaissance).

Problème de disponibilité des données pour L2 :

Comme nous l'avons vu, les technologies ZKP garantissent la validité de l'état L2, mais la preuve à elle seule ne donne pas accès à l'état. Pour augmenter le débit, l'exécution est déplacée hors chaîne, mais les données doivent toujours être facilement accessibles pour la reconstruction. Pour y parvenir, les données transactionnelles sont soumises sous forme de données d'appel sur Ethereum afin de garantir que les données sont disponibles pour une reconstruction future. Ces données pourraient également être stockées dans un stockage décentralisé fiable tel que IPFS ou Arweave, permettant à quiconque de reconstruire le L2 et de tirer parti des incitations internes du stockage décentralisé. 

Il serait encore mieux d'avoir la capacité de stocker ces données en chaîne, mais les données servent uniquement à reconstruire l'état/la vérité du L2 et ne sont pas exécutées, ce qui en fait une utilisation inefficace et coûteuse de la capacité de la blockchain. 

Pour surmonter cet obstacle, les développeurs d'Ethereum ont proposé deux EIP : EIP4488 et EIP4844 (bonne chance pour éviter toute confusion). Le premier réduit le coût du gaz pour les données d'appel tandis que le second crée un nouveau type de transaction pour le stockage de données L2. Ces données sont immuables et en lecture seule, et ne sont pas accessibles par l'EVM et ne peuvent donc pas être exécutées. 

Ces EIP sont exactement l'endroit où la feuille de route ZKRollup rencontre la feuille de route Execution Sharding, toutes deux proposant le même concept à des fins différentes. EIP4488 vise à stocker les données L2 essentielles tandis que EIP-4844, également connu sous le nom de Proto-Danksharding, est une étape vers la mise en œuvre du Danksharding et du partitionnement d'exécution.

Éclat d'eau :

Le Danksharding consiste à diviser de grands ensembles de données en parties plus petites pour les séparer et les traiter, souvent en parallèle. Cette méthode est utilisée dans les domaines du Big Data et de l’IA où les ensembles de formation peuvent être très volumineux. 

Proto-danksharding (EIP-4844) n'implémente pas le partitionnement mais offre un stockage de données d'appel moins cher qui pourrait être fragmenté. Ce stockage de données d'appel moins cher améliorera considérablement l'évolutivité d'Ethereum sur L2, rendant potentiellement le partitionnement redondant. 

Proto-danksharding :

Avec Proto-danksharding, la blockchain Ethereum disposera de calculs non évolutifs et de données évolutives. Et ZkRollups convertit essentiellement ces données évolutives et ces calculs non évolutifs mais fiables en calculs évolutifs.

ZKRollups dans le trilemme de la blockchain :

Les ZKRolups présentent de forts avantages en termes d'évolutivité sans modifier les propriétés sous-jacentes de la blockchain. Vérifier la preuve Zero-Knowledge en chaîne est la principale exigence, tandis que la disponibilité des données peut être mise en œuvre hors chaîne. À long terme, on peut s’attendre à ce que les couches 1 deviennent simples, sécurisées et, espérons-le, décentralisées, tandis que les couches 2 assureront l’évolutivité.

Où est le piège ?

L2 peut en effet évoluer beaucoup. Néanmoins, pour être réglé en chaîne (sur L1), il faut produire une preuve de validité pour l'état global du L2, ce qui pose des problèmes de centralisation. Actuellement, les conceptions L2 n'ont qu'un seul prouveur, ce qui signifie qu'elles peuvent censurer vos transactions. Ils ne pouvaient pas vraiment geler vos actifs L1 puisque des ponts natifs sont construits. Des recherches sont en cours pour relever ce défi, permettant à d'autres parties de pouvoir émettre des preuves, mais des questions difficiles demeurent quant à l'arbitrage entre ces preuves. Dans tous les cas, il s’agit d’un problème important à résoudre pour l’avenir. 

Starknet a identifié cela comme un sujet important sur la feuille de route, tandis qu'Arbitrum répartit la responsabilité entre la boîte de réception du séquenceur et la boîte de réception différée pour garantir que les fonds puissent être récupérés en cas de censure.

Réflexions de clôture 

Comme nous l'avons examiné, l'évolutivité peut avoir un coût en termes de sécurité et de décentralisation, tandis que les solutions de couche 2 sont considérées comme les moyens les plus prometteurs d'augmenter l'évolutivité sans compromettre les autres aspects du trilemme de la blockchain.

Les cumuls optimistes et de validité, utilisant la technologie ZKP, seront essentiels pour façonner l'avenir d'Ethereum en permettant des transactions sans confiance, complexes et sans autorisation à grande échelle. Les cumuls de validité présentent un avantage significatif par rapport aux cumuls optimistes : une finalité courte. La feuille de route d'Ethereum a récemment changé pour prendre en charge ces cumuls au niveau de la blockchain.

L’avenir de l’évolutivité de la blockchain inclut des DApp complexes fonctionnant sur des couches 2 (ou cumuls récursifs), permettant une évolutivité pratiquement infinie, avec une couche 1 décentralisée et sécurisée. À long terme, la couche 1 pourrait devenir des couches de règlement, la complexité des DApp étant déplacée vers les couches 2.

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• La source: https://www.ledger.com/blog/on-the-future-of-ethereum-charles-guillemet