Top 10 des solutions d’évolutivité pour les réseaux blockchain

Les développeurs d’applications décentralisées repoussent les limites des blockchains grâce à de nouvelles solutions de mise à l’échelle. Ils cherchent à absorber une demande croissante et à réduire les engorgements de l’économie numérique. Traiter de très grands volumes de transactions suppose de concilier capacité, sécurité et participation au réseau.

Les approches variées

Les méthodes vont de modifications du code du protocole à l’ajout de couches au-dessus d’une blockchain. Voici onze approches permettant d’améliorer la capacité des réseaux.

Nouveaux mécanismes de consensus

Une première approche consiste à modifier le mécanisme de consensus. Bitcoin utilise toujours la preuve de travail (PoW), tandis qu’Ethereum est passé à la preuve d’enjeu (PoS) en septembre 2022. Le PoS remplace le minage par des validateurs qui engagent des actifs en garantie et réduit la consommation d’énergie. Le débit dépend toutefois également d’autres caractéristiques du réseau.

Le staking permet aux participants d’engager des jetons pour sécuriser le réseau et de recevoir des récompenses. Il ne nécessite pas de matériel de minage. Selon le protocole, on peut exploiter un validateur, utiliser un service ou déléguer. L’exploitation de son propre nœud requiert des compétences techniques, et les récompenses dépendent des tâches accomplies ainsi que des risques du protocole ou du prestataire.

La preuve d’enjeu déléguée (DPoS) est une variante du PoS. Les détenteurs de jetons choisissent des représentants ou des producteurs de blocs, ce qui permet de participer sans exploiter son propre validateur. Un groupe plus restreint peut faciliter la coordination et améliorer les performances, mais aussi concentrer l’influence. Les procédures de sélection et les garanties de sécurité varient selon les réseaux.

Protocoles de couche 2

Les solutions de couche 2 traitent des transactions hors de la blockchain de base et s’appuient sur celle-ci pour le règlement ou la sécurité. La Lightning Network de Bitcoin et Fuel V1, un rollup lancé sur Ethereum en 2020, en sont des exemples.

Déplacer les calculs hors du réseau principal réduit sa charge. Les rollups et les canaux de paiement sont des solutions de couche 2. Les chaînes latérales peuvent aussi accroître la capacité, mais elles possèdent leur propre consensus et leur propre sécurité ; elles n’héritent pas automatiquement des garanties de la chaîne de base.

Une chaîne latérale fonctionne en parallèle de la blockchain de base et peut exécuter des contrats intelligents avec ses propres validateurs. Les canaux de paiement de Lightning permettent de nombreux paiements hors chaîne. Leur ouverture et leur fermeture sont réglées sur Bitcoin, sans publier chaque paiement intermédiaire. La réussite d’un paiement dépend notamment de la capacité des canaux, de leur liquidité et des itinéraires disponibles.

Les solutions de couche 2 peuvent présenter des risques de concentration autour de grands nœuds de routage, de séquenceurs ou de services de garde. Le routage Lightning non dépositaire repose toutefois sur des conditions cryptographiques : les intermédiaires n’ont pas à devenir propriétaires des fonds. Un nœud peut refuser de transmettre un paiement, mais ne peut pas se l’approprier simplement parce qu’il participe à son acheminement.

Bifurcations incompatibles ou hard forks

Un hard fork modifie les règles de consensus d’une manière incompatible avec les anciennes règles. Les nœuds qui suivent les nouvelles règles doivent mettre leur logiciel à jour. Si une partie de la communauté conserve les anciennes, deux chaînes peuvent continuer séparément. Tous les participants ne sont donc pas obligés d’abandonner la chaîne d’origine ou d’en arrêter le minage. Des désaccords sur la modification peuvent rendre cette transition controversée.

Les projets peuvent recourir à la gouvernance communautaire pour discuter des changements et réduire les conflits. Les organisations autonomes décentralisées (DAO) permettent aux membres de présenter des propositions et de voter. Ces procédures facilitent les décisions sans garantir qu’une chaîne ne se divisera jamais.

Rollups à preuves à divulgation nulle de connaissance

Une preuve à divulgation nulle de connaissance démontre la véracité d’une affirmation sans révéler toutes les informations qui la sous-tendent. Dans un ZK-rollup, les preuves de validité attestent de la bonne exécution d’un lot de transactions traité hors chaîne. Le terme rollup désigne le regroupement en lots, pas nécessairement en un seul bloc. La technique ne rend pas automatiquement toutes les transactions anonymes.

Les calculs exécutés sur la deuxième couche réduisent la charge du réseau principal. Des données compressées sur les transactions ou l’état, accompagnées de preuves de validité, sont transmises à la blockchain de base. La sécurité nécessite également la disponibilité des données utiles et une mise en œuvre correcte du protocole.

Les opérateurs du rollup regroupent les transactions et produisent les preuves. Des contrats intelligents sur la chaîne de base vérifient ces preuves et acceptent les mises à jour de l’état. En 2023, les rollups Ethereum publiaient les données nécessaires notamment sous forme de calldata. Le réseau principal n’a ainsi pas à réexécuter chaque transaction pour en garantir le résultat.

Roll-up optimiste

Un rollup optimiste suppose initialement que le résultat d’un lot est correct. Un délai permet ensuite de contester une mise à jour erronée au moyen d’une preuve d’erreur. Les règles et les droits de participation à cette procédure dépendent de l’implémentation.

Les rollups optimistes peuvent exécuter des contrats intelligents complexes et utiliser les outils compatibles avec Ethereum. Optimism et Arbitrum étaient des exemples connus en 2023. Cette capacité existe aussi dans des solutions ZK : des réseaux compatibles avec l’EVM, tels que Polygon zkEVM, avaient déjà été lancés cette année-là.

Fragmentation ou sharding

Le sharding divise une base de données ou l’état d’un réseau en parties plus petites, qui peuvent être stockées et traitées en parallèle. Il est utilisé dans les bases de données distribuées et les blockchains. Bigtable de Google est un exemple de stockage distribué, et non l’origine de l’ensemble des techniques de fragmentation.

On peut imaginer un miroir divisé en fragments, chacun relevant de serveurs ou de groupes de nœuds différents. Le stockage et le calcul sont ainsi répartis. Les gains dépendent toutefois des échanges entre fragments et de l’architecture de l’application : la capacité ne croît pas de façon indéfiniment linéaire.

Un réseau fragmenté peut traiter des tâches indépendantes en parallèle. Ses difficultés comprennent les transactions entre fragments, la disponibilité des données et la sécurité de chaque partie. Cette répartition peut se faire au sein du réseau, sans dépendre nécessairement de services supplémentaires hors chaîne.

Segregated Witness (SegWit)

SegWit a été présenté pour Bitcoin en 2015 et activé en 2017. Pieter Wuille et d’autres développeurs de Blockstream et de Bitcoin Core ont contribué à son développement. Segregated Witness sépare les données de témoin, comme les signatures, de la structure de base des transactions et modifie leur comptabilisation dans le poids du bloc.

Les données de témoin restent dans les données complètes du bloc ; elles ne sont pas simplement supprimées pendant les calculs. SegWit attribue aux octets de témoin un poids inférieur à celui des données de base. La limite de quatre millions d’unités de poids permet donc une capacité accrue.

SegWit a aussi corrigé des problèmes de malléabilité des identifiants de transaction, facilitant les canaux de paiement comme Lightning. Les jetons BRC-20 apparus en 2023 sont liés aux inscriptions Ordinals et à l’usage des données de témoin permis par SegWit et par la mise à niveau ultérieure Taproot.

Conception modulaire

Une blockchain monolithique cherche à assurer ses fonctions essentielles au sein du même réseau de base. Une architecture modulaire répartit certaines de ces fonctions entre différents systèmes ou couches.

Ces fonctions comprennent l’exécution des transactions, le consensus, la disponibilité des données et le règlement final. Dans un réseau monolithique, de nombreux nœuds effectuent les mêmes calculs. Cela facilite la vérification, mais peut limiter la capacité.

Mise à l’échelle modulaire

Un système modulaire peut confier l’exécution des contrats intelligents à une couche distincte et réserver le règlement ou la disponibilité des données à d’autres couches. L’EVM d’Ethereum est l’environnement d’exécution du réseau de base lui-même, et non un réseau de mise à l’échelle indépendant. Les rollups illustrent une exécution séparée appuyée sur Ethereum.

Les solutions modulaires permettent aux composants de se spécialiser. Des standards communs et des outils déjà disponibles peuvent faciliter le développement et le déploiement des applications. La performance et la sécurité dépendent toujours de la mise en œuvre concrète.

Le réseau principal de SKALE a été lancé en 2020. Son architecture multichaîne permet aux développeurs d’utiliser des chaînes adaptées à leurs applications. SKALE V2 a ensuite renforcé l’interopérabilité avec des chaînes interconnectées et des hubs. SKALE est un exemple de mise à l’échelle utilisant plusieurs chaînes et une répartition des fonctions.

Taille du bloc

Avant la diffusion des solutions de couche 2, l’augmentation de la taille des blocs était déjà débattue comme moyen d’accroître la capacité. La taille d’un bloc correspond à la quantité de données qu’il contient.

L’ancienne limite des blocs Bitcoin était d’un mégaoctet. Depuis SegWit, la capacité est encadrée par la règle des quatre millions d’unités de poids. Le nombre de transactions par seconde dépend notamment de leur taille et de leur structure. Doubler l’espace disponible ne garantit donc pas un passage fixe de sept à quatorze transactions par seconde.

Bitcoin Cash est né de la séparation de Bitcoin en 2017, soutenue par les partisans de blocs plus grands. Sa limite est passée de huit à 32 mégaoctets en mai 2018. Des blocs plus grands peuvent augmenter la capacité, mais exigent aussi davantage de bande passante, de stockage et de matériel. Cela peut compliquer la participation des petits opérateurs et favoriser la concentration.

Graphes acycliques orientés (DAG)

Un graphe acyclique orienté (DAG) est une structure dans laquelle suivre les liens orientés ne permet pas de revenir au point de départ. Ses nœuds peuvent représenter des transactions ou des blocs, avec plusieurs branches parallèles. Toutes les transactions ne communiquent pas directement entre elles, et le graphe n’est pas nécessairement un arbre.

Dans une blockchain classique, certains blocs valides trouvés presque simultanément peuvent rester en dehors de la chaîne retenue. Des blocs plus grands ou des intervalles plus courts peuvent accroître ce phénomène si la propagation des données ne suit pas le rythme.

Un blockDAG peut intégrer des blocs produits en parallèle et déterminer leur ordre à l’aide de règles de consensus. Un bloc peut référencer plusieurs blocs précédents. Cela permet de mieux exploiter le travail parallèle et peut accroître la capacité. Un DAG peut aussi fonctionner avec la preuve de travail ; la structure de données ne remplace pas, à elle seule, le consensus.

Réseaux Hashgraph

Hashgraph utilise une structure d’événements fondée sur un DAG plutôt qu’une chaîne linéaire de blocs. Les nœuds diffusent les transactions et les informations sur leurs communications précédentes selon le procédé gossip about gossip. À partir de cet historique, ils calculent des votes virtuels et s’accordent sur l’ordre final des transactions.

Le procédé fournit des horodatages issus du consensus sans service externe d’ordonnancement. Les fonctions de confidentialité dépendent de l’application et de l’implémentation. Hedera est un exemple connu de réseau Hashgraph. En 2023, ses nœuds de consensus étaient exploités par des membres autorisés du conseil de gouvernance, selon un modèle de participation différent du minage ouvert de Bitcoin.

Les blockchains ont besoin d’évolutivité pour survivre

Les développeurs de blockchains améliorent continuellement la capacité et les fonctions de leurs réseaux. Les méthodes présentées sont des approches importantes, mais pas les seules. D’autres peuvent émerger avec la généralisation des usages. La performance doit être appréciée avec la sécurité, la décentralisation et la facilité d’utilisation.