Les layers 2, la mise à l’échelle d’Ethereum

Si vous avez lu les articles qui précèdent, vous savez qu'Ethereum fait face au « trilemme des blockchains », à savoir la nécessité d'arbitrer entre la sécurité, la décentralisation et la scalabilité. Pendant longtemps, la scalabilté est restée très limitée sur Ethereum, et les pics d'utilisation ont toujours été associés à une importante congestion, conduisant à un ralentissement global et à des frais de transaction particulièrement élevés.

À l’instar du Lightning Network sur Bitcoin, de nombreuses solutions de mise à l'échelle se sont développées, appelées « seconde couche » ou « layer 2 ». Elles permettent d'exécuter les transactions en surcouche afin de déplacer la charge de travail hors du réseau principal. Sur Ethereum, ce sont plus de trente layers 2 qui tentent tous à leur manière de proposer la solution optimale pour répondre à cette problématique. Quelles sont les principales technologies utilisées et comment fonctionnent-elles ? Quels sont les projets les plus aboutis ? Dans cet article, nous ferons un tour d'horizon des solutions actuelles et à venir, qui contribuent grandement à l'adoption des cryptomonnaies par le grand public.

Pourquoi les layers 2 ?

Du fait de son architecture, Ethereum est limité en nombre de transactions traitables en un temps donné du fait deux paramètres :

• La taille des blocs : les blocs ne sont pas infiniment grands. Ils ont une taille optimale de 15 millions de gas (taille cible), mais peuvent aller jusqu'à 30 millions de gas au maximum en cas de forte utilisation du réseau. La quantité totale de gas dépensée par toutes les transactions dans le bloc doit être inférieure à cette limite.
  
  En effet, plus les blocs sont gros, plus la vérification de ces blocs nécessite de ressources. Ceci augmente le risque de centralisation, car les nœuds doivent alors être hébergés sur des machines plus puissantes, donc plus chères, ce qui réduit leur accessibilité ;

• Le temps entre deux blocs : tout comme la taille des blocs, le temps entre 2 blocs est fixe sur Ethereum (12 secondes). Le bon intervalle entre deux blocs est un sujet souvent débattu qui amène forcément à des concessions.
  
  Augmenter l'intervalle de temps séparant deux blocs diminue la scalabilité en incluant un nombre plus faible de transactions, augmente la décentralisation en réduisant le poids total des données et la bande passante utilisée, et diminue la sécurité en allongeant le temps de confirmation des transactions.
  
  À l'inverse, diminuer l'intervalle de temps séparant deux blocs augmente la scalabilité en incluant un plus grand nombre de transactions, augmente la sécurité en réduisant le temps de confirmation de transactions, mais diminue la décentralisation car nécessite du matériel informatique plus performant.

Il ne fait aucun doute que les caractéristiques de sécurité et de décentralisation sont un prérequis indispensable afin d'obtenir un système distribué fiable et pérenne. Ainsi, Ethereum est parfois qualifié de « blockchain d'infrastructure » et se doit de privilégier la sécurité et la décentralisation, avant la vitesse d'exécution des transactions.

C'est suite à ce constat que de nombreux développeurs ont cherché à résoudre ce problème de scalabilité en rajoutant de nouvelles couches au réseau.

Qu'est-ce qu'un layer 2 ?

En quelques mots, une solution dite « layer 2 » est un protocole ayant pour vocation d'aider Ethereum à exécuter les transactions qui lui sont soumises. Il s'agit de blockchains séparées, qui héritent des garanties de sécurité d'Ethereum.

Le terme « layer 2 », qui signifie littéralement « couche 2 », est en réalité un abus de langage. Il s'agit en effet d'une solution permettant d'étendre la couche d'exécution en dehors du réseau mère. Les solutions de seconde couche reposent donc sur une vision plus modulaire de la blockchain. Il s'agit de déplacer off-chain la couche d'exécution et de concéder la validation des transactions à un acteur tiers.

Les layers 2 permettent donc d'exécuter des transactions hors de la couche 1, et s'appuient sur Ethereum pour fonctionner. Ils soumettent les résultats périodiquement au layer 1 pour les valider.

Pour être pertinente, une solution de scalabilité se doit d'être aussi sécurisée que la blockchain qu'elle soulage. Il est effectivement inconcevable de déployer une solution de mise à l'échelle sur laquelle les utilisateurs ont une protection réduite.

Au fil de leur développement, les solutions de seconde couche se sont perfectionnées afin de garantir le même niveau de sécurité que le réseau sous-jacent.

Il existe plusieurs technologies de layer 2, dont nous allons détailler les principales ci-dessous.

Les canaux de paiement

Parfaitement bien illustrés par le Lightning Network imaginé par Joseph Poon et Thadeus Dryja, et déployé sur Bitcoin en 2015, les canaux de paiement représentent une solution off-chain permettant d'exécuter des transactions entre deux personnes.

Leur fonctionnement est basé sur le principe de la multi-signature et permet à deux utilisateurs de s'échanger des coins en dehors du réseau principal sans avoir à inscrire une transaction sur ce dernier à chaque échange. À tout moment, l'un peut demander à retirer ses fonds sur le réseau principal. Une fois la demande de retrait effectuée, l'autre dispose d'une période de temps prédéterminée afin de s'opposer à la demande de retrait, en présentant une « facture » plus récente indiquant que les fonds en cours de retrait lui appartiennent désormais.

En cas d'absence de contestation, la demande de retrait est validée, aboutissant à la publication d'une unique transaction sur le réseau mère. En cas de contestation légitime, l'utilisateur à l'origine de la demande de retrait est sanctionné et doit céder tous les fonds engagés sur le canal au contestataire.

Les canaux de paiement ont également la capacité de s'organiser en réseau comprenant de nombreux intermédiaires, permettant à deux utilisateurs n'ayant jamais ouvert de canal direct de pouvoir malgré tout communiquer.

La construction des canaux de paiement leur confère le même niveau de sécurité que le réseau mère. Le réseau mère dispose en effet des données nécessaires afin de statuer par lui-même et permet aux utilisateurs de contester une demande de retrait illégitime. Néanmoins, ses possibilités sont finies et se limitent à la réalisation de transactions élémentaires entre utilisateurs.

Mettre en place des canaux de paiement sur une plateforme de smart contracts s'avère en revanche beaucoup plus délicat. En effet, la construction des canaux de paiement implique que le réseau mère puisse accéder à l'ensemble des transactions effectuées au moment du règlement (settlement). Ceci n'est pas toujours simple dans le cas de smart contracts complexes.

La disponibilité des données est donc l'élément clé que les technologies les plus récentes s'attellent à assurer.

Les solutions de canal de paiement sur les plus connues sur Ethereum sont Raiden, StateChannels et Connext, mais sont largement délaissées au profit des technologies que nous allons décrire dans la suite de cet article.

Les Sidechains

Bien que très souvent considérées comme telles, les sidechains ne sont pas des layers 2 à proprement parler. En effet, elles n'héritent pas de la sécurité d'Ethereum, car elles disposent de leur propre mécanisme de consensus, mais jouent le même rôle de mise à l'échelle.

Sans faire l'amalgame, nous traiterons tout de même de leur cas dans la suite de cet article, l'objectif étant de vous fournir une vision globale des solutions de mise à l'échelle d'Ethereum.

Les sidechains en général

Figurant parmi les plus anciennes technologies permettant d'exécuter des transactions off-chain, les sidechains (ou chaînes latérales) représentent une seconde blockchain indépendante, disposant de ses propres validateurs (en cas de preuve d’enjeu) ou de ses propres mineurs (en cas de preuve de travail). Ainsi, elles disposent de leur propre consensus et de leur propre blockchain.

La communication entre la sidechain et le réseau principal s'effectue grâce à des ponts, plus souvent appelés bridges. Ceux-ci sont en réalité des smart contracts sur le réseau mère permettant de stocker les coins et tokens à déplacer sur la sidechain. Une fois les fonds bloqués dans le smart contract, ceux-ci sont recréés sur la chaîne secondaire et peuvent être utilisés via un mécanisme de mint and burn.

Plusieurs modèles de sidechains ont été décrits, chacun possédant des caractéristiques structurelles propres.

Les sidechains les plus élémentaires se contentent d'un bridge, exécutent les transactions et conservent les données relatives aux transactions. D'autres publient périodiquement l'état des comptes de la sidechain sur la chaîne mère sous la forme d'un hash. Il faut bien comprendre que ces publications périodiques ne sont assorties d'aucune preuve de validité. Ainsi, une sidechain malveillante pourrait aisément publier des informations erronées sur le réseau mère et il serait impossible pour ce dernier de le savoir.

Dans tous les cas, la sécurisation des fonds présents sur la sidechain est totalement indépendante de la chaîne mère, la sidechain n'hérite donc aucunement de la sécurité du réseau sous-jacent.

Afin d'augmenter les performances de scalabilité, les sidechains n'hésitent pas à modifier les paramètres du réseau, au détriment potentiel de sa sécurité et de sa décentralisation. Elles adoptent généralement des temps de bloc plus courts et des limites de gas plus élevées, afin d'obtenir des transactions rapides et de faibles frais.

Par ailleurs, disposant d'un consensus indépendant, une sidechain ne peut garantir l'incensurabilité des transactions, et ce même si la chaîne mère est incensurable.

En résumé, les sidechains héritent de la sécurité de leur propre réseau, étant donné que le réseau mère est incapable de vérifier avec certitude ce qu'il se passe sur la sidechain, et dont l'honnêteté des déclarations dépend toujours de l'honnêteté de ses validateurs (ou mineurs).

Les sidechains d'Ethereum

Les sidechains d'Ethereum les plus connues sont :

• Polygon PoS : fonctionnant avec un mécanisme de consensus en preuve d'enjeu, Polygon représentent l'archétype de la sidechain. Il s'agit plus exactement d'une commitchain publiant périodiquement sur Ethereum les transactions effectuées au sein de son réseau. Anciennement connu sous le nom de Matic, c'est la chaîne latérale phare d'Ethereum, largement plus populaire et utilisée que celles que nous citons ci-dessous ;

• Gnosis Chain : anciennement connu sous le nom de xDai, il s'agirait pour certains de la troisième blockchain la plus décentralisée après Bitcoin et Ethereum suite à son passage à la preuve de travail en décembre 2022 (à prendre avec des pincettes). Il s'agit d'une des premières sidechains d'Ethereum qui continue à se développer petit à petit ;

• Skale : cette solution de mise à l'échelle déployée en 2020 propose des transactions gratuites qui ne coûtent pas de gas. Le projet ne fait plus trop parler de lui lors de la rédaction de l'article, mais continue de se développer, notamment avec des dApps de gaming.

Les avantages et inconvénients des sidechains

Avantages :

• Les chaînes latérales sont compatibles avec l'EVM (comme les autres layers 2 présentés ici) et permettent aux dApps d'élargir leur écosystème ;
• Elles permettent de réduire drastiquement les frais de gas et d'améliorer la rapidité des transactions.

Inconvénients :

• Les sidechains sont moins sécurisées et décentralisées qu'Ethereum car elles ne partagent pas son mécanisme de consensus, et ne font pas vérifier leur état par Ethereum.

Les Rollups

Les rollups en général

Les rollups ont émergé récemment sur les réseaux de smart contracts et proposent de résoudre le problème des sidechains qui ne font pas vérifier leur état par le réseau Ethereum.

Il s'agit de layers 2 permettant de traiter les transactions off-chain, avant de les « enrouler », c’est-à-dire les regrouper et les « compresser » (avec les arbres de Merkle et leur racines), avant de les intégrer sur la chaîne principale d'Ethereum. Ceci permet de traiter beaucoup plus de transactions en un laps de temps donné, et avec beaucoup moins de frais de gas que si elles étaient exécutées directement sur le layer 1.

Ils utilisent des séquenceurs afin d'ordonner les transactions à effectuer. Ils peuvent être totalement centralisés et ne comporter qu'un seul séquenceur (à risque de censure), ou décentralisés en un réseau de séquenceurs indépendants avec leur propre consensus.

Puisque les rollups héritent de la sécurité du réseau mère, il est tout à fait possible de booster au maximum les paramètres afin d'accroître massivement la scalabilité. Cela passe par exemple par de gros blocs et une finalité très rapide.

Il existe 3 grandes familles de rollups :

• Les optimistic rollups qui utilisent des preuves de fraude, permettant d'annuler pendant un lap de temps des transactions qui auraient été effectuées frauduleusement ;

• Les Zk rollups qui utilisent des preuves de validité permettant de savoir facilement si les transactions effectuées sont bien valides.

• Les based rollups, les petits nouveaux en la matière.

Les optimistic rollups

Les optimistics rollups, utilisant les preuves de fraude, sont les premiers à avoir été développés, car ils sont moins complexes que les rollups utilisant les preuves de validité.

Ces rollups sont considérés comme « optimistes » car ils ils partent du principes que « tout va bien » et que les transactions effectuées off-chain sont valides. En cas de problème, les utilisateurs disposent tout de même d'un laps de temps (7 jours) pour les contester, avant qu'elles ne deviennent irréversibles.

Les optimistic rollups s'inspirent grandement du modèle des canaux de paiement comme le Lightning Network sur Bitcoin. En effet, ils sont contrôlés par des contrats intelligents s'exécutant sur Ethereum. Ces contrats stockent les blocs du rollup, surveillent les mises à jour d'état sur le rollup, et suivent les dépôts des utilisateurs.

Le fonctionnement qui en découle est relativement simple. En voici les étapes :

1. Passation des transactions : les utilisateurs passent leurs transactions respectives sur le rollup, de la même manière qu’ils effectueraient des transactions sur Ethereum ;

2. Regroupement des transactions : les transactions sont regroupées en gros lots par les séquenceurs, avant d'être soumises à Ethereum. Cette approche permet de répartir les coûts fixes du réseau Ethereum sur de nombreuses transactions, réduisant ainsi les frais pour les utilisateurs finaux.
   
   Elles sont executées sur le layer 2, qui utilise une Machine Virtuelle capable d'effectuer les mêmes calculs que celle d'Ehereum. Elles publient ensuite les données de transaction sur le réseau principal (en tant que calldata), ce qui permet à ceux qui le souhaite de reconstituer l’état du rollup ;

3. Publication des données de transactions : les données de transactions sont publiées sur Ethereum et considérées a priori comme étant valides ;

4. Période de contestation : une fois qu’un lot de données est envoyé sur Ethereum, n'importe qui peut les vérifier. Elles peuvent être contestées pendant une certaine durée. Pour ce faire, les vérificateurs doivent calculer une preuve de fraude.
   
   Cette nécessité d'une période de contestation avant toute validation définitive représente un inconvénient majeur, notamment dans le cas des retraits du rollup vers le réseau mère ;

5. Preuve de fraude : si une fraude est prouvée par le calcul, les transactions sont à nouveau exécutées, cette fois-ci directement sur Ethereum, et l’état du rollup est mis à jour en conséquence. Le séquenceur responsable de l'inclusion des transactions frauduleuses est alors puni financièrement. En effet, pour pouvoir inclure des transactions, les séquenceurs doivent mettre en gage des ethers pour prouver leur bonne foi. En cas de mauvais comportement, tout au partie de ces ethers peut lui être confisqué ;

6. Validation des lots de rollup : si le lot de rollup reste incontesté après l’expiration de la période de contestation, il est considéré comme valide et accepté sur Ethereum.

Les optimistics rollups sur Ethereum

Au moment de l'écriture de ces lignes, il existe 32 optimistic rollups sur Ethereum.

Voici une rapide description des plus développés d'entre eux :

• Arbitrum : c'est de loin l'optimistic rollup le plus abouti de l'écosystème. Il regroupe à l'heure de l'écriture de ces lignes 39 % de la valeur totale verrouillée (TVL) sur tous les layers 2 confondus (hors sidechains) et 705 dApps. Lancé en 2021, son adoption a véritablement explosé en 2023. Sa technologie est basée sur une version améliorée de ce qui avait initialement été conçu par l’équipe de développement d’Optimism.
  
  La principale faiblesse du réseau est, qu'actuellement, seuls les validateurs faisant partie d'une whitelist peuvent produire une preuve de fraude. Si aucun d'entre eux ne fait le travail de vérification, des transactions frauduleuses sont susceptibles d'être effectuées ;

• Optimism : c'est le premier rollup de ce type à avoir été lancé sur Ethereum. Sa technologie diffère de celle d'Arbitrum principalement dans la manière dont ils génèrent une preuve de fraude. Optimism utilise une méthode non interactive (tests de transaction effectués en un tour sur Ethereum), tandis qu’Arbitrum utilise une méthode interactive (tests de transactions effectuées en plusieurs tours et off-chain).
  
  Sa TVL représente 17 % celle présente sur tous les layers 2 confondus (hors sidechains) et plus de 260 dApps y sont déployées ;

• Base : Base est le dernier arrivé du secteur et est soutenu par la célèbre plateforme d'échange centralisée Coinbase. Les mécanismes de preuve de fraude ne sont pas encore en place, et les utilisateurs doivent se contenter de faire confiance aux proposeurs de blocs, même s'il est possible que la situation ait évolué au moment où vous lisez ces lignes.
  
  Plus de 348 dApps y sont déjà déployées et la TVL de Base a rapidement explosé pour atteindre 6,55 milliards de dollars (19 % de celle présente sur tous les layers 2).

Les avantages et inconvénients des optimistic rollups

Avantages :

• Les optimistic rollups peuvent supporter un très grand nombre de transactions par seconde ;
• Ils permettent une grande économie de frais de gas pour les utilisateurs étant donné que les transactions sont regroupées avant d'être exécutées sur le layer 1.

Inconvénients :

• La période de contestation est très longue pour attendre que les transactions soient considérées comme irréversibles ;
• Les optimistic rollups actuels ne sont pas encore pleinement opérationnels et présentent des faiblesses en termes de sécurité, notamment du fait que le système de preuve de fraude ne soit pas encore complètement en place.

Les Zk rollups

Solution la plus perfectionnée actuellement, les rollups utilisant les preuves de validité ont le vent en poupe. Et pour cause, ils permettent de garantir la disponibilité des données tout en fournissant une preuve de validité de celles-ci.

Cette méthode de scalabilité utilise les Zero-Knowledge Proofs (ZKP) ou preuves à divulgation nulle de connaissance qui permettent accessoirement de fournir une certaine confidentialité lors son utilisation. Néanmoins, les layers 2 qui utilisent les preuves de validité ne peuvent pas vraiment être qualifiés de « zero-knowledge », puisque les données se doivent d'être disponibles !

Les ZKP sont très complexes à appréhender et nous ne rentrerons pas dans des détails techniques dans cet article. Elles utilisent les preuves SNARK (Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge) et STARK (Zero-Knowledge Scalable Transparent Argument of Knowledge). Les plus curieux d'entre vous pourront trouver plus d'informations dans cet article.

Sachez tout de même qu'elles permettent de prouver la véracité d'une information sans avoir à la révéler, cette dernière étant de plus très facile à vérifier. Par ailleurs, il est tout bonnement impossible de prouver une information erronée grâce aux ZKP. Ainsi, aucune contestation n'est requise puisqu'il est impossible pour ce type de rollup de prouver quelque chose de faux. La preuve de validité permet à l'ensemble du réseau d'être convaincu instantanément de la validité des données publiées par le rollup.

Concrètement, les rollups utilisant les preuves de validité fonctionnent ainsi :

1. Passation des transactions : les utilisateurs passent leurs transactions respectives sur le rollup, de la même manière qu’ils effectueraient des transactions sur Ethereum ;

2. Regroupement des transactions : les transactions sont regroupées en lots par les séquenceurs, puis exécutées sur la Zk EVM qui produit un nouvel état du rollup ;

3. Ellaboration de la preuve de validité : l'opérateur calcule une preuve à divulgation nulle de connaissance (zero-knowledge proof), qui sert à prouver de manière certaine et vérifiable que les transactions sont bien valides ;

4. Publication sur le réseau principal Ethereum : la zero-knowledge proof est envoyée au smart contract sur Ethereum qui la vérifie et met à jour l'état du réseau en conséquence ;

5. Retrait des fonds : le retrait de fonds d’un rollup Zk vers Ethereum peut se faire sans délai car les transactions de retraits sont exécutées une fois que le contrat de rollup Zk a vérifié la preuve de validité.

Les Zk rollups sur Ethereum

Au moment de l'écriture de ces lignes, il existe 12 Zk rollups sur Ethereum. Arrivés plus tardivement sur le marché, on peut voir qu'à l'heure actuelle leur TVL reste bien loin de celle des optimistic rollups. Ils n'en sont pas moins très prometteurs et la tendance pourrait évoluer, voire même s'inverser.

Voici une rapide description de certains d'entre eux :

• ZkSync Era : développé dès 2018 par Matter Labs, ZkSync Era est le premier Zk rollup à avoir été lancé sur Ethereum (en mars 2023). Il permet notamment l'abstraction native des comptes, ce qui signifie que les utilisateurs peuvent entre autres récupérer leur compte même s'ils en perdent les clés d'accès, ou encore payer les frais de quelqu'un d'autre (ou demander à quelqu'un d'autre de payer les siens).
  
  120 dApps y sont déjà déployées, ce qui en fait le Zk rollup l'un des layers 2 les plus utilisés ;

• Starknet : StarkNet est un Zk rollup qui a été développé par l’entreprise Starkware, fondée en 2018. Ce layer 2 utilise son propre langage de programmation, le Cairo, ce qui rend son utilisation impossible avec la plupart des portefeuilles utilisables habituellement sur Ethereum tels que Metamask.
  
  Les preuves de validité utilisées par Starknet sont des STARK (Scalable Transparent Arguments of Knowledge). Elles sont légères et transparentes et ne nécessitent pas de paramètre secret, contrairement aux SNARK utilisées par les autres Zk rollup, c'est-à-dire qu'elles ne nécessitent pas de configuration initiale et ne présentent pas de point de défaillance unique.
  
  Si sa technologie semble extrêmement prometteuse, Starknet ne compte pour le moment qu'une trentaine de dApps et 620 millions de dollars de TVL, ce qui reste très inférieur aux meilleurs layers 2 optimistics rollups ;

• Scroll : Scroll s'est développé autour de quatre valeurs fondamentales : la sécurité, l'équivalence Ethereum, l'efficacité et la décentralisation. L'équivalence Ethereum représente le niveau supérieur de la compatibilité EVM, et signifie que n'importe quelle dApp déployé sur Ethereum peut l'être sur Scroll sans aucune modification ou couche intermédiaire.
  
  Entièrement open source, Scroll s'aligne sur la philosophie de la communauté Ethereum et son équipe travaille en collaboration avec le groupe de la Fondation Ethereum.
  
  Avec 1,2 milliards de dollars de TVL, le réseau dispose d'une liquidité croissante et de 102 dApps ;

• Linea : après un testnet public de quelques mois accompagné d'une campagne incitative sur Galxe qui a beaucoup fait parler d'elle, le mainnet est live depuis le mois de juillet 2023. Ce layer 2 a été développé par ConsenSys, l'entreprise du confondateur d'Ethereum Joseph Lubin, qui a notamment conçu Metamask.
  
  Ce réseau promet d'être flexible et évolutif et voit sa TVL (780 millions de dollars) augmenter au fil des campagnes de marketing, incitant les dApps à s'y déployer (112 pour le moment) et les utilisateurs à venir l'essayer ;

• Polygon zkEVM : développé par la même équipe que celle qui se cache derrière la sidechain Polygon PoS, Polygon zkEVM fait partie de leurs nombreux projets interconnectés. Ce layer promet d'être « le plus rapide du monde », et utilise des preuves STARK récursives, qui permettent d'« enrouler » plusieurs preuves de validité dans une seule « grande » preuve.
  
  Aujourd'hui live, il compte 69 dApps et une TVL de 108 millions de dollars.

Les avantages et inconvénients des Zk rollups

Avantages :

• Les transactions effectuées sur les Zk rollups sont plus sécurisées que sur les autres layers 2 car elles ne nécessitent pas d'être vérifiées après coup comme sur les optimistic rollups, et héritent de la sécurité d'Ethereum contrairement aux sidechains ;
• Les fonds sont retirables sans délai grâce aux preuves de validités, contre 7 jours d'attente sur les optimistic rollups (en théorie tout du moins car des délais d'attente sont parfois mis en place - 24 heures sur ZkSync par exemple).

Inconvénients :

• Les frais sont généralement supérieurs a ce que proposent les optimistic rollups, du fait de la complexité des preuves de validité à calculer (environ 500 000 gas par blocs soumis, contre 40 000 pour les optimistic rollups). Cela est en revanche moins problématique depuis l'implémentation de la mise à jour Cancun-Deneb qui a réduit par 1 000 les frais de transaction sur les layers 2 ;
• Ils sont plus complexes à mettre en œuvre que les optimiscs rollups et sont donc pour le moment moins adoptés.

Les based rollups

Les based rollups appartiennent à une nouvelle catégorie de rollup, dont l'idée avait été introduite par Vitalik Buterin dès 2021 dans cet article. Encore à l'étude, ils pourraient bien se multiplier sur Ethereum dans l'avenir. Ils présentent en effet des avantages indéniables par rapport aux solutions offertes par les optimistics et les Zk rollups.

Contrairement à ces derniers qui s'appuient sur leurs propres séquenceurs pour regrouper et organiser les transactions (et qui posent des problèmes de centralisation), les based rollups se reposent sur les validateurs d’Ethereum pour le séquençage des transactions. La couche de consensus du réseau dépendrait alors entièrement d'Ethereum.

Les based rollups veulent utiliser le fait que le rôle de proposeur de blocs puisse être séparé de celui de constructeur de blocs chez les validateurs d'Ethereum. Ce mécanisme, appelé Proposer-Builder Separation (PBS) n’est pas encore complètement implémenté sur le réseau, mais est en cours de développement. Il est cependant prévu sur la roadmap d'Ethereum (phase The Scourge) et est en cours de discussion et de test grâce à des propositions comme l’EIP-7732.

Voici les grandes étapes de leur fonctionnement :

1. Passation des transactions : les utilisateurs passent leurs transactions respectives sur le rollup, de la même manière qu’ils effectueraient des transactions sur Ethereum ;

2. Regroupement des transactions et création des blocs du L2 : les « chercheurs » du based rollup regroupent les transactions en lots pour créer des blocs, en collaboration avec les constructeurs de blocs du L1 ;

3. Inclusions des transactions dans les blocs d'Ethereum : les constructeurs de blocs d'Ethereum incluent les blocs du based rollup dans un bloc d'Ethereum ;

4. Répartition des frais : les frais sont divisés en deux parties. Une partie (appelée frais de base) est distribuée au based rollup, tandis que l'autre (appelée frais de priorité) est récupérée par les producteurs de blocs ;

5. Finalisation : les transactions sont exécutées comme n'importe quelle transaction sur Ethereum.

Les principaux based rollups en développement

Voici une liste non exhaustive des projets de based rollup d'Ethereum en cours de développement à l'heure actuelle :

• Taiko Gwyneth : un based rollup qui utilise des préconfirmations pour améliorer la composabilité et la finalité des transactions ;

• Spire Labs : il ne s'agit pas d'un layer 2 mais d'un layer 3, permettant aux développeurs de créer des chaînes d’applications spécifiques avec une évolutivité fractale.

Les avantages et inconvénients des based rollups

Avantages :

• En supprimant le(s) séquenceur(s) (souvent unique) du layer 2, les based rollups héritent de la décentralisation, de la résilience et de la sécurité d'Ethereum ;
• En s’appuyant sur les block builders d’Ethereum, les Based Rollups peuvent interagir plus facilement avec les smart contracts du layer 1.

Inconvénients :

• Les based rollup perdent une partie des revenus, car les « priority fees » sont transférés aux block builders d’Ethereum ;
• Ils héritent du temps de bloc d’Ethereum (environ 12 secondes), ce qui peut ralentir les transactions par rapport aux autres solutions évoquées ici ;
• Poster régulièrement des données sur Ethereum implique des coûts pouvant donner lieu à une note salée, surtout en période de congestion.

Les autres solutions de scaling

Si les rollups stockent les données sur Ethereum, il existe aussi d'autres solutions de scaling qui conservent elles-mêmes les données des transactions ou utilisent des services tiers :

• Les Validiums, qui utilisent les preuves de validité à l'instar des Zk rollups ;
• Les Optimiums et les Plasmas, qui utilisent les preuves de fraude à l'instar des optimitic rollups.

Les Validiums

Les validiums déplacent le calcul et le stockage d’état hors de la blockchain d'Ethereum. Ceci permet d'augmenter la scalabilité tout en réduisant les frais.

Voici les étapes de fonctionnement d’un validium :

1. Envoi des fonds : comme pour tous les layers 2, les utilisateurs doivent commencer par envoyer des fonds sur le validium en utilisant un bridge ;

1. Passation des transactions : les utilisateurs passent leurs transactions de la même manière qu’ils les effectueraient sur Ethereum ;

2. Regroupement et execution des transactions : les transactions sont regroupées en lots par les séquenceurs, puis exécutées. La preuve de validité associée (ZK-SNARK ou ZK-STARK) est soumise au vérificateur, et un nouvel état du validium est proposé. Si la preuve est valide, l'état du validium est mis à jour ;

3. Publication sur le réseau principal Ethereum : contrairement à un rollup ZK, les producteurs de blocs sur un validium ne sont pas tenus de publier les données de transaction pour les lots de transactions (seulement les en-têtes de blocs) ;

4. Disponibilité des données : étant donné que les données du validium ne sont pas stockées sur Ethereum, elles doivent être disponibles pour les utilisateurs s'ils souhaitent retirer leurs fonds vers le layer 1. Les validiums ne gèrent pas tous la disponibilité des données de la même manière. Certains s'appuient sur des tiers de confiance (des comités de disponibilité des données - DAC), tandis que d'autres utilisent des validateurs désignés pour cette tâche (qui doivent mettre en gage des jetons pour assurer qu'ils feront correctement leur travail) ;

5. Retrait de fonds : le retrait des fonds d’un validium vers Ethereum peut se faire sans délai à condition que les données soient bien disponibles.

Les Validiums sur Ethereum

Les validiums ne sont pas très nombreux sur Ethereum et sont dédiés à des utilisations bien spécifiques, contrairement aux autres types de layers 2 que nous avons vu plus haut et qui sont amenés à supporter tous types de dApps.

Voici les spécificités de certains d'entre eux :

• Immutable X : fondé en 2018, le projet Immutable X se concentre principalement sur l’écosystème des NFT et des jeux vidéo Web3. Immutable X utilise StarkEx, le « moteur de scalabité » basé sur les ZK-STARK de StarkWare, pour offrir aux joueurs des transactions privées, un règlement instantané et des frais de gas nuls.
  
  Le validium accueil déjà plus de 20 marketplaces et plus de 150 jeux online ;

• Sorare : Sorare est un jeu de cartes de football (NFT) collectionnables avec lesquelles il est possible de spéculer ou de jouer. Les cartes représentent de vrais joueurs de football professionnels, et leur « puissance » dans le jeu est liée à leur performance dans le monde réel. Les compétitions sont organisées fréquemment et les joueurs peuvent remporter des prix en cryptomonnaies. À l'instar d'Immutable X, Sorare utilise StarkEx ;

• Rhino.fi : Rhino.fi, anciennement appelé DeversiFi, est un agrégateur de swap cross-chain. Comme les 2 autres projets cités ici, Rhino.fi, utilise StarkEx.

Les avantages et inconvénients des Validiums

Avantages :

• Les validiums allègent encore plus le layer 1 que les autres solutions ;
• Les frais pour les utilisateurs sont minimes.

Inconvénients :

• Les fonds peuvent être bloqués si les données sur l'état du validium ne sont pas disponibles lors d'un retrait.

Les Optimiums

Les Optimiums (aussi appelés Opimistic Chains) sont des layers 2 qui utilisent des mécanismes de validation similaires aux optimistic rollups, mais avec une approche modulaire.

La grande majorité de ceux qui existent actuellement sont basés sur l'OP Stack (ensemble de logiciels standardisés, partagés et open source développés par l’équipe d’Optimism) ou sur le code base d'Arbitrum. Ils externalisent leur couche de « Data availability » sur des projets tiers tels que Celestia ou EigenLayer.

Les puristes ne les considèrent donc pas comme des layers 2 à proprement parler en raison des hypothèses de confiance supplémentaires qu'ils introduisent, mais la communauté crypto les inclut souvent dans cette catégorie.

Voici la liste des Optimium proposée par L2Beat. Une trentaine d'entre eux sont des layers 2 d'Ethereum.

Voici les spécificités des deux plus gros :

• Mantle : il s'agit d'un réseau EVM compatible qui utilise la technologie EigenDA pour sa couche de disponibilité de données. D'après l'équipe du projet, EigenDA permettrait de réduire les frais de plus 90 % par rapport à ceux qui seraient engendrés par l'utilisation d'Ethereum. Les preuves de fraudes qu'il utilise sont des versions améliorées de celles utilisées par les autres optimistic rollups. Elles sont compilées pour être utilisables directement par l’EVM, ce qui évite au vérificateur d'avoir à le faire et minimise ainsi la confiance nécessaire entre les vérificateurs, les logiciels clients et les compilateurs.

• Manta Pacific : lancé en septembre 2023, ce projet récent a très vite attiré des utilisateurs. Son adoption reste cependant loin de celle des layers 2 les plus populaires. Il utilise Celestia comme couche de disponibilité de données. Avec une cinquantaine de dApps, le réseau totalise environ 500 millions de dollars de TVL. Il annonce une économie de 80 % pour ses utilisateurs par rapport aux autres layers 2 d'Ethereum.

Les avantages et inconvénients des Optimiums

Avantages :

• Les optimiums allègent encore plus le layer 1 que les autres solutions ;
• Ils réduisent les frais par rapport aux layers 2 qui utilisent la data availability d'Ethereum.

Inconvénients :

• Les optimiums dépendent de projets tiers en ce qui concerne la disponibilité des données, ce qui comporte une part de risque supplémentaire.

Les Plasmas

Les Plasmas sont en quelque sorte une sorte spécifique de sidechain, qui héritent de la sécurité d'Ethereum et fonctionnent avec des preuves de fraude. Tout comme les validiums, les calculs et le stockage des données s'effectue hors d'Ethereum.

Cette solution de seconde couche à été théorisée en août 2017 par Vitalik Buterin et Joseph Poon, connu pour ses travaux sur le Lightning Network de Bitcoin.

Plasma permet de créer un réseau de blockchains « enfants », qui sont des copies allégées de celle d'Ethereum et sont toutes connectées à la chaîne plasma « mère ».

La chaîne mère est connectée à Ethereum avec un contrat intelligent. Ce contrat sert de point d’ancrage pour les transactions de la chaîne Plasma et gère les dépôts ainsi que les retraits entre la chaîne enfant et la chaîne principale.

Nous n'entrerons pas plus dans les détails de leur fonctionnement car leur développement a pour l'instant été mis de côté par la communauté, au profit des autres solutions évoquées ici. En effet, les plasmas ne permettent pas d’exécuter de smart contracts et se limitent aux transferts de fonds.

Deux projets seulement ont adopté cette technologie mais ne sont plus vraiment d'actualité : OMG Network et Loom Network.

Cependant, les plasmas pourraient bien redevenir au goût du jour grâce à leur version améliorée : les neoplasmas. Cette solution mise en avant par Vitalik Buterin, intègre les preuves de validité et pourrait servir à venir améliorer les validiums.

Le futur des layers 2

La recherche d'amélioration de la scalabilité des blockchains peut être assimilée à la déconstruction d'une blockchain monolithique afin de déléguer la couche d'exécution à des entités spécialisées.

Les solutions les plus anciennes ne permettent pas de garantir le même niveau de sécurité que le réseau originel, du fait de données ni disponibles, ni vérifiables.

Les rollups sont aujourd'hui les solutions la plus avancées des layers 2, capables de garantir la disponibilité des données ainsi que leur authenticité grâce à un système de preuves, permettant de fournir une haute scalabilité tout en garantissant le même niveau de sécurité que la blockchain mère.

L'avenir est donc à la modularité pour Ethereum, qui libère les nœuds du réseau d'un nombre variable de couches, leur permettant de se concentrer sur l'obtention d'un consensus.

À court et moyen termes, ce sont les rollups qui sont désignés comme les solutions aux problèmes de scalabilité. La feuille de route d'Ethereum prévoit de nombreuses évolutions du réseau principal, dont l'objectif est de permettre aux layers 2 de remplir au mieux leur rôle. La plus récente d'entre elles a été instaurée le 13 mars 2024, lors de la mise à jour Cancun-Deneb qui a introduit le Proto-Danksharding (EIP-4844).

L'EIP-4844 a introduit un nouveau format de transaction contenant des « blobs ». Pour faire simple, ces blobs réduisent considérablement les coûts de stockage pour les rollups, rendant les transactions moins chères pour les utilisateurs, tout en gardant le même niveau de sécurité. La plupart des rollups cités dans cet article supportent actuellement cette mise à jour et ont vu leurs coûts d'utilisation être divisés par 35 à 40 en moyenne !

Pour plus d'informations sur la mise à jour Cancun-Deneb, vous pouvez consulter cet article et vous reporter à celui-ci pour avoir une vision globale de la démarche dans laquelle elle s'inscrit.

Vous pouvez aussi choisir de continuer votre parcours dans cette encyclopédie en lisant les articles dans l'ordre. Après avoir exploré toutes les facettes du « qui », du « quand », et du « comment » d'Ethereum, nous vous proposons maintenant de passer au « pourquoi ». Dans l'article suivant, nous verrons ce à quoi peut concrètement servir Ethereum avec quelques exemples d'usage et d'applications décentralisées.