Introduction

L'introduction d'Ethereum en 2015 a marqué une étape importante dans l'évolution de la technologie blockchain, offrant une plateforme pour l'innovation et des solutions décentralisées. Cependant, alors que la popularité d'Ethereum a augmenté en flèche, la scalabilité et les frais de gaz élevés sont apparus comme des défis redoutables. Malgré ces obstacles, Ethereum reste ferme dans sa quête d'une escalabilité extrême sans compromettre la décentralisation ou la sécurité.

Pour approfondir les solutions de mise à l'échelle d'Ethereum et l'équilibre complexe entre la scalabilité, la sécurité et la décentralisation, il est essentiel de comprendre le Trilemme de la Blockchain - un concept fondamental dans la technologie blockchain. Cet article explore le paysage diversifié des solutions de mise à l'échelle, y compris les approches on-chain et off-chain, en se concentrant sur les solutions Roll-up. En comparant les Roll-ups Optimistes et les Roll-ups à Connaissance Nulle, cet article vise à élucider les compromis et les avantages nuancés de chaque approche, en mettant en lumière leurs implications pour l'avenir d'Ethereum et l'écosystème plus large de la blockchain.

Le trilemme de la blockchain

Les trois caractéristiques fondamentales de la blockchain sont la scalabilité, la sécurité et la décentralisation.

Sécurité

Cela signifie maintenir le réseau à l'abri des attaques et garantir que toutes les transactions sont sécurisées et inviolables.

Décentralisation

Cela fait référence à la répartition du contrôle du réseau de sorte qu'aucune entité unique n'ait trop de pouvoir. Il s'agit d'avoir un réseau géré par de nombreux nœuds, plutôt que par une autorité centrale unique.

Scalabilité

Il s'agit de la capacité du réseau à traiter un grand nombre de transactions rapidement et efficacement à mesure qu'il se développe.

Source: Ethereum

L'incapacité d'une blockchain à accomplir simultanément tous ces objectifs est connue sous le nom de « trilemme de la blockchain ». Améliorer l'un signifie souvent sacrifier les autres, et ce trilemme est censé restreindre sévèrement l'adoption et le potentiel de la technologie. Par exemple, un degré plus élevé de décentralisation (plus de personnes en charge) peut entraîner des réseaux moins évolutifs avec des transactions plus lentes car plus de nœuds doivent être d'accord sur les transactions. Cependant, à mesure que la scalabilité augmente (les transactions se font plus rapidement), il pourrait devenir nécessaire de réduire la « décentralisation » (moins de nœuds sont en contrôle), ce qui pourrait avoir un impact sur la sécurité. Des réglementations strictes et moins de nœuds peuvent ralentir les transactions et les rendre plus centralisées, ce qui pourrait limiter la scalabilité et la décentralisation du réseau si la sécurité est priorisée.

Solutions de mise à l'échelle : Sur chaîne et hors chaîne

Le processus de mise à l'échelle on-chain implique des modifications apportées au protocole principal de la couche 1 de la mainnet d'Ethereum, qui était initialement destiné à être évolutif grâce au sharding - la division de la blockchain en zones plus petites et vérifiables. En utilisant des pièces jointes de données moins coûteuses aux blocs Ethereum, les rollups de couche 2 se sont imposés comme la principale technique de mise à l'échelle.

Les solutions de mise à l'échelle hors chaîne, en revanche, ne dépendent pas de la couche 1 d'Ethereum et n'ont pas besoin de modifications de protocole. Elles gagnent en évolutivité en traitant les transactions en dehors du réseau principal d'Ethereum, et elles tirent leur sécurité soit directement du consensus d'Ethereum, soit à travers des chaînes indépendantes. Les sidechains, les canaux d'état, Plasma, Validium et Roll-ups font partie de ces solutions de couche 2.

Solutions de mise à l'échelle Roll-up

Source :DappRadar

Les Roll-ups, qui sont sécurisés par Ethereum, augmentent la scalabilité d'Ethereum en traitant et en validant les transactions hors chaîne, puis en envoyant un résumé condensé des transactions au mainnet. En conséquence, le mainnet Ethereum L1 gère moins de données et de calcul, ce qui accélère le réseau et réduit les coûts de transaction.

Entrées et Sortie

La sortie et l'entrée sont les processus de déplacement des fonds entre Ethereum et une solution de mise à l'échelle de couche 2 (L2).

• Pour utiliser une solution L2, les utilisateurs doivent déposer leurs fonds dans un smart contract sur Ethereum, qui les verrouille jusqu'à ce qu'ils soient retirés.
• Sortie : Pour récupérer leurs fonds, les utilisateurs doivent soumettre une preuve de leur solde sur la solution L2 au contrat intelligent, ce qui les libère vers leur adresse Ethereum. Les différentes solutions L2 ont différentes méthodes de prouver et de vérifier les transactions, telles que les preuves de connaissance zéro ou les preuves de fraude. Ces méthodes influent sur la vitesse, le coût et la sécurité de la sortie et de l'entrée.

Comprendre les Zero-knowledge (ZK) et les Roll-ups Optimistes

Les preuves sans connaissance (ZK) et les Optimistic Roll-ups sont les deux catégories de solutions de mise à l'échelle d'Ethereum.

Roll-ups à connaissance nulle

Les Roll-ups de connaissance nulle, populaires sous le nom de ZK roll-ups, supposent que toutes les transactions sont fausses jusqu'à ce qu'elles soient prouvées valides grâce à des preuves de connaissance nulle (ZKPs), un contraste marqué avec ses homologues optimistes. Ici, les validateurs prouvent qu'une transaction est authentique sans révéler aucun détail de la transaction. Cela est fait en publiant des preuves de validité sur Ethereum, éliminant ainsi le besoin de données de transaction sur la chaîne. Les exemples de Roll-ups de connaissance nulle incluent Starknet, zkSync et Loopring.

Source: Nervos

Caractéristiques clés des roll-ups de preuve de connaissance nulle

Une preuve de connaissance nulle

Il s'agit d'une méthode permettant à un 'prouveur' de démontrer la vérité d'une déclaration à un 'vérificateur' sans révéler aucune information au-delà du fait que la déclaration est vraie. Cela garantit la confidentialité et la sécurité dans la validation des revendications sans exposer les données sous-jacentes.

ZK-SNARKs (Argument de Connaissance Succincte Non Interactif de Zéro Savoir)

Un protocole permet la vérification de l'intégrité d'une déclaration sans rien savoir d'autre à son sujet. Il est concis et non interactif, ce qui signifie que les preuves sont petites et la vérification est rapide, ne nécessitant qu'une seule interaction.

ZK-STARKs (Argument transparent évolutif à connaissance nulle)

Similaire aux ZK-SNARKs mais conçus pour être évolutifs et transparents, les rendant plus rapides pour des ensembles de données plus importants et exempts du besoin d'une configuration de confiance, bien qu'ils produisent des preuves plus importantes.

Comment fonctionnent les rouleaux de connaissance nulle

1. Soumission de transaction par l'utilisateur: Les utilisateurs initient des transactions en les signant avec leurs clés privées. Ces transactions sont soumises aux opérateurs ZK-rollup.

2. Traitement de l'opérateur : Les opérateurs, qu'il s'agisse de séquenceurs ou de validateurs, reçoivent les transactions des utilisateurs. Les séquenceurs exécutent les transactions hors chaîne, les agrègent en lots, et soumettent périodiquement ces lots à la blockchain d'Ethereum. Les validateurs traitent les transactions dans une configuration de preuve d'enjeu et proposent de nouveaux lots en fonction de la taille de l'enjeu.

3. Compression par lots et soumission : Avant de soumettre à Ethereum, l'opérateur compresse les données de transaction pour réduire données d'appelLa taille. Ces données compressées sont ensuite incluses dans une transaction Ethereum et envoyées au contrat intelligent ZK-rollup.

4. Engagement sur chaîne : Le contrat intelligent d'Ethereum reçoit les données en lot et vérifie leur intégrité. Il met à jour l'arbre d'état du rollup avec les nouvelles transactions et stocke la racine de Merkle de cet état mis à jour.

5. Génération de preuve de connaissance nulle : L'opérateur ZK-roll-up génère des preuves de connaissance nulle pour chaque lot. Ces preuves attestent cryptographiquement de la correction des transitions d'état sans révéler d'informations sensibles.

6. Soumission de preuve : L'opérateur soumet les preuves de connaissance nulle au contrat vérificateur d'Ethereum. Ce contrat vérifie les preuves et garantit que les transitions d'état proposées sont valides.

7. Mise à jour de la racine de l'état : Après la vérification réussie des preuves à divulgation nulle de connaissance, les mises à jour des contrats intelligents d'Ethereum sur la racine de l'état du rollup avec la nouvelle racine de Merkle calculée à partir du dernier lot de transactions.

8. Interaction de l'utilisateur : les utilisateurs peuvent interagir avec le ZK-rollup en déposant des actifs sur Ethereum, en initiant des transactions et en retirant des fonds. Les dépôts sont effectués en envoyant des actifs au contrat rollup, tandis que les retraits impliquent de soumettre des demandes avec les preuves nécessaires au contrat.

9. Vérification et exécution : Le contrat roll-up vérifie les demandes de retrait, en s'assurant qu'elles sont valides et étayées par les preuves nécessaires. Après vérification, le contrat exécute les retraits, transférant les actifs aux adresses spécifiées des utilisateurs sur le mainnet d'Ethereum.

Avantages des roll-ups de connaissance nulle

• Preuves de validité : Les ZK roll-ups utilisent des preuves de validité pour vérifier la correction des transactions hors chaîne, ce qui empêche les opérateurs d'exécuter des transitions d'état invalides et offre une finalité plus rapide.
• Compression des données : Les ZK roll-ups utilisent des techniques de compression pour réduire la quantité de données publiées sur la chaîne, ce qui peut réduire les frais pour les utilisateurs et augmenter la scalabilité du roll-up.
• Retraits instantanés : les rouleaux ZK permettent aux utilisateurs de retirer des fonds de la couche L2 à la couche L1 sans délai, car les transactions de sortie sont exécutées une fois que la preuve de validité est vérifiée sur L1.

Inconvénients des rouleaux à connaissance nulle

• Génération et vérification de preuves : Les ZK rollups requièrent une cryptographie et une ingénierie complexes pour produire et vérifier les preuves de validité, ce qui peut augmenter les coûts et les défis pour les opérateurs et les utilisateurs de rollup.
• Compatibilité EVM : les rollups ZK ne sont pas facilement compatibles avec l'EVM, ce qui rend difficile le support de contrats intelligents polyvalents et d'applications et outils existants sur le rollup.
• Risques de centralisation : les ZK rollups peuvent encourager le contrôle centralisé du roll-up par quelques parties, car la production de preuves de validité nécessite un matériel spécialisé et une expertise.

Cas d'utilisation des Roll-ups de connaissance nulle

Les roll-ups de connaissance nulle (ZK) sont parfaitement adaptés à divers cas d'utilisation, en particulier ceux qui nécessitent un équilibre entre confidentialité, évolutivité et sécurité. Voici quelques cas d'utilisation des roll-ups de connaissance nulle.

Vérification d'identité décentralisée

Les ZK-roll-ups peuvent vérifier l'identité d'une personne sans révéler d'informations personnelles sensibles. Cette fonction de préservation de la vie privée est précieuse pour l'authentification sécurisée et la gestion des utilisateurs.

Transactions préservant la confidentialité

Les nœuds de la blockchain peuvent valider les transactions sans accéder directement aux données de transaction. Les ZK-rollups permettent des transferts confidentiels et efficaces tout en maintenant la sécurité.

Systèmes de vote

Les systèmes de vote doivent garantir l'anonymat et l'intégrité des élections tout en permettant la vérification publique des résultats.

Optimistic Roll-ups

Les roll-ups optimistes permettent de mettre à l'échelle Ethereum en déplaçant les transactions hors chaîne et en ne publiant que les données sur chaîne. Ils supposent et font confiance que les transactions hors chaîne sont valides sans les vérifier. Cependant, les roll-ups optimistes utilisent des preuves de fraude pour détecter les erreurs ou la fraude dans les transactions hors chaîne. Les deux roll-ups optimistes les plus populaires sont Arbitrum et Optimism.

La période de défi est le temps qui suit la soumission d'un lot de consolidation au réseau Ethereum. Pendant cette période, n'importe qui peut contester la validité d'une transaction de consolidation. Après la période de défi, un lot de consolidation est considéré comme valide sur Ethereum s'il n'est pas contesté. En revanche, le protocole réexécute les transactions et pénalise le séquenceur en question si une preuve de fraude est réussie.

Source :Nervos.org

Comment fonctionnent les Optimistic Roll-Ups

1. Soumission de transaction initiée par l'utilisateur : Sur le réseau roll-up optimiste, les utilisateurs commencent les transactions. Le séquenceur, ou opérateur, reçoit cette transaction.

2. Agrégation des transactions et soumission on-chain : L'opérateur compile toutes ces transactions séparées dans un bloc et réduit la taille des données en les compressant, créant ainsi un lot de transactions prêtes à être traitées. Ensuite, l'opérateur soumet le lot de transactions au réseau Ethereum. Les données de transaction sont emballées dans ce processus et publiées sur Ethereum sous forme de données d'appel.

3. Disponibilité des données sur Ethereum : Ethereum enregistre les données de transaction postées/soumises dans les données d'appel sur sa blockchain. Cela garantit la disponibilité des données de transaction pour référence future.

4. Transition d'état et engagements: Les validateurs sur le réseau de roll-up optimiste, également connu sous le nom deséquenceursdans certains cas, exécuter les transactions en utilisant l'état actuel de la chaîne roll-up stockée hors chaîne. Ils vérifient la validité des transactions et mettent à jour l'état roll-up en conséquence. Après le traitement des transactions, l'opérateur s'engage sur le nouvel état de la chaîne roll-up en générant une nouvelle racine d'état. Cette racine est hachée et stockée sur la chaîne comme une référence au dernier état de la roll-up.

5. Détection de fraude et preuves de fraude : Les validateurs surveillent attentivement les différences entre leur propre état exécuté et l'état proposé par l'opérateur en surveillant la chaîne de roll-up. Un validateur peut lancer un défi pour contester la validité du bloc de roll-up s'ils trouvent une divergence. En cas de défi, les validateurs peuvent fournir une preuve de fraude à Ethereum, démontrant toute incohérence dans le bloc de roll-up. Ces preuves servent de preuves d'activité frauduleuse et déclenchent des pénalités pour l'opérateur malhonnête.

6. Arbitrage et résolution : Ethereum est un arbitre dans le processus de résolution des litiges. Il évalue les preuves de fraude fournies par les challengers et impose des pénalités à l'opérateur si un comportement frauduleux est confirmé.

7. Finalité et règlement : Une fois qu'un bloc roll-up est accepté sur Ethereum, il atteint la finalité, ce qui signifie que les transactions qu'il contient sont considérées comme réglées et irréversibles. Ce règlement donne aux utilisateurs confiance dans l'intégrité de leurs transactions sur le réseau roll-up optimiste.

Avantages des Roll-ups Optimistes

• Compatibilité EVM : Les roll-ups optimistes peuvent prendre en charge n'importe quel contrat intelligent ou transaction pouvant s'exécuter sur Ethereum, ce qui les rend faciles à intégrer avec les dApps et les outils existants.
• Latence faible : Les roll-ups optimistes offrent des temps de confirmation de transaction rapides, car les utilisateurs n'ont pas à attendre que les preuves de validité soient vérifiées sur L1.
• Débit élevé : les rollups optimistes peuvent traiter des milliers de transactions par seconde en déplaçant le calcul hors chaîne et en ne publiant que les données de transaction sur la chaîne.

Inconvénients des Roll-ups optimistes

• Preuves de fraude : Les rollups optimistes reposent sur des preuves de fraude pour garantir la véracité des transactions hors chaîne, ce qui nécessite une période difficile et des coûts de gaz supplémentaires pour s'exécuter sur L1.
• Disponibilité des données : Les roll-ups optimistes dépendent de la disponibilité des données de transaction sur L1, qui peut être affectée par la congestion du réseau ou par des acteurs malveillants.
• Retards de retrait : Les roll-ups optimistes imposent une période d'attente aux utilisateurs pour retirer des fonds de la couche 2 à la couche 1, qui peut varier de plusieurs heures à plusieurs jours en fonction de la conception du roll-up.

Cas d'utilisation des Roll-ups optimistes

Les roll-ups optimistes abordent les défis de mise à l'échelle dans les applications basées sur Ethereum tout en maintenant la confiance et la sécurité, ce qui en fait une solution idéale pour divers cas d'utilisation dans différents secteurs. Il s'agit notamment de ;

Finance décentralisée (DeFi)

Les roll-ups optimistes peuvent considérablement améliorer le débit des transactions pour les plates-formes DeFi, permettant des interactions plus rapides et moins chères avec des protocoles tels que le prêt, le trading et le yield farming.

Jeux

Dans les applications de jeu, où les interactions en temps réel et la confirmation rapide des actions en jeu sont cruciales, les roll-ups optimistes offrent un moyen de traiter les transactions hors chaîne tout en maintenant la sécurité grâce à la publication des données sur la chaîne.

Gestion de la chaîne d'approvisionnement

Les rollups optimistes peuvent rationaliser les processus de la chaîne d'approvisionnement en traitant de grosses transactions hors chaîne, réduisant ainsi la congestion sur le réseau principal d'Ethereum. Cela est particulièrement utile pour suivre les marchandises, vérifier l'authenticité et gérer les stocks.

Vérification d'identité

La vérification des identités et la gestion des profils d'utilisateurs peuvent bénéficier des roll-ups optimistes. En déchargeant le calcul et le stockage de l'état, ces protocoles peuvent améliorer l'efficacité des transactions liées à l'identité.

Comparaison des rouleaux de connaissances nulles (ZK) et des Roll-ups optimistes

Conclusion

La comparaison entre Optimistic et Zero-Knowledge Roll-ups met en évidence les approches nuancées en matière de scalabilité et de sécurité au sein de l'écosystème d'Ethereum. Alors que les Optimistic Roll-ups privilégient la vitesse de transaction et la compatibilité avec l'infrastructure Ethereum existante, les Zero-Knowledge Roll-ups excellent dans la préservation de la vie privée et l'intégrité cryptographique. Les deux solutions représentent des avancées significatives dans la technologie blockchain, offrant des avantages uniques et des compromis adaptés à des cas d'utilisation diversifiés.

Alors qu'Ethereum continue d'évoluer, l'adoption et le perfectionnement de ces solutions roll-up joueront un rôle essentiel dans la définition de l'avenir de la finance décentralisée, des jetons non fongibles et d'autres applications blockchain. L'adoption de cette diversité de solutions de mise à l'échelle souligne l'engagement d'Ethereum envers l'innovation et la résilience pour surmonter les défis de scalabilité tout en préservant les principes fondamentaux de sécurité et de décentralisation.