Les blockchains Layer 1

Comprenez le fonctionnement des blockchains Layer 1 et découvrez leurs limites !

Introduction

Des problèmes apparaissent quand plus d'utilisateurs veulent se servir d'un réseau blockchain qu'il ne peut en absorber. Une forte demande d'espace de bloc peut être passagère, ou durer aussi longtemps que l'envie d'utiliser la blockchain. En période de forte demande, les utilisateurs enchérissent les uns contre les autres pour faire traiter leurs transactions rapidement, les frais montent, et ceux qui ont le moins de capital sont écartés.

Cette leçon explique pourquoi Ethereum et les autres blockchains sont soumis au trilemme de la blockchain, comment ce trilemme est à l'origine des problèmes décrits plus haut, et ce qu'il implique pour les projets d'Ethereum. Nous verrons les compromis retenus par plusieurs blockchains, et ce qu'ils signifient pour les Explorateurs de l'Academy.

Le trilemme de la blockchain

Comme le suggère le mot trilemme, trois qualités des blockchains entrent en concurrence et empêchent de les optimiser toutes les trois en même temps.

Ce sont : la sécurité, la scalabilité et la décentralisation.

Pour servir de socle impartial à un système monétaire mondial, une blockchain devrait exceller sur les trois. Un système monétaire doit être à l'abri de la fraude, protégé de la censure par la décentralisation, et capable de passer à l'échelle pour répondre aux besoins de plus de 8 milliards d'êtres humains.

Test de connaissances 1

Le trilemme de la blockchain décrit la relation entre :

[ ] Ethereum, Bitcoin et les altcoins
[ ] la sécurité, la censure et la fraude
[ ] la décentralisation, la scalabilité et la sécurité
[ ] la sécurité, la vitesse et les frais réduits

Sécurité et consensus

La sécurité est l'exigence la plus fondamentale pour une blockchain publique. Les ordinateurs d'un réseau doivent s'accorder sur les transactions réellement survenues pour travailler ensemble ; cet accord s'appelle le consensus. Une blockchain est sûre si des attaquants ne peuvent pas empêcher le réseau de s'accorder sur cette vérité. Les algorithmes de consensus sont conçus pour résister à ces attaques.

Les chaînes comme Bitcoin, qui utilisent la preuve de travail, protègent cet accord en rendant la production de blocs très compétitive : chaque producteur court pour résoudre un problème mathématique. Le premier à y parvenir gagne le droit de créer le bloc suivant et la récompense de bloc qui l'accompagne. Réécrire l'histoire récente de la chaîne exigerait des investissements massifs en puissance de calcul et en énergie : un attaquant dépenserait sans doute plus qu'il ne gagnerait.

Test de connaissances 2

Le consensus d'une blockchain de cryptomonnaie, c'est :

[ ] Le processus par lequel les nœuds s'accordent sur ce qui s'est passé onchain
[ ] Important pour tout l'écosystème de la chaîne, afin d'empêcher la fraude
[ ] Sécurisé par des incitations économiques
[ ] Toutes les réponses ci-dessus

Sécurité et attaques

Une forme possible d'attaque contre le consensus est l'attaque des 51 % : un attaquant qui contrôle la majorité de la puissance de consensus peut annuler des transactions récentes pour dépenser deux fois les mêmes pièces, ou censurer les nouvelles. Il ne peut ni falsifier des signatures ni dépenser les fonds d'autrui. Cette majorité représente 51 % de la puissance de calcul en preuve de travail, et 51 % de la mise en preuve d'enjeu : un investissement colossal. Et en preuve d'enjeu, une tricherie prouvée, comme signer deux blocs contradictoires, entraîne la destruction de cette mise (le slashing) : l'attaquant perdrait sans doute plus qu'il ne gagnerait.

En preuve d'enjeu, le producteur de bloc n'est pas désigné par la compétition mais tiré au sort. Comme en preuve de travail, l'algorithme garantit qu'aucune entité ne peut « gagner » régulièrement le droit de créer un nouveau bloc.

Test de connaissances 3

L'objectif final d'une attaque des 51 % est de :

[ ] Perturber les opérations de minage
[ ] Dépenser deux fois des pièces ou censurer des transactions
[ ] Créer une nouvelle cryptomonnaie
[ ] Éliminer les 49 % restants

Scalabilité : le débit

La scalabilité désigne la capacité d'une blockchain à traiter rapidement de nombreuses transactions. Deux éléments la déterminent : le débit et la finalité.

Le débit de transactions : combien de transactions une blockchain peut traiter à la fois, généralement mesuré en transactions par seconde (TPS).

Imaginez beaucoup de personnes à un arrêt de bus, avec de nouvelles arrivées chaque minute : toutes veulent voyager. Mais un bus ne peut en emmener qu'un nombre limité. Pour vider l'arrêt plus vite, il faudrait des bus plus grands (plus de personnes) ou plus fréquents (moins d'attente). C'est pareil pour faire entrer de nombreuses transactions dans le peu d'espace de bloc disponible. Vous pouvez le visualiser en direct sur https://txstreet.com/v/eth-btc.

Test de connaissances 4

Dans l'analogie de l'arrêt de bus, qu'est-ce qui est vrai ?

[ ] Les personnes (transactions) sont regroupées dans des bus (blocs)
[ ] Chaque bus (bloc) accueille un nombre limité de personnes (transactions)
[ ] Transporter plus de monde exige des bus plus grands ou plus nombreux
[ ] Toutes les réponses ci-dessus

Scalabilité : la finalité

Le second aspect de la scalabilité, c'est :

La finalité : à partir de quand peut-on être raisonnablement sûr qu'une transaction ne sera ni modifiée ni annulée ?

Sur les chaînes en preuve de travail comme Bitcoin, la finalité se mesure en blocs : plus il s'ajoute de blocs après votre transaction, plus vous pouvez être sûr qu'elle ne sera pas annulée. Un consensus sûr rend très coûteuse la modification des blocs passés, et le coût grandit à mesure qu'on remonte loin. Bitcoin produit un bloc environ toutes les 10 minutes : attendre plusieurs confirmations prend donc près d'une heure. La preuve d'enjeu d'Ethereum suit une autre voie : les validateur votent pour finaliser les blocs, et après environ 13 minutes (deux époque de votes) une transaction est définitive.

La décentralisation répartit le pouvoir

La décentralisation est le dernier pilier du trilemme : le transfert du contrôle et de la décision d'une entité unique vers un réseau distribué. C'est le principe fondamental qui rend les blockchains sans permission et résistant à la censure : chacun peut les utiliser, et chacun peut construire des logiciels dessus.

Les plateformes centralisées comme Facebook et Twitter peuvent désactiver n'importe quel compte à tout moment. De nombreux streamers influents sur Twitch ou TikTok se sont retrouvés exclus sans motif. Même quand un compte peut être rétabli, la démarche est longue et pénible. Sans décentralisation, un registre blockchain n'est qu'un tableur financier sur l'ordinateur d'une banque, et ce sont les banquiers qui décident qui peut ouvrir un compte. Un réseau sans permission signifie que l'autorité est suffisamment décentralisée : il n'existe aucun moyen de retirer son accès à quelqu'un.

Test de connaissances 5

Laquelle de ces affirmations sur la décentralisation est FAUSSE ?

[ ] La décentralisation rend les blockchains résistantes à la censure
[ ] La décentralisation rend les blockchains sans permission
[ ] La décentralisation aide les pouvoirs autoritaires à garder le contrôle
[ ] N'importe qui, où qu'il soit, peut utiliser un système sans permission

Est-ce vraiment décentralisé ?

Mais la décentralisation n'est pas une question de oui ou non. Dix entités qui contrôlent, est-ce décentralisé ? Et mille ? Un million ? Il n'existe pas de seuil standard, et il vaut donc mieux voir la décentralisation comme un spectre. Entre le noir et le blanc, il y a beaucoup de gris.

On peut donc dire qu'une chose est « plus ou moins décentralisée qu'une autre » plutôt que « centralisée ou décentralisée ». Un haut degré de décentralisation est nécessaire pour qu'un système monétaire neutre résiste à la censure d'un État. Les blockchains récentes échangent souvent de la décentralisation contre de la scalabilité, mais elles s'exposent alors aux mêmes pressions politiques et sociales que les plateformes entièrement centralisées. Elles peuvent finir par pratiquer la même censure que les réseaux sociaux centralisés.

Test de connaissances 6

Les blockchains n'ont pas toutes le même degré de décentralisation.

[ ] Vrai
[ ] Faux

Quelques exemples

Chaque blockchain aborde le trilemme à sa façon et fait des compromis selon ses objectifs. Bitcoin et Ethereum privilégient la sécurité et la décentralisation sur la scalabilité, d'où un long temps de finalité pour Bitcoin et un espace de bloc limité sur Ethereum. Quand la demande de smart contract s'envole, en particulier pour la DeFi, les frais d'Ethereum montent : au pic de 2021, une seule transaction pouvait coûter des dizaines de dollars.

Cette hausse des frais a ouvert une brèche pour les Layer 1 alternative comme BNB Chain, qui ont privilégié la scalabilité sur la décentralisation pour offrir un débit de transactions supérieur et des frais réduits. Des chaînes de troisième génération comme Solana emploient des méthodes inédites, mais toutes restent soumises à ces contraintes de base. Le choix de chaque chaîne façonne son écosystème.

Que peut-on faire ?

Si Ethereum a privilégié une sécurité et une décentralisation élevées, comment peut-il passer à l'échelle pour devenir le réseau financier mondial qu'il vise ? La feuille de route d'Ethereum a exploré deux réponses : les Layer 2 et le sharding.

Les Layer 2 augmentent la scalabilité d'Ethereum sans sacrifier les deux autres piliers du trilemme. Ce sont des couches supplémentaires posées sur la chaîne principale : elles s'appuient sur elle pour la sécurité, tout en offrant des frais réduits et des transactions plus rapides. Nous les détaillerons dans la leçon consacrée aux Layer 2.

Le sharding aurait divisé la blockchain en plusieurs chaînes parallèles, comme on ajoute des voies à une route. Ethereum a mis ce plan de côté au profit d'un plus simple : rendre les données de bloc moins chères pour les Layer 2 (arrivé en 2024) et augmenter la capacité par étapes, sans sacrifier la sécurité ni la décentralisation.

Test de connaissances 7

Les Layer 2 :

[ ] Assurent leur propre sécurité
[ ] Augmentent la scalabilité de la blockchain principale
[ ] Augmentent les frais pour les utilisateurs
[ ] Allongent le temps de finalité

L'avenir d'Ethereum

Le réseau Ethereum continue d'améliorer sa scalabilité sans sacrifier les autres aspects du trilemme. Le passage à la preuve d'enjeu (2022) a réduit sa consommation d'énergie de plus de 99 %, et les données de bloc bon marché pour les Layer 2 sont arrivées en 2024. Le passage à l'échelle est un travail continu : chaque mise à jour rend Ethereum plus rapide et moins cher, tout en gardant la sécurité et la décentralisation comme principes. La Fondation Ethereum propose une excellente page sur la feuille de route.

En parallèle, de nombreux protocoles Layer 2 se construisent sur Ethereum pour répondre à la demande sans exiger de modifier le protocole lui-même. Ils s'appuient sur le Layer 1 pour la sécurité décentralisée et apportent la scalabilité ; leur diversité fait un écosystème décentralisé ! Parmi les principaux rollup : Arbitrum, OP Mainnet et Base ; Polygon PoS est une chaîne latérale populaire, avec sa propre sécurité.

Test de connaissances 8

Parmi les évolutions d'Ethereum, on trouve :

[ ] Les Layer 2 et des données de bloc moins chères pour la scalabilité
[ ] Le maintien de la décentralisation et de la sécurité comme principes
[ ] La baisse de la consommation d'énergie grâce à la preuve d'enjeu
[ ] Toutes les réponses ci-dessus

Qu'est-ce que cela signifie pour les Explorateurs ?

Les utilisateurs ont besoin de frais réduits pour apprendre et explorer la technologie, avec peu de barrières à l'entrée et un faible coût en cas d'erreur, surtout au début de leur parcours. La blockchain Ethereum n'est pas encore idéale, mais ses valeurs en font l'une des meilleures candidates pour réaliser le rêve d'un système financier mondial. Les Explorateurs peuvent apprendre à l'utiliser sans payer des frais énormes : les Layer 2 leur apportent la sécurité et la décentralisation d'Ethereum, avec une bien meilleure scalabilité.

La prochaine leçon expliquera les solutions Layer 2 et comment se lancer. En avant, Explorateurs !