ArkStream Capital : Les blockchains modulaires – une infrastructure propulsant l'évolution de l'écosystème Web3
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ArkStream Capital : Les blockchains modulaires – une infrastructure propulsant l'évolution de l'écosystème Web3
La prochaine infrastructure narrative de niveau milliardaire – les blockchains modulaires
Dédié à des analyses Web3 approfondiesRésumé
Il est indéniable que les blockchains modulaires deviendront la nouvelle narration des infrastructures de base lors du prochain cycle. Cependant, cela ne signifie pas que les blockchains monolithiques seront remplacées. Au contraire, le développement des blockchains modulaires servira d'impulsion importante pour l'évolution et le progrès des blockchains monolithiques. Les deux coexisteront en se complétant mutuellement, menant et soutenant ensemble l'écosystème Web3 destiné au prochain milliard d'utilisateurs ;
Plutôt que de définir précisément ce qu'est une blockchain modulaire, il est plus intuitif de comprendre ses couches d'exécution, de disponibilité des données, de consensus et de règlement à travers les transactions et les données de blocs ;
La couche d'exécution agit comme un précurseur pratique de l'extensibilité transactionnelle et du traitement externe des calculs dans les blockchains monolithiques. La couche de disponibilité des données ne vise pas seulement à réduire les coûts et améliorer l'efficacité du stockage des données blockchain, mais garantit également leur accessibilité après vérification sous la protection de la couche de consensus. La couche de consensus s'efforce de réutiliser la puissance de la décentralisation afin de créer un nouveau cadre de construction décentralisé. Quant à la couche de règlement, son objectif principal est d’optimiser et perfectionner l'appariement entre actifs comptables et flux de transactions, assurant ainsi une association correcte entre les deux ;
Définition, évolution, avantages, inconvénients et solutions des blockchains monolithiques
La naissance du Bitcoin marque l’avènement d’un système monétaire électronique décentralisé, permettant aux gens de découvrir le concept de la technologie blockchain et le mécanisme de consensus Proof-of-Work (PoW). Par la suite, l’apparition d’Ethereum, présenté comme un « ordinateur mondial » et une plateforme de contrats intelligents, a révélé de vastes perspectives dans des domaines tels que la finance, les réseaux sociaux et les jeux vidéo grâce à sa forte programmabilité. Bien que, après plus d'une décennie de développement, la technologie blockchain reste encore à ses débuts tant en termes de pénétration que de maturité technique, son potentiel reste immense.
En général, les chaînes publiques que nous connaissons aujourd'hui peuvent toutes être regroupées sous le terme de blockchains monolithiques. Elles transportent chaque transaction via des blocs qui conservent les enregistrements légitimes et valides, et réalisent un registre distribué décentralisé, sans besoin de confiance et immuable grâce à un mécanisme de consensus spécifique.
Le caractère distinctif d’une blockchain monolithique réside dans sa capacité à construire indépendamment un écosystème complet — depuis les portefeuilles, applications, middlewares jusqu’à l’infrastructure — où tous les composants entretiennent des relations étroites. Toutefois, avec le développement et l’épanouissement de cet écosystème, apparaissent des problèmes tels que congestion des transactions, hausse des frais, seuil élevé d’accès au réseau et augmentation des coûts liés au maintien de l’état global du réseau. En situation de forte concurrence d’utilisation, en raison de limitations du débit transactionnel, ces blockchains deviennent généralement coûteuses et difficiles à utiliser, ce qui impacte fortement l’expérience utilisateur. De plus, à mesure que la blockchain croît continuellement, on assiste à une explosion de l’état du réseau, rendant non seulement plus élevé le seuil de participation, mais aussi augmentant constamment les coûts associés.
Pour résoudre ces problèmes inhérents aux blockchains monolithiques, le secteur a mené pendant des années de vastes recherches et explorations sur des sujets tels que l’extensibilité et l’élagage d’état, notamment par des technologies telles que les canaux d’état, les sidechains, les Rollups, les nœuds légers, le sharding ou encore la modularité. Ces travaux continuent d’optimiser progressivement la pile technologique blockchain tout en accroissant sa diffusion.
Définition et produits des blockchains modulaires :
En substance, les blockchains modulaires redéfinissent et subdivisent l’architecture en couches de la blockchain selon une logique d’agrégation et de combinaison, en la divisant en différents modules. Ces modules sont indépendants les uns des autres, peuvent être modifiés ou étendus selon les besoins, et combinés librement. Cette approche modulaire permet non seulement d’améliorer les performances globales, mais aussi de répondre à divers scénarios d’application.
Auparavant, en pensant selon l’architecture d’une blockchain monolithique, nous avions l’habitude de la décomposer ainsi : la couche applicative hébergeant les applications décentralisées (dApps), la couche d’exécution responsable de la logique des contrats intelligents, la couche de consensus traitant la validité des transactions, leur ordre et la formation des blocs, la couche de données stockant et maintenant les transactions et blocs, ainsi que la couche réseau assurant la diffusion point-à-point.
Comprendre la structure en couches des blockchains modulaires à partir du paradigme monolithique peut entraîner de nombreuses confusions. À cette fin, prenons le cas concret du réseau de niveau 2 Arbitrum, basé sur Optimistic Rollup d’Ethereum, pour une compréhension intuitive et approfondie. Selon la description du livre blanc d’Arbitrum concernant le flux de transactions au niveau 2 : les transactions soumises par les utilisateurs n’interagissent plus directement avec le réseau de niveau 1, mais sont collectées et traitées par lots par un séquenceur au niveau 2. Ce dernier compresse les données brutes de plusieurs transactions et les envoie au niveau 1, tout en les ordonnant, calculant les changements d’état des utilisateurs et du réseau, puis transmettant les résultats d’état au niveau 1 pour règlement.
Le séquenceur du réseau de niveau 2 collecte et traite les transactions par lots (couche d’exécution)
Après compression, les transactions sont envoyées au réseau de niveau 1 (couche de disponibilité des données)
Concernant le règlement, le navigateur de blocs d’Arbitrum ne fait pas clairement correspondre chaque transaction réglée. Nous allons donc analyser directement les contrats intelligents d’Arbitrum déployés sur Ethereum. En particulier, la fonction sendL1FundedContractTransaction du contrat Delayed Inbox, appelée en cas de litige de règlement, et la fonction updateSendRoot du contrat Outbox, invoquée lorsque le règlement se passe sans conflit. Pour consulter les adresses de ces contrats : https://developer.arbitrum.io/useful-addresses.
Nous avons désormais une compréhension claire et intuitive des fonctions respectives des couches d’exécution, de disponibilité des données, de consensus et de règlement. La couche d’exécution correspond au traitement par lots effectué par le séquenceur, incluant la compression des données brutes et le calcul des transitions d’état. La couche de règlement valide la finalité des transitions d’état. La couche de disponibilité des données consiste en le stockage et la maintenance, au niveau 1, des données transactionnelles compressées provenant de la couche d’exécution. Quant à la couche de consensus, elle assure la sécurité sur laquelle reposent les couches d’exécution, de disponibilité des données et de règlement.
Selon une définition descendante, la structure en couches d’une blockchain modulaire est illustrée ci-dessous :
Étant donné que la couche de règlement implique des preuves de validité spécifiques aux différentes couches d’exécution — telles que les preuves de fraude optimistes ou les preuves de connaissance nulle (ZK) — nous n’approfondirons pas davantage ici. Passons maintenant directement aux trois modules fréquemment mentionnés dans les blockchains modulaires : exécution, disponibilité des données et consensus, en nous concentrant sur leur contexte historique, les problèmes qu’ils résolvent, ainsi que leur situation actuelle et leurs défis.
Produits et projets de la couche d’exécution
Avant même que le concept de produit dédié à la couche d’exécution ne soit formellement introduit, nous entendions souvent parler des « tueurs d’Ethereum ». Cela reflète un désajustement manifeste entre les attentes des utilisateurs en matière de débit transactionnel, rapidité et coût, et les performances actuelles offertes par Ethereum. De nombreuses nouvelles blockchains ont donc cherché à concevoir des chaînes haute performance en explorant de nouveaux formats de transactions, structures de blocs, mécanismes de consensus et protocoles de diffusion. Parallèlement, l’écosystème Ethereum a activement développé diverses solutions techniques. Aujourd’hui, la voie dominante repose principalement sur les Rollups, notamment les Optimistic Rollups (Optimism et Arbitrum), qui surpassent progressivement d'autres nouvelles blockchains compatibles EVM en termes de développement de projet, acquisition et fidélisation des utilisateurs. En outre, les ZKRollups axés sur les preuves de connaissance nulle (Starknet, Hermez, zkSync, Scroll, Taiko, etc.), ou encore les plateformes fondées sur l’exécution parallèle comme Fuel, AltLayer et Smooth, poursuivent leurs avancées dans leurs domaines respectifs.
Avec le développement florissant des Rollups et autres produits de type exécution, le concept de couche d’exécution est officiellement adopté. Naturellement, ce phénomène ne se limite pas à Ethereum : même des blockchains comme Solana, BNB Chain, Cosmos ou Aptos, ayant déjà optimisé leur TPS et réduit les frais de transaction, voient leurs communautés ou équipes officielles proposer leurs propres solutions de Rollup et produits d’exécution. Nous entrons donc non seulement dans une ère de coexistence multi-chaînes, mais aussi dans un scénario de coexistence de multiples types de couches d’exécution. Ceci pose de nouveaux défis aux développeurs, utilisateurs et écosystèmes : les produits d’exécution restent isolés, l’écosystème est difficile à partager, les opérations croisées sont coûteuses, et le temps et le coût du développement et de l’exploitation sont élevés. C’est pourquoi des produits « Rollup-as-a-Service » ont vu le jour, tels que Sovereign Labs, Stackr Labs, Eclipse Builders ou Dymension. Ces solutions agissent comme des hubs d’exécution, transformant les Rollups initialement positionnés au niveau 2 en solutions de niveau 3, créant ainsi une architecture arborescente avec un hub central et plusieurs Rollups.
En raison des besoins historiques d’extensibilité, les recherches et développements autour des produits d’exécution ont connu de grandes avancées. Néanmoins, plusieurs défis demeurent pour les cycles futurs : séquenceurs décentralisés, zkEVM, exécution parallèle, etc.
Produits et projets de la couche de disponibilité des données
À l’ère du big data et du cloud computing, les données, ressource fondamentale de la société moderne, jouent un rôle stratégique comparable au pétrole autrefois. Lorsque nous parlons des données blockchain, nous faisons référence aux transactions et contrats intelligents stockés sur la chaîne. Leur mode de stockage diffère des bases de données traditionnelles : il est distribué, chaque nœud devant conserver une copie complète des données. Actuellement, avec l’augmentation de l’activité transactionnelle et la prolifération des contrats intelligents, la croissance des données blockchain, initialement linéaire, tend désormais vers une croissance exponentielle. Le réseau Bitcoin, dont la taille totale était de 55 Go en 2016, augmentait annuellement de 50 Go, mais depuis 2020, cet accroissement annuel est passé à 60 Go, atteignant 459 Go en février 2023.
https://www.blockchain.com/explorer/charts/blocks-size
En tant qu’ordinateur mondial et plateforme de contrats intelligents, Ethereum accumule bien plus de données que Bitcoin, centré sur les paiements. Selon Etherscan, un nœud complet standard d’Ethereum nécessite désormais plus de 800 Go, tandis qu’un nœud archive en requiert environ 13 000 Go.
Non seulement le volume total des données est énorme, mais la plupart sont stockées sous forme non structurée, rendant leur traitement, indexation et interrogation extrêmement complexes. C’est pourquoi, depuis la perspective d’une blockchain monolithique, trouver des moyens efficaces, peu coûteux, rapides et évolutifs de stocker et gérer ces données constitue un axe de recherche crucial.
Dès le livre blanc du Bitcoin, Satoshi Nakamoto avait proposé deux solutions préliminaires face à l’explosion de l’état du réseau : Reclaiming Disk Space (libération d’espace disque) et Simple Payment Verification (SPV). Reclaiming Disk Space permet aux nœuds d’élaguer les anciennes données pour réduire la taille du réseau. Cette solution diminue partiellement les coûts et abaisse le seuil d’entrée, mais son efficacité reste limitée face à la masse volumineuse des données, surtout pour des blockchains à modèle de compte comme Ethereum, dont la structure diffère de celle du modèle UTXO. Toutefois, inspiré par cette idée, la communauté Ethereum explore la proposition Stateless Ethereum, visant à séparer l’état des comptes de la blockchain. SPV promeut quant à lui l’utilisation de nœuds légers vérifiant les transactions via des arbres de Merkle, permettant un accès facile tout en garantissant la validité des données. Mais comme ces nœuds légers ne téléchargent que les en-têtes de blocs, ils restent vulnérables aux preuves frauduleuses. C’est pourquoi Mustafa Al-Bassam (cofondateur de Celestia), Alberto Sonnino (Mysten Labs) et Vitalik Buterin ont publié en 2018 un article intitulé « Fraud and Data Availability Proofs: Maximising Light Client Security and Scaling Blockchains with Dishonest Majorities », proposant des solutions contre ces attaques. Dans ce contexte, la disponibilité des données sur une blockchain monolithique peut être comprise comme la capacité d’un nœud léger à valider la validité des données transactionnelles via l’arbre de Merkle, sans avoir synchronisé complètement les blocs.
Pour la couche d’exécution d’une blockchain modulaire, les données de la blockchain monolithique deviennent des données « sur chaîne », tandis que les données transactionnelles de la couche d’exécution, compressées, deviennent des données « hors chaîne » situées au-dessus des données « sur chaîne ». Les données « sur chaîne » imposent non seulement des exigences classiques de performance et de coût en matière de stockage et d’accès, mais doivent aussi bénéficier de la sécurité assurée par le mécanisme de consensus qui les accompagne. Ainsi, c’est précisément grâce au développement des produits d’exécution que la notion de disponibilité des données s’est enrichie et étendue.
Avant d’aller plus loin, il est essentiel de distinguer clairement la couche de disponibilité des données de la couche de stockage. La première met l’accent sur la disponibilité, c’est-à-dire la validité des données. La seconde concerne davantage les aspects techniques de stockage informatique — coûts, efficacité de lecture/écriture, etc. La disponibilité des données découle nécessairement du stockage, mais s’en distingue par l’ajout du mécanisme de consensus, qui garantit la vérifiabilité. Autrement dit, « Ne faites pas confiance, vérifiez » — cette vérification correspond précisément à la disponibilité des données.
Ethereum, actuellement la solution privilégiée comme couche de disponibilité des données pour les produits d’exécution, présente néanmoins plusieurs inconvénients notables dus à son modèle Gas et à sa structure Calldata :
1. Coût élevé des opérations et du stockage des données ;
2. Capacité de stockage limitée ;
3. Répartition inégale des ressources du réseau.
Pour y remédier, Ethereum propose, via l’EIP-4844 (Proto-Danksharding), l’échantillonnage de disponibilité des données (DAS), le codage par effacement (Erasure Coding) et la séparation Proposer/Builder, une solution de sharding des données et d’extension d’état.
À l’avenir, Ethereum introduira un nouveau type de transaction Blob et une couche de données supplémentaire, permettant de réduire significativement les coûts dynamiques de stockage tout en préservant la disponibilité des données. Par ailleurs, d’autres produits spécialisés dans la disponibilité des données, comme Polygon Avail (avec sa technologie Fast Sync) ou Celestia (notamment via sa souveraineté et interopérabilité), explorent activement des avancées technologiques dans ce domaine. Enfin, côté stockage, on observe également l’émergence de solutions comme la sidechain Greenfield de l’écosystème BNB, ou encore des combinaisons telles que Kvye et Arweave.
Produits et projets de la couche de consensus
Not your keys, not your crypto. Dans un réseau blockchain, les clés représentent la propriété des actifs numériques. Pour garantir cette correspondance entre clés et actifs, le réseau doit mettre en œuvre un mécanisme de consensus robuste, assurant un haut degré de décentralisation et de sécurité. Ce mécanisme protège les données conformes au format transactionnel de la blockchain monolithique — par exemple, Bitcoin sécurise ses transactions et scripts internes, Ethereum sécurise les transactions exécutables et vérifiables par la machine virtuelle Ethereum (EVM).
De plus, étant donné l’existence de deux grands types de consensus (PoW et PoS) très différents, l’interopérabilité entre blockchains utilisant des consensus distincts reste difficile. Même des blockchains nativement interopérables comme Cosmos ou Polkadot, bien qu’elles puissent être compatibles au niveau des formats ou du consensus, peinent à partager réellement leurs mécanismes de consensus.
Avant d’aborder les produits de la couche de consensus, examinons brièvement l’évolution actuelle des PoW et PoS.
Le PoW peut être grossièrement compris comme l’utilisation de la puissance de calcul du monde physique pour sécuriser le réseau blockchain. Les attaques les plus courantes sont celles de type 51 % et double dépense. Par conséquent, la sécurité du réseau ne peut être assurée que si la puissance de calcul est suffisamment élevée.
Beaucoup de nouvelles blockchains PoW, lors de leur phase de démarrage, font face à des risques de sécurité en raison d’un manque initial de puissance de calcul. Elles doivent alors soit accumuler lentement et coûteusement de la puissance minière, soit envisager de s’appuyer sur la puissance de minage de Bitcoin ou d’autres réseaux PoW traditionnels via un algorithme identique, dans un schéma de minage conjoint.
Puisque la puissance de calcul d’une blockchain augmente progressivement avec la hauteur des blocs, le minage conjoint (merged mining) utilise des incitations cryptoéconomiques pour louer temporairement cette puissance. Quand les intérêts de deux chaînes coïncident, cette pratique est attractive pour les mineurs. Toutefois, en cas de conflit d’intérêts entre une nouvelle chaîne PoW et Bitcoin, les mineurs, non sanctionnables au niveau protocolaire par Bitcoin, auront tendance à agir contre les intérêts de la nouvelle chaîne.
Par exemple, Namecoin a longtemps utilisé le minage conjoint avec Bitcoin, mais certains cas ont mis en lumière des divergences d’intérêt, exposant Namecoin à des risques potentiels. Quant à RSK, sidechain de Bitcoin dotée de contrats intelligents, bien que ses intérêts soient mieux alignés avec Bitcoin, son développement est freiné par l’absence de Turing-complétude de Bitcoin, limitant ainsi ses innovations dans le minage conjoint.
Autre exemple, Quai Network, conçu dès l’origine avec un système de PoW multi-chaînes collaboratif, mutualise simplement le coût initial du consensus, sans pour autant parvenir à réutiliser ou composer véritablement le mécanisme PoW.
Le cœur du consensus PoS réside dans l’utilisation des participations (staking) pour protéger le réseau : la valeur des participations détermine la valeur globale du réseau, et seul un engagement de grande valeur peut sécuriser un réseau de grande valeur. Les systèmes PoS modernes s’inspirent largement de PBFT, restant fondamentalement des preuves de participation. Des réseaux célèbres comme Cosmos et Polkadot illustrent bien cela. Respectueux du principe de minimisation de la confiance, Cosmos, en tant que hub, n’intervient pas activement dans le consensus des blockchains-applications (appchains).
Les appchains de l’écosystème Cosmos peuvent réutiliser une stack de développement mature, mais la création et la maintenance de leur ensemble de validateurs exigent un seuil élevé et des coûts importants — le prix de la sécurité et de la confiance. Beaucoup d’appchains recourent à des airdrops et des récompenses inflationnistes élevées pour attirer les validateurs d’Ethereum. Afin de réduire les coûts de mise en place du consensus et renforcer la sécurité des appchains, Cosmos 2.0 propose plusieurs améliorations, telles que le partage de sécurité ICS ou le Space Mesh pour un partage de consensus.
Par ailleurs, Babylon, dans l’écosystème Cosmos, tente d’importer la sécurité PoW du réseau Bitcoin pour protéger les appchains. Chez Polkadot, on connaît son modèle de gouvernance on-chain très fort et ses concepts de consensus innovants. On peut dire que Polkadot, via le mécanisme d’enchères de slots de parachains, étend directement la portée de sécurité de son consensus à d’autres chaînes. Ces mécanismes montrent une vision pionnière en matière de réutilisation du consensus. Toutefois, l’efficacité de la gouvernance on-chain et les exigences fortes du consensus ne sont pas toujours alignées, ce qui explique en partie le retrait progressif des projecteurs sur les parachains Polkadot.
Revenons maintenant à Ethereum après sa fusion, fonctionnant désormais sous consensus PoS. Ethereum représente une ressource exceptionnelle pour la couche de consensus : des années de développement PoW ont permis d’accumuler une valeur considérable, et l’itération réussie vers un mécanisme PoS, combinée à une plateforme de contrats intelligents mature et à un écosystème d’exécution florissant, rendent désormais viable l’idée d’utiliser Ethereum PoS comme produit de consensus de nouvelle génération.
Sur la base logique du staking existant d’Ethereum, en concevant des mécanismes d’incitation et de pénalisation efficaces, il devient possible de réutiliser les ETH en staking pour sécuriser d’autres réseaux, tels que les oracles ou les ponts跨链.
EigenLayer a mené pendant des années des recherches dans ce domaine et vient de publier son livre blanc, introduisant officiellement le concept de Restaking, et décrivant ses fonctions et design via le mécanisme de slashing. Par ailleurs, les produits récents de jetons dérivés de liquidité (liquid staking) possèdent déjà massivement des ETH en staking. Dès qu’un produit adapté de couche de consensus émergera, ces actifs pourront naturellement devenir des fournisseurs de consensus.
Conclusion
Dans le développement logiciel moderne, l’architecture microservices est populaire : elle consiste à diviser une application en services indépendants fonctionnels, chacun pouvant être développé, déployé et exécuté de manière autonome, tout en s’interconnectant via des communications et partages de données. Cette architecture offre une meilleure extensibilité, flexibilité et maintenabilité. Bien que des défis subsistent — transactions distribuées, gouvernance des services, sécurité —, l’expérience et la maturation technologique permettent progressivement de les surmonter.
Les blockchains modulaires partagent de nombreux points communs avec cette architecture. Avec l’évolution continue de la blockchain, elles deviendront incontestablement une direction clé de la technologie. Actuellement, les produits de la couche d’exécution assument de plus en plus de calculs transactionnels, obtenant des résultats remarquables sur les indicateurs d’utilisateurs et de transactions. Les couches de disponibilité des données et de consensus progressent chacune dans leur domaine, tandis que la couche de règlement reste à développer. Les combinaisons flexibles futures entre ces couches ouvriront des perspectives infinies. Nous pouvons raisonnablement croire que les blockchains modulaires généreront davantage d’innovations et d’opportunités, apportant une contribution majeure à l’avancement et à l’adoption de la technologie blockchain.
Ressources
https://developer.offchainlabs.com/docs/home
https://community.optimism.io/
https://starkware.co/starknet/
https://zksync.io/dev/
https://scroll.io/
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