Rédaction : 0xMlze, Salve Boccaccio & 0xMunehisa

Traduction : TechFlow

Solutions de couche 2

Le réseau principal d’Ethereum traite actuellement en moyenne 12 transactions par seconde. En période de forte activité, le coût des transactions atteint un niveau inabordable pour la plupart des utilisateurs. Ce problème de scalabilité provient du fait que chaque nœud du réseau doit stocker et valider toutes les transactions qui y ont lieu.

Pour résoudre ce problème et étendre Ethereum, les solutions de couche 2 (L2) ont été conçues. Une couche 2 est une blockchain indépendante qui étend Ethereum tout en héritant de ses garanties de sécurité. Fondamentalement, il s'agit d'une blockchain distincte où les utilisateurs effectuent des transactions en dehors de la chaîne principale (Ethereum). Chaque solution L2 possède ses propres garanties de sécurité et compromis. Sur Ethereum, la forme la plus populaire de scaling L2 est constituée des Rollups (Arbitrum, Optimism, zkSync).

Les Rollups

Les Rollups sont des solutions L2 qui traitent les transactions hors de la L1 avant de les renvoyer à celle-ci. Une transaction standard sur Ethereum occupe généralement 156 octets, dont la signature représente la partie la plus dense en données. Ainsi, les Rollups exécutent plusieurs transactions dans un environnement L2, puis les regroupent en une seule transaction envoyée à la L1 pour une validation régulière de l’état. Le regroupement de multiples transactions réduit les frais de gaz par transaction, car ces frais sont répartis entre plusieurs transactions au lieu d’une seule. Cependant, tous les Rollups ne fonctionnent pas de la même manière ; on distingue plusieurs types :

• Rollups basés sur contrats intelligents : Rollups optimistes (Arbitrum, Optimism), Rollups à connaissance nulle (zkEVM de Matic, zkSync, Scroll) ;

• Celestiums ;

• Enshrined Rollups ;

• Sovereign Rollups.

Rollups basés sur contrats intelligents

Dans les Rollups basés sur contrats intelligents, les utilisateurs transfèrent leurs fonds vers un contrat intelligent déployé sur la L1. Ce contrat gère ensuite les transactions et les modifications d’état.

Un composant clé des Rollups et des blockchains est l’arbre de Merkle. Celui-ci est une structure de données qui conserve l’état des fonds de chaque utilisateur et les transactions effectuées, permettant à la L1 de vérifier l’état de la L2 sans avoir à télécharger l’intégralité de celui-ci. En termes simples, les utilisateurs interagissent et transigent sur la L2 (modifiant ainsi l’état), et la L2 envoie périodiquement à la L1 la racine de l’arbre de Merkle afin que la L1 puisse valider l’état de la chaîne.

Outre la publication de la racine de Merkle sur la L1, la L2 doit aussi publier suffisamment de données relatives aux changements dans l’arbre de Merkle pour permettre aux utilisateurs de reconstituer entièrement cet arbre. Si, pour une raison quelconque, la L2 cessait de fonctionner sans fournir ces données, les utilisateurs seraient bloqués. Par conséquent, le contrat intelligent L1 dispose d’une « fonction d’urgence » permettant aux utilisateurs de retirer leurs fonds du Rollup si la L2 tombe en panne.

La L1 a besoin d’une preuve quelconque pour s’assurer que la racine de Merkle envoyée par la L2 est valide — c’est ici que se situe la différence entre les deux principaux types de Rollups basés sur contrats intelligents. Les deux preuves principales utilisées sont les preuves de fraude et les preuves de connaissance nulle.

Rollup optimiste

Les Rollups optimistes comme Arbitrum et Optimism utilisent des preuves de fraude pour finaliser l’état. Le mécanisme fonctionne ainsi :

1. Un nœud L2 publie la racine de Merkle accompagnée d’un petit dépôt de garantie sur le contrat intelligent L1.

2. Le contrat intelligent L1 fait confiance par défaut au nœud L2 — d’où le terme « optimiste » : la L1 suppose que les mises à jour de la L2 sont correctes.

3. Toutefois, cette modification d’état n’est pas considérée comme finale pendant 7 jours.

4. Durant ces 7 jours, toute personne peut soumettre une preuve montrant que la racine de Merkle publiée est frauduleuse. Dans ce cas, la mise à jour est annulée et le nœud L2 est pénalisé, son dépôt étant attribué à la personne ayant signalé la fraude.

5. Le signaleur peut prouver la fraude en vérifiant toutes les transactions impliquées dans le changement de racine d’état et en confirmant que chaque signature associée est valide. Ceci est possible car le nœud L2 a publié la racine de Merkle ainsi que suffisamment de données de variation pour recréer l’arbre.

6. Si aucune contestation n’est soulevée durant la période de dispute de 7 jours, la mise à jour devient définitive et immuable.

ZK Rollup

Les ZK Rollups utilisent des preuves de connaissance nulle (zero-knowledge proofs). Ils fonctionnent ainsi :

1. Un nœud L2 publie la racine de Merkle accompagnée d’une preuve sur le contrat intelligent L1, attestant que la L2 a correctement traité les transactions et généré une nouvelle racine de Merkle.

2. Si un nœud L2 tente de publier une mise à jour frauduleuse, il ne pourra pas produire une preuve de connaissance nulle valide, et le contrat intelligent L1 rejettera donc la nouvelle racine de Merkle.

3. Une fois la preuve de connaissance nulle validée, la mise à jour d’état est immédiatement finalisée.

Le séquenceur

Le séquenceur est le mécanisme par lequel la L2 collecte les transactions et les publie sur la chaîne de base d’Ethereum. Dans leur état actuel centralisé, ils fonctionnent comme suit :

1. Les utilisateurs soumettent des transactions sur la L2 — DeFi, NFT, envoi/reception, etc.

2. Ces transactions sont collectées par un séquenceur centralisé.

3. Le séquenceur (constructeur de blocs) ordonne ensuite ces transactions (données d’appel ou différences d’état) en un seul bloc ou lot.

4. Actuellement, les séquenceurs L2 utilisent une méthode de tri FIFO (premier entré, premier sorti).

5. Le séquenceur soumet ensuite ce lot de transactions à Ethereum pour inclusion dans un bloc.

À l’heure actuelle, les séquenceurs des Rollups sont centralisés et contrôlés par une seule entité (Offchain Labs pour Arbitrum, Optimism PBC pour Optimism). Cette centralisation crée un point de défaillance unique pour le Rollup, pouvant entraîner des problèmes d’activité (et un manque de résistance à la censure) : si le séquenceur tombe en panne, la L2 ne peut plus fonctionner.

Par exemple, début juin, le séquenceur d’Arbitrum a rencontré un bug qui a provoqué un rollback des lots sur la chaîne, entraînant une perte de frais de gaz. Pendant un court moment, les soumissionnaires de lots n’avaient plus de gaz et ne pouvaient plus envoyer correctement les transactions à Ethereum.

Frais de gaz L2

Examinons maintenant comment les deux principaux types de Rollups basés sur contrats intelligents calculent les frais de gaz payés par les utilisateurs, et leurs implications sur le séquenceur centralisé.

Sur Arbitrum et Optimism, les utilisateurs doivent payer deux types de frais lorsqu’ils effectuent une transaction :

1. Frais d’exécution L2 / frais de gaz ;

2. Frais de données d’appel L1 / frais de sécurité.

Frais d’exécution L2 / frais de gaz

Les frais de gaz L2 sont similaires aux frais de gaz d’Ethereum. Chaque transaction sur la L2 nécessite un paiement de gaz/exécution égal à la quantité de gaz utilisée multipliée par le prix du gaz courant attaché à la transaction.

Frais de données d’appel L1 / frais de sécurité

Les frais de données d’appel L1 servent à couvrir le coût de publication des transactions sur Ethereum. Ces frais existent car le séquenceur ou le soumissionnaire de lots doit payer des frais de gaz L1 pour publier les transactions sur Ethereum.

Modèle de revenus du séquenceur

Dans sa forme actuelle, un Rollup optimiste (ORU) génère des revenus grâce au fonctionnement d’un séquenceur centralisé unique. À l’avenir, on s’attend à ce que l’ORU devienne décentralisé, ouvrant ainsi la voie à d’autres flux de revenus via la MEV (Maximal Extractable Value) ou en exigeant que les opérateurs de séquenceurs misent leur jeton natif ou partagent leurs revenus.

Pour l’instant, de manière simplifiée, on peut considérer que le séquenceur perçoit des frais de transaction L2 auprès des utilisateurs ORU (revenus du séquenceur), mais doit payer des frais de gaz L1 pour soumettre en lot les données des transactions L2 à Ethereum (coût 1), ainsi que les coûts opérationnels liés à l’exploitation du séquenceur (coût 2).

On peut aller plus loin en décomposant précisément revenus et coûts. Bien que différents ORU (par exemple Arbitrum, Optimism) n’utilisent pas exactement la même formule de tarification, ils suivent tous un cadre commun :

Revenus (frais de gaz L2)

Frais = estimation_prix_gaz_L1 * (taille_données_appel_L1 + tampon_L1) + prix_gaz_L2 * gaz_utilisé_L2

Coûts

Coûts = prix_réel_gaz_L1 * taille_données_appel_L1 + coûts_opérationnels_séquenceur

Tarification des frais L2

Dans tous les ORU, le prix des frais L2 dépend de l’échelle et du coût du calcul L1, ainsi que de l’échelle et du coût du calcul L2.

Étant donné que tous les séquenceurs L2 engendrent des coûts lors de la publication des lots/preuves sur la L1, il est logique de transmettre aux utilisateurs les coûts dynamiques de règlement sur la chaîne principale au moment de l’exécution d’une transaction L2.

Arbitrum et Optimism adoptent des approches différentes pour fixer le prix des frais L2. Une différence importante concerne la manière dont chacun calcule le coût du calcul L1. Arbitrum utilise un oracle de tarification pour le calcul L1, ce qui signifie qu’en l’absence de vote de gouvernance, l’oracle continue de tarifier le calcul L1 comme avant l’EIP-4844. En revanche, chez Optimism, le calcul L1 inclut une variable de surcharge dynamique (scalaire) ajustable par l’équipe Optimism, permettant de moduler le coût du calcul L1.

Arbitrum

La tarification des frais L2 d’Arbitrum repose sur le concept de « frais de gaz bidimensionnels », où la limite de gaz dépend des unités de gaz L2 utilisées, des unités de gaz L1 utilisées et du prix estimé du gaz L1.

On peut en tirer les conclusions suivantes :

• La limite de gaz L2 diminue lorsque le prix du gaz L2 augmente.

• La limite de gaz L2 augmente avec l’augmentation du calcul L2, du prix du gaz L1 et du calcul L1.

Optimism

Comme Arbitrum, les frais de transaction d’Optimism tiennent compte des coûts de calcul L1 et L2. Optimism les appelle respectivement frais d’exécution L2 et frais de données/sécurité L1.

Remarques :

• La variable dynamic_overhead est définie par l’équipe Optimism afin de garantir que leur séquenceur soit suffisamment compensé lors de la soumission des lots de transactions à la L1, couvrant ainsi les frais de gaz engagés.

• Elle est actuellement fixée à 0,684, ce qui signifie que le séquenceur subventionne les frais de gaz.

• Historiquement, cette valeur était majoritairement supérieure à 1, indiquant que le séquenceur facturait un supplément pour maintenir une réserve de frais de gaz L1.

Gestion dynamique des frais au fil du temps / frais scalaires L1

EIP-4844

Actuellement, les Rollups optimistes ont des coûts faibles pour l’exécution et le stockage sur la couche 2, mais publier des données sur la couche 1 reste coûteux pour les utilisateurs en raison des exigences de disponibilité des données.

Les données sont publiées sur la L1 d’Ethereum via l’opcode calldata, ce pourquoi Arbitrum et Optimism ont tous deux mis en œuvre des algorithmes de compression comme Zlib ou Brotli. Ce coût de publication est élevé et représente 80 à 90 % des frais de transaction payés par les utilisateurs L2.

Cependant, entre octobre 2023 et février 2024, la proposition d’amélioration d’Ethereum très attendue EIP-4844 (Proto-danksharding) devrait être déployée. L’EIP-4844 prévoit d’ajouter un nouveau type de transaction à Ethereum permettant d’accepter des « blocs de données ». Ces blocs de données seront supprimés ou élagués après environ deux semaines, contrairement aux données calldata actuelles qui sont stockées indéfiniment. Leur taille est conçue pour réduire la charge de stockage sur la chaîne principale.

Les frais de transaction élevés sur la L1 d’Ethereum constituent le principal coût supporté par les Rollups L2 lors de la publication des lots et des preuves. L’impact de l’EIP-4844 sera une réduction significative de ces coûts, tout en permettant aux données de rester disponibles assez longtemps pour publier d’éventuelles preuves de fraude. Les estimations actuelles situent cette économie entre un facteur 10 et 100 par rapport au coût actuel de publication des lots sur la L1.

Aperçu général de l’impact sur les revenus du séquenceur

Avant d’approfondir les changements attendus sur Arbitrum et Optimism, il est essentiel de rappeler la différence entre Arbitrum et Optimism concernant la tarification du calcul L1 (expliquée précédemment dans la section sur la tarification des frais L2). Étant donné l’oracle de tarification L1 d’Arbitrum, nous savons qu’il transmettra probablement 100 % des économies aux utilisateurs (sauf décision contraire via un vote de gouvernance). Ce n’est pas le cas pour Optimism, car l’équipe contrôle encore la variable de surcharge dynamique.

Le tableau ci-dessous présente les résultats potentiels après l’EIP-4844.

Arbitrum

Compte tenu de la situation financière actuelle d’Arbitrum décrite précédemment, nous examinons les éventuelles variations de sa valorisation sous certaines hypothèses. Comme la réduction des coûts après l’EIP-4844 est anticipée comme significative, on s’attend à une augmentation des profits et des marges si les revenus restent stables.

Sur cette base, nous avons construit un tableau montrant divers scénarios possibles, combinant différents niveaux de transmission des économies aux utilisateurs (axe Y) et différents facteurs de réduction des coûts liés à l’EIP-4844 (axe X, plus la valeur est élevée, plus les économies sont importantes).

Nous avons surligné les combinaisons que nous jugeons les plus probables après l’EIP-4844.

Si 100 % des économies sont transmises aux utilisateurs, on peut supposer que cette réduction des coûts pourrait augmenter le volume de transactions sur Arbitrum (nouveaux types d’applications décentralisées, davantage d’utilisateurs).

Sous certaines hypothèses :

• Maintien du ratio cours/bénéfice (P/E) actuel ;

• Réduction des coûts d’un facteur 10 ;

• Croissance du volume de transactions due à la baisse des frais.

Nous pouvons alors calculer l’impact sur les prix des jetons ARB et OP. Par exemple, si le volume de transactions augmente de 40 % et que seules 90 % des économies sont transmises aux utilisateurs, le prix de l’ARB serait de 2,10 dollars.

Optimism

En appliquant les mêmes calculs à Optimism, nous obtenons les résultats suivants.

Économie et valorisation des jetons L2

Actuellement, la seule accumulation de valeur pour Arbitrum et Optimism réside dans la gouvernance — c’est la seule fonctionnalité des jetons ARB et OP. Toutefois, la valorisation de ces jetons pourrait provenir de deux autres sources : les frais de transaction et la MEV.

Dans leur état actuel, ces deux solutions L2 dépendent fortement de leurs séquenceurs centralisés, et tous les profits générés par la construction et la proposition centralisées des blocs reviennent à la Fondation Arbitrum et à la Fondation Optimism. Toutefois, ces deux projets se sont engagés à migrer vers un mécanisme de séquenceur décentralisé, où les fondations ne seront plus les seules à construire et proposer les blocs L2. La première étape vers l’accumulation de valeur par les jetons L2 est la décentralisation du séquenceur — une tâche complexe, mais qui permettrait aux détenteurs de jetons L2 de participer à la valeur générée par le processus de construction et de proposition.

La décentralisation du séquenceur se fera probablement via un mécanisme PoS, où les utilisateurs devront miser le jeton natif L2. Les participants malhonnêtes ou négligents verront leur mise réduite (slashing). Les validateurs pourraient recevoir une partie des frais de transaction sous forme de jetons natifs, bénéficier de la MEV (dans un monde post-FIFO) ou percevoir des récompenses de mise.

L’importance de la décentralisation du séquenceur réside dans le fait qu’un séquenceur centralisé peut entraîner la censure des transactions des utilisateurs, prélever des redevances excessives ou extraire une MEV nuisible, au détriment des utilisateurs.