Nouvelle architecture d'extension de la blockchain : extension horizontale et verticale
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Nouvelle architecture d'extension de la blockchain : extension horizontale et verticale
Pourquoi l'extensibilité horizontale et verticale constitue-t-elle un cadre plus pertinent pour la scalabilité d'Ethereum ?
Dédié à des analyses Web3 approfondiesRédaction : Avi Zurlo
Traduction : Block unicorn
Depuis l'émergence des Rollups, la scalabilité des blockchains s'est concentrée sur le débat entre modularité et monolithisme. Initialement, cette opposition binaire constituait un modèle mental utile pour raisonner sur la scalabilité des blockchains, mais aujourd'hui, les deux camps ont dépassé ce cadre.
À présent, la comparaison entre modularité et monolithisme impose des limites inutiles à notre raisonnement sur la scalabilité.
Alors, quelles sont les alternatives ?
Dans cet article, nous allons montrer que l'extension horizontale et l'extension verticale ont toujours été le cadre fondamental de la scalabilité des blockchains, et expliquer pourquoi adopter ces deux approches permet d'obtenir de meilleures solutions de mise à échelle.
Comprendre la modularité contre le monolithisme
Tout d’abord, quelques définitions :
Les blockchains modulaires séparent les fonctions fondamentales du blockchain en différentes couches.
Les blockchains monolithiques intègrent toutes les fonctions fondamentales dans une seule couche interconnectée.
Nous pouvons considérer les « couches » comme des « machines » : une blockchain monolithique possède un seul nœud validateur effectuant toutes les tâches, tandis qu’une blockchain modulaire repose sur plusieurs (2 à 3) nœuds complets réalisant différentes tâches.
Par exemple, un Rollup dispose généralement de deux nœuds complets : un nœud complet Rollup chargé de l’exécution, et un nœud complet Ethereum gérant le règlement et la disponibilité des données (DA). Un validium pourrait quant à lui exploiter trois nœuds complets : un nœud Rollup pour l'exécution, un nœud Ethereum pour le règlement, et une couche alternative de disponibilité des données pour la DA.
La modularité répartit les tâches du blockchain sur au moins deux nœuds complets. En procédant ainsi, les blockchains modulaires peuvent tirer parti de la puissance de calcul de plusieurs ordinateurs lors de la construction de chaque bloc.
C’est une forme d’extension horizontale.
La modularité est utile pour penser la scalabilité des blockchains car elle constitue un type d’extension horizontale.
En revanche, la plupart des chaînes monolithiques choisissent de s’étendre via des optimisations logicielles, des machines virtuelles parallèles, des pipelines de données, des protocoles réseau plus rapides et (notamment) du matériel plus puissant. En substance, les blockchains monolithiques tentent d’extraire autant de puissance de calcul que possible à partir d’un seul nœud complet.
C’est une forme d’extension verticale.
Les critiques affirment que cette approche tend à la centralisation : si l’on s’appuie sur l’augmentation de la puissance d’un nœud unique, on finit inévitablement par heurter les limites physiques du matériel sous-jacent, obligeant à renforcer les exigences matérielles pour poursuivre la montée en charge.
Cependant, cette critique est incorrecte, car toutes les blockchains monolithiques ne reposent pas uniquement sur l’extension verticale.
Par exemple, Near est une blockchain monolithique L1 construite sur une architecture de réseau fragmentée (sharding). Cela signifie que les nœuds complets de Near sont responsables de toutes les tâches (exécution, règlement et disponibilité des données), mais chacun ne gère qu’une petite partie de l’état global de Near. Ainsi, Near tire parti de la puissance de calcul de plusieurs machines (comme les blockchains modulaires), en répartissant le travail selon l’état plutôt que selon les tâches.
On constate ainsi qu’il n’existe aucune limitation intrinsèque, en termes de techniques de mise à l’échelle, aux blockchains monolithiques ou modulaires. Toutes deux peuvent recourir à l’extension horizontale et/ou verticale.
De plus, le débat entre modularité et monolithisme s’enracine toujours dans le cadre de l’extension horizontale versus verticale. D’un point de vue strictement technique, la modularité tend vers l’extension horizontale — inhérente à sa conception — tandis que le monolithisme penche vers l’extension verticale.
Désormais que les blockchains modulaires sont opérationnelles, l’avantage supplémentaire en matière de scalabilité ne réside plus dans « davantage de modularité ». L’accent se porte désormais sur la manière dont chaque chaîne exploite les techniques d’extension horizontale ou verticale.
Adopter le modèle de pensée horizontal vs. vertical nous permet de raisonner facilement sur les compromis faits par chaque chaîne dans ce processus.
Redéfinir le débat : extension horizontale vs. extension verticale
Avant de plonger dans le cadre horizontal vs. vertical, il est important de reconnaître que ses origines remontent aux années 1970, lorsque les recherches sur le calcul distribué ont posé les bases du concept d’extension horizontale. Aujourd’hui, toutes les techniques de mise à l’échelle peuvent être classées comme étant horizontales ou verticales.
Extension verticale
L’extension verticale augmente l'utilisation matérielle ou les exigences matérielles de chaque nœud. Dans les blockchains, cela se fait généralement par des optimisations logicielles telles que les machines virtuelles parallèles (processus multithread).
Un exemple courant est celui de EVM contre SVM.
L'EVM exécute les transactions de façon séquentielle, tandis que le SVM les exécute en parallèle. Le SVM y parvient en exploitant davantage de cœurs CPU, ce qui lui permet de traiter plus de transactions par seconde que l’EVM. Remarque : ce type d’extension verticale est à la base des L2 Eclipse.
En termes de compromis, l’extension verticale est limitée par le matériel disponible, tend vers la centralisation en raison de l’augmentation des exigences matérielles, et offre une moindre scalabilité comparée à l’extension horizontale.
Extension horizontale
En revanche, l’extension horizontale accroît le nombre de machines accessibles au système en répartissant la charge de travail entre plusieurs nœuds. Comme mentionné précédemment, les blockchains modulaires attribuent naturellement les tâches à plusieurs machines. Toutefois, les chaînes peuvent atteindre un niveau supérieur d’extension horizontale grâce au sharding (fragmentation).
=nil; fournit ici un exemple pertinent.
En novembre dernier, la fondation =nil; a lancé une architecture de sharding vérifiable appelée zkSharding, qui sert de base à un nouveau L2 Ethereum. Au cœur de la conception de =nil; se trouve la division de son état global en plusieurs fragments (shards). Chaque shard est géré par un comité décentralisé de =nil;, qui construit les blocs et gère les transactions inter-shards. De plus, chaque shard génère une preuve de validité envoyée au shard principal pour agrégation, puis publiée et vérifiée sur Ethereum. =nil; exploite la puissance de l’extension horizontale de deux manières :
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Premièrement, =nil; est une blockchain modulaire qui utilise la puissante garantie de consensus et de disponibilité des données d’Ethereum, répartissant ainsi les tâches entre plusieurs nœuds complets.
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Deuxièmement, =nil; est une blockchain fragmentée, donc une partie de son état est distribuée sur de nombreux nœuds complets.
Ces deux techniques réduisent la charge supportée par chaque machine individuelle et améliorent la scalabilité globale du réseau.
Quels sont alors les compromis liés à l’extension horizontale ? Ils se résument à deux points : la complexité du réseau et du consensus, ainsi que la communication asynchrone entre machines ou shards.
Le combat final pour la scalabilité d’Ethereum
L’extension horizontale et l’extension verticale ne sont pas limitées aux architectures modulaires ou monolithiques. C’est pourquoi le cadre horizontal vs. vertical offre davantage d’espace pour explorer de nouvelles solutions, rendant les blockchains modulaires encore plus évolutives.
Par exemple, une option consiste à étendre verticalement une couche d’une pile modulaire. Une méthode courante est d’implémenter une machine virtuelle parallèle afin d’augmenter le débit d’exécution. Comme mentionné ci-dessus, Eclipse exploite le SVM, et d’autres Rollups comme Starknet mettent en œuvre BlockSTM pour la parallélisation.
Toutefois, l’extension verticale reste limitée par les capacités d’une seule machine ; on ne peut pas briser les lois de la physique.
Une solution possible serait d’opter pour une extension horizontale via le sharding.
Les conceptions modulaires actuelles ne font qu’effleurer le potentiel total de l’extension horizontale. Grâce au sharding, nous pouvons exploiter la puissance de calcul d’un nombre arbitraire de machines (et non seulement 2 ou 3 machines partageant les tâches).
Autrement dit, de nombreuses machines peuvent exécuter simultanément des tâches du même type. C’est précisément l’objectif d’Ethereum et de Celestia avec respectivement Danksharding et le data sharding. Mais le sharding n’est pas limité à la couche de disponibilité des données — il peut aussi être combiné avec l’exécution (comme dans le cas du L2 =nil;).
En combinant l’extension horizontale obtenue via une pile modulaire et celle offerte par le sharding, nous obtiendrions une augmentation massive de la puissance de calcul disponible.
Mais nous pouvons faire mieux…
L’objectif ultime de la scalabilité des blockchains consistera à combiner extension horizontale et verticale, aboutissant à des blockchains fragmentées dotées de machines virtuelles parallèles.
À la fondation =nil;, nous concevons systématiquement notre architecture en vue de cet état final. Le L2 de =nil; adopte une feuille de route ambitieuse en matière de scalabilité, en exploitant à la fois une architecture modulaire et horizontalement extensible (zkSharding) et une mise en œuvre verticale des validateurs (parallélisation intra-shard).
Ainsi, la conception de =nil; permet d’atteindre une échelle mondiale sans sacrifier l’état, la liquidité ni fragmenter les utilisateurs.
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