Blockchain modulaire : la dernière pièce du puzzle de Web3
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Blockchain modulaire : la dernière pièce du puzzle de Web3
La tendance vers les blockchains modulaires ne constitue pas seulement un changement technologique, mais aussi une stratégie clé pour permettre à l'ensemble de l'écosystème blockchain de relever les défis futurs.
Dédié à des analyses Web3 approfondiesRédaction : GeekCartel
I. Introduction
La blockchain modulaire est un nouveau paradigme de conception des blockchains, visant à améliorer l'efficacité et la scalabilité du système grâce à la spécialisation et à la division des tâches. Avant l'émergence des blockchains modulaires, une chaîne monolithique devait gérer toutes les fonctions : couche d'exécution, couche de disponibilité des données, couche de consensus et couche de règlement. Les blockchains modulaires traitent ces fonctions comme des modules interchangeables, chacun se concentrant sur une fonctionnalité spécifique.
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Couche d'exécution (Execution) : responsable du traitement et de la validation des transactions, ainsi que de la gestion des changements d'état de la blockchain.
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Couche de consensus (Consensus) : garantit l'accord sur l'ordre des transactions.
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Couche de règlement (Settlement) : finalise les transactions, valide les preuves et sert de pont entre différentes couches d'exécution.
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Couche de disponibilité des données (Data Availability) : assure que toutes les données nécessaires sont accessibles aux participants du réseau pour pouvoir être vérifiées.
La tendance vers la modularité ne constitue pas seulement une avancée technique, mais aussi une stratégie clé pour préparer tout l'écosystème blockchain aux défis futurs. GeekCartel analyse ici le concept de blockchain modulaire ainsi que plusieurs projets représentatifs afin d'offrir une compréhension complète et pratique de cette architecture, aidant les lecteurs à mieux appréhender son fonctionnement et ses perspectives d'avenir. Attention : ce contenu ne constitue en aucun cas un conseil d'investissement.
II. Le pionnier de la modularité – Celestia
En 2018, Mustafa Albasan et Vitalik Buterin ont publié un article fondateur proposant une nouvelle approche pour résoudre le problème de scalabilité des blockchains. « Échantillonnage de disponibilité des données et preuves de fraude » y présentait une méthode permettant à la blockchain de s'étendre automatiquement avec l’augmentation du nombre de nœuds. En 2019, Mustafa Albasan a approfondi ses recherches dans un document intitulé « Lazy Ledger », introduisant le concept d’un système blockchain dédié uniquement à la disponibilité des données.
Sur cette base, Celestia a vu le jour, devenant le premier réseau modulaire spécialisé dans la disponibilité des données (DA). Construite sur CometBFT et Cosmos SDK, il s'agit d'une blockchain Proof-of-Stake (PoS) qui améliore significativement la scalabilité sans compromettre la décentralisation.
La couche DA est essentielle à la sécurité de toute blockchain, car elle garantit que quiconque peut vérifier le registre des transactions. Si un producteur de blocs publie un bloc alors que toutes les données ne sont pas disponibles, ce bloc peut atteindre la finalité tout en contenant des transactions invalides. Même si le bloc est valide, l’impossibilité de vérifier entièrement les données nuit à la fonctionnalité du réseau et à l’expérience utilisateur.
Celestia implémente deux innovations clés : l’échantillonnage de disponibilité des données (DAS) et les arbres de Merkle segmentés par espace de nommage (NMT). Le DAS permet aux nœuds légers de vérifier la disponibilité des données sans télécharger l’intégralité du bloc. Les NMT divisent les données du bloc en espaces de nommage distincts selon les applications, réduisant ainsi considérablement la charge de traitement pour chaque application. Critiquement, le DAS permet à Celestia de s’adapter à la croissance du nombre d’utilisateurs (nœuds légers) sans altérer la sécurité des utilisateurs finaux.
La modularité rend possible, comme jamais auparavant, la création de nouvelles chaînes. Différents types de blockchains modulaires peuvent coopérer selon divers objectifs et architectures. Celestia propose plusieurs modèles d’architecture modulaire, illustrant la flexibilité et la composable de cette approche :
Figure 1 : Architecture Layer1 et Layer2
Layer 1 et Layer 2 : Ce que Celestia appelle une modularité « naïve », initialement conçue pour étendre la scalabilité d’Ethereum en tant que Layer1 monolithique. Ici, le Layer2 se concentre sur l’exécution, tandis que le Layer1 assure les autres fonctions clés.
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Celestia prend en charge les chaînes construites sur des piles technologiques telles que Arbitrum Orbit, Optimism Stack et Polygon CDK (prochainement disponible), en utilisant Celestia comme couche DA. Les Layer2 existantes peuvent utiliser la technologie Rollup pour publier leurs données non plus sur Ethereum, mais sur Celestia. L’engagement au bloc est inscrit sur Celestia, une solution bien plus évolutive que les méthodes traditionnelles.
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Celestia prend également en charge les RollApp (chaînes dédiées à une application) construites avec Dymension comme couche d’exécution. À l’instar du modèle Ethereum Layer1/Layer2, la couche de règlement repose sur Dymension Hub (dont nous parlerons plus tard), et la couche DA utilise Celestia. Les chaînes communiquent via le protocole IBC (basé sur Cosmos SDK, permettant aux blockchains d’échanger tout type de données encodées en octets).
Figure 2 : Architecture Exécution, Règlement et Disponibilité des Données
Exécution, règlement et disponibilité des données : une modularité optimisée où les couches d’exécution, de règlement et de disponibilité des données sont dissociées sur des blockchains modulaires spécialisées.
Figure 3 : Architecture Exécution et Disponibilité des Données
Exécution et disponibilité des données : étant donné que l’objectif de la modularité est la flexibilité, la couche d’exécution n’est pas limitée à publier ses blocs sur une couche de règlement. On peut concevoir une pile modulaire composée uniquement d’une couche d’exécution, reposant sur les couches de consensus et de disponibilité des données.
Dans ce cas, la couche d’exécution serait souveraine (sovereign), publiant ses transactions sur une autre blockchain pour le tri et la disponibilité des données, mais gérait elle-même son propre règlement. Dans ce contexte, le Rollup souverain gère l’exécution et le règlement, tandis que la couche DA assure le consensus et la disponibilité des données.
La différence entre un Rollup souverain et un Rollup basé sur contrat intelligent réside dans :
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Les transactions d’un Rollup basé sur contrat intelligent sont validées par un contrat intelligent sur la couche de règlement. Celles d’un Rollup souverain sont validées par les propres nœuds du Rollup.
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Contrairement au Rollup basé sur contrat, les nœuds d’un Rollup souverain ont l’autonomie. L’ordonnancement et la validité des transactions sont gérés par le réseau du Rollup lui-même, sans dépendre d’une couche de règlement séparée.
Actuellement, Rollkit et Sovereign SDK fournissent des cadres pour déployer des testnets de Rollups souverains sur Celestia.
III. Explorer les solutions modulaires dans l’écosystème blockchain
1. Modularité de la couche d’exécution
Avant d’aborder la modularité de la couche d’exécution, il convient de comprendre la technologie Rollup.
Aujourd’hui, la modularité de la couche d’exécution repose principalement sur la technologie Rollup, une solution de mise à l’échelle exécutée hors chaîne (off-chain). Cette solution traite les transactions en dehors de la chaîne principale, occupant moins d’espace dans les blocs, et constitue l’une des principales voies de scalabilité pour Ethereum. Après exécution, elle envoie un lot de données ou une preuve d’exécution à la chaîne principale pour y être réglé. Le Rollup offre ainsi une solution évolutive tout en conservant la décentralisation et la sécurité.
Figure 4 : Architecture de la technologie Rollup
Prenons l’exemple d’Ethereum : la technologie Rollup peut encore améliorer performances et confidentialité grâce au ZK-Rollup ou à l’Optimistic Rollup.
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Le ZK-Rollup utilise des preuves de connaissance nulle (zero-knowledge proofs) pour valider la correction des transactions groupées, assurant sécurité et confidentialité.
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L’Optimistic Rollup suppose d’abord que les transactions sont valides avant de les soumettre à la chaîne principale. Pendant la période de contestation, toute personne peut présenter une preuve de fraude.
1.1 Ethereum Layer2 : construire les solutions futures de scalabilité
Initialement, Ethereum a exploré la scalabilité via les sidechains et le sharding. Toutefois, les sidechains sacrifient une partie de la décentralisation et de la sécurité pour atteindre un haut débit. Or, le développement des Rollups Layer2 a été beaucoup plus rapide que prévu, offrant déjà une grande capacité d’évolutivité, et davantage encore après la mise en œuvre du Proto-Danksharding. Ainsi, les « chaînes de sharding » ne sont plus nécessaires et ont été retirées de la feuille de route d’Ethereum.
Ethereum délègue sa couche d’exécution aux Layer2 basés sur la technologie Rollup pour alléger la charge de la chaîne principale. La machine virtuelle EVM fournit un environnement d’exécution standardisé et sécurisé pour les contrats intelligents sur les Rollups. Certains Rollups sont conçus pour être compatibles avec l’EVM, permettant aux contrats intelligents d’en tirer pleinement parti, comme OP Mainnet, Arbitrum One ou Polygon zkEVM.
Figure 5 : Solutions de mise à l’échelle Layer2 d’Ethereum
Ces Layer2 exécutent les contrats intelligents et traitent les transactions, mais dépendent toujours d’Ethereum pour :
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Règlement : toutes les transactions Rollup sont finalisées sur le réseau principal Ethereum. Les utilisateurs des Optimistic Rollups doivent attendre la fin de la période de contestation, ou jusqu’à ce qu’une preuve anti-fraude soit calculée. Ceux des ZK Rollups doivent attendre la preuve de validité.
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Consensus et disponibilité des données : les Rollups publient leurs données transactionnelles sous forme de CallData sur Ethereum, permettant à quiconque de rejouer les transactions et de reconstruire l’état si nécessaire. Avant confirmation sur Ethereum, les Optimistic Rollups consomment beaucoup d’espace bloc et imposent un délai de 7 jours. Les ZK Rollups offrent une finalité instantanée, stockent les données pendant 30 jours, mais nécessitent d’importantes ressources de calcul pour produire les preuves.
1.2 B² Network : le premier ZK-Rollup sur Bitcoin
B² Network est le premier ZK-Rollup sur Bitcoin, capable d’accélérer les transactions sans compromettre la sécurité. Grâce à la technologie Rollup, B² Network propose une plateforme exécutant des contrats intelligents Turing-complets hors chaîne, augmentant l’efficacité des transactions et minimisant les coûts.
Figure 6 : Architecture de B² Network
Comme illustré, la couche ZK-Rollup de B² Network utilise une solution zkEVM pour exécuter les transactions des utilisateurs et générer les preuves associées.
À la différence d’autres Rollups, le ZK-Rollup de B² Network comprend plusieurs composants : module d’abstraction de compte, service RPC, mempool, séquenceurs, zkEVM, agrégateurs, synchronisateurs et prouveur. Le module d’abstraction de compte permet une programmation native flexible, intégrant sécurité renforcée et meilleure expérience utilisateur. Le zkEVM, compatible EVM, facilite le portage des DApps depuis d'autres chaînes compatibles EVM vers B² Network.
Les Synchronizers assurent la synchronisation des informations depuis les nœuds B² vers la couche Rollup, notamment les données de séquencement et les transactions Bitcoin. Les nœuds B² agissent comme validateurs hors chaîne, exécutant plusieurs fonctions uniques. Le module Bitcoin Committer crée une structure de données enregistrant les données du Rollup B², générant un script appelé « B² inscription ». Puis, il envoie un UTXO d’un satoshi vers une adresse Taproot contenant cette inscription, écrivant ainsi les données du Rollup sur Bitcoin.
De plus, le Bitcoin Committer instaure un verrou temporel permettant aux challengers de remettre en cause la preuve zk. Si aucun challenger n’intervient durant ce laps de temps, ou si la tentative échoue, le Rollup est confirmé sur Bitcoin ; sinon, il est annulé.
Tant pour Ethereum que pour Bitcoin, fondamentalement, la Layer1 reste une chaîne unique recevant des données étendues de la Layer2. Dans la plupart des cas, la capacité de la Layer2 dépend directement de celle de la Layer1. Ainsi, l’architecture actuelle Layer1/Layer2 n’est pas idéale pour la scalabilité. Quand la Layer1 atteint sa limite de débit, la Layer2 en subit les conséquences : frais plus élevés, temps de confirmation rallongés, impactant l’efficacité globale et l’expérience utilisateur.
2. Modularité de la couche DA
Outre la solution DA de Celestia, adoptée par de nombreux Layer2, d’autres innovations émergent dans l’écosystème blockchain, jouant un rôle central.
2.1 EigenDA : booster la technologie Rollup
EigenDA est un service de disponibilité des données (DA) sécurisé, à haut débit et décentralisé, inspiré du Danksharding. Les Rollups peuvent publier leurs données sur EigenDA pour bénéficier de coûts réduits, d’un meilleur débit et d’une composable sécurisée au sein de l’écosystème EigenLayer.
Lorsque les Rollups Ethereum construisent un stockage temporaire décentralisé, les opérateurs EigenDA peuvent directement gérer le stockage. Les opérateurs participent au réseau, traitant, validant et stockant les données. EigenDA peut s’agrandir horizontalement avec l’augmentation des mises en jeu et du nombre d’opérateurs.
En combinant la technologie Rollup et en transférant la couche DA hors chaîne, EigenDA améliore la scalabilité. Les données transactionnelles brutes n’ont plus besoin d’être copiées et stockées sur tous les nœuds, réduisant ainsi la bande passante et la mémoire requises. Seules les métadonnées liées à la disponibilité des données et les mécanismes de responsabilité sont traités sur chaîne (permettant de vérifier l’intégrité et l’authenticité des données hors chaîne si nécessaire).
Figure 7 : Flux de données de base d’EigenDA
Comme illustré, le Rollup écrit les lots de transactions dans la couche DA. Contrairement aux systèmes utilisant des preuves de fraude, EigenDA divise les données en blocs et génère des engagements KZG et des preuves de révélation multiples. EigenDA demande aux nœuds de télécharger seulement une petite portion des données [O(1/n)] au lieu de tout le blob. Le protocole d’arbitrage du Rollup peut ensuite vérifier que les données blob correspondent à l’engagement KZG fourni dans la preuve EigenDA. Cette vérification garantit que les données du state root du Rollup ne sont pas manipulées par le séquenceur ou le proposeur.
2.2 Nubit : première solution modulaire DA sur Bitcoin
Nubit est une couche DA scalable et native à Bitcoin. Nubit ouvre la voie à un futur natif Bitcoin, visant à améliorer le débit et la disponibilité des données pour répondre aux besoins croissants de l’écosystème. Son ambition est d’intégrer la vaste communauté des développeurs dans l’écosystème Bitcoin en leur offrant des outils évolutifs, sécurisés et décentralisés.
L’équipe de Nubit est composée de professeurs et doctorants de l’UCSB (Université de Californie à Santa Barbara), reconnus pour leur excellence académique et leur influence mondiale. Ils allient expertise académique et solide expérience en ingénierie blockchain. L’équipe a coécrit avec domo (créateur du BRC20) un article sur les indexeurs modulaires, intégrant la conception de la couche DA dans l’architecture des indexeurs des meta-protocoles Bitcoin, contribuant ainsi à définir les standards du secteur.
Innovations clés de Nubit : mécanisme de consensus, pont sans confiance et disponibilité des données, utilisant un algorithme de consensus innovant et le réseau Lightning pour hériter de la censure totale de Bitcoin, et le DAS pour améliorer l’efficacité :
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Consensus : Nubit explore un consensus efficace basé sur le PBFT (Practical Byzantine Fault Tolerance) assisté par SNARK, utilisé pour l’agrégation de signatures. Combinant PBFT et zkSNARK, la complexité de communication entre validateurs est fortement réduite, permettant de vérifier la validité des transactions sans accès complet au jeu de données.
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DAS : le DAS de Nubit fonctionne par échantillonnage aléatoire multi-étapes des blocs de données. Chaque échantillonnage réussi augmente la probabilité de disponibilité complète. Une fois le niveau de confiance requis atteint, les données sont considérées comme accessibles.
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Pont sans confiance (Trustless Bridge) : Nubit utilise un pont sans confiance s’appuyant sur les canaux de paiement du réseau Lightning. Cette approche s’aligne sur les méthodes natives de paiement Bitcoin sans ajouter de confiance supplémentaire, réduisant ainsi les risques par rapport aux solutions de pont existantes.
Figure 8 : Composants fondamentaux de Nubit
Illustrons maintenant le cycle complet du système via un cas d’usage concret. Supposons qu’Alice souhaite utiliser le service DA de Nubit pour une transaction (Nubit supporte plusieurs types de données, dont les inscriptions et les données Rollup).
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Étape 1.1 : Alice doit d’abord payer les frais de gaz via le pont sans confiance. Elle obtient un défi public X(h) du pont (X est une fonction de hachage cryptographique allant du domaine de hachage d’une fonction à délai vérifiable (VDF) au domaine du défi, h étant le hachage d’un bloc à une hauteur donnée).
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Étapes 1.2 et 2 : Alice doit obtenir le résultat R de l’évaluation VDF pour le tour courant, puis soumettre R, ses données et les métadonnées (adresse, nonce) aux validateurs pour inclusion dans le mempool.
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Étape 3 : les validateurs proposent un bloc et son en-tête après consensus. L’en-tête inclut l’engagement aux données et leur code Reed-Solomon (RS Code), tandis que le bloc contient les données brutes, le RS Code et les détails de transaction.
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Étape 4 : le cycle se termine par la récupération des données par Alice. Les clients légers téléchargent l’en-tête, les nœuds complets récupèrent le bloc et son en-tête.
Les clients légers effectuent le processus DAS pour vérifier la disponibilité des données. De plus, après qu’un seuil de blocs a été proposé, un point de contrôle historique est horodaté sur la blockchain Bitcoin. Cela empêche les attaques à distance et permet un désengagement rapide.
3. Autres solutions
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