Protocoles Cryptographiques Partie I: Les couches, Bitcoin, Ethereum et la Preuve de Travail

La technologie blockchain a été créée d'une manière similaire à Internet: en couches. Par conséquent, les protocoles cryptographiques, qui sont un ensemble de règles ou d'instructions pour agir, peuvent être utilisés dans différentes couches. Les protocoles de couche 1 sont normalement la principale architecture sous-jacente de la blockchain, tandis que les protocoles de couche 2 (ou également appelés solutions de couche 2) sont construits sur les protocoles de couche 1 pour ajouter des fonctionnalités, telles que l'expansion ou la vitesse. Au fil des années, d'autres protocoles de couche 1 ont émergé pour améliorer les failles des protocoles précédents et résoudre un cas d'utilisation particulier. Grâce à des changements d'algorithmes et de mécanismes de consensus, ces nouveaux protocoles de couche 1 ont réussi à augmenter les performances et la vitesse des transactions, ont réduit les coûts et ont fourni des options de confidentialité. Cet article couvre Bitcoin, Ethereum et d'autres protocoles de Preuve de Travail car ils étaient développés les premiers, mais la partie II couvrira les protocoles et les mécanismes de consensus qui ont été créés plus tard.

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La technologie blockchain actuelle est basée sur des couches, similaires à ceux de l’Internet. Le système en couches est utile car différentes fonctionnalités peuvent être construites les unes sur les autres et devenir ainsi plus faciles à mettre à jour, à corriger ou à modifier sans affecter les autres couches. Des différentes opinions existent sur le nombre exact de couches d'une blockchain, mais généralement, ces couches constituent l'infrastructure, le consensus, le réseau et les applications de la blockchain.

La technologie blockchain actuelle est basée sur des couches, similaires à ceux de l’Internet. En général, ces couches constituent l'infrastructure, le consensus, le réseau et les applications de la blockchain

Les blockchains utilisent des protocoles pour fonctionner. Un protocole est un ensemble de règles ou d'instructions qui régissent la manière d'agir ou d'interagir dans une situation donnée. Les protocoles peuvent être utilisés dans différentes couches s'ils ont des fonctionnalités différentes. Les protocoles de couche 1 sont normalement la principale architecture sous-jacente d'une blockchain, tandis que les protocoles de couche 2 (ou également appelés solutions de couche 2) s'appuient sur une blockchain existante et ajoutent des fonctionnalités, telles que l'expansion ou la vitesse. Les solutions de couche 2 ont également été appelées solutions «hors chaîne» car elles évitent généralement d'enregistrer toutes les données ou transactions sur la blockchain native de la couche 1; ils ne peuvent envoyer que le résultat finale des transactions à la blockchain de couche 1, tout en conservant les détails au niveau de la couche 2.

Les protocoles de couche 1 sont généralement l'architecture de blockchain principale sous-jacente, tandis que les protocoles de couche 2 (ou également appelés solutions de couche 2) s'appuient sur une blockchain existante et ajoutent des fonctionnalités, telles que l'évolutivité ou la vitesse

Au fil des ans, de nombreux protocoles ont vu le jour. En règle générale, chaque protocole a été créé pour améliorer les failles du protocole précédent et pour résoudre un cas d'utilisation particulier. Deux des principaux points d'amélioration ont été les changements d'algorithmes et de mécanismes de consensus qui ont permis d'augmenter les capacités d'expansion en termes de performance ou de rapidité, et de réduire le coût des transactions. En plus, il y a eu d'autres améliorations dans le domaine de la confidentialité, car les transactions Bitcoin sont accessibles au public et sont connectées aux portefeuilles des utilisateurs, même si ces portefeuilles ne sont pas liés à des informations personnelles.

Bitcoin a été le premier protocole créé et aujourd'hui, sa crypto-monnaie, Bitcoin ou BTC, possède la plus grande capitalisation boursière (~ 890 milliards USD). Alors que Satoshi Nakamoto, son créateur, avait peut-être initialement envisagé Bitcoin comme un moyen d'échange, la réalité est qu'en raison de ses problèmes de volatilité et d'expansion, l'utilisation principale de Bitcoin aujourd'hui est la réserve de valeur. Bitcoin utilise la preuve de travail (PoW) comme mécanisme de consensus, qui met les nœuds en concurrence les uns avec les autres pour résoudre un problème mathématique et le premier à résoudre le problème écrit le bloc suivant. Ce processus de résolution du problème mathématique est appelé «mining» et la difficulté du problème est programmée pour être ajustée de sorte que le temps moyen entre chaque bloc reste de 10 minutes. En outre, il existe un nombre limité de transactions pouvant être enregistrées dans un bloc. Ces deux restrictions, ainsi que le temps de confirmation d'un block, qui est d'environ une heure, rendent Bitcoin peu pratique pour de nombreux paiements (à moins que l'alternative existante ne soit pire).

Bitcoin a été le premier protocole de blockchain créé et il utilise un mécanisme de preuve de travail (PoW en anglais) pour le consensus. À ce jour, sa crypto-monnaie, Bicoin ou BTC, a la plus grande capitalisation boursière (~ 890 milliards USD)

Pour résoudre le problème d'expansion du Bitcoin, des solutions de couche 2 ont été développés. La solution la plus importante est le Lightning Network, qui utilise des canaux de micro-paiement qui permettent aux transactions Bitcoin se dérouler hors chaîne. Seulement les ouvertures et fermetures de canaux sont enregistrées dans la chaîne de couche 1. Les canaux permet non seulement aux participants qui les ont créé d'effectuer des transactions (par exemple, les participants A et B), mais aussi tout participant peut effectuer des transactions avec un autre tant qu'ils sont connectés d'une manière ou d'une autre (par exemple, si A a un canal ouvert avec B, A peut faire une transaction avec C, tant que C a un canal ouvert avec B). Lightning a été fortement critiqué pour ses graves vulnérabilités en 2020, mais à mesure que la technologie s'améliore, Kraken et OKEx ont annoncé qu'ils rejoindraient Bitfinex, Bitstamp et quelques autres plates-formes d'échange pour accepter des paiements via ce réseau. La solution peut aider ces plates-formes à offrir des frais de transaction moins élevés aux utilisateurs lors du dépôt et du retrait de Bitcoin.

La solution de couche 2 la plus célèbre de Bitcoin est le Lightning Network, qui utilise des canaux de micro-paiement qui permettent aux transactions de Bitcoin d'avoir lieu en dehors de la chaîne principale

Les autres protocoles qui utilisent PoW sont Litecoin, Dash, Bitcoin Cash, Dogecoin, ZCash et Monero, entre autres. Litecoin utilise un algorithme (scrypt) différent de Bitcoin (qui utilise SHA-256) et réduit le temps de génération de bloc à 2,5 minutes. Dash utilise également un algorithme différent (X11) qui réduit les temps de confirmation d'une heure de Bitcoin à quatre secondes, et comprend une fonction de confidentialité, qui est un service de mélange de devises (de sorte que les transactions ne peuvent pas retracer directement les parties impliquées) [1]. Bitcoin Cash est le résultat d'un hard fork (un désaccord entre les développeurs) de Bitcoin, par lequel la blockchain nouvellement créée a augmenté le nombre de transactions pouvant être enregistrées dans un bloc pour en traiter plus par seconde. Dogecoin a été créé comme une blague en utilisant le code pour Bitcoin et en remplaçant le nom Bitcoin par Dogecoin. Zcash a été créé pour fournir une confidentialité facultative aux utilisateurs. Zcash utilise "Ak-SNARKS", qui est un test qui permet à une partie de prouver à l'autre qu'une déclaration est vraie sans révéler aucun détail au-delà de la validité de la déclaration elle-même[2]. Les transactions Zcash sont publiques par défaut, mais les utilisateurs peuvent choisir de les rendre privées. Monero masque les adresses d'envoi et de réception, ainsi que les montants des transactions, ce qui garantit la confidentialité en tant que fonctionnalité permanente pour les utilisateurs[3]. En outre, Monero utilise un algorithme différent (Cryptonight) qui facilite le mining avec un processeur simple et a une limite de taille de bloc adaptative pour s'adapter au volume de transaction.

Ethereum a été créé pour développer des applications décentralisées via des contrats intelligents. Sa crypto-monnaie, Ether ou ETH, est aujourd'hui la deuxième en importance en termes de capitalisation boursière (~ 170 milliards USD). La fonctionnalité des contrats intelligents d'Ethereum ont permis le développement de DeFi, ou de la finance décentralisée, qui a actuellement environ 38 milliards USD en valeur totale verrouillée et est considérée comme l’avenir de la finance. Ethereum a été créé pour fonctionner avec un mécanisme PoW qui autorise 15 transactions par seconde, ce qui limite son évolutivité. Ce problème est devenu apparent en 2020 et au début de 2021, lorsque les prix de traitement des transactions sur Ethereum ont explosé.

Ethereum est le deuxième plus grand protocole en termes de capitalisation boursière (~ 170 milliards USD) et sa fonctionnalité de contrat intelligent a permis le développement de DeFi, ou de la finance décentralisée, qui est considérée comme l'avenir de la finance

Pour résoudre ce problème d'expansion, Ethereum migre maintenant vers un mécanisme de Preuve d'Enjeu (PoS en anglais), pour devenir Ethereum 2.0. PoS exige que les validateurs «stake», ce qui signifie verrouiller ou conserver leur ETH dans un portefeuille de crypto-monnaie. Dans le cas d'Ethereum, les validateurs sont choisis au hasard pour créer le bloc suivant et tous les validateurs sont chargés de vérifier et de confirmer les blocs qu'ils ne créent pas[4]. Les validateurs qui font bien leur travail sont récompensés et ceux qui confirment les mauvais blocs perdent l'Ether qu'ils ont bloqué. Ce n'est qu'une façon de mettre en œuvre un mécanisme de PoS, d'autres protocoles utilisent un système différent pour sélectionner les validateurs pour créer le bloc suivant (durée de participation, richesse, etc.) ou imposent un autre système de récompense / punition.

Ethereum migre maintenant vers Ethereum 2.0 pour lutter contre ses problèmes d'expansion. La nouvelle chaîne utilisera un mécanisme de preuve d'enjeu (PoS en anglais) et comprendra des «shards» (ou fragments) qui permettront le traitement simultané et indépendant des transactions

La migration d'Ethereum vers Ethereum 2.0 inclut non seulement un changement dans son mécanisme de consensus de PoW à PoS, mais divise également sa blockchain en 64 sous-groupes de nœuds liés appelés «shards» (ou fragments) qui permettent le traitement simultané et indépendant des transactions. Les 64 fragments géreront les comptes et les contrats intelligents, et seront connectés à la chaîne Beacon, qui est la chaîne principale qui coordonnera l'ensemble du réseau Ethererum 2.0, en stockant des instantanés des fragments et en gérant le registre du validateur[5]. La migration est en plusieurs étapes pour minimiser les perturbations de l'écosystème Ethereum et peut prendre plusieurs années.

Pendant ce temps, plusieurs solutions de couche 2 ont été développées pour Ethereum afin de résoudre les problèmes de scalabilité à court terme car on ne sait pas comment et quand la communauté Ethereum passera à Ethereum 2.0

Pendant ce temps, plusieurs solutions de couche 2 pour Ethereum ont été développées [6] pour résoudre les problèmes d'expansion à court terme, car on ne sait pas comment et quand la communauté Ethereum passera à Ethereum 2.0. Ceux-ci incluent les Rollups (Zero-Knowledge et Optimistic), les canaux d’état, le Plasma, le Validium, les chaînes latérales et les solutions hybrides.

• Zero-Knowledge (ZK) Roll-ups ou des packages cumulatifs à connaissance nulle: Ils accumulent les transactions qui se produisent dans les chaînes latérales en une seule transaction et ne génèrent qu'une seule preuve cryptographique, connue sous le nom de SNARK. Seulement le SNARK est enregistré dans la couche principale 1, tandis que la vérification de la signature, l'exécution du contrat, etc. se produisent sur ces chaînes latérales de la couche 2. Les ZK Roll-ups ne peuvent être utilisés que pour des calculs simples et ne sont pas compatibles avec la Machine Virtuelle Ethereum (EVM en anglais), qui est la plate-forme logicielle sur laquelle les développeurs créent des applications décentralisées. Une solution importante de ce type de couche 2 est zkSync, créée par Matter Labs, qui vient de clôturer un cycle de financement de série A dirigé par Union Square Ventures (USV) de Fred Wilson.

• Optimistic Roll-ups ou des packages cumulatifs optimistes: Ils utilisent une chaînes latéral parallèle à la chaîne de la couche 1. Cette chaîne parallèle peut faire tout ce que la couche 1 d’Ethereum peut faire (y compris le support d’EVM), mais elle ne calcule pas les transactions par défaut. Cependant, si quelqu'un remarque une transaction frauduleuse, l’Optimistic Roll-up exécutera un test de fraude et calculera la transaction en utilisant les données disponibles. Le système anti-fraude peut générer des temps d'attente plus longs pour la confirmation de transaction qu'un ZK Roll-up. Une example de ce type de solution de couche 2 est Optimism, qui a recueilli 25 millions de dollars lors d'un tour de série A dirigé par a16z il y a une semaine.

• Canaux d'état: Ils permettent aux participants d'effectuer des transactions hors chaîne et n'envoient que deux transactions à la couche 1 (l'état initial et final de la transaction). Pour ouvrir le canal, les utilisateurs doivent verrouiller Ether dans un contrat multi-signature. L'inconvénient de ce système est que tout changement d'état nécessite le consentement de tous les participants (ou de leurs délégués) et donc, il peut n’être pas idéal pour les transactions ponctuelles en raison du temps et du coût associés à la création d'un canal.

• Chaîne plasma: Il s'agit d'une chaîne de blocs distincte ancrée à la chaîne de couche 1 et elle utilise des preuves de fraude. La chaîne de plasma communique périodiquement toute modification apportée à la chaîne de couche 1, alors elle a besoin d’être constamment connectée. En outre, la chaîne plasma ne prend en charge que les transferts de jetons de base, les échanges et certaines autres transactions.

• Chaîne Validium: Elle utilise les ZK Roll-ups, mais les données sont stockées hors chaîne pour de meilleures performances. Cela peut conduire à 10 000 transactions par seconde par chaîne Validium et plusieurs chaînes peuvent s'exécuter en parallèle.

• Chaînes latérales: Ce sont des blockchains séparées qui fonctionnent parallèlement mais indépendamment à la couche 1. Ils ont leur propre algorithme de consensus. Une solution importante de ce type est SKALE.

• Solutions hybrides: Elles combinent des parties des solutions précédentes.

[1] Dash vs. Bitcoin: What is the difference | Genesis Mining (genesis-mining.com) [2] Zcash vs. Bitcoin: What is the difference | Genesis Mining (genesis-mining.com) [3] What is Monero (XMR)? | Monero - secure, private, untraceable (getmonero.org) [4] Proof-of-stake (PoS) | ethereum.org [5] Proof-of-stake (PoS) | ethereum.org [6] Layer 2 scaling | ethereum.org