Comprendre l'architecture Blockchain : le guide complet sur Layer 0, 1 et 2

La technologie Blockchain ressemble à un oignon : les deux ont des couches distinctes qui servent des objectifs spécifiques. Explorons l'architecture en couches de la blockchain pour comprendre comment chaque composant fonctionne au sein de cet écosystème révolutionnaire.

La Fondation : Blockchain de couche 1

La couche 1 représente le réseau blockchain de base—le fondement qui peut valider et finaliser de manière indépendante les transactions en utilisant sa propre infrastructure. Bitcoin, Ethereum et Cardano illustrent les projets de blockchain de couche 1.

Ces réseaux disposent de leurs propres jetons natifs (coins) que les utilisateurs doivent utiliser pour payer les frais de transaction lors de l'interaction avec la blockchain.

Défis de mise à l'échelle au niveau de base

Les réseaux de couche 1 rencontrent fréquemment des limitations de mise à l'échelle. Lorsque le volume des transactions dépasse la capacité de traitement, les utilisateurs subissent des frais accrus et des confirmations plus lentes.

Ce défi est lié à ce que Vitalik Buterin a qualifié de Blockchain Trilemma—l'équilibre difficile entre :

• Décentralisation (contrôle du réseau distribué)
• Sécurité (résistance aux attaques)
• Scalabilité (débit des transactions)

Toutes les solutions de mise à l'échelle doivent naviguer entre ces trois propriétés critiques. Par exemple, le déploiement de supernœuds puissants pourrait améliorer la capacité du réseau mais sacrifierait la décentralisation—un principe fondamental de la blockchain.

Approches de mise à l'échelle de couche 1

Les blockchains de base emploient plusieurs stratégies pour améliorer leur évolutivité :

Expansion de la taille du Bloc

Augmenter la capacité des blocs permet plus de transactions par bloc, mais cette approche a des limites :

• Des blocs excessivement grands nécessitent des temps de téléchargement plus longs
• Les exigences en matière de bande passante du réseau augmentent considérablement
• Les barrières à la participation des nœuds augmentent, réduisant la décentralisation

Optimisation du Mécanisme de Consensus

Certains mécanismes de consensus évoluent plus efficacement que d'autres :

• La preuve de travail ( utilisée par Bitcoin ) offre une sécurité robuste mais un débit limité
• La preuve d'enjeu ( adoptée par Ethereum et d'autres ) offre une meilleure évolutivité avec des exigences énergétiques plus faibles

Mise en œuvre du sharding

Le sharding divise les données de la blockchain en segments gérables appelés "shards", distribuant la charge de validation sur le réseau :

• Chaque nœud traite seulement une fraction des transactions
• Les fragments traités sont diffusés sur la chaîne principale pour validation finale
• Ce traitement parallèle augmente considérablement le débit des transactions

Au-delà de la base : Solutions de couche 2

Les protocoles de couche 2 fonctionnent au-dessus des blockchains de couche 1, spécialement conçus pour résoudre les limitations de scalabilité. Ces solutions créent des cadres secondaires qui traitent les transactions "hors chaîne" avant de les régler sur la couche de base.

La technologie de couche 2 améliore :

• Vitesse de transaction : Réduction du temps de confirmation pour les transactions individuelles
• Débit des transactions : Augmenter la capacité du réseau à traiter plus de transactions par seconde
• Efficacité des coûts : Réduction des frais de transaction en période de congestion du réseau

Stratégies d'implémentation de la couche 2

Plusieurs approches permettent des solutions de mise à l'échelle de couche 2 :

Paiement et Canaux d'État

Les canaux permettent plusieurs transactions hors chaîne avant d'enregistrer l'état final sur la couche de base :

• Les canaux de paiement se concentrent exclusivement sur les transferts de valeur entre les parties
• Les canaux d'état soutiennent des interactions plus larges, y compris les opérations de contrats intelligents

Ces solutions nécessitent que les participants soient connus du réseau et verrouillent des tokens dans des contrats multi-signatures, limitant ainsi la participation ouverte.

Cadres Plasma

Développé par Joseph Poon et Vitalik Buterin, Plasma crée des "chaînes enfants" qui reflètent la blockchain parente :

• Les contrats intelligents gèrent la relation entre les chaînes parentes et enfants
• Les transactions se produisent sur des chaînes secondaires pour réduire la congestion du réseau principal.
• Les structures d'arbre numériques organisent et valident les données de transaction

Bien qu'efficace pour des cas d'utilisation spécifiques, Plasma présente des limitations avec des contrats intelligents complexes et nécessite des périodes d'attente pour les retraits.

Solutions de sidechain

Les sidechains fonctionnent comme des blockchains indépendantes avec leurs propres mécanismes de consensus tout en maintenant la compatibilité avec la chaîne principale :

• Connectez-vous à la couche 1 via des machines virtuelles compatibles
• Support des contrats et des transactions compatibles avec la chaîne principale
• Opérer avec leurs propres paramètres de sécurité et exigences de bloc

Technologie Rollup

Les rollups regroupent plusieurs transactions hors chaîne en une seule transaction sur chaîne, générant des preuves cryptographiques appelées SNARKs (Arguments Succincts Non-interactifs de Connaissance):

ZK Rollups:

• Traitement et confirmation des transactions plus rapides
• Une plus grande efficacité dans l'utilisation des ressources
• Migration plus complexe entre les couches en raison des limitations de la machine virtuelle

Rollups optimistes:

• Utiliser des machines virtuelles pour une migration plus fluide de la couche 1 à la couche 2
• Mettre en œuvre des mécanismes à l'épreuve de la fraude plutôt que des preuves de validité
• Faciliter la compatibilité des contrats intelligents

La couche d'interopérabilité : Protocoles de couche 0

Les protocoles de couche 0 facilitent la communication inter-chaînes entre différentes blockchains de couche 1, abordant le problème d'isolement qui confinait auparavant les utilisateurs à des écosystèmes spécifiques.

Contrairement aux réseaux de couche 1, les blockchains construites sur le même protocole de couche 0 peuvent mettre en œuvre différents :

• Mécanismes de consensus
• Paramètres et structures de bloc
• Règles du réseau et systèmes de gouvernance

De nombreuses plateformes Layer 0 exigent que les utilisateurs mettent en jeu des jetons natifs comme mesures anti-spam lors de l'accès à leur écosystème.

Exemple de couche 0 proéminent

Cosmos est le protocole Layer 0 le plus reconnu, offrant des outils open-source incluant :

• Tendermint : Un moteur de consensus pour construire des blockchains
• Cosmos SDK : Outil de développement pour créer des blockchains personnalisées
• IBC (Communication Inter-Blockchain): Protocole permettant les interactions entre chaînes

Cosmos vise à construire l'"Internet des Blockchains" où des réseaux indépendants communiquent de manière transparente. Les principaux projets construits avec la technologie Cosmos incluent des plateformes de trading majeures, des solutions de paiement et des réseaux d'infrastructure blockchain.

La frontière des applications : Couche 3

La couche 3 représente les protocoles d'application permettant des services basés sur Blockchain tels que des applications décentralisées (dApps), des jeux, des solutions de stockage et d'autres interfaces orientées utilisateur.

Souvent appelée "couche d'application", la couche 3 fournit la fonctionnalité qui rend la blockchain utile au-delà des simples transactions :

• Fournit des informations pour le traitement de la couche 1 (e.g., instructions de contrat intelligent)
• Crée des cas d'utilisation pratiques pour l'infrastructure blockchain sous-jacente
• Offre une valeur directe aux utilisateurs finaux grâce à des interfaces intuitives

La plupart des blockchains de couche 1 prennent en charge le développement de couche 3 directement sur leurs réseaux, bien que le protocole de base de Bitcoin ait limité de telles capacités. D'autres blockchains comme Ethereum, Solana et Cardano ont des écosystèmes de couche 3 florissants qui enrichissent leurs réseaux.

Les applications modernes de couche 3 offrent de plus en plus des fonctionnalités inter-chaînes, permettant aux utilisateurs d'interagir avec des actifs sur différentes blockchains. Cela nécessite que les développeurs travaillent avec plusieurs langages de programmation comme Solidity pour Ethereum et Haskell pour Cardano afin d'assurer des opérations inter-chaînes sans faille.

La pile Blockchain complète

L'écosystème blockchain se compose de couches interconnectées, chacune remplissant des fonctions distinctes :

• Couche 0 : Permet l'interopérabilité entre chaînes entre les protocoles de Couche 1 ( par exemple, Cosmos)
• Couche 1 : Forme le réseau blockchain de base, validant et finalisant les transactions (par exemple, Bitcoin)
• Couche 2 : Fournit des solutions de mise à l'échelle aux réseaux de Couche 1 grâce à un traitement hors chaîne (par exemple, Réseau Lightning)
• Couche 3 : Fournit des applications et des services basés sur la blockchain aux utilisateurs finaux (par exemple, des échanges décentralisés)

Bien que certaines discussions fassent référence à "Layer 4" dans l'architecture blockchain, le consensus de l'industrie compte de Layer 0 à Layer 3, suivant la convention de programmation où le comptage commence à zéro.

Chaque couche aborde des défis spécifiques dans l'écosystème Blockchain, travaillant ensemble pour créer une pile technologique complète qui équilibre sécurité, évolutivité et décentralisation tout en offrant des applications pratiques aux utilisateurs du monde entier.