Qu'est-ce qu'un layer 2 et à quoi servent ces surcouches de blockchain ?

Layer 1 et layer 2 : deux niveaux d'une même architecture

Un layer 1 est la blockchain de base : Bitcoin, Ethereum ou Solana. Elle fixe les règles du réseau, exécute les transactions et les inscrit dans son registre grâce à son propre mécanisme de consensus.

Bitcoin et Ethereum ont privilégié la sécurité et la décentralisation. Leur débit reste donc limité. Selon la documentation d'ethereum.org, le layer 1 d'Ethereum traite environ 15 transactions par seconde, pour plus d'un million de transactions par jour. Quand la demande dépasse cette capacité, le réseau sature et les frais de gaz montent.

Vitalik Buterin, cofondateur d'Ethereum, a formalisé ce dilemme sous le nom de trilemme de la scalabilité le 7 avril 2021 : avec des techniques simples, une blockchain ne peut réunir que deux propriétés sur trois parmi la scalabilité, la décentralisation et la sécurité.

Le layer 2 répond à ce problème sans modifier la blockchain principale. Ethereum.org le définit comme une blockchain distincte qui étend Ethereum et hérite de ses garanties de sécurité. L'exécution se fait hors de la chaîne principale ; seule une trace compacte y est inscrite.

Comment fonctionne un layer 2

Le principe commun consiste à sortir l'exécution des transactions du layer 1. Le layer 2 traite les opérations de son côté, puis transmet au layer 1 un résumé : des données compressées, un nouvel état, parfois une preuve cryptographique. Le layer 1 sert alors d'arbitre final et de registre de référence.

Ethereum.org distingue la mise à l'échelle on-chain, qui modifie le protocole, de la mise à l'échelle off-chain, qui fonctionne à côté sans le toucher. Les layer 2 relèvent de la seconde catégorie. La documentation n'y range que les solutions qui tirent leur sécurité du consensus d'Ethereum : les rollups et les canaux d'état. Les sidechains et les validiums, souvent présentés comme des layer 2, sont classés à part.

Les rollups, solution dominante sur Ethereum

Un rollup regroupe des centaines de transactions en une seule transaction sur le layer 1, ce qui répartit les frais entre tous les participants. Les données de transaction sont publiées sur Ethereum, mais l'exécution reste séparée, selon ethereum.org. C'est cette publication des données sur le layer 1 qui permet au rollup d'hériter de la sécurité d'Ethereum. Il en existe deux familles.

Les optimistic rollups

Un optimistic rollup considère par défaut que les transactions sont valides. N'importe quel participant peut contester un lot pendant une fenêtre de contestation au moyen d'une preuve de fraude. Cette fenêtre dure environ une semaine : un utilisateur qui retire ses fonds vers Ethereum par le pont officiel doit attendre son expiration. La sécurité repose sur l'existence d'au moins un nœud honnête. Arbitrum et Optimism sont les deux exemples cités par ethereum.org.

Les ZK rollups

Un ZK rollup (pour zero-knowledge, à divulgation nulle de connaissance) exécute les transactions hors chaîne puis publie sur Ethereum une preuve de validité, de type SNARK ou STARK. Le contrat du rollup vérifie cette preuve. Les retraits vers Ethereum ne subissent donc aucun délai de contestation une fois la preuve acceptée.

Longtemps, ces rollups ont été difficiles à rendre compatibles avec la machine virtuelle d'Ethereum (EVM). Ce n'est plus le cas : ethereum.org cite plusieurs zkEVM, dont Polygon zkEVM, Scroll, ZKsync, Taiko, Starknet et Linea.

Les canaux d'état et de paiement

Un canal permet à des participants d'échanger un grand nombre de transactions hors chaîne en ne publiant que deux transactions sur la chaîne principale : l'ouverture et la clôture. Les fonds sont bloqués dans un contrat multisignature et chaque mise à jour du solde est signée par toutes les parties.

Le canal de paiement se limite aux transferts de valeur. Le canal d'état suit en plus l'état d'un contrat intelligent. Les deux partagent les mêmes limites : participants fixés à l'avance, fonds immobilisés et obligation de rester en ligne pour contester une clôture frauduleuse.

Le Lightning Network applique ce principe à Bitcoin. Joseph Poon et Thaddeus Dryja l'ont décrit dans un livre blanc daté du 14 janvier 2016 : un réseau de canaux de micropaiement dont les transferts ont lieu hors de la blockchain, mais restent exécutables sur Bitcoin en cas de litige.

Validiums et sidechains : des solutions voisines

Les validiums

Un validium utilise des preuves de validité comme un ZK rollup, mais ne stocke pas les données de transaction sur Ethereum. Seuls les engagements d'état et les preuves y sont publiés. Ethereum.org évoque un débit d'environ 9 000 transactions par seconde. Le revers est réel : si les gestionnaires des données retiennent celles-ci, les utilisateurs peuvent être empêchés de retirer leurs fonds. StarkEx, de StarkWare, peut fonctionner en mode rollup ou validium.

Les sidechains

Une sidechain est une blockchain indépendante, reliée au réseau principal par un pont bidirectionnel. Elle a son propre mécanisme de consensus et ne bénéficie pas des garanties de sécurité d'Ethereum. Beaucoup sont compatibles EVM. Ethereum.org cite Polygon PoS, Gnosis Chain et Skale.

Côté Bitcoin, Liquid se présente comme une sidechain open source gérée par une fédération de plus de 80 membres. Ses blocs sont produits chaque minute et l'ancrage d'un bitcoin vers Liquid exige 102 confirmations sur Bitcoin. Les montants des transactions y sont masqués par défaut.

EIP-4844 et les blobs : la baisse du coût des données

Le principal coût d'un rollup tient à la publication de ses données sur Ethereum. La proposition EIP-4844, dite proto-danksharding, a créé un nouveau type de transaction transportant des « blobs » : des blocs de données inaccessibles à l'EVM, conservés environ 18 jours (4 096 époques) puis supprimés par les nœuds.

La mise à jour Dencun, qui inclut EIP-4844, a été activée sur le réseau principal le 13 mars 2024 à 13 h 55 UTC, à l'époque 269568. Selon ethereum.org, les blobs offrent aux rollups un moyen moins coûteux de publier leurs données, une économie répercutée sur les frais payés par les utilisateurs. La feuille de route prévoit ensuite le danksharding complet, qui vise plus de 100 000 transactions par seconde.

Le projet ne mise donc plus sur une hausse massive du débit du seul layer 1, comme le promettait l'ancien discours « ETH 2.0 ». Le layer 1 se concentre sur la sécurité et la disponibilité des données ; l'exécution des transactions passe de plus en plus par les rollups.

Les limites des layer 2

Tous les rollups n'offrent pas encore les garanties de leur modèle théorique. Beaucoup reposent sur un séquenceur unique, des contrats modifiables par leurs équipes ou des preuves de fraude réservées à quelques acteurs. Le site d'analyse L2BEAT a établi un cadre de maturité en trois étapes : au Stage 0, un projet est entièrement contrôlé par quelques entités ; au Stage 2, il est contrôlé par son code. Le Stage 1 exige notamment qu'un blocage ou un détournement des retraits ne soit possible qu'en compromettant au moins 75 % d'un conseil de sécurité.

Autres limites : la multiplication des layer 2 fragmente la liquidité entre réseaux, et les ponts qui les relient au layer 1 restent un point sensible. Pour les sidechains et les validiums, la sécurité dépend en outre d'acteurs extérieurs à la blockchain principale.