ZK-Rollups et le chemin vers la mise à l’échelle d’Ethereum

À mesure que le coût d’utilisation d’Ethereum augmente, la nécessité de faire évoluer le réseau est devenue plus évidente que jamais. La technologie Zero-Knowledge Rollup promet de réduire les frais de gaz sans compromettre la décentralisation et la sécurité.

Problèmes d’évolutivité d’Ethereum

Les frais de gaz élevés sont devenus un problème majeur pour Ethereum.

Les frais de transaction étant payés en ETH, le coût d’utilisation du réseau augmente lorsque le prix de l’actif augmente. L’ETH a augmenté de 460% cette année, ce qui signifie que le coût des transactions a également augmenté de 460% en dollars américains.

Les frais de transaction dépendent également du niveau de congestion du réseau. Comme il existe aujourd’hui une énorme demande d’espace de bloc Ethereum, les frais de gaz sont également élevés.

Le coût élevé de l’utilisation du réseau a privé de nombreux utilisateurs de DeFi, de NFT et même de participation aux DAO. De nombreux passionnés de crypto ont migré vers d’autres blockchains de couche 1 telles que Solana et Avalanche en raison des dépenses d’Ethereum.

Au cours des dernières années, plusieurs solutions de mise à l’échelle ont été développées pour aider à décongestionner Ethereum et réduire le coût des transactions. Polygon a été lancé en 2019 et était sans doute la première solution de mise à l’échelle Ethereum à gagner en popularité. Le réseau utilise une solution de mise à l’échelle appelée Plasma, qui décharge les transactions de la blockchain Ethereum principale vers une chaîne latérale dédiée. De nombreuses applications DeFi natives d’Ethereum telles que Curve et Aave ont été lancées sur Polygon cette année.

Alors que Polygon a réussi à attirer les utilisateurs en proposant des frais bas, il est souvent critiqué pour ne pas être une véritable solution de mise à l’échelle. Polygon utilise un mécanisme de consensus Proof-of-Stake régi par son propre ensemble de validateurs de nœuds. Cela signifie qu’il n’utilise pas le réseau principal Ethereum pour valider les transactions, il est donc généralement considéré comme moins sécurisé et décentralisé. Il n’y a que 100 validateurs régissant Polygon. Selon les données de Polygonscan, l’adresse du premier validateur représente plus de 27 % du réseau.

Au cours de la dernière année, un autre type de solution de mise à l’échelle appelée rollups a généré un buzz dans la communauté Ethereum. Actuellement, chaque transaction sur Ethereum comprend toutes les données de calcul nécessaires lors de l’interaction avec un contrat intelligent. Comme l’espace de bloc est limité, Ethereum peut facilement devenir encombré, ce qui entraîne des confirmations de transaction lentes et des frais de gaz élevés.

Les cumuls offrent un moyen d’externaliser les données de calcul et de renvoyer les preuves de validité au réseau principal Ethereum. Cela permet d’économiser de l’espace de bloc et de regrouper les transactions, ce qui réduit encore la quantité de données affectée au réseau principal. Lorsque les transactions sont regroupées, les frais de gaz sont répartis entre de nombreux utilisateurs. Les cumuls offrent aux utilisateurs des vitesses de transaction quasi instantanées et peuvent réduire les frais d’un facteur 50 à 200 tout en maintenant la la sécurité et la décentralisation du réseau principal Ethereum.

Que sont les cumuls de connaissances zéro ?

Les rollups sont disponibles en deux saveurs : Optimiste et Zéro-Connaissance. Les cumuls optimistes supposent que les transactions renvoyées à la chaîne de base sont légitimes. Les transactions ne sont rejetées que si quelqu’un qui surveille la chaîne peut prouver qu’elles sont frauduleuses en soumettant une preuve de fraude. En d’autres termes, Optimistic Rollups adopte une approche « innocente jusqu’à preuve du contraire » pour valider les transactions.

À l’inverse, Zero-Knowledge Rollups, également connu sous le nom de ZK-Rollups, génère des preuves cryptographiques qui démontrent que les transactions sont légitimes lorsqu’elles sont renvoyées au réseau principal. Les transactions ne sont acceptées sur Ethereum qu’après validation de la preuve cryptographique. Contrairement à Optimistic Rollups, les ZK-Rollups adoptent une approche de validation « coupable jusqu’à preuve du contraire ».

Actuellement, les correctifs cumulatifs optimistes ont été les plus adoptés, en partie grâce à la facilité de développement d’applications sur eux. Optimistic Rollups peut prendre en charge un contrat intelligent complet dès la sortie de la boîte, et les développeurs peuvent coder des applications à l’aide de Solidity, le langage de programmation natif d’Ethereum. Les données de L2beat montrent que le plus grand Optimistic Rollup aujourd’hui, Arbitrum, a attiré plus de 2,5 milliards de dollars d’une valeur totale verrouillée dans les applications DeFi. Il héberge bon nombre des applications DeFi les plus populaires sur Ethereum.

Cependant, les cumuls optimistes sont confrontés à quelques défis. En raison de leur approche de validation des transactions, les fonds renvoyés vers le réseau principal Ethereum sont soumis à une période de contestation pouvant aller jusqu’à une semaine. Cela gêne les utilisateurs et casse la composabilité.

Bien que les cumuls optimistes se soient améliorés par rapport aux solutions basées sur le plasma comme Polygon, ils sont généralement considérés comme inférieurs aux ZK-Rollups. Les Rollups optimistes ont une période de litige et offrent des améliorations d’évolutivité jusqu’à un facteur de 77. Les Rollups ZK n’ont pas de période de litige et ils offrent des améliorations jusqu’à un facteur de 500.

Cependant, les ZK-Rollups n’ont pas encore atteint le même niveau de compatibilité que leurs homologues Optimistic. Parce que les ZK-Rollups ont des preuves de validité accompagnant chaque transaction, leur technologie est plus difficile à construire. Les ZK-Rollups ont été développés pour gérer des tâches simples comme les transferts directs et le trading. Bien que l’intégration de la fonctionnalité de contrat intelligent soit possible, cela s’est avéré beaucoup plus difficile.

Pas plus tard que cette année, le co-fondateur d’Ethereum Vitalik Buterin prédit que le développement de ZK-Rollups entièrement composables prendrait plusieurs années. Cependant, les développeurs sont en avance sur le calendrier. Plusieurs ZK-Rollups se préparent à déployer des solutions qui sont mutuellement composables et interopérables, même entre les rollups.

Le développement de ZK-Rollups permettra un cadre de communication partagé entre le réseau principal Ethereum et plusieurs réseaux de couche 2, où les réseaux peuvent partager des liquidités et surmonter les plus grands défis d’adoption auxquels les chaînes de blocs de couche 1 sont confrontées. Les réseaux basés sur ZK-Rollup n’auront pas besoin de rivaliser pour obtenir des liquidités afin de fournir des échanges efficaces via des échanges décentralisés, et pourront à la place travailler en coopération pour faire évoluer Ethereum.

Les ZK-Rollups ont également une autre caractéristique unique. Les transactions deviennent moins chères à mesure que de plus en plus de personnes les utilisent en raison de la façon dont les frais sont calculés pour chaque lot de transactions. Le coût d’envoi du lot n’est pas sujet à beaucoup de variations, de sorte que les coûts du gaz peuvent être répartis entre plusieurs utilisateurs car davantage de transactions sont regroupées dans un lot. Les ZK-Rollups peuvent regrouper un nombre presque infini de transactions, de sorte que les frais d’essence pour les transactions pourraient être réduits à quelques fractions de centimes avec suffisamment d’utilisateurs. Cette caractéristique est appelée amortissement de la preuve de validité.

Alors qu’Ethereum est toujours confronté à des problèmes d’évolutivité, plusieurs développeurs sont déjà en train de déployer des réseaux ZK-Rollup de couche 2, promettant une composabilité et une compatibilité complètes entre les contrats intelligents, d’autres solutions de couche 2 et la machine virtuelle Ethereum.

Types de ZK-Rollup

Il existe actuellement deux types différents de ZK-Rollup utilisés dans les solutions de mise à l’échelle Ethereum.

Le premier et le plus largement utilisé type de ZK-Rollup utilise les ZK-SNARK, des arguments de connaissance succincts et non interactifs. Les SNARK ont été le premier type de preuve de connaissance zéro découvert ; le premier projet de blockchain Zcash les a utilisés dès 2016. Les SNARK forment la majorité des bibliothèques de développeurs ZK-Rollup et du code publié et sont considérés comme une option solide pour les projets de mise à l’échelle Ethereum.

Un gros inconvénient des SNARK est qu’ils nécessitent un événement de création initial des clés qui sont utilisées pour créer les preuves requises pour les transactions. Si les clés de l’événement de configuration sécurisée ne sont pas détruites, elles peuvent être utilisées pour créer de nouveaux jetons à partir de rien ou falsifier des transactions.

La solution de mise à l’échelle basée sur SNARK la plus importante aujourd’hui est le projet zkSync de Matter Labs. Lancé en juin 2020, zkSync promet 2 000 transactions par seconde dans son itération actuelle, dans l’espoir d’atteindre un débit plus élevé à l’avenir. En mai, la plate-forme a commencé à travailler au déploiement de contrats intelligents dans un environnement compatible EVM avec le lancement de son réseau de test zkEVM.

L’objectif principal de zkSync a été de rendre la transition du réseau principal Ethereum aussi simple que possible. Ceux qui souhaitent développer sur zkEVM peuvent écrire des contrats intelligents en utilisant Solidity, le langage de programmation d’Ethereum. Matter Labs a récemment levé 50 millions de dollars pour aider au développement de zkSync dans le cadre de son cycle de financement de série B dirigé par Andreessen Horowitz. De plus, la société s’est associée à plusieurs puces bleues Ethereum DeFi telles que Curve Finance, Aave et 1inch.

L’autre type de ZK-Rollup utilise des STARK, des arguments de connaissance transparents et évolutifs. Les STARK offrent un avantage par rapport aux SNARK car ils reposent entièrement sur des fonctions de hachage et ne nécessitent pas de configuration fiable. Cela signifie que les STARK sont théoriquement plus sécurisés que les SNARK, ce qui en a fait un favori de la Fondation Ethereum.

StarkWare est la première entreprise à utiliser des STARK pour faire évoluer Ethereum et est actuellement le principal moteur du développement de la technologie basée sur STARK. StarkWare a créé un langage de programmation Turing-complet pour les ZK-Rollups basés sur STARK appelé Cairo. Elle a utilisé Le Caire pour créer son premier produit, le protocole StarkEx.

StarkEx est une solution de mise à l’échelle spécifique à une application qui est actuellement utilisée par plusieurs projets Ethereum, notamment dYdX, Immutable X, Sorare et DeversiFi. StarkWare est sur le point de lancer StarkNet, un réseau ZK-Rollup sans autorisation qui permet aux développeurs de créer et de lancer des applications directement sur la couche 2. StarkNet vise à devenir un véritable solution de scaling multi-applications décentralisée.

Les ZK-Rollups sont sur le point de changer la façon dont la communauté crypto utilise Ethereum. À mesure que les réseaux à haut débit et à faible coût comme zkSync et StarkNet se matérialisent, les transactions sur le réseau principal Ethereum seront de plus en plus externalisées vers la couche 2. Cela devrait permettre à Ethereum de se rapprocher de sa vision de devenir un réseau blockchain évolutif, sécurisé et décentralisé.

Divulgation: Au moment de la rédaction de cette fonctionnalité, l’auteur possédait ETH et plusieurs autres crypto-monnaies.