Cet article aborde la preuve d'enjeu d'Ethereum 2.0, rédigé par BISCARAS Axelle (@abiscaras) et BOURDREL Hugo (@akiyon) dans le cadre du cours de Crypto-Monnaies pour le Master 2 Mathématiques Finance Computationnelle et Actuariat de l’Université de Lille supervisé par @pboulet.
I - Qu’est-ce que l’Ethereum 2.0 ?
L’Ethereum 2.0 est composé de deux couches :
- La couche applicative permettant de réaliser les transactions et qui fait fonctionner les applications décentralisées tout en conservant les soldes de chacune des adresses.
- La couche de consensus permettant d’assurer la sécurité de l’ensemble du réseau. Cette dernière rencontre actuellement un changement : de Proof of Work (PoW) à Proof of Stake (PoS).
Ethereum 2.0 représente la mise à jour PoW To PoS , la principale motivation de ce changement est de permettre au réseau de traiter un plus grand nombre de transactions par secondes. Néanmoins ce n’est pas la seule motivation, effectivement suite à la hausse des prix du gaz il a fallu trouver une solution permettant de réduire l’impact écologique de la blockchain Ethereum. The Merge répond à ces attentes, ce qui est un avantage considérable.
II - Algorithme de consensus PoS
Le 1er Décembre 2020 est mise en place la nouvelle PoS appelée “Beacon Chain” qui fonctionne en parallèle du consensus Mainnet de l’ETH. De base, Beacon Chain n’est pas prévu pour gérer les transactions du Mainnet mais face à l'envolée du nombre de validateurs il est décidé d’une fusion, en Septembre 2022, des consensus pour que le Beacon devienne le consensus principal de ETH.
Cependant, le passage à la PoS est très controversé dû au fait qu’il signe la fin des récompenses de minage (en effet, nous passons à un système de stacking et de récompense dans le temps). Il y a donc des Forks qui se crée afin de continuer à travailler avec la PoW.
Comment devenir validateur ?
Un validateur est une personne ayant réalisé un dépôt spécifique de 32 ETH en stacking. Il vient donc naturellement qu’un utilisateur peut être plusieurs validateurs s’il dépose plusieurs fois 32 ETH.
Aujourd’hui, avec plus de 480 000 validateurs il y a plus de 15 millions d’ETH stacked.
Comment fonctionne la PoS ?
Un ‘slot’ est généré toutes les 12 secondes, et un unique validateur est choisi au hasard pour soumettre un bloc dans le ‘slot’. Une époque est composée de 32 slots, soit 6,4 minutes. Si un validateur est hors ligne et ne propose pas de bloc dans son slot, ce slot est laissé vide. Le premier bloc de chaque époque est traité comme le bloc de contrôle.
Comment est choisi le validateur ?
Le choix aléatoire du validateur du ‘slot’ est généré par “RANDAO”. Cela signifie qu’il y a très peu de choix pour l’aléa généré ; les validateurs peuvent soit contribuer une valeur unique vérifiable, soit voir leur bloc complètement ignoré. La signature de hachage est mélangée à la RANDAO de la chaîne par XOR, qui offre une amélioration supplémentaire de la sécurité grâce à sa commutativité.
III -Ethereum Virtual Machines (EVM)
Ce qu’on appelle Ethereum Virtual Machines représente en quelque sorte le cerveau de la blockchain Ethereum. Elle lui permet d’être mis à jour de façon continue, selon les transactions et interactions incluses dans les blocs et empêche les nœuds d’avoir une version différente de la blockchain.
Le concept de la « World State »
Il existe sur Ethereum une entité, nommée World State. Celle-ci représente l’état de la blockchain à un instant T.
On y retrouve notamment tous les comptes couplés à leur adresse publique et leurs balances d’ETH et de tokens, mais également toutes les applications, accompagnées d’un stockage modifiable et de leur code source immuable.
Cette World State se présente sous la forme d’un arbre gigantesque, appelé Merkle Patricia Trie, qui, une fois chiffrée, prend la forme d’une racine de Merkle.
Étant donné que toutes ces transactions sont effectuées et validées dans des blocs, il est nécessaire de mettre à jour la World State chaque fois qu’un nouveau bloc est traité, et ce, sur tous les nœuds du réseau Ethereum (afin que tout le monde soit sur la même page). C’est là que la machine virtuelle de l'Ethereum, ou EVM, entre en jeu.
L’EVM est un système « Turning Complet », c’est-à-dire qu’elle est capable de réaliser de nombreuses opérations (telles que récursives, calculs simples, comparaisons, modifications de variables …).
L’EVM permet à Ethereum de traiter des smart contracts donc d’accueillir des applications décentralisées complexes, c’est ce qui différencie cette blockchain des autres telles que Bitcoin. On appelle cela une blockchain d’infrastructure.
IV - Couche 2 et Trilemme de la Blockchain
La couche 2 est une blockchain séparée qui étend Ethereum et hérite des garanties de sécurité de l'Ethereum. Dans un objectif d’optimisation, une blockchain se doit de posséder trois propriétés :
- La décentralisation
- La sécurité
- La scalabilité
C’est ce qu’on appelle le ‘Trilemme de la blockchain’ et il est montré que pour que la Blockchain soit simple elle ne peut assurer que deux des trois points ci-dessus. La scalabilité a été un problème pour la blockchain Ethereum depuis sa création, en effet cette dernière n’est conçue que pour traiter environ 30 transactions par seconde. Ce qui était suffisant au départ mais la croissance explosive des crypto-monnaies et blockchains au cours de ces dernières années a changé la donne. C’est donc à ce moment qu'entre en jeu la couche 2.
Elle regroupe les solutions de scalabilité de l'Ethereum qui permettent de traiter les transactions en dehors de la couche 1, tout en profitant de la sécurité décentralisée de la couche 1 du réseau. La couche 2 soulage la couche 1 de nombreuses transactions et inscrit les preuves finalisées sur la couche 1.
Actuellement la Couche 2 de l'Ethereum 2.0 n’est pas implémentée. En effet, Ethereum 2.0 contiendra à terme le Sharding (son lancement est prévu courant 2023), une fonction de scalabilité qui divisera la blockchain en plusieurs chaînes. Chaque chaîne fonctionnera de manière indépendante et validera ses propres transactions. Cela aura pour conséquence l’augmentation du débit de la blockchain jusqu’à 100 000 transactions par seconde.
Cependant, dans un premier temps le sharding servira uniquement de stockage de données (en effet, une blockchain de stockage est facile à exécuter). Ce qui implique que les Smart Contracts ne seront pas disponibles au lancement du Sharding. Actuellement il y a une discussion pour l'implémentation des Smart Contrats dans les shards afin de savoir si tous les shards pourront les supporter ou seulement une partie d’entre eux.
Malgré le Sharding pour régler le problème de scalabilité, la blockchain Ethereum est devenue de plus en plus centralisée au fil du temps, avec quelques pools de minage exerçant un pouvoir important sur le réseau et son consensus.
V - Les Applications
Le nombre d’applications dues à l’Ethereum pourrait être qualifié d’infini.
- Permet la fonctionnalité des contrats intelligents et des applications décentralisées (applications financières, de jeux ou encore d’outils pour d’autres applications)
- Permet à toutes applications / processus / transaction / mécanisme de fonctionner SANS temps d’arrêt cela implique une éradication de la fraude, contrôle ou interférence d’une tierce partie.
- Possède un langage de programmation natif (permettant aux développeurs de construire et publier des applications distribuées). D’où la notion d’applications illimités
- Permet le déploiement de codes de toute complexité algorithmique notamment grâce à l’EVM.