Qu’est-ce qu’une blockchain Bitcoin Layer-2 et comment fonctionne-t-elle ?

Bitcoin a connu un immense succès, mais non sans défis. À mesure que le réseau gagne en popularité, notamment avant le halving, il devient saturé. Cette congestion entraîne des frais élevés et des délais de validation importants, rendant l’utilisation de Bitcoin compliquée pour les transactions courantes et de faible montant.

Face à ce problème de scalabilité, il devient urgent de trouver une solution pour que Bitcoin puisse répondre à la demande croissante. Les blockchains de layer 2 semblent être la réponse. Avant d’explorer ces solutions layer-2, voyons brièvement les évolutions majeures — SegWit et Taproot — qui ont permis à Bitcoin d’évoluer jusqu’à aujourd’hui.

Qu’est-ce que SegWit et Taproot ?

Bitcoin évolue constamment grâce à l’innovation et à l’adaptation. Deux mises à niveau majeures, Segregated Witness (SegWit) et Taproot, ont joué un rôle clé dans ce processus. Elles ont permis de relever certains des défis les plus importants du réseau et ont posé les bases d’une nouvelle ère de développement et d’expansion de l’écosystème Bitcoin.

SegWit

En 2017, SegWit a été introduit pour répondre aux limites de scalabilité de Bitcoin. Cette mise à niveau a augmenté la capacité de chaque bloc grâce à une technique de « ségrégation ».

SegWit separated the digital signature from the transaction data, leading to a reduction in transaction size. This allowed more transactions to fit into a single block without increasing the block size limit. With SegWit, Bitcoin blocks can now support up to 4MB of transactions in optimal conditions.

SegWit also fixed a vital security issue related to transactions. Before SegWit, it was possible to modify transaction details before they were confirmed on the blockchain, which was a critical problem. 
This enhancement increased security and enabled the development of second-layer solutions like the Lightning Network, which improved transaction speed and efficiency. 

SegWit has been a significant upgrade for the underlying technology of cryptocurrencies.

Taproot

La mise à niveau SegWit a amélioré la scalabilité et la sécurité de Bitcoin, ouvrant la voie à d’autres avancées. En novembre 2021, la mise à niveau Taproot a apporté des améliorations axées sur la confidentialité, l’efficacité et les capacités des smart contracts.

By replacing the ECDSA signature scheme, the use of Schnorr signatures enabled the aggregation of multiple signatures into one, thus simplifying and securing complex Bitcoin transactions. As a result, such transactions become indistinguishable from simple transactions recorded on the blockchain.

Taproot improved privacy, optimized space, and reduced fees by making multisig look like regular transactions. It also helped developers make better smart contracts on the Bitcoin network. It makes creating new apps that use Bitcoin's security and decentralization easier.

SegWit et Taproot sont deux évolutions majeures pour Bitcoin. Elles ne se limitent pas aux aspects techniques : elles élargissent aussi les possibilités de Bitcoin au-delà de sa vocation initiale de monnaie électronique pair-à-pair. Ces mises à niveau constituent le socle des nouveaux écosystèmes layer-2 Bitcoin, que nous allons aborder ci-dessous.

Pourquoi Bitcoin a-t-il besoin de blockchains layer-2 ?

Bitcoin est considéré comme « l’or numérique » pour sa capacité à conserver la valeur. Bien qu’il ait été conçu comme un système de paiement sécurisé et décentralisé, il reste peu utilisé comme tel en raison de certaines limites.

Problèmes de scalabilité

Bitcoin souffre de problèmes de scalabilité et de lenteur des transactions, ce qui entraîne un faible débit et des frais croissants. Comparé à d’autres blockchains, Bitcoin ne peut pas traiter de gros volumes de transactions sur une période donnée. La création d’un bloc prend environ 10 minutes, avec un débit moyen de 7 transactions par seconde (tps), bien inférieur à celui de blockchains comme Solana.

Si cela ne pose pas problème pour de gros transferts, cela devient vite impraticable pour les paiements du quotidien ou en point de vente. En moyenne, le réseau Bitcoin met environ 10 minutes à finaliser une série de transactions — soit seulement 7 transactions par seconde (TPS).

À mesure que l’utilisation de Bitcoin augmente, le réseau se congestionne et les frais explosent. En 2016, le coût moyen d’une transaction était d’environ 7 centimes. Aujourd’hui, il atteint 31 $, avec un record à près de 63 $ en avril 2021.

Le trilemme de la blockchain

La blockchain Bitcoin ne peut pas évoluer à cause du trilemme de la blockchain, qui affirme qu’il est impossible d’optimiser simultanément la décentralisation, la sécurité et la rapidité/scalabilité. Bitcoin a privilégié la décentralisation et la sécurité, au détriment de la scalabilité. Il n’est donc pas possible d’agrandir le réseau sans sacrifier la sécurité ou la décentralisation.

Limites des smart contracts

En tant que monnaie numérique, Bitcoin remplit deux fonctions : permettre des transactions P2P autonomes et servir de réserve de valeur déflationniste. Cette simplicité fonctionnelle est un atout, car elle rend le réseau robuste et résistant à la censure.

Mais Bitcoin est limité pour les smart contracts. Contrairement à Ethereum, il ne prend pas en charge des smart contracts complexes. La couche de base de Bitcoin n’a pas été conçue pour le développement d’applications ou de smart contracts. À l’origine, Bitcoin devait être un système de paiement électronique pair-à-pair. Résultat : la blockchain Bitcoin a très peu vu émerger de solutions de finance décentralisée (DeFi) ou de tokens non fongibles (NFTs).

C’est là que les solutions Layer-2 interviennent.

Qu’est-ce qu’un Layer 2 Bitcoin ?

Layer 2 solutions are secondary networks built on top of the Layer 1 network's architecture. This distinction helps to differentiate between various networks within a blockchain ecosystem.

Les solutions Layer 2 de Bitcoin sont des réseaux secondaires qui fonctionnent au-dessus de la blockchain principale. Elles visent à augmenter la capacité de traitement des transactions en contournant les limites techniques tout en tirant parti de la robustesse du réseau.

Cela améliore l’utilisabilité du réseau sous différents aspects. Il est fascinant de voir comment la technologie évolue pour répondre aux besoins croissants de la blockchain.

On peut comparer une blockchain layer-2 à un assistant efficace : elle effectue la majeure partie du travail avant de le transmettre à la blockchain principale pour validation. Ainsi, la Layer 2 traite les transactions hors chaîne, ce qui fluidifie et accélère l’ensemble du processus, avant de les inscrire sur la blockchain Bitcoin.

Comment fonctionnent les Layer 2 sur Bitcoin ?

En matière de traitement des transactions, les solutions Layer 2 poursuivent le même objectif, mais diffèrent dans leur approche.

Rollup chains

Les rollups blockchain sont une solution Layer 2 qui transfère plusieurs transactions de la Layer 1 vers un réseau séparé, les regroupe en une seule donnée, puis la renvoie pour inscription sur la Layer 1.

According to research, validating Bitcoin transactions can be made faster by up to 100 times using validity rollups. This approach can also be applied to Lightning Network. An execution environment can be implemented to support more flexible smart contract languages and improve smart contract functionality without adding complexity to the main chain.

Les sovereign rollups sont une autre forme de rollups Bitcoin. Contrairement aux rollups Optimistic et ZK d’Ethereum, ils n’ont pas besoin de couche de règlement ni de smart contracts. Ils gèrent eux-mêmes leur exécution et leur règlement, et n’utilisent la blockchain Layer-1 que pour le consensus et la disponibilité des données. Cela diffère d’autres rollups qui s’appuient sur la blockchain pour valider leur fonctionnement.

Les rollups Bitcoin en sont encore à leurs débuts et font l’objet d’expérimentations.

Sidechains

Une sidechain est une blockchain indépendante dotée de ses propres mécanismes de consensus et reliée à la Layer 1 via un bridge bidirectionnel. Ce bridge est essentiel pour transférer des actifs entre blockchains. Une sidechain, puisqu’elle fonctionne comme une blockchain autonome, peut aussi supporter d’autres solutions Layer 2.

State channels

Les solutions Layer 2 peuvent aider les utilisateurs à contourner les frais élevés. Cette méthode consiste à ouvrir des « canaux » chiffrés de bout en bout pour envoyer et recevoir des paiements. Ces canaux agissent comme des micro-livres comptables, enregistrant toutes les transactions qui y sont effectuées.

Les State Channels gardent toutes les transactions hors chaîne, ne fournissant à la blockchain principale que le solde d’ouverture et de fermeture du canal. Les participants peuvent ainsi effectuer de multiples transactions entre eux ou avec des entreprises sans payer de frais élevés.

Les principales solutions Layer-2 Bitcoin en 2024

Plusieurs solutions Layer 2 explorent les concepts évoqués ci-dessus. Voici un aperçu des Layer 2 Bitcoin les plus populaires.

1. The Lightning Network

Lightning Network est un protocole de paiement Layer-2 qui réduit la congestion du réseau grâce à des state channels pour gérer les micropaiements Bitcoin hors chaîne. Il permet des transactions directes entre deux parties, sans passer par la blockchain principale.

Pour utiliser ce réseau, les utilisateurs envoient et reçoivent des paiements BTC via des canaux P2P chiffrés qui font office de smart contracts. Par exemple, pour envoyer 0,1 BTC à un ami, il suffit d’ouvrir un canal avec lui et d’y déposer le montant voulu. Une fois toutes les transactions réalisées, le canal peut être fermé.

Le système reste efficace car seuls les soldes d’ouverture et de fermeture du canal sont transmis au réseau Bitcoin.

Comment fonctionne le Lightning Network ?

La technologie Lightning Network permet d’effectuer de multiples transactions sans attendre la validation de l’ensemble du réseau Bitcoin. Cela rend les transactions bien plus rapides et moins coûteuses. Cette solution a permis de résoudre efficacement les problèmes de scalabilité du réseau en rendant possible le traitement de volumes importants de transactions.

Elle repose sur un smart contract appelé Hashed Timelock Contract (HTLC) pour sécuriser les paiements et le routage multi-parties. Le HTLC permet au destinataire de recevoir les fonds uniquement si certaines conditions sont remplies dans un délai imparti.

2. Rootstock (RSK)

La blockchain Rootstock valide les transactions via le mécanisme de consensus Proof of Work (PoW). Les mineurs peuvent miner Bitcoin et Rootstock simultanément grâce au même algorithme de hachage et à la mutualisation de la puissance de calcul. Rootstock valide des blocs en environ 30 secondes et peut traiter de 10 à 20 transactions par seconde. Les transactions sont validées puis envoyées à la couche principale de Bitcoin pour règlement.

Rootstock est une plateforme qui étend les capacités de Bitcoin en permettant aux développeurs d’utiliser des smart contracts. Ces contrats sont des programmes informatiques qui s’exécutent automatiquement, sans intermédiaire. Rootstock permet aussi d’utiliser le langage Solidity d’Ethereum et d’exécuter des smart contracts Ethereum sur sa plateforme.

Un atout clé de Rootstock est le RSK Infrastructure Framework (RIF), qui propose une suite de services décentralisés pour concevoir et déployer des applications décentralisées (« dApps ») sur le réseau Rootstock. Ce framework facilite le développement de dApps de manière plus simple et efficace.

3. Stacks protocol

Stacks s’est imposé comme une solution Layer 2 majeure depuis son lancement sur le mainnet en 2018 sous le nom de Blockstack. Ce protocole permet de déployer des smart contracts auto-exécutables sur Bitcoin sans implémenter de fork. Il s’appuie sur des microblocks pour la rapidité et un mécanisme unique Proof-of-Transfer (PoX) pour les relier aux blocs de la Layer 1. Stacks offre une expérience utilisateur simple et accessible pour exécuter des smart contracts et des applications décentralisées dans l’écosystème Bitcoin.

4. Mintlayer

Mintlayer est une solution blockchain construite sur Bitcoin qui vise à améliorer l’interopérabilité des tokens, favoriser le trading décentralisé, réduire les coûts de transaction et augmenter le débit tout en restant compatible avec Bitcoin. Son approche propose la tokenisation légale, la réduction des coûts et des fonctionnalités de confidentialité avancées pour un écosystème DeFi plus inclusif, efficace et sécurisé.

5. Liquid network

Le Liquid Network est une sidechain Layer 2 de Bitcoin qui fonctionne sur la plateforme open-source Elements. Il est géré par une fédération répartie composée d’entreprises, d’exchanges et d’autres acteurs du secteur, et possède un actif natif, le Liquid (L-BTC). Comme Rootstock, il utilise un système de « peg » bidirectionnel pour convertir des BTC en L-BTC et inversement.

6. Interlay

Interlay est une plateforme qui connecte Bitcoin à la finance décentralisée (DeFi) sur plusieurs blockchains. Elle adopte une approche modulaire, permettant aux utilisateurs de garder le contrôle de leurs clés privées tout en accédant à la DeFi. Le mécanisme iBTC d’Interlay permet de verrouiller ses BTC, de créer des iBTC à un ratio de 1:1 et de participer à la DeFi sur différentes blockchains. Interlay est auditée par des sociétés de sécurité blockchain reconnues et gouvernée par la communauté via les tokens de gouvernance (INTR).

7. Babylon

Babylon introduit un protocole de staking Bitcoin, permettant aux détenteurs de Bitcoin de générer un rendement sur leurs BTC inactifs sans faire confiance à un tiers. Le protocole propose un staking sans confiance, une sécurité totale contre les attaques PoS, un restaking rapide et évolutif, ainsi que des partenariats avec l’écosystème.

8. Drivechain

Drivechain propose une méthode pour connecter Bitcoin à des sidechains via les BIP 300 et 301. Cela permet d’ajouter de nouvelles fonctionnalités et applications sans compromettre la sécurité de la blockchain principale. Il devient alors possible de transférer des BTC entre Bitcoin et les sidechains.

Drivechain favorise l’innovation sans permission, facilite la scalabilité et la flexibilité, et se présente comme une solution sans risque pouvant être annulée facilement si besoin. Les BIP 300 et 301 définissent les mécanismes techniques de son fonctionnement.

9. Threshold Network

Threshold Network utilise la cryptographie de seuil pour sécuriser les actifs numériques, renforcer la souveraineté des utilisateurs et garantir confidentialité et sécurité. Elle propose tBTC pour intégrer Bitcoin à la DeFi, le plugin TACo pour un chiffrement décentralisé de bout en bout, et un modèle de gouvernance DAO piloté par la communauté.

Les défis des réseaux layer-2 de Bitcoin

Les réseaux Layer 2 de Bitcoin ne sont pas encore aussi éprouvés que Bitcoin lui-même en matière de robustesse, même s’ils offrent un haut niveau de sécurité et de fiabilité. Ils introduisent de nouveaux risques et défis en tant que réseaux indépendants.

Par exemple, en 2022, les utilisateurs de Lightning ont connu une panne inédite de « routage de paiement non attribué » due à un bug. Ils ont ainsi interagi avec des nœuds défectueux sans s’en rendre compte pendant un certain temps.

De plus, les sidechains fédérées comme Liquid Network en sont encore à leurs débuts en termes de développement et d’adoption. Contrairement à Bitcoin, qui compte des milliers de mineurs dans le monde, elles disposent de beaucoup moins de nœuds (15 pour Liquid) pour valider les transactions. Les réseaux Layer 2 de Bitcoin peuvent donc être plus centralisés que le réseau principal.

Les avantages des réseaux Layer 2 Bitcoin

Les solutions Layer 2 peuvent améliorer le fonctionnement de Bitcoin à plusieurs niveaux. Elles permettent d’augmenter le débit des transactions au-delà de ce qui est possible sur la couche principale, ce qui les rend plus évolutives. Les réseaux Layer 2 peuvent réduire considérablement les frais en traitant les transactions hors de la chaîne principale. Des plateformes comme Stacks et Rootstock proposent des smart contracts et des DApps, ouvrant de nouveaux usages pour Bitcoin. Certaines solutions Layer 2 offrent aussi des fonctionnalités avancées de confidentialité, absentes du réseau principal.

Les inconvénients des réseaux Layer 2 Bitcoin

L’écosystème Layer 2 peut sembler complexe pour les utilisateurs, ce qui peut freiner son adoption. Ces solutions peuvent aussi présenter des vulnérabilités spécifiques tout en s’appuyant sur la sécurité de Bitcoin. La liquidité peut être fragmentée entre différentes solutions Layer 2, compliquant les échanges et les activités financières. Enfin, les développeurs peuvent avoir besoin de temps pour maîtriser de nouveaux protocoles et environnements, ce qui peut ralentir l’innovation.

Conclusion

Bitcoin dispose de plusieurs solutions de scalabilité comme Lightning Network, Rootstock, Stacks ou Liquid Network. Ces protocoles et les nouvelles solutions Layer-2 comme les rollups apportent de réels bénéfices au réseau Bitcoin. Ils peuvent contribuer à accélérer l’adoption de l’écosystème Bitcoin dans son ensemble.

FAQ

1. Qu’est-ce qu’une solution Layer 2 pour Bitcoin ?

A Bitcoin Layer 2 solution is a secondary framework or protocol built on the Bitcoin blockchain. It addresses the scalability and transaction speed limitations of the Bitcoin network by handling transactions off-chain while taking advantage of the security of the main blockchain.

2. Comment fonctionnent les réseaux Layer 2 de Bitcoin ?

Layer 2 solutions work by conducting transactions off the main Bitcoin blockchain, thus reducing congestion and increasing scalability. They use smart contracts or other cryptographic techniques to establish trust among participants and enable faster and cheaper transactions. These transactions are then settled on the main Bitcoin blockchain periodically, ensuring the security and decentralization of the network.

3. Quels sont des exemples de solutions Layer 2 sur Bitcoin ?

Examples of Bitcoin Layer 2 solutions include the Lightning Network, which enables instant micropayments by creating payment channels between users, and the Liquid Network, which facilitates faster and more confidential transactions for exchanges and institutions.

4. Quels sont les avantages d’utiliser une solution Layer 2 pour les transactions Bitcoin ?

Layer 2 solutions offer several benefits, including scalability, reduced transaction fees, faster transaction confirmations, and improved privacy. They also enable innovative use cases such as micropayments and decentralized finance (DeFi) applications on the Bitcoin network.

5. Les solutions Layer 2 sont-elles sécurisées ?

Yes, Layer 2 solutions are designed to be secure, leveraging cryptographic techniques and smart contracts to ensure the integrity of transactions. While some risks may be associated with specific implementations, such as potential vulnerabilities in smart contracts, overall, Layer 2 solutions aim to enhance the security of the Bitcoin network.

6. Puis-je toujours accéder à mes fonds si la solution Layer 2 subit une panne ou est compromise ?

In most cases, Layer 2 solutions are designed with fail-safes to ensure that users can access their funds even if the solution experiences downtime or is compromised. For example, the Lightning Network allows users to close their payment channels and settle their transactions on the main Bitcoin blockchain if necessary.

7. Les solutions Layer 2 représentent-elles l’avenir des transactions Bitcoin ?

While Layer 2 solutions show great promise in addressing Bitcoin's scalability challenges, they are just one aspect of the broader scalability solutions explored within the Bitcoin ecosystem. The future of Bitcoin transactions may involve a combination of Layer 2 solutions, on-chain optimizations, and advancements in protocol development to ensure the network's long-term viability and scalability.