Dans l'univers des technologies blockchain, la quête de la scalabilité et de la performance est incessante. Une des techniques les plus prometteuses pour atteindre ces objectifs est le sharding. Popularisé par Ethereum 2.0, le sharding divise une blockchain en segments parallèles, appelés shards, qui permettent de traiter plusieurs transactions simultanément. Cette méthode révolutionne la manière dont les blockchains peuvent évoluer, ce qui permet de répondre à des besoins croissants sans compromettre la sécurité ni la décentralisation.
Le concept de sharding trouve ses racines dans l'informatique traditionnelle, utilisé pour optimiser les bases de données en les divisant en parties plus gérables. Cependant, l'adaptation de cette technique au monde des blockchains est relativement récente. En 2017, Vitalik Buterin, co-fondateur d'Ethereum, a proposé le sharding comme solution pour améliorer la scalabilité de la blockchain Ethereum. Depuis lors, plusieurs projets blockchain ont intégré ou exploré cette technique, avec Ethereum 2.0 en tête, marquant une étape cruciale dans l'évolution des blockchains.
Le sharding repose sur la division de la blockchain en plusieurs segments, chacun fonctionnant comme une mini-blockchain autonome. Chaque shard peut traiter des transactions et exécuter des contrats intelligents (smart contracts) indépendamment des autres. Les nœuds, au lieu de stocker et de traiter l'intégralité des données de la blockchain, se concentrent sur un ou plusieurs shards spécifiques. Cela réduit considérablement la charge de travail et augmente le débit des transactions.
Pour comprendre cette innovation de manière simple, imaginez une bibliothèque très fréquentée. Si toutes les personnes qui veulent emprunter un livre doivent passer par un seul bibliothécaire, cela crée une longue file d'attente et ralentit le processus. Maintenant, imaginez que la bibliothèque décide de diviser son espace en sections (fiction, non-fiction, science, histoire, etc.) et place un bibliothécaire dans chaque section. Les visiteurs peuvent alors se diriger directement vers la section appropriée et traiter avec le bibliothécaire de cette section. Cela accélère le processus, car plusieurs personnes peuvent emprunter des livres simultanément dans différentes sections, sans créer de goulet d'étranglement.
De la même manière, le sharding divise la blockchain en différentes sections (shards), permettant à plusieurs transactions de se dérouler en parallèle. Chaque shard peut gérer ses transactions et ses contrats intelligents de manière indépendante, tandis qu'une chaîne principale (main chain) assure la coordination et la sécurité globale. Des mécanismes sophistiqués comme les preuves de validation et les comités de validateurs sont utilisés pour maintenir la cohérence et la sécurité du réseau.
De nombreux projets ont adopté ou explorent le sharding. Ethereum 2.0 est sans doute le plus connu, visant à transformer l'écosystème Ethereum pour le rendre plus scalable et performant. D'autres projets notables incluent Polkadot, qui utilise une forme de sharding appelée parachains, et MultiversX (anciennement Elrond), une blockchain qui a implémenté le sharding dès son lancement. Les sites internet et protocoles comme NEAR Protocol explorent également cette technique, chacun avec ses propres variantes et améliorations.
MultiversX s'affirme comme le leader du sharding blockchain avec l'introduction de ses « Sovereign Chains », une innovation majeure. Ces chaînes autonomes permettent à des entités comme des entreprises ou des gouvernements de créer des blockchains personnalisées tout en profitant de la sécurité et de l'infrastructure robuste de MultiversX. Les Sovereign Chains offrent une grande flexibilité et une interopérabilité fluide avec d'autres shards du réseau et permettent ainsi une scalabilité horizontale sans surcharger les ressources existantes. Par exemple, une entreprise de commerce électronique peut utiliser une Sovereign Chain pour optimiser ses transactions et sa gestion des données en temps réel, tout en intégrant des solutions de paiement et des contrats intelligents, bénéficiant ainsi de la sécurité et de la performance de MultiversX.
Pour le Web 2, bien que l'adoption du sharding soit moins directe, les principes sous-jacents peuvent inspirer des améliorations dans la gestion des bases de données et des systèmes distribués. Les entreprises peuvent adopter des modèles similaires pour améliorer la scalabilité de leurs infrastructures, réduisant les goulets d'étranglement et optimisant les performances globales.
Dans le contexte du Web 3, le sharding permet aux blockchains de supporter un nombre accru d'applications décentralisées (dApps) et de transactions, rendant les réseaux plus robustes et utilisables à grande échelle. Cela facilite la création d'écosystèmes décentralisés plus vastes et plus interactifs.
Le sharding trouve des applications dans divers domaines. Par exemple, les plateformes de finance décentralisée (DeFi) peuvent grandement bénéficier de la scalabilité accrue, permettant un traitement rapide et efficace des transactions financières complexes. Les jeux blockchain qui nécessitent un haut débit de transactions pour fonctionner correctement, peuvent également tirer parti du sharding. Un autre domaine est la gestion des identités numériques, où la capacité de traiter simultanément des milliers de vérifications peut améliorer la sécurité et l'efficacité des systèmes.
Un exemple concret d'utilisation du sharding est Ethereum 2.0, qui, une fois entièrement déployé, prévoit de diviser son réseau en 64 shards. Cette configuration permettra d'augmenter considérablement le nombre de transactions par seconde, ce qui réduira les frais de gaz et améliorera l'expérience utilisateur. Polkadot, avec ses parachains, permet à différents shards de fonctionner en parallèle et d'interagir les uns avec les autres via sa chaîne relais.
Le sharding représente une avancée majeure dans le monde des blockchains et offre des solutions prometteuses aux problèmes de scalabilité et de performance. En divisant les blockchains en shards parallèles, cette technique permet de traiter plus de transactions simultanément, ce qui ouvre la voie à des applications décentralisées plus complexes et à une adoption plus large. À mesure que les technologies blockchain continuent d'évoluer, le sharding s'imposera probablement comme un élément clé de leur architecture.
Le sharding divise une blockchain en plusieurs segments autonomes, appelés shards. Chaque shard est une mini-blockchain indépendante, capable de gérer sa propre portion des données et des transactions. Techniquement, chaque shard maintient son propre état, qui est une base de données contenant toutes les informations sur les comptes et les contrats intelligents qu'il gère. De plus, chaque shard possède son propre journal des transactions, ce qui signifie que chaque transaction est validée et enregistrée localement sur le shard correspondant.
La coordination entre ces shards est assurée par une main chain, qui est une chaîne principale dédiée à la gestion de la synchronisation et de la sécurité du réseau. La main chain est responsable de la distribution des validateurs de manière pseudo-aléatoire à travers les shards, un processus crucial pour empêcher les attaques de type Sybil et la collusion. Les validateurs sont des nœuds du réseau qui participent au consensus en validant les transactions et les blocs. La sélection pseudo-aléatoire des validateurs pour chaque shard est souvent dérivée d'un algorithme cryptographique exécuté par la main chain, assurant une rotation régulière et imprévisible des validateurs.
La communication inter-shard, en particulier pour les transactions cross-shard, est un aspect technique complexe du sharding. Les transactions cross-shard sont des transactions qui impliquent plusieurs shards, par exemple, un utilisateur souhaitant transférer des actifs d'un compte sur un shard à un compte sur un autre shard.
Pour assurer la cohérence de ces transactions, plusieurs techniques sont utilisées.
Un protocole de consensus est utilisé pour garantir que les transactions cross-shard sont exécutées de manière atomique. Cela signifie que la transaction est soit validée par tous les shards impliqués soit rejetée dans son intégralité. Pour ce faire, des verrous distribués ou des protocoles de validation en deux phases sont couramment employés. Dans un protocole de validation en deux phases, une phase de préparation permet de vérifier que tous les shards peuvent exécuter la transaction, suivie d'une phase de validation finale où la transaction est soit confirmée soit annulée.
Les relay chains, comme celles utilisées par Polkadot, servent de médiateurs pour les communications entre shards. Elles agissent comme un canal de communication centralisé qui facilite le transfert sécurisé de données et d'actifs entre les shards. La relay chain valide et relaye les messages entre shards, assurant que les transactions cross-shard sont sécurisées et cohérentes.
Chaque shard peut inclure des light clients pour les autres shards. Un light client est un client qui ne télécharge qu'une petite partie de la blockchain, généralement les en-têtes de blocs, pour vérifier les transactions cross-shard. Cette méthode permet à chaque shard de vérifier l'état des autres shards sans nécessiter une synchronisation complète. Les light clients utilisent des preuves cryptographiques, telles que les preuves de Merkle, pour valider les transactions de manière efficace et sécurisée.
La sécurité d'un réseau shardé repose sur des mécanismes sophistiqués de validation et de distribution des validateurs. Voici comment cela fonctionne techniquement.
La sélection des validateurs pour chaque shard est effectuée de manière pseudo-aléatoire. Cet algorithme utilise des fonctions cryptographiques dérivées de la main chain pour s'assurer que la sélection est imprévisible et que les validateurs changent régulièrement. Ce processus réduit les risques de collusion et d'attaques Sybil, où un attaquant pourrait créer de multiples identités pour manipuler le réseau.
Les comités de validateurs, ou committees, sont des groupes de validateurs qui valident les blocs de chaque shard. Chaque bloc doit être approuvé par un comité de validateurs, assurant un consensus multi-niveaux. En outre, certains systèmes utilisent des notaires, qui sont des validateurs spéciaux chargés de vérifier les transactions cross-shard et d'assurer la cohérence entre les shards.
Dans les systèmes de sharding basés sur le Proof of Stake, comme Ethereum 2.0, les validateurs doivent déposer une mise (stake) de crypto-monnaies pour participer à la validation. Cette mise incite économiquement les validateurs à se comporter honnêtement, car toute tentative de comportement malveillant peut entraîner la perte de leur mise. Ce mécanisme aligne les incitations économiques des validateurs avec la sécurité et l'intégrité du réseau. Les validateurs sont choisis pour valider les blocs en fonction de la taille de leur mise et de manière pseudo-aléatoire, renforçant ainsi la sécurité et la décentralisation du réseau.
