Qu'est-ce que la congestion des réseaux blockchain ?

Principes de base

La congestion d'un réseau blockchain survient lorsque le volume de transactions dépasse la capacité du réseau à les traiter efficacement. Les facteurs contribuant à la congestion incluent une hausse soudaine de l'activité transactionnelle, des tailles de bloc limitées et des temps de confirmation de bloc retardés. Les implications peuvent être importantes : augmentation des frais de transaction, allongement des temps de confirmation et expérience utilisateur dégradée. Un exemple marquant s'est produit au printemps 2023 lorsque le réseau Bitcoin a connu une congestion liée à l'activité autour des tokens BRC-20. Les transactions en attente se sont accumulées et les frais ont atteint des niveaux sans précédent.

Comment la congestion d'un réseau blockchain se produit-elle ?

La congestion apparaît lorsque le volume de transactions dépasse la capacité de traitement d'un réseau. Divers facteurs, y compris des éléments externes comme la volatilité du marché et des caractéristiques propres au réseau, telles que la taille des blocs et le temps de bloc, influencent ce phénomène. Avant d'aborder les détails, il est essentiel de comprendre comment les blocs sont ajoutés à la blockchain.

Technologie blockchain : comment ça marche ?

Au cœur de la technologie blockchain se trouvent une série de blocs interconnectés, chaque bloc contenant des données de transaction fournies par les utilisateurs. Ces blocs deviennent indélébiles et impossibles à modifier une fois ajoutés à la chaîne. Les blocs circulent sur un réseau décentralisé de nœuds, chaque nœud conservant une copie du registre complet. Grâce à des méthodes cryptographiques et à la théorie des jeux, la blockchain constitue l'infrastructure fondamentale de cryptomonnaies populaires comme Bitcoin et Ethereum.

Pour comprendre les facteurs contribuant à la congestion des réseaux blockchain, il est nécessaire d'examiner des concepts clés qui influencent la capacité de traitement des transactions du réseau. Ces concepts incluent les mempools, les blocs candidats, la finalité et le principe de la plus longue chaîne.

Qu'est-ce qu'un mempool ?

Un mempool sert de dépôt pour les transactions non vérifiées en attente d'inclusion dans le bloc suivant d'une blockchain. Lorsqu'un utilisateur initie une transaction sur le réseau Bitcoin, celle-ci traverse un processus avant d'être inscrite définitivement sur la blockchain. Initialement, la transaction entre dans le mempool, qui fonctionne comme une zone tampon pour les transactions en attente. Les transactions restent dans le mempool jusqu'à leur confirmation et leur ajout à un bloc. La confirmation se produit lorsque les mineurs valident la transaction en l'incluant dans un bloc nouvellement miné. Une fois confirmée, la transaction est retirée du mempool et ajoutée de façon permanente à la blockchain, garantissant son immutabilité.

Que sont les blocs candidats ?

Les blocs candidats, parfois appelés « blocs proposés », sont des blocs que les mineurs ou validateurs proposent comme ajouts potentiels à la blockchain. Ces blocs contiennent des transactions non confirmées diffusées au réseau mais pas encore intégrées à la chaîne.

Pour devenir un bloc confirmé, un bloc candidat doit subir le processus de minage ou de validation dicté par le mécanisme de consensus propre à la blockchain. Dans le cas du mécanisme Proof of Work (PoW) de Bitcoin, les mineurs rivalisent pour résoudre un casse-tête mathématique complexe. Le premier mineur à résoudre le puzzle obtient l'opportunité d'ajouter son bloc candidat à la blockchain et de recevoir une récompense.

Pour le mécanisme Proof of Stake (PoS) d'Ethereum, les validateurs sont choisis aléatoirement pour proposer des blocs candidats. D'autres validateurs fournissent ensuite des attestations pour vérifier la validité du bloc. Lorsqu'un bloc candidat reçoit suffisamment d'attestations, il passe du statut de candidat à celui de bloc confirmé.

Que signifie la « finalité » en blockchain ?

La finalité, dans le contexte de la blockchain, se réfère à l'état où une transaction ou une opération devient irrévocable et ne peut plus être changée ou annulée. Une fois qu'une transaction atteint la finalité, elle est immuable et enregistrée de façon permanente sur la blockchain. Le réseau Bitcoin diffuse les transactions et les ajoute au mempool. Les mineurs sélectionnent et valident les transactions issues de ce pool et les incluent dans de nouveaux blocs destinés à être ajoutés à la blockchain. Les transactions incluses dans un bloc sont considérées comme confirmées, mais il demeure une possibilité théorique qu'un autre mineur mine un bloc concurrent.

Le niveau de finalité des transactions augmente à mesure que des blocs supplémentaires sont ajoutés à la blockchain. Dans le cas de Bitcoin, les transactions sont généralement considérées comme « finales » après l'ajout d'environ six blocs supplémentaires au bloc contenant ces transactions. Ethereum, avec son temps de bloc plus court, recommande un nombre plus élevé de confirmations pour atteindre un niveau de confiance similaire quant à la finalité des transactions.

Principe de la « plus longue chaîne » : qu'est-ce que c'est ?

Comme expliqué précédemment, il est possible que plusieurs mineurs produisent des blocs valides simultanément, ce qui entraîne des forks temporaires de la blockchain. Le principe de la « plus longue chaîne » stipule que la version valide de la blockchain est déterminée par la quantité de travail computationnel investie, généralement représentée par la chaîne la plus longue de blocs. En conséquence, les blocs « valides » sur des chaînes plus courtes, souvent appelés blocs orphelins ou obsolètes, sont rejetés et leurs transactions retournent au mempool.

Dans le cas d'Ethereum, le principe de la chaîne la plus longue a été utilisé lorsque le réseau fonctionnait en Proof of Work (PoW). Après la transition d'Ethereum vers le Proof of Stake (PoS) en 2022, le réseau a adopté un algorithme de fork-choice mis à jour qui évalue le « poids » de la chaîne. Ce poids est calculé en fonction de la somme cumulative des votes des validateurs, en tenant compte des soldes d'ether mis en jeu par ces validateurs.

Congestion du réseau blockchain : quelles en sont les causes ?

La congestion d'un réseau blockchain survient lorsque le volume de transactions soumises dépasse la capacité de traitement du réseau. Cette congestion peut être attribuée à plusieurs facteurs :

• Demande accrue : à mesure que davantage d'utilisateurs soumettent des transactions à la blockchain, le nombre de transactions non confirmées dans le mempool peut dépasser la capacité d'un seul bloc. Cela concerne particulièrement les blockchains avec des limites de taille et de temps de bloc. L'augmentation de la demande peut provenir de volatilités de prix soudaines déclenchant des vagues de transactions ou d'une adoption massive.
• Petite taille de bloc : chaque blockchain a une taille de bloc prédéterminée qui dicte le nombre maximal de transactions pouvant être incluses dans un bloc. Par exemple, Bitcoin avait initialement une limite de taille de bloc d'1 mégaoctet. Cependant, des améliorations comme Segregated Witness (SegWit) ont augmenté la limite théorique à environ 4 mégaoctets. Si le nombre de transactions dépasse cette limite, cela entraîne une congestion du réseau.
• Temps de bloc lent : le temps de bloc correspond à l'intervalle entre l'ajout de blocs consécutifs à la blockchain. Par exemple, Bitcoin vise un temps de bloc d'environ 10 minutes. Si les transactions sont générées plus rapidement et en plus grand volume que ce que le réseau peut traiter, un arriéré de transactions se forme, contribuant à la congestion.

En résumé, la congestion des réseaux blockchain peut résulter d'une demande accrue, de petites tailles de bloc et de temps de bloc lents, entravant la capacité du réseau à traiter les transactions efficacement.

Quel est l'impact de la congestion sur la blockchain ?

La congestion des réseaux blockchain peut avoir plusieurs conséquences négatives qui perturbent le bon fonctionnement du réseau. Ces conséquences incluent :

Augmentation des frais de transaction

Lorsque le réseau est congestionné, les utilisateurs paient souvent des frais plus élevés pour attirer l'attention des mineurs et prioriser leurs transactions. Cela peut rendre l'utilisation de la blockchain plus coûteuse, en particulier pour les petites transactions, car les utilisateurs doivent payer davantage pour garantir un traitement rapide.

Allongement des temps de confirmation

La congestion peut entraîner des délais plus longs pour que les transactions soient confirmées et finalisées. Parfois, les transactions peuvent rester non confirmées pendant des heures, des jours, voire plus longtemps. Ces retards peuvent provoquer de la frustration chez des utilisateurs qui attendent une confirmation rapide.

Mauvaise expérience utilisateur

Des frais élevés et des temps de confirmation longs ont un impact significatif sur l'expérience utilisateur. Lorsque les utilisateurs rencontrent des frais importants et des attentes prolongées, leur satisfaction et leur confiance envers la blockchain peuvent diminuer. Cela peut freiner l'adoption et l'utilisation de la technologie blockchain.

Volatilité du marché

La congestion du réseau peut contribuer à la volatilité du marché. Si de nombreux utilisateurs tentent de vendre leurs cryptomonnaies pendant une période de congestion, mais que le réseau ne peut pas traiter efficacement ces transactions, cela peut créer de l'incertitude et amplifier la volatilité du marché.

De plus, la congestion peut poser des risques pour la sécurité et augmenter le risque de centralisation du réseau. Des temps de confirmation plus longs peuvent accroître le risque d'attaques de double dépense, où un utilisateur tente de dépenser la même cryptomonnaie plusieurs fois avant que les transactions soient confirmées. Par ailleurs, des frais élevés peuvent concentrer la puissance de minage entre les mains de quelques participants, menant à une moindre décentralisation. La congestion entraîne donc des frais plus élevés, des confirmations retardées, une mauvaise expérience utilisateur, une volatilité accrue, des risques de sécurité et des préoccupations de centralisation. Ces défis soulignent l'importance des efforts de scalabilité et d'optimisation pour assurer un fonctionnement efficace et fluide des réseaux blockchain.

Exemples de congestion des réseaux blockchain

Les réseaux Bitcoin et Ethereum ont fait face à des congestions significatives, provoquant divers problèmes pour les utilisateurs et affectant les performances globales.

Congestion du réseau Bitcoin

Bitcoin a connu un épisode notable de congestion lors de la flambée de son prix entre la fin 2017 et début 2018. La popularité et la demande accrues ont entraîné un afflux massif de transactions, provoquant d'importants retards et des frais de transaction élevés. À un moment donné, les frais moyens ont grimpé à plus de 50 $, rendant les envois de transactions coûteux et longs.

Au printemps 2023, le réseau Bitcoin a subi un nouvel épisode de congestion déclenché par une augmentation des transactions liées aux tokens BRC-20. Cette flambée a provoqué une explosion du nombre de transactions en attente et des frais. Le mempool a connu un goulot d'étranglement avec près de 400 000 transactions non confirmées. En quelques semaines, les frais de transaction ont augmenté de plus de 300 %.

Congestion du réseau Ethereum

Le réseau Ethereum a également connu des épisodes de congestion. En 2017, le succès viral du projet « CryptoKitties » a considérablement ralenti le réseau Ethereum. La demande écrasante et les transactions associées au projet ont congestionné le réseau, entraînant des retards de traitement et des prix du gas élevés.

De plus, l'essor des applications de finance décentralisée (DeFi) sur Ethereum a contribué à la congestion du réseau. La forte demande pour l'exécution de contrats intelligents et l'interaction avec les protocoles DeFi a fait monter les prix du gas, rendant les transactions plus onéreuses pour les utilisateurs.

Bien que tout réseau blockchain puisse être confronté à la congestion, les épisodes sur Bitcoin et Ethereum ont attiré davantage d'attention en raison de leur popularité et de leur importance dans l'écosystème des cryptomonnaies. L'impact de la congestion sur ces réseaux met en évidence la nécessité de solutions de scalabilité et d'optimisations pour assurer un traitement des transactions plus fluide et efficace.

Solutions pour atténuer la congestion du réseau

Traiter la congestion des réseaux blockchain est un défi complexe avec plusieurs approches, chacune comportant des compromis et des considérations. Voici plusieurs stratégies possibles.

Augmenter la taille des blocs

Cette approche consiste à élargir la taille de chaque bloc, permettant de traiter davantage de transactions simultanément. Des blocs plus grands améliorent le débit du réseau, mais mettent plus de temps à se propager à travers le réseau, pouvant provoquer des forks temporaires. De plus, des blocs plus volumineux exigent davantage d'espace de stockage, ce qui peut favoriser la centralisation.

Réduire le temps de bloc

Réduire l'intervalle de génération des blocs peut accélérer le traitement des transactions. Toutefois, des temps de bloc plus courts peuvent entraîner un nombre plus élevé de blocs orphelins, réduisant la sécurité de la blockchain.

Solutions de Layer 2

Ces solutions hors chaîne permettent d'effectuer des transactions en dehors de la chaîne principale, l'état final étant inscrit on-chain. Des exemples incluent le Lightning Network pour Bitcoin et Plasma pour Ethereum. Les solutions Layer 2 peuvent améliorer considérablement la scalabilité, mais leur mise en œuvre est complexe et comporte des considérations de sécurité à adresser.

Un système de sharding

Le sharding consiste à diviser la blockchain en fragments (shards) plus petits, chacun capable de traiter des transactions et d'exécuter des contrats intelligents de manière indépendante. Cette approche peut augmenter fortement la capacité du réseau. Néanmoins, comme pour les solutions Layer 2, le sharding introduit de la complexité et des risques potentiels pour la sécurité.

D'autres mesures pour atténuer la congestion incluent l'ajustement des frais et des solutions de montée en charge comme les rollups optimistes et les rollups à connaissance nulle. De plus, l'adoption du mécanisme Proof of Stake (PoS), généralement plus rapide que le Proof of Work (PoW), peut améliorer l'efficacité du réseau. Il est crucial d'évaluer attentivement les avantages et les inconvénients de ces approches pour déterminer la solution la plus adaptée à un réseau blockchain spécifique. Une compréhension complète des exigences du réseau, des considérations de sécurité et des besoins des utilisateurs est essentielle pour traiter les problèmes de congestion.

Conclusion 

Les problèmes de congestion des réseaux deviennent de plus en plus fréquents à mesure que l'adoption de la technologie blockchain progresse. Pour qu'un réseau soit largement adopté et utile, il doit pouvoir traiter un grand volume de transactions de manière efficace. Cela est particulièrement important pour les systèmes blockchain destinés à faciliter des transactions quotidiennes en temps réel. La congestion impose des défis significatifs, mais la communauté développe en permanence des solutions pour les atténuer. L'industrie investit massivement dans la recherche sur la scalabilité.