Qu’est-ce que la fragmentation et comment fonctionne-t-elle ?

Résumé

• La fragmentation (sharding) divise une blockchain en « fragments » plus petits pour résoudre le problème d’évolutivité associé aux réseaux de couche 1.

• La fragmentation améliore la vitesse des transactions, minimise les coûts de traitement et de stockage et améliore les performances du réseau.

• La fragmentation présente ses inconvénients potentiels, tels que les problèmes de sécurité réseau et la complexité des transactions entre fragments.

Introduction

La technologie Blockchain a introduit un potentiel sans précédent en matière de décentralisation, de transparence et de sécurité. Mais elle est confrontée à un défi de taille : l’évolutivité. L’évolutivité est l’un des points du « trilemme de la blockchain », qui inclut également la sécurité et la décentralisation. Atteindre les trois simultanément est un problème persistant dans le domaine de la blockchain. C’est là que des solutions stratégiques comme la « fragmentation » entrent en jeu.

Qu’est-ce que la fragmentation ?

La fragmentation est un concept emprunté à la gestion traditionnelle des bases de données. Il s’agit du processus de division d’une base de données plus volumineuse en parties plus petites et plus faciles à gérer, appelées fragments. Son application dans la blockchain vise à améliorer l’évolutivité, tout en conservant le principe de décentralisation. En substance, la fragmentation se produit lorsqu’un réseau blockchain est divisé en parties plus petites appelées fragments, chacune capable de traiter en parallèle les transactions et les smart contracts.

Comment fonctionne la fragmentation ?

Comprendre comment la fragmentation est exécuté au sein d’un réseau blockchain nécessite de comprendre comment les données blockchain sont généralement stockées et traitées. Il existe différentes manières de traiter les données. Nous allons commencer par nous pencher sur le traitement séquentiel et le traitement parallèle.

En règle générale, chaque nœud blockchain est responsable de la gestion de tout le volume de transactions au sein du réseau. Ce type de traitement des données est communément appelé traitement séquentiel. Cela implique que chaque nœud doit conserver et stocker toutes les informations critiques, telles que les soldes des comptes et l’historique des transactions. En substance, chaque nœud doit traiter toutes les opérations, données et transactions du réseau.

Bien qu’un tel modèle renforce la sécurité de la blockchain en enregistrant chaque transaction sur tous les nœuds, il ralentit considérablement le traitement des données. C’est là que le traitement parallèle des données entre en jeu, car il permet d’exécuter simultanément plusieurs opérations.

La fragmentation peut être une solution efficace à cette situation difficile, car elle divise ou « fragmente » la charge de travail transactionnelle sur le réseau blockchain. Cela signifie que tous les nœuds n’ont pas besoin de gérer ou de traiter l’intégralité de la charge de la blockchain.

Au lieu de cela, la fragmentation sépare la charge de travail via le partitionnement horizontal. Dans ce processus, les données sont divisées en sous-ensembles horizontaux, chaque fragment agissant comme une base de données indépendante capable de traiter les transactions séparément des autres. 

Partitionnement horizontal vs. vertical

Le partitionnement horizontal et vertical sont deux approches clés de l’évolutivité des bases de données. Bien que les deux soient conçus pour gérer plus efficacement de grands ensembles de données, ils fonctionnent de manière fondamentalement différente. La fragmentation est une méthode courante de mise en place du partitionnement horizontal.

Dans le partitionnement horizontal, les données sont divisées en lignes et réparties sur différents nœuds (ou bases de données), chacun contenant un sous-ensemble des données. Chaque ligne d’un tableau est une entité unique, de sorte que leur séparation n’entraîne aucune perte d’intégrité des données. Un exemple frappant de partitionnement horizontal utilisé est la distribution des réseaux blockchain, tels qu’Ethereum et que Bitcoin.

Dans le partitionnement vertical, les données sont divisées en colonnes plutôt qu’en lignes. Chaque partition du partitionnement vertical contient un sous-ensemble de données pour chaque entité ou l’ensemble du jeu de données, mais uniquement pour un certain ensemble d’attributs. Imaginez un tableau client avec des colonnes telles que Nom, État, Description et Photo. Dans un scénario de partitionnement vertical, le « Nom » et l’« État » peuvent être conservés dans un tableau, et « Description » et « Photo » dans un autre.

Pourquoi le partitionnement horizontal est-il privilégié ?

Le partitionnement horizontal est généralement privilégié par rapport au partitionnement vertical dans les réseaux blockchain pour trois raisons : l’évolutivité, la décentralisation et la sécurité.

Évolutivité : le partitionnement fournit une solution en divisant les données en « fragments » plus petits et plus faciles à gérer. Chaque fragment peut fonctionner indépendamment, ce qui permet de traiter simultanément un plus grand nombre de transactions, améliorant ainsi la vitesse et l’efficacité du réseau. Alors qu’avec le partitionnement vertical, la distribution des colonnes entre différentes bases de données peut nécessiter plus de complexité dans la récupération d’une transaction complète ou des informations de bloc et peut limiter l’évolutivité.

Décentralisation : conformément à la philosophie fondamentale de la blockchain, le partitionnement horizontal prend en charge la décentralisation. Puisque les nœuds n’ont à traiter qu’une partie du total des données (un fragment), cela permet à un plus grand nombre de nœuds de participer au réseau, car les charges de calcul et de stockage sont réduites. Le partitionnement vertical, en comparaison, limiterait cela car chaque nœud aurait besoin d’accéder à toutes les partitions (toutes les colonnes de données) pour comprendre et vérifier les données de bloc complètes.

Sécurité et intégrité des données : le partitionnement horizontal maintient l’intégrité des données, car chaque fragment (ou partition) contient des données de transaction complètes, garantissant ainsi que chaque nœud dispose d’une copie complète et précise de sa partie de la blockchain. Dans le partitionnement vertical, vous diviseriez essentiellement les données d’un bloc sur différents nœuds, ce qui rendrait difficile la garantie de l’intégrité et de la sécurité des données, un aspect primordial des réseaux blockchain.

Quels sont les avantages de la fragmentation ?

Examinons les avantages potentiels que la fragmentation apporte à la technologie blockchain :

Augmentation de la vitesse de transaction : la fragmentation facilite le traitement parallèle des transactions. Au lieu de traiter les transactions une par une de manière séquentielle, la fragmentation permet de traiter les transactions simultanément mais sur des fragments différents. Chaque fragment fonctionne indépendamment, ce qui augmente considérablement la vitesse de transaction. Cela accélère non seulement la vitesse de transaction, mais signifie également que l’ensemble du réseau peut gérer plus d’utilisateurs, favorisant ainsi une adoption massive.

Ziliqa est un exemple de réseau blockchain existant utilisant des fragments pour assurer l’évolutivité. Le mécanisme de fragmentation de Ziliqa lui permet d’effectuer des milliers de transactions par seconde.

Coûts de traitement et de stockage minimisés : la conception conventionnelle de la blockchain oblige chaque nœud à stocker toutes les transactions, intensifiant ainsi les demandes de matériel à mesure que la blockchain se développe. Mais avec la fragmentation, chaque nœud n’est responsable du traitement et du stockage que d’une fraction des données de l’ensemble du réseau, ce qui réduit les ressources nécessaires pour qu’un nœud puisse participer au réseau.

Ainsi, un plus grand nombre de participants peuvent rejoindre en tant que validateurs, ce qui améliore la décentralisation du réseau sans encourir de coûts prohibitifs. Cela atténue les problèmes où seules les entités disposant de ressources informatiques de pointe et coûteuses pourraient participer de manière réaliste au processus, maintenant ainsi la nature démocratisée des réseaux blockchain.

Amélioration des performances du réseau : la fragmentation peut contribuer à améliorer les performances et la capacité générales du réseau. Dans les blockchains traditionnelles, à mesure que de plus en plus de nœuds participent au réseau, les performances diminuent paradoxalement en raison de la nécessité d’augmenter la communication et la synchronisation des données entre les nœuds.

Toutefois, la fragmentation change ce scénario. Étant donné que chaque fragment fonctionne séparément et simultanément, le système peut traiter davantage de transactions et de calculs. Lorsqu’un nouveau nœud rejoint le réseau, il peut être ajouté à une partition, améliorant ainsi l’évolutivité du réseau. L’efficacité est améliorée, ce qui se traduit par des transactions plus fluides et une meilleure expérience utilisateur.

N’oubliez pas que les avancées et les améliorations futures de la technologie de la fragmentation peuvent créer d’autres avantages, ou renforcer ceux existants, en améliorant continuellement l’écosystème blockchain.

Quelles sont les limites de la fragmentation ?

Bien que la fragmentation offre plusieurs avantages qui pourraient aider les réseaux blockchain à devenir plus efficaces, le processus présente également un ensemble unique de défis. Voici quelques-unes des vulnérabilités potentielles introduites par la fragmentation : 

Attaques de prise de contrôle d’un seul fragment: dans un environnement de fragmentation, la puissance de calcul nécessaire pour prendre le contrôle d’un fragment est considérablement inférieure à la puissance requise pour prendre le contrôle de l’ensemble du réseau. Cela rend ces fragments individuels plus vulnérables à une « attaque à un pour cent » ou à une « prise de contrôle de fragment », par laquelle un attaquant disposant d’une petite quantité de ressources par rapport à l’ensemble du réseau peut potentiellement prendre le contrôle d’un fragment individuel.

Transactions entre fragments : les transactions effectuées sur différents fragments (cross-fragment en anglais) présentent un défi unique. Les transactions entre fragments sont complexes et peuvent entraîner des doubles dépenses si elles ne sont pas gérées avec soin. Si un fragment ne suit pas avec précision l’état de l’autre fragment au cours d’une transaction, les utilisateurs peuvent l’exploiter pour effectuer une double dépense.

Problèmes de disponibilité des données : la fragmentation rend complexe le maintien de l’état complet du réseau. Si certains fragments ne sont pas disponibles en cas de besoin (parce que les nœuds qui les conservent sont hors ligne), cela peut entraîner des problèmes de disponibilité des données et perturber l’ensemble du réseau.

Sécurité du réseau : la fragmentation nécessite la mise en œuvre d’un protocole robuste qui équilibre la charge entre les fragments. Si cela n’est pas fait correctement, cela pourrait entraîner une répartition inégale des données ou un déséquilibre des ressources, entraînant une instabilité potentielle du réseau.

Synchronisation des nœuds : la synchronisation des nœuds peut entraîner des retards réseau en raison du temps nécessaire au partage et à la mise à jour des informations entre différents nœuds. De plus, si un nœud avec des capacités de traitement plus lentes ou une connexion réseau est à la traîne, cela pourrait ralentir l’ensemble du processus de synchronisation, réduisant ainsi l’ensemble des performances du réseau blockchain.

La fragmentation est-elle mise en oeuvre sur Ethereum ?

Ethereum prévoit de mettre en œuvre la fragmentation dans le cadre de sa mise à niveau Ethereum 2.0. Ethereum 2.0, également connu sous le nom d’Eth2 ou Serenity, est une mise à niveau de la blockchain Ethereum qui vise à améliorer la vitesse, l’efficacité et l’évolutivité du réseau, lui permettant de traiter plus de transactions et de réduire la congestion.

À l’heure actuelle, la mise à niveau est mise en œuvre par phases, la dernière phase (phase 2) comprenant la mise en oeuvre complète de la fragmentation. Les développeurs d’Ethereum espèrent que ces améliorations résoudront certains des défis actuels associés à l’évolutivité et aux coûts de transaction auxquels le réseau est confronté.

Toutefois, il est important de remarquer que la mise en œuvre de la fragmentation présente ses propres défis, en particulier pour maintenir la sécurité et la décentralisation du réseau. Par conséquent, les développeurs d’Ethereum réfléchissent soigneusement et effectuent des tests approfondis lors de cette transition afin de garantir le succès de la mise à niveau une fois pleinement mise en œuvre.

Conclusion

Dans l’ensemble, la fragmentation représente une avancée notable vers la résolution du trilemme de la blockchain. Bien qu’elle introduise de nouvelles complexités et des inconvénients possibles, son potentiel d’augmentation de l’évolutivité sans compromettre la décentralisation est extrêmement prometteur pour l’avenir des réseaux blockchain.

Il n’est pas étonnant que diverses blockchains l’explorent comme solution potentielle. Ethereum intègre la fragmentation dans le cadre de la mise à niveau Ethereum 2.0 pour résoudre les problèmes d’évolutivité. Cette mise en œuvre devrait avoir lieu dans le cadre de la mise à niveau Cancun, un élément essentiel du plan général d’amélioration. Néanmoins, comme toute autre technologie en évolution, le succès dépendra de la recherche et du développement continus et des tests rigoureux des implémentations de la fragmentation.

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