Ethereum a fusionné ?

Tout ce qu’il faut savoir sur le Merge, le PoS et les prochaines étapes.

Image tirée de l’annonce officielle du Merge par la fondation, en hommage à la mise à jour du merge « Paris », nommée ainsi en référence à EthCC.

English version available here.

TLDR; Ethereum a fusionné avec succès. Une prouesse technique qui permet au réseau de fonctionner en Proof-Of-Stake et ainsi réduire de 99.95% sa consommation d’électricité et son émission d’ETH de 90%, tout en rendant le réseau plus sécurisé et décentralisé. Nous revenons sur ce qu’est le Merge, son déroulement, ses bénéfices et les prochaines étapes de la feuille de route d’Ethereum.

• Qu’est-ce que le “Merge”?
• Comment s’est déroulé le Merge?
• Qu’est-ce que le Proof Of Stake (PoS)?
• Quels avantages du PoS vs PoW?
  • Tableau comparatif de PoW vs PoS
• Quelles sont les prochaines grandes étapes d’Ethereum?
• Appendix
  • EthPoS vs EthPoW
  • Structure de bloc sous PoS (cf thread)
  • Cycle de vie des attestations Ethereum sous PoS
• FAQs
  • En tant qu’utilisateur, comment cela m’impacte t-il? Que dois-je faire?
  • Comment devenir validateur?
  • Est-ce que le Merge améliore la scalabilité d’Ethereum?
• Ressources

Merci à Philippe Honigman, Bettina Boon Falleur, Jean Zundel, Jimmy Ragosa et Simon Polrot pour la révision.

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Qu’est-ce que le “Merge”?

https://ethereum.org/en/upgrades/merge/

Le Merge correspond à la fusion des chaînes d’Ethereum qui s’est opérée le 15 septembre 2022.

La blockchain Ethereum comportait à sa création une seule chaîne qui fonctionnait à l’aide d’un mécanisme de consensus associé au Proof-of-Work (PoW ou Preuve de Travail). 

En décembre 2020, en vue du passage au Proof-Of-Stake (PoS ou Preuve d’Enjeu) anticipé depuis sa création, une autre chaîne à été lancée: la “Beacon Chain” (chaine d’accroche, chaîne phare, chaîne balise) aussi appelée la « Consensus Layer ». 

Depuis le lancement de la Beacon Chain, deux chaînes tournaient en parallèle :

• La couche d’exécution (execution layer), où étaient exécutées les transactions et stocké l’état historique d’Ethereum. Elle correspond à la partie “⛏ Proof-of-work” sur le schéma ci-dessus, comprenant « Ethereum State: transactions, apps, contracts, balances »), c’était le mainnet Ethereum.
• La couche de consensus (consensus layer) ou Beacon chain, était la chaîne amorcée par des utilisateurs ayant déposé leur ETH (sur mainnet) pour devenir validateur. Jusqu’au Merge, ils ne faisaient qu’écouter le mainnet et validaient uniquement l’état de leur propre chaîne.

Le Merge marque la fusion de ces deux chaînes et le changement de mécanisme de consensus d’Ethereum avec la fin du PoW et le passage au PoS. Cette fusion entraîne plusieurs améliorations telles que la réduction de consommation d’énergie de 99.95%, et prépare le terrain pour les mises à jour à venir de scalabilité qui deviendront plus faciles à implémenter.

Comment s’est déroulé le Merge?

La TTD (Terminal Total Difficulty, qui représente schématiquement la puissance de calcul globale déployée par les mineurs depuis la création d’Ethereum – plus de détails dans cet article), déterminé par les Core Devs le 18 Août 2022, a permis d’estimer la chronologie du Merge prévu entre le 10 et le 20 septembre 2022.

Nous suivions les prévisions du TTD via https://bordel.wtf (en référence à la communauté de hackers tchèques du Paralelni Polis), mais un grand nombre de trackers étaient disponibles (cf. liste).

Le TTD à finalement été atteint le 15 septembre 2022 à 8h42:59 au block #15537394

• Nous avons suivi la “Ethereum Mainnet Merge Viewing Party”  organisé par la fondation Ethereum avec  Bankless, EthStaker, Ethereum Cat Herders, The Daily Gwei et des invités comme Superphiz.eth, Pooja Rajan, Tim Beiko, Anthony Sassano, Justin Drake et Vitalik Buterin qui ont répondu à des questions récurrentes : pourquoi le Merge, comment se déroule la fusion, comment améliorer la diversité des clients, comment maintenir la décentralisation etc.
• Comme à son habitude Jonathan Mann, nous a chanté une chanson écrit pour l’occasion: « Pandas Are Not Known For Running‘
• Danny Ryan nous a détaillé les étapes du merge: un premier block et les attestations qui arrivent, ≈ 32 blocks dans la 1ère epoch, avec 2/3 de participation des validateurs nécessaires à sa justification. Après la 2e epoch, les premiers blocks en PoS ont été finalisés et la chaîne Ethereum est officiellement passé en PoS.

Si ces termes vous sont étrangers, pas d’inquiétude, nous les détaillons dans la suite de l’article.

• Le premier block en Proof-of-Stake est celui-ci: https://etherscan.io/block/15537394, nous le voyons à la difficulté du bloc qui équivaut 0, signifiant que le bloc n’a pas été miné

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Deux mises à jour critiques ont précédé le Merge :

• La mise à jour « Bellatrix » a préparé la couche de consensus pour le Merge (en vert sur le schéma). Elle a notamment permis la mise à jour de la structure des blocs qui a  instauré les slots de 12 secondes par bloc (post-merge).
  Toute personne faisant tourner un nœud et/ou un validateur Ethereum a dû mettre à jour son client Ethereum avant le 6 Septembre 2022.
• “Paris” qui implémente deux EIPs (Ethereum Improvements Proposals) : 
  • EIP-4399 = introduit un changement de sémantique de l’opcode `DIFFICULTY` (qui devient obsolète) à `PREVRANDAO`. L’utilisation reste la même.
  • EIP-3675 = aussi appelé “Merge EIP”: la mise à jour du Merge qui met officiellement fin au PoW 

https://blog.ethereum.org/2022/08/24/mainnet-merge-announcement

Qu’est-ce que le Proof Of Stake (PoS)?

Passons en revue quelques éléments primordiaux du PoS :

Le PoS ou le PoW, le mécanisme anti-Sybil associé au consensus des blockchains, est central à leur fonctionnement : c’est ce qui permet de déterminer leur état, c’est-à-dire d’organiser la blockchain en produisant ses blocs, qui contiennent des transactions.

Contrairement au PoW qui fonctionne avec des mineurs, le PoS fait appel à des validateurs pour déterminer l’état de la blockchain.

Chaque bloc (regroupement de transactions d’utilisateurs) de la blockchain Ethereum est soumis à un groupe de validateurs choisis aléatoirement, qui vérifient les transactions en les ré-exécutant, vérifient leur signature et soumettent au réseau leur vote (sous forme d’attestations) afin de proposer la validation des blocs. Le temps de validation des blocs sur Ethereum sous PoW était de 13/14 secondes. Maintenant, le temps par bloc est déterminé par « slots » fixes de 12s, 1 bloc par slot, validé par un validateur choisi aléatoirement. Plusieurs slots forment une epoch, une époque. 2 epochs sont nécessaires afin que les blocs soient considérés comme finaux et irréversibles.

Les validateurs sont rémunérés pour plusieurs éléments : 
• Lorsqu’ils sont choisis aléatoirement pour proposer des blocs
• Lorsqu’ils émettent des attestations, correspondant à un vote du validateur sur ce que représente l’état de la chaîne
• Via les tips (pourboires) ou frais supplémentaires payés par les utilisateurs (instaurés grâce à l’EIP-1559)

Le PoS engendre un changement pour les mineurs/validateurs. Il n’y a pas de changement majeur pour les utilisateurs ni pour les développeurs d’applications, ni même d’interruption du réseau.

Pour en savoir plus sur le mécanisme de consensus de PoS, nous l’avons expliqué en détail ici : https://www.ethereum-france.com/le-mecanisme-de-consensus-dethereum-apres-la-fusion/ 

Quels avantages du PoS vs PoW ?

• 99.95% de consommation d’énergie en moins par rapport au fonctionnement en PoW selon la fondation Ethereum + vérification par Jérôme de Tychey avec la slide ci dessous:

Slide de Jerome de Tychey sur la consommation d’énergie de Ethereum post-Merge

Plus d’informations via le site de la fondation.

• Plus décentralisé: les barrières à l’entrée pour devenir validateur sont plus faibles. Moins de matériel informatique est nécessaire et il n’y a pas d’économie d’échelle à réaliser sur PoS: les revenus des validateurs sont linéaires (vs économies d’échelle des mineurs sur PoW). 

Aussi, l’accès aux ressources nécessaires à la validation (ETH) est accessible à tous, de la même manière, contrairement au matériel informatique et électricité du PoW.

• Réduction de l’émission d’ETH de 90% post merge.
  Certains parlent de “Triple Halvening” (en référence aux Halvings de Bitcoin) car 3 éléments entrent dorénavant en jeu :
  • L’émission d’ETH sur le marché passera de ≈4.5% à ≈0.5%/an, voire moins en fonction de la demande sur le réseau.
  • EIP-1559 brûle de l’ETH à chaque transaction (depuis le 05 Août 2021 / block 12965000), pouvant déclencher des périodes déflationnistes pour ETH lorsque le réseau est congestionné, c’est-à-dire lorsqu’il y a plus d’ETH brûlés qu’émis.
  • Beaucoup d’ETH sont bloqués pour la validation (≈ 13 650 700 ETH soit ≈ $22 Milliards à ce jour selon https://beaconcha.in/)

• Moins de pression à la vente sur ETH : en plus des ETH stakés, les validateurs n’ont pas besoin de vendre leur ETH pour faire fonctionner leur(s) validateur(s), contrairement aux mineurs qui vendaient leur ETH pour payer leurs factures d’électricité.
• Plus de sécurité : une attaque pour prendre le contrôle complet du réseau nécessiterait de détenir plus de 66% de tous les ETH en collatéral (vs 51% du hashpower sur PoW). Cette attaque devient de plus en plus coûteuse avec le prix de l’ETH. Détenir des ETH que l’on peut perdre et/ou qui perdraient leur valeur suite à une attaque fournit une double incitation.

Tableau comparatif de PoW vs PoS (Ethereum)

Modèles de Consensus	POW (Pre-merge)	POS (Post-merge)
Acteurs	Mineurs	Validateurs
Hardware	Mining rigs	Ordinateur
Ressource	Electricité	ETH
Revenus	Exponentiels (Économie d’échelle)	Linéaires (Incrémental)
Finalité*	Probabilistique ≈6min	Explicite >12.8min
Temps de validation des blocs	≈13s	=12s
Contrôle complet**	51% (>½)	>66% (>⅔)

Tableau comparatif de PoW vs PoS (Ethereum) par Nathan Sexer

*https://hackmd.io/@prysmaticlabs/finality
**https://medium.com/@Beosin_com/ethereum-pos-and-pow-security-fd52a6153b1e

Quelles sont les prochaines grandes étapes d’Ethereum ?

La scalabilité d’Ethereum est au centre des discussions depuis sa création et le prochain challenge des core devs.

Le Merge a d’ailleurs pu être priorisé grâce à l’émergence des solutions de scaling telles que les Rollups qui ont désengorgé la L1 d’Ethereum et permis au Merge d’émerger ( ?) en priorité. C’est autour des Rollups que se construit la feuille de route d’Ethereum depuis des années ; Vitalik parlait en 2020 de “rollup-centric ethereum roadmap”.  Plus d’informations sur les rollups : https://www.ethereum-france.com/un-guide-incomplet-des-rollups/.

Le Merge représentait une étape majeure. Par la suite, les core devs vont pouvoir s’attaquer aux prochaines grandes étapes de la roadmap d’Ethereum, à savoir :

• The Surge : Améliore significativement les performances et l’utilisabilité des rollups grâce au très attendu sharding, avec le danksharding qui gagne en traction dans la communauté.
  Attendu pour 2023.
• The Verge : «Statelessness» grâce aux Verkle Trees, ce qui permettrait aux noeuds de ne plus stocker l’état en permanence grâce à des «témoins».
• The Purge : Élimine des données historiques et de la dette technique, pour notamment dispenser les nœuds de stocker l’historique.
• The Splurge : Apporte beaucoup de fonctionnalités à Ethereum, comme l’account abstraction, et bien d’autres.

https://twitter.com/VitalikButerin/status/1466411377107558402?s=20&t=muXSMLsxecRhFqydYowOow

Comme le montre ce schéma (publié par Vitalik en Décembre 2021, pas à jour), le développement des grandes étapes de la roadmap a avancé en parallèle.
Nous nous attendons à une cadence de mise à jour soutenue dans les mois et années à venir.
Nous suivrons cela de près. 

FAQs

En tant qu’utilisateur, comment cela m’impacte t-il ? Que dois-je faire ?

Rien ! Les applications s’en chargent pour vous. 

Vous aurez les mêmes données, tokens etc. au même endroit.
Le modèle de pricing de gas reste également le même, c’est-à-dire celui de l’EIP-1559.

Pas immédiatement (même si les blocs se valident 1 seconde plus rapidement en moyenne). Le merge apporte cependant des changements critiques aux futures mises à jour de scalabilité d’Ethereum, notamment le sharding. Les frais de gas et la capacité d’exécution des transactions restent les mêmes.

Comment devenir validateur ?

Il existe 3 manières de participer à la validation d’Ethereum sous PoS, chacun représentant un compromis. La fondation a fait de très bons guides que nous vous invitons à suivre.

Si l’investissement initial du solo staking de 32 ETH est conséquent, cela reste le moyen le plus trustless et sécurisé pour staker ses ETH.
A noter : ces ETH sont bloqués jusqu’à ce qu’une nouvelle mise à jour permette de les débloquer (la Shanghai upgrade). Les validateurs reçoivent quand même une partie de leurs récompenses sur une adresse mainnet dès maintenant.

Quel avenir pour EthPoW/ETHW?

• ETHPoW (ou ETHW) est la branche d’Ethereum restée en PoW.
• Les acteurs majeurs de l’écosystème dont les stablecoins (USDT ou USDC), protocoles de DeFi/lending (Aave), oracles (Chainlink) et bien d’autres supportent le passage au PoS.
• La majorité des services et applications ne supporteront pas ETHPoW : c’est la grande majorité de ce qui marche aujourd’hui sur Ethereum qui s’écroule du jour au lendemain, à commencer par toute la DeFi. Resteront les données historiques de la blockchain Ethereum et une couche applicative inutilisable.
• A ceux qui souhaitent profiter de ETHPoW: la meilleure stratégie est de bien prendre ses précautions et probablement de ne rien faire. La majorité des bénéfices sera tirée par des traders, experts en MEV et arbitrage qui travaillent sur le sujet depuis des mois/années, dans les blocs suivant le fork. 
• Si les actifs sont répliqués, ce ne sera pas le cas de leur valeur : on estimait avant le Merge que les tokens ETH de la chaine ETHPoW valaient seulement ≈2% de la valeur des ETH (cf. coinmarketcap). 
• Rappelons qu’il est probable que la chaîne ne perdure pas sur le long terme et qu’elle reste un no mans land réservée aux spéculateurs.
• Selon Tarun Chitra (ici), les supporters de ETHPoW n’auraient pas encore réussi à synchroniser de noeud avec leurs changements; qui impliquent entre autres de remplacer les frais de gas brûlés (cf. EIP-1559) pour se les distribuer à la place, se distribuer les ETH appartenant à la Fondation Ethereum etc.
• Maintenir ETHPoW actif impliquerait qu’un écosystème mature de mineurs, de développeurs d’applications, de clients, d’investisseurs et d’utilisateurs restent actifs sur le réseau. Ils devront probablement forker à nouveau pour mettre fin à la Difficulty Bomb rendant obsolète le PoW sur Ethereum…

Appendice

Structure de bloc sous PoS (cf.  thread)

• Sous PoS, les blocs Ethereum sont constitués de 3 parties (cf. ce thread):

• Administration, contient les informations du bloc: 
• • `slot` : le numéro du bloc
  • `proposer_index` : le validateur qui le propose
  • `parent_root` : le hash du précédent bloc
  • `state_root` : le hash d’un Merkle Root qui stocke l’état de la BeaconChain (BeaconState)
  • `randao_reveal` : un nombre généré de manière aléatoire au niveau du protocole, proposé grâce à plusieurs proposants de bloc d’une époque.
  • `graffiti`: du texte de 32-byte (optionnel) soumis par les proposeurs de bloc
  • `signature` : la signature du validateur qui propose le bloc, qui permet de le responsabiliser : le rémunère s’il se comporte bien, le punit le cas inverse.

• Consensus: contient les informations nécessaires pour coordonner et vérifier le consensus de la blockchain, et implémenter le PoS

• Exécution: contient la charge du bloc Ethereum,c’est-à-dire toutes les données des transactions contenues dans le bloc. Très similaire à la structure des blocs Ethereum sous PoW, notamment pour des raisons de compatibilité. Voyons les quelques changements ci-dessous:

• `difficulty` : passe à 0, le PoS ne nécessite pas ce paramètre qui correspondait à la puissance de hachage nécessaire aux mineurs afin de miner le bloc.
• `sha3Uncles` et `uncles` : disparaissent car PoS ne produit pas naturellement de uncle blocks, ces blocs minés mais dépassés par une autre branche.

Cycle de vie des attestations Ethereum sous PoS 

via https://ethereum.org/en/developers/docs/consensus-mechanisms/pos/attestations 

Ressources

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