Optimiser le passage à l'échelle de la blockchain : avancées dans les applications et protocoles des Zk-rollups

Unleashing Blockchain Scalability : Advances in Zk-Rollup Applications and Protocols

• Auteur / Autrice : Thomas Lavaur
• Direction : Jérôme Lacan, Caroline Ponzoni Carvalho Chanel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique et Télécommunications
• Date : Soutenance le 27/09/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique et télécommunications (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département d’ingénierie des systèmes complexes
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de délivrance conjointe : Université Toulouse 3 Paul Sabatier (1969-2024)
• Jury : Président / Présidente : Abdelmalek Benzekri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anca Nitulescu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniel Augot, Sébastien Canard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Protection de l'information (informatique)

Preuves à divulgation nulle de connaissance

Blockchains

Mots clés libres

Blockchain

Divulgation nulle

Rollups

Décentralisation

Sécurité

Calcul vérifiable

Blockchain

Zero-Knowledge

Rollups

Decentralization

Security

Verifiable Computation

Résumé

De nos jours, la plupart des applications utilisées par la majorité des utilisateurs sont centralisées et contrôlées, soit par des entreprises, soit par des gouvernements. Ces modèles présentent des lacunes en termes de sécurité, de confidentialité, de transparence et de confiance. Les chaînes de blocs ou blockchains (BC) ont répondu partiellement à ces problématiques depuis la dernière décennie en proposant une approche décentralisée et sécurisée par des protocoles cryptographiques. Cependant, l'adoption généralisée des BCs est freinée par des défis liés à son passage à l'échelle et à sa forte transparence. Leur incapacité à traiter une grande quantité d'information à faible coût et leur totale transparence entravent leur utilisation. Les zk-rollups, une solution récente de passage à l'échelle, répondent parfaitement aux problématiques rencontrées lors de l'adoption des BCs. En plus d'augmenter la quantité d'information traitée à moindre coût, ils apportent de nouvelles propriétés de confidentialité jusqu'ici difficiles à mettre en place dans un écosystème BC. Les zk-rollups utilisent les preuves de calcul vérifiables (VC), un domaine de recherche émergeant reprenant les concepts des preuves à divulgation nulle de connaissance (ZK). Malgré ce domaine en pleine effervescence qui attire l'attention de nombreux chercheurs depuis plusieurs décennies, la recherche académique sur les protocoles et les applications de zk-rollup est quasiment inexistante. Comprendre en profondeur les différents mécanismes et proposer de nouvelles solutions innovantes pour améliorer cette technologie récente est pourtant indispensable à leur adoption à grande échelle. Dans cette thèse nous proposons de nouveaux protocoles pour les zk-rollups et de nouvelles applications utilisant leurs architectures afin de combler ces lacunes.

Nowadays, most of the applications used by the vast majority of users are centralized and controlled either by companies or by governments. This model present weaknesses in terms of security, confidentiality, transparency and reliability. Blockchains (BC) have partially solved these problems over the past decade, offering a decentralized approach secured by cryptographic protocols. However, the widespread adoption of BCs is made difficult by challenges related to scaling and transparency. BCs' difficulty in processing large quantities of information at low cost and their total transparency also hinder their use. A recent solution to these scaling issues is the zk-rollup, a perfect answer to the problems encountered when adopting BCs. In addition to increasing the quantity of information processed at a lower cost, they introduce new properties providing confidentiality that was previously difficult to implement in BC ecosystems. Zk-rollups make use of proofs of computational integrity, a field of research included in the field of zero-knowledge (ZK) proofs. Despite verifiable computation (VC) being a burgeoning field that has attracted many researchers' attention for several decades, academic research into zk-rollup protocols and applications is almost non-existent. An in-depth understanding of the various mechanisms and innovative improvements to this recent technology is nevertheless absolutely essential for its widespread adoption. In this thesis, we focus on new protocols for zk-rollups and new applications using their architectures to remedy these weaknesses and fill this gap in academic research. We first present a new multivariate polynomial commitment scheme (PCS) enabling a prover to convince a verifier of the evaluation of a multivariate polynomial on several points. Our scheme is the first to propose such a protocol using elliptic curves, opening up the possibility of future improvements in VC protocols, useful in zk-rollup and greatly improving data availability verification used to scale BCs. We then present two contributions presenting two new protocols for zk-rollups. The first explores an alternative to the fee-based transaction selection model included in the circuit of a zk-rollup. It allows the number of transactions issued per account to be controlled. Our second contribution proposes and evaluates the cohabitation of several rollups within the same smart contracts (SC), drastically reducing the cost of their deployment. In parallel, we propose a new type of transaction between rollups, taking advantage of this new cohabitation and reducing the cost of cross-rollup communication. Thirdly, we have developed two applications using the zk-rollup architecture. The first enhances a standard randomness beacon proposed by the NIST. This beacon emits random numbers at regular time intervals on a public database. Using the properties of VC, we correct the beacon's main vulnerabilities and use it as the basis for our proposal of a new multi- party protocol. Finally, we have proposed, implemented and deployed an online multi-agent multi-task assignment system proven thanks to zk-rollup architecture. Our results are encouraging and demonstrate the possible use of zk- rollup in systems with low computational capacity. We are opening the way for previously impossible decentralized applications for light devices without sacrificing security and/or scalability.