Analyse approfondie de l'extension off-chain

1. La nécessité de l'extension

La vision future de la blockchain est d'atteindre la décentralisation, la sécurité et l'évolutivité. Mais il est généralement possible de ne satisfaire que deux de ces trois exigences, ce qui est connu sous le nom de problème du triangle impossible de la blockchain. Actuellement, l'un des sujets chauds du développement de la blockchain est de savoir comment améliorer le débit et la vitesse des transactions de la blockchain tout en garantissant la décentralisation et la sécurité, c'est-à-dire résoudre le problème d'évolutivité.

Définition de la décentralisation, de la sécurité et de l'évolutivité de la blockchain:

• Décentralisé : tout le monde peut devenir un nœud participant à la production et à la validation du système blockchain, plus il y a de nœuds, plus le degré de décentralisation est élevé.

• Sécurité : Plus le coût pour obtenir le contrôle du système blockchain est élevé, plus la sécurité est forte, la chaîne peut résister à un plus grand pourcentage d'attaques de participants.

• Scalabilité : capacité de la blockchain à traiter un grand nombre de transactions.

La première grande bifurcation dure du réseau Bitcoin provient du problème d'évolutivité. Avec l'augmentation du nombre d'utilisateurs et du volume des transactions, la limitation de capacité de 1 Mo par bloc a entraîné une congestion du réseau. À partir de 2015, la communauté Bitcoin a commencé à diverger sur la question de l'évolutivité, ce qui a finalement conduit à la première grande bifurcation dure de Bitcoin le 1er août 2017, donnant naissance à BCH.

Le réseau Ethereum a également choisi de sacrifier une partie de sa scalabilité pour garantir la sécurité et la décentralisation. Depuis les CryptoKitties de 2017, jusqu'à l'été DeFi et les GameFi et NFT qui ont suivi, la demande du marché pour le débit n'a cessé d'augmenter. Cependant, Ethereum ne peut traiter que 15 à 45 transactions par seconde, ce qui entraîne une augmentation des coûts de transaction et un allongement des temps de règlement, rendant la plupart des DApps difficiles à supporter en termes de coûts d'exploitation. La solution d'extension idéale est d'augmenter la vitesse des transactions et le débit sans compromettre la décentralisation et la sécurité.

2. Types de solutions d'extension

Selon "si une couche de la chaîne principale est modifiée", les solutions d'extension peuvent être divisées en deux grandes catégories : l'extension on-chain et l'extension off-chain.

2.1 Scalabilité on-chain

Concept central : une solution visant à augmenter la capacité en modifiant un niveau du protocole de la chaîne principale, la principale solution actuelle étant le sharding.

L'extension on-chain se fait principalement par deux solutions :

1. Élargir l'espace de bloc, augmenter le nombre de transactions emballées dans chaque bloc, mais cela augmentera les exigences des équipements des nœuds et réduira le degré de décentralisation.

2. Sharding, divisant le grand livre de la blockchain en plusieurs parties, où différents nœuds sont responsables de la tenue des comptes, peut réduire la pression de calcul sur les nœuds et le seuil d'entrée, mais cela peut diminuer la sécurité de l'ensemble du réseau.

Modifier un protocole de la couche principale peut entraîner des effets négatifs imprévisibles, des failles de sécurité subtiles dans le fond peuvent sérieusement menacer la sécurité de l'ensemble du réseau.

2.2 off-chain extensibilité

Concept clé : solution d'extension qui ne modifie pas le protocole de la couche principale existante.

La solution d'extension off-chain peut être subdivisée en Layer2 et d'autres solutions :

Layer2:

• État du canal
• Sidechain
• Plasma
• Rollups( Optimisation des Rollups et des Rollups à connaissance nulle)

Autre:

• Validium

3. Solutions d'augmentation off-chain

3.1 State Channels

3.1.1 Résumé

Les canaux d'état stipulent que les utilisateurs n'ont besoin d'interagir avec la chaîne principale que lors de l'ouverture, de la fermeture ou de la résolution des litiges. Les interactions entre utilisateurs se font off-chain, afin de réduire le temps et le coût des transactions, permettant ainsi un nombre illimité de transactions.

Un canal d'état est un protocole P2P simple, adapté aux "applications basées sur des tours", comme une partie d'échecs à deux. Chaque canal est géré par un contrat intelligent multi-signatures fonctionnant sur la blockchain principale, ce contrat contrôle les actifs déposés dans le canal, vérifie les mises à jour d'état et arbitre les litiges entre les participants. Après le déploiement du contrat sur le réseau blockchain, les participants déposent des fonds et les verrouillent, et une fois que les deux parties ont signé, le canal est officiellement ouvert. Le canal permet aux participants d'effectuer un nombre illimité de transactions off-chain gratuites ( tant que la valeur nette du transfert ne dépasse pas le montant total des tokens déposés ). Les participants envoient alternativement des mises à jour d'état et attendent la confirmation de la signature de l'autre partie. Normalement, les mises à jour d'état convenues par les deux parties ne sont pas téléchargées sur la blockchain principale, seule la confirmation de la blockchain principale est requise en cas de litige ou de fermeture du canal. Lors de la fermeture du canal, n'importe quel participant peut soumettre une demande de transaction sur la blockchain principale, qui sera exécutée immédiatement si l'approbation de tous les signataires est obtenue, sinon il faudra attendre la fin de la "période de défi" pour recevoir les fonds restants.

Les canaux d'état peuvent réduire considérablement la charge de calcul du réseau principal, améliorer la vitesse des transactions et réduire les coûts des transactions.

3.1.2 Chronologie

• 2015/02 : Joseph Poon et Thaddeus Dryja publient un brouillon de livre blanc sur le réseau Lightning.

• 2015/11 : Jeff Coleman résume pour la première fois de manière systématique le concept de State Channel et propose que le Payment Channel de Bitcoin est un sous-cas du State Channel.

• 2016/01 : Joseph Poon et Thaddeus Dryja publient officiellement le livre blanc du réseau Lightning de Bitcoin, proposant un plan d'extension des Payment Channels.

• 2017/11 : Proposition de la première spécification de conception de State Channel basée sur le cadre Payment Channel, Sprites.

• 2018/06 : Counterfactual propose une conception détaillée des Generalized State Channels.

• 2018/10 : introduction des concepts de State Channel Networks et de Virtual Channels.

• 2019/02 : Le concept de canaux d'état est étendu aux canaux N-Party, Nitro est le premier protocole basé sur cette idée.

• 2019/10 : Pisa a élargi le concept de Watchtowers pour résoudre le problème de la connexion en ligne continue des participants.

• 2020/03 : Hydra a proposé des Fast Isomorphic Channels.

3.1.3 Principes techniques

Flux de travail des canaux d'état :

1. Alice et Bob ouvrent un canal d'état en déposant des fonds d'un EOA à une adresse de contrat sur la chaîne.

2. Alice et Bob peuvent effectuer un nombre illimité de transactions off-chain, en communiquant par des messages signés cryptographiquement. Les deux parties doivent signer chaque transaction pour éviter les attaques de double dépense.

3. Si Alice souhaite fermer le canal, elle doit soumettre l'état final au contrat. Si Bob signe pour approuver, le contrat libère alors les fonds bloqués en fonction de l'état final. Si Bob ne répond pas, le contrat libère les fonds après la fin de la période de contestation.

Dans le cas pessimiste, si Bob ne répond pas à la signature de mise à jour d'état d'Alice lors d'un tour, Alice peut soumettre le dernier état valide au contrat pour lancer un défi. Le contrat permet à Bob de répondre en soumettant le prochain état dans un délai. Si Bob répond, les deux parties peuvent continuer à échanger ; s'il ne répond pas, le contrat ferme automatiquement le canal et renvoie les fonds à Alice.

3.1.4 Avantages et inconvénients

Avantages:

• Confirmation instantanée
• Haut débit
• Faibles frais
• Bonne confidentialité

Inconvénients:

• Disponibilité faible
• Efficacité des fonds faible
• Difficile de traiter les transactions de grande valeur
• Non applicable aux contrats intelligents complexes

3.1.5 Application

Réseau Lightning de Bitcoin:

• Publication du projet de livre blanc en février 2015
• Publication de la version officielle du livre blanc en janvier 2016, création de Lightning Labs
• Version principale LND 0.4 publiée en mars 2018
• En juin 2021, le Salvador a adopté le Bitcoin comme monnaie légale, et en septembre, il a lancé le portefeuille Lightning Network Chivo.
• En 2022, plusieurs échanges ont pris en charge les dépôts et retraits via le réseau Lightning.
• En novembre 2022, le réseau Lightning avait 76 236 canaux de paiement, avec des fonds de 5049 BTC.

Développement écologique:

• Couche de base : réseau BTC
• Infrastructures de base: solutions de réseau Lightning, services de nœuds et de liquidité
• Applications de couche supérieure : services de paiement et financiers, etc.

Réseau Lightning Ethereum:

• Fondée en 2017, le fondateur est un développeur principal d'Ethereum.
• En octobre 2017, l'ICO a levé plus de 30 millions de dollars
• Le premier client léger Raiden a été lancé en mai 2020
• À la fin de 2021, plusieurs échanges retireront le jeton RDN.

Raisons pour lesquelles il n'a pas été largement adopté :

• Seuil d'utilisation élevé
• Apparition de technologies d'extension plus avancées.

Le développement de l'écosystème est actuellement lent et se transforme en une solution d'extension fonctionnant sur le réseau Rollup L2 d'Ethereum.

Celer Network:

• L'essence est d'ajouter une couche d'incitation au réseau Lightning
• Construire des DApps d'interaction haute fréquence rapides et à faible coût grâce à des techniques d'extension off-chain et à des modèles économiques incitatifs.
• Convient aux plateformes de jeux vidéo et autres scénarios à haute fréquence d'interaction
• Fondé en 2018, émission de jetons en mars 2019
• Le réseau principal Ethereum a été lancé en juillet 2019
• Actuellement transformé en une plateforme d'agrégation d'extension L2 prenant en charge les chaînes croisées.

3.1.6 Comparaison des applications

Réseau Lightning de Bitcoin:

• La mise en œuvre de canal d'état la plus mature
• Application étendue, écosystème riche

Réseau Lightning Ethereum:

• Développement de l'écosystème en stagnation
• Transformation en solution L2 Rollup

Celer Network:

• Augmentation de la conception de la couche d'incitation
• Devenu une plateforme d'agrégation L2 inter-chaînes

3.2 Sidechains

3.2.1 Résumé

Le concept de sidechain a été proposé pour la première fois en 2012 dans le salon de développeurs Bitcoin, et le premier article lié a été publié en 2014.

La chaîne latérale est une forme de blockchain créée pour accélérer les transactions Bitcoin, permettant l'utilisation de contrats plus complexes ou l'amélioration des mécanismes de consensus. Les résultats des transactions sur la chaîne latérale seront finalement enregistrés du côté des validateurs. Ce modèle est une infrastructure qui s'attache à la chaîne principale et aide la chaîne principale à résoudre des problèmes.

3.2.2 Chronologie

• 2012/01 : Le concept de sidechain Bitcoin est proposé dans le chat.
• 2014/10: Publication du document sur les chaînes latérales Bitcoin
• 2017/04: Mise en ligne du testnet POA Network
• 2017/10:Lancement de Matic Network
• 2017/12: Lancement du réseau principal POA Network
• 2018/01: Mise en ligne du testnet Skale
• 2018/10: lancement du testnet de xDai Chain
• 2020/06: Lancement du réseau principal de Skale
• 2020/06:Lancement de la chaîne principale Matic PoS
• 2021/02: Matic a été renommé Polygon
• 2021/02 : Lancement de la chaîne latérale Ronin d'Axie Infinity
• 2021/12: Fusion de xDai Chain et Gnosis Dao
• 2022/03: POA Network fusionne avec Gnosis Chain

3.2.3 Principe technique

Il existe principalement deux manières pour les sidechains de communiquer avec la chaîne principale :

1. Ancrage bidirectionnel ( Symmetric Pegged ): Les validateurs de la chaîne principale et de la chaîne latérale enregistrent en temps réel l'état actuel de l'autre. En utilisant la technologie SPV bidirectionnelle, lorsque le token de la chaîne principale est envoyé à la chaîne latérale, un SPV-Locked Output est généré, qui ne peut être déverrouillé que par les validateurs de la chaîne latérale à l'aide d'une preuve SPV.

Principales étapes :

• L'utilisateur envoie des actifs à l'adresse spéciale SPV-Locked Output
• Soumettre la preuve SPV à la chaîne latérale après la période de confirmation.
• Attendre la période de contestation pour éviter les attaques de double dépense
• Une fois terminé, les utilisateurs peuvent utiliser les actifs emballés nouvellement émis sur la chaîne latérale.

2. Ancrage déséquilibré ( Pegged asymétrique ): Les validateurs de sidechain surveillent en temps réel l'activité de la chaîne principale. Lorsqu'un transfert est effectué de la chaîne principale vers la sidechain, celle-ci peut enregistrer activement, mais lors d'un transfert de la sidechain vers la chaîne principale, le mécanisme des Certifiers doit être introduit. Les Certifiers enregistrent des informations clés et valident les transactions renvoyées par la sidechain via une signature agrégée.

En termes simples, le mécanisme de sidechain : Chaîne latérale : la chaîne principale verrouille les actifs, la chaîne latérale génère des actifs encapsulés. Mainchain : destruction des actifs encapsulés sur la sidechain, déblocage des actifs sur la mainchain

La sécurité des actifs de la chaîne latérale dépend du mécanisme de consensus de la chaîne latérale. Si des actifs générés par la chaîne latérale ne correspondent pas à ceux de la chaîne principale, la destruction de ces actifs pour demander le déverrouillage à la chaîne principale présente un risque de vol de fonds.

3.2.4 Avantages et inconvénients

Avantages :

• Haute flexibilité
• Alléger la charge de la chaîne principale
• Forte évolutivité
• Bonne compatibilité

Inconvénients :

• Degré de décentralisation faible
• La sécurité est relativement faible
• Besoin de faire confiance aux validateurs de chaîne latérale
• Transfert inter-chaînes