Rapport de recherche approfondi : Analyse complète de l'extension off-chain

Auteur : Ellaine Xu, Hettie Jiang, June Wang, Walon Lin, Yiliu Lin

1. La nécessité de l'extension

L'avenir de la blockchain est une vision grandiose : décentralisation, sécurité et évolutivité ; mais généralement, la blockchain ne peut réaliser que deux de ces trois éléments, et satisfaire ces trois exigences est connu sous le nom de paradoxe de l'impossible triangle de la blockchain. Pendant des années, les gens ont exploré comment résoudre ce dilemme, 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 de l'évolutivité, qui est l'un des sujets de discussion brûlants dans le processus de développement actuel de la blockchain.

Définissons d'abord de manière générale la décentralisation, la sécurité et l'évolutivité de la blockchain:

• Décentralisation : 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, garantissant ainsi que le réseau n'est pas contrôlé par un petit groupe de grands participants centralisés.
• Sécurité : Plus le coût pour obtenir le contrôle d'un système blockchain est élevé, plus la sécurité est élevée, alors la chaîne peut résister à une proportion plus importante d'attaquants.
• Scalabilité : la capacité de la blockchain à traiter un grand nombre de transactions.

La première grande hard fork du réseau Bitcoin est née d'un problème d'extension. Avec l'augmentation du nombre d'utilisateurs et du volume des transactions de Bitcoin, le réseau Bitcoin, avec une limite de 1 Mo par bloc, a commencé à faire face à des problèmes de congestion ; depuis 2015, il y a des divergences au sein de la communauté Bitcoin concernant le problème d'extension, d'un côté, il y a le camp pro-extension représenté par Bitcoin ABC, qui soutient l'augmentation de la taille des blocs, et de l'autre, il y a le camp des petits blocs représenté par Bitcoin Core, qui estime qu'il faut optimiser la structure de la chaîne principale en utilisant la solution Segwit. Le 1er août 2017, le système client développé par Bitcoin ABC à 8 Mo a commencé à fonctionner, entraînant la première grande hard fork de l'histoire de Bitcoin, et c'est ainsi qu'une nouvelle cryptomonnaie, le BCH, est née.

De même, le réseau Ethereum a également choisi de sacrifier une partie de sa scalabilité pour garantir la sécurité et la décentralisation du réseau ; bien que le réseau Ethereum n'ait pas limité le volume des transactions en restreignant la taille des blocs comme le fait le réseau Bitcoin, il a en quelque sorte transformé cela en imposant un plafond sur les frais de carburant pouvant être acceptés par un seul bloc, mais le but est le même : réaliser un consensus sans confiance et garantir une large distribution des nœuds(. Que ce soit en annulant ou en augmentant le plafond, cela éliminera de nombreux petits nœuds qui manquent de bande passante, de stockage et de capacité de calcul).

Depuis CryptoKitties en 2017, l'été DeFi, puis l'émergence ultérieure des applications on-chain telles que GameFi et NFT, la demande du marché pour le débit n'a cessé d'augmenter. Cependant, même Ethereum, qui est Turing-complet, ne peut traiter que 15 à 45 transactions par seconde(TPS), ce qui entraîne une augmentation continue des coûts de transaction, des temps de règlement plus longs et rend la plupart des Dapps difficilement viables en termes de coûts d'exploitation. L'ensemble du réseau devient également lent et coûteux pour les utilisateurs, et le problème de l'évolutivité de la blockchain doit être résolu de toute urgence. La solution d'évolutivité idéale serait de : augmenter autant que possible la vitesse des transactions du réseau blockchain( un temps de finalité) plus court et un débit de transaction( un TPS) plus élevé, sans sacrifier la décentralisation et la sécurité.

2. Catégories de solutions d'évolutivité

Nous classons les solutions d'extension en deux grandes catégories, à savoir l'extension on-chain et l'extension off-chain, selon le critère "s'il y a un changement de la couche principale du réseau".

2.1 Extensibilité on-chain

Concept clé : une solution visant à atteindre un effet d'évolutivité en modifiant un niveau du protocole de la chaîne principale, la principale solution actuelle étant le sharding.

Il existe plusieurs solutions pour l'évolutivité en chaîne, cet article ne les développera pas, voici un bref aperçu de deux solutions :

• La solution un est d'élargir l'espace de bloc, c'est-à-dire d'augmenter le nombre de transactions empaquetées dans chaque bloc, mais cela augmentera les exigences pour les dispositifs de nœuds hautes performances, augmentant ainsi le seuil d'entrée pour les nœuds et diminuant le degré de "décentralisation".
• La deuxième solution est le sharding, qui divise le grand livre de la blockchain en plusieurs parties. Au lieu que chaque nœud participe à tous les enregistrements, différents shards, c'est-à-dire différents nœuds, sont responsables de différents enregistrements. Le calcul parallèle peut traiter plusieurs transactions simultanément ; cela peut réduire la pression de calcul sur les nœuds et le seuil d'entrée, augmentant ainsi la vitesse de traitement des transactions et le degré de décentralisation. Cependant, cela signifie que la puissance de calcul du réseau est dispersée, ce qui peut réduire la "sécurité" de l'ensemble du réseau.

Modifier le code d'un protocole de blockchain principal peut avoir des conséquences négatives imprévisibles, car la moindre faille de sécurité sous-jacente peut gravement menacer la sécurité de l'ensemble du réseau, qui peut être contraint de forker ou de suspendre des mises à jour de réparation. Par exemple, l'incident de la faille d'inflation de Zcash en 2018 : le code de Zcash est basé sur une modification du code de Bitcoin version 0.11.2, et en 2018, un ingénieur a découvert une faille critique dans le code sous-jacent, à savoir que les jetons pouvaient être émis à l'infini. L'équipe a alors passé 8 mois à corriger secrètement cette faille, et cet incident n'a été rendu public qu'après la correction.

2.2 off-chain Expansion

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

Les solutions d'extension off-chain peuvent être subdivisées en Layer2 et d'autres solutions :

3. Solutions d'extension off-chain

3.1 Canaux d'état

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 d'un différend dans le canal, et que l'interaction entre utilisateurs se fait hors chaîne, afin de réduire le temps et le coût des transactions pour les utilisateurs, tout en permettant un nombre illimité de transactions.

Les canaux d'état sont un protocole P2P simple, adapté aux "applications basées sur des tours", par exemple, un jeu d'échecs à deux. Chaque canal est géré par un contrat intelligent multi-signatures fonctionnant sur la chaîne principale, ce contrat contrôle les actifs déposés dans le canal, vérifie les mises à jour d'état et arbitre les litiges entre les participants ( selon les preuves de fraude ) accompagnées de signatures et d'horodatages. Après le déploiement du contrat sur le réseau blockchain, les participants déposent des fonds et les verrouillent, et après confirmation par les deux parties, le canal est officiellement ouvert. Le canal permet aux participants d'effectuer un nombre illimité de transactions off-chain gratuitement ( tant que la valeur nette de leurs transferts ne dépasse pas le montant total des jetons déposés ). Les participants envoient alternativement des mises à jour d'état à l'autre, attendant la confirmation de signature de l'autre partie. Une fois que l'autre partie a confirmé par sa signature, cette mise à jour d'état est considérée comme complétée. Normalement, les mises à jour d'état convenues par les deux parties ne sont pas téléchargées sur la chaîne principale, elles ne dépendent de la confirmation de la chaîne principale qu'en cas de litige ou de fermeture du canal. Lorsque le canal doit être fermé, n'importe quel participant peut soumettre une demande de transaction sur la chaîne principale, si la demande de sortie reçoit l'approbation de tous par signature unanime, elle est immédiatement exécutée sur la chaîne, c'est-à-dire que le contrat intelligent distribue les fonds verrouillés restants en fonction du solde de chaque participant dans l'état final du canal ; si d'autres participants n'ont pas approuvé par signature, tous doivent attendre la fin de la "période de contestation" pour recevoir les fonds restants.

En résumé, le schéma des canaux d'état peut considérablement réduire la charge de calcul sur la chaîne principale, améliorer la vitesse des transactions et réduire le coût des transactions.

3.1.2 Chronologie

• 2015/02, Joseph Poon et Thaddeus Dryja ont publié un brouillon de livre blanc sur le réseau Lightning.
• 2015/11, Jeff Coleman a d'abord résumé systématiquement le concept de State Channel, en proposant que le Payment Channel de Bitcoin soit un sous-cas du concept de State Channel.
• 2016/01, Joseph Poon et Thaddeus Dryja ont officiellement publié le livre blanc "The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments" qui propose une solution d'extension pour le réseau Lightning de Bitcoin, Payment Channel(, cette solution est uniquement destinée à traiter les paiements sur le réseau Bitcoin.
• Novembre 2017, la première spécification de conception concernant State Channel basée sur le cadre Payment Channel, Sprites, a été proposée.
• 2018/06, Counterfactual a proposé un design très détaillé des Generalized State Channels, qui est le premier design entièrement lié aux State Channels.
• 2018/10, l'article Generalised State Channel Networks a proposé les concepts de State Channel Networks et de Virtual Channels.
• 2019/02, le concept de canaux d'état a été étendu aux canaux N-Party, Nitro est le premier protocole établi sur cette idée.
• 2019/10, Pisa a élargi le concept de Watchtowers pour résoudre le problème de la nécessité pour tous les participants d'être continuellement en ligne.
• 2020/03, Hydra a proposé des Fast Isomorphic Channels.

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3.1.3 Principe technique

Flux de travail général des canaux d'état :

1. Alice et Bob déposent des fonds d'un EOA personnel à une adresse de contrat on-chain, ces fonds étant verrouillés dans le contrat jusqu'à ce que le canal soit fermé, moment auquel le solde est retourné à l'utilisateur ; après confirmation par signature, le canal d'état entre les deux est officiellement ouvert.

2. Alice et Bob peuvent théoriquement effectuer un nombre illimité de transactions off-chain via ce canal, les participants communiquant par des messages signés cryptés ) plutôt qu'avec le réseau blockchain (. Les utilisateurs des deux parties doivent signer chaque transaction pour éviter la fraude par double dépense. Grâce à ces messages, ils proposent des mises à jour d'état de leur compte et acceptent les mises à jour d'état proposées par l'autre.

3. Si Alice souhaite fermer le canal et mettre fin à la transaction avec Bob, Alice doit soumettre l'état final de son compte au contrat. Si Bob signe pour approuver, le contrat libérera les fonds bloqués et les renverra à l'utilisateur correspondant en fonction de l'état final. Si Bob ne répond pas à la signature, le contrat libérera les fonds bloqués et les renverra à l'utilisateur correspondant après la fin de la période de contestation.

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3.1.4 Avantages et inconvénients

Avantages :

• Confirmation instantanée
• Coût bas
• Haute confidentialité
• Pas besoin de faire confiance à un tiers

Inconvénients :

• Nécessite plusieurs connexions en ligne
• Impossible de traiter les retraits en masse
• Besoin de verrouiller les fonds à l'avance
• Ne s'applique pas aux applications complexes

3.1.5 Application

Réseau Lightning Bitcoin

Résumé : Le réseau Lightning est un canal de paiement à faible montant sur le réseau Bitcoin, dont l'évolution technique globale a connu : la construction d'un canal de paiement unidirectionnel à 2/2 multisignatures, l'ajout de RSMC )Revocable Sequence Maturity Contract( permettant de construire un canal de paiement bidirectionnel, puis l'ajout de HTLC )Hash Time Lock Contract( pour étendre les canaux de paiement à plusieurs utilisateurs, et finalement la construction d'un réseau de paiement, c'est-à-dire le réseau Lightning. Grâce à des canaux de paiement à faible montant hors chaîne, puis en utilisant des intermédiaires pour former un réseau de transactions, il est possible de résoudre le problème de l'évolutivité du réseau Bitcoin. L'utilisation globale du réseau Lightning suit le processus suivant : "Dépôt ) Établir un canal ( → Transaction du réseau Lightning ) Mise à jour de l'état du canal ( → Remboursement / Règlement ) Clôturer le canal (" ; théoriquement, le réseau Lightning peut traiter un million de transactions par seconde.

Chronologie:

• Février 2015, publication du projet de livre blanc
• En janvier 2016, publication de la version officielle du livre blanc et création de Lightning Labs.
• Mars 2018, publication de la première version du réseau principal
• En 2021, plusieurs échanges soutiennent, El Salvador adopte
• En 2022, développer davantage l'écosystème

Développement écologique:

• Couche de base : réseau BTC
• Infrastructure de base: solutions de réseau Lightning, nœuds et services de liquidité
• Applications de niveau supérieur: paiement, services financiers et autres types d'applications

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Réseau Lightning Ethereum

Aperçu : Le réseau Lightning est un canal de paiement de petite taille basé sur Ethereum, similaire au réseau Lightning, dont le but est de permettre des paiements ERC20 quasi instantanés, à faible coût et évolutifs.

Chronologie:

• Fondé en 2017
• ICO d'octobre 2017
• Lancement du mainnet en mai 2020
• À la fin de 2021, plusieurs échanges ont retiré des tokens.

Actuellement peu utilisé, les raisons incluent :

1. Utilisation des seuils élevés
2. est apparu plus tôt