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 généralement, il n'est possible de satisfaire que deux de ces trois conditions en même temps, ce qui est appelé le problème du triangle impossible de la blockchain. Depuis des années, les gens explorent 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.

Définissons d'abord la décentralisation, la sécurité et la scalabilité de la blockchain :

• Décentralisation : Tout le monde peut devenir un nœud participant au système blockchain, plus il y a de nœuds, plus le degré de décentralisation est élevé.

• Sécurité : Plus le coût d'acquisition du contrôle du système blockchain est élevé, plus la sécurité est grande, la chaîne peut résister à une plus grande proportion d'attaques.

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

La première grande fourche dure du réseau Bitcoin est née du problème de mise à l'échelle. Avec l'augmentation du nombre d'utilisateurs et du volume des transactions, le réseau Bitcoin avec une limite de 1 Mo par bloc a commencé à faire face à des problèmes de congestion. À partir de 2015, la communauté Bitcoin a eu des divergences sur le problème de mise à l'échelle, d'une part, certains soutenaient l'élargissement des blocs, tandis que d'autres soutenaient l'utilisation de la solution SegWit pour optimiser la structure de la chaîne principale. Le 1er août 2017, ceux qui soutenaient l'élargissement des blocs ont développé un système client de 8 Mo et l'ont mis en marche, entraînant la première grande fourche dure du Bitcoin, tout en donnant naissance à une nouvelle cryptomonnaie, le BCH.

Le réseau Ethereum a également choisi de sacrifier une partie de l'évolutivité pour garantir la sécurité et la décentralisation du réseau. Bien qu'Ethereum ne limite pas la taille des blocs comme le fait Bitcoin, il limite le volume des transactions en fixant un plafond unique sur les frais de carburant par bloc, dans le but d'atteindre un consensus sans confiance et d'assurer une large distribution des nœuds.

Depuis les CryptoKitties de 2017, l'été DeFi, jusqu'à l'émergence ultérieure des applications on-chain telles que GameFi et NFT, la demande du marché pour la capacité de traitement augmente constamment, mais Ethereum ne peut traiter que 15 à 45 transactions par seconde. Cela entraîne une augmentation continue des coûts de transaction, des temps de règlement plus longs, et la plupart des Dapps ont du mal à supporter les coûts d'exploitation, rendant l'ensemble du réseau lent et coûteux, avec un besoin urgent de résoudre le problème de scalabilité. La solution de scalabilité idéale est d'augmenter autant que possible la vitesse et la capacité de traitement du réseau blockchain, sans compromettre la décentralisation et la sécurité.

2. Catégories des solutions d'extension

Nous avons classé les solutions d'extension en deux grandes catégories : l'extension on-chain et l'extension off-chain, selon le critère "si cela change le niveau de la chaîne principale".

2.1 Scalabilité on-chain

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

Il existe plusieurs solutions pour l'extension on-chain, cet article ne les développera pas, mais énumérera brièvement deux solutions :

• La première solution consiste à élargir l'espace de bloc, c'est-à-dire à augmenter le nombre de transactions empaquetées dans chaque bloc, mais cela augmentera les exigences en matière de matériel pour les nœuds à haute performance, augmentant le seuil d'entrée pour les nœuds et réduisant le degré de décentralisation.

• La solution deux est le sharding, qui divise le grand livre de la blockchain en plusieurs parties, chaque fragment étant géré par différents nœuds responsables de la comptabilité. Le calcul parallèle peut traiter plusieurs transactions simultanément ; cela réduit la pression de calcul sur les nœuds et le seuil d'entrée, tout en augmentant la vitesse de traitement des transactions et le degré de décentralisation. Cependant, cela signifie que la puissance de calcul du réseau est répartie, ce qui peut diminuer la sécurité de l'ensemble du réseau.

Modifier le code d'un protocole de réseau principal peut avoir des conséquences négatives imprévisibles, car toute vulnérabilité de sécurité, même mineure, dans la couche sous-jacente peut menacer gravement la sécurité de l'ensemble du réseau, qui pourrait être contraint de procéder à un fork ou d'interrompre une mise à niveau de réparation.

2.2 off-chain extensibilité

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

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

Layer2:

• Canaux d'État
• Plasma
• Rollups
  • Optimistic Rollups
  • ZK Rollups

Autres:

• Sidechains
• Validium

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 blockchain principale que lors de l'ouverture, de la fermeture ou de la résolution des litiges, et que les interactions entre les utilisateurs doivent se faire en off-chain, afin de réduire le temps et le coût des transactions, tout en permettant un nombre illimité de transactions.

Les canaux d'état sont des protocoles P2P simples, adaptés aux "applications basées sur des tours", comme les jeux d'échecs à deux joueurs. Chaque canal est géré par un contrat intelligent multi-signatures fonctionnant sur la chaîne principale, qui contrôle les actifs déposés dans le canal, vérifie les mises à jour d'état et arbitre les disputes entre les participants. Après le déploiement du contrat sur le réseau blockchain, les participants déposent une somme d'argent et la verrouillent; une fois que les deux parties ont signé et confirmé, le canal est officiellement ouvert. Le canal permet des transactions off-chain illimitées et gratuites entre les participants tant que la valeur nette de leurs transferts ne dépasse pas le montant total des jetons déposés. Les participants envoient à tour de rôle des mises à jour d'état à l'autre, attendant la confirmation par signature de l'autre partie. Une fois que l'autre partie a signé, cette mise à jour d'état est considérée comme terminée. 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. Lorsqu'il est nécessaire de fermer le canal, n'importe quel participant peut soumettre une demande de transaction sur la chaîne principale, et si la demande de retrait obtient l'approbation 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 des soldes de chaque participant dans l'état final du canal; si d'autres participants n'ont pas approuvé par signature, alors tout le monde doit attendre la fin de la "période de contestation" pour recevoir les fonds restants.

En résumé, le plan de canal d'état peut considérablement réduire la charge de calcul du réseau principal, améliorer la vitesse des transactions et réduire les coûts de transaction.

(# 3.1.2 Chronologie

• En février 2015, Joseph Poon et Thaddeus Dryja ont publié un brouillon du livre blanc sur le réseau Lightning.

• En novembre 2015, Jeff Coleman a systématiquement résumé le concept de State Channel pour la première fois, en proposant que le Payment Channel de Bitcoin est 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 » proposant un schéma d'extension du réseau Lightning de Bitcoin, le Payment Channel ), ce schéma étant utilisé uniquement pour traiter les paiements de transfert sur le réseau Bitcoin.

• En novembre 2017, le premier spécification de conception de State Channel basé sur le cadre Payment Channel, Sprites, a été proposé.

• 2018/06, Counterfactual a proposé un design très détaillé des Generalized State Channels, c'est le premier design entièrement lié aux state channels.

• 2018/10, l'article Generalised State Channel Networks a introduit les concepts de State Channel Networks et de Virtual Channels.

• 2019/02, le concept de canal d'état a été étendu aux N-Party Channels, Nitro est le premier protocole basé 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 en ligne en permanence.

• 2020/03, Hydra a proposé des Canaux Isomorphes Rapides.

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)# 3.1.3 Principes techniques

Flux de travail général des canaux d'état :

1. Alice et Bob déposent des fonds de leurs comptes personnels à l'adresse du 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 effectuer un nombre illimité de transactions off-chain, les participants communiquent entre eux par des messages signés cryptés ( au lieu de communiquer avec le réseau blockchain ). Les deux utilisateurs doivent signer chaque transaction pour éviter la double dépense malveillante. Grâce à ces messages, ils proposent des mises à jour de l'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 verrouillés en fonction de l'état final et les renverra à l'utilisateur correspondant. Si Bob ne répond pas à la signature, le contrat libérera les fonds verrouillés et les renverra à l'utilisateur correspondant après la fin de la période de challenge.

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)# 3.1.4 Avantages et inconvénients

Avantages :

• Confirmation instantanée des transactions
• Haute capacité de traitement
• Faibles frais
• Protéger la vie privée

Inconvénients:

• Nécessite de verrouiller les fonds
• Nécessite une surveillance en ligne continue
• Le seuil d'infrastructure est élevé
• Impossible d'effectuer des opérations complexes
• Besoin de coordination off-chain
• Impossible de prendre en charge la collaboration multi-parties

(# 3.1.5 Application

)## Réseau Lightning Bitcoin

Aperçu: Le réseau Lightning est un canal de paiement à faible montant du réseau Bitcoin, dont l'évolution technique globale a traversé : la construction d'un canal de paiement unidirectionnel avec 2/2 multi-signatures, l'ajout de RSMC permettant de créer un canal de paiement bidirectionnel, puis l'ajout de HTLC permettant d'étendre le canal de paiement à des paiements multi-utilisateurs, et enfin la construction du réseau de paiement, c'est-à-dire le réseau Lightning. Grâce aux canaux de paiement à faible montant off-chain, et en s'appuyant sur des intermédiaires pour former un réseau de transactions, il est possible de résoudre le problème de scalabilité du réseau Bitcoin. L'utilisation globale du réseau Lightning suit le processus "Dépôt ### Établir un canal ### → Transactions du réseau Lightning ### Mettre à jour l'état du canal ( → Remboursement/Clôture ) Terminer le canal (" ; théoriquement, le réseau Lightning peut traiter un million de transactions par seconde.

Chronologie:

• En février 2015, Joseph Poon et Thaddeus Dryja ont publié le brouillon du livre blanc sur le réseau Lightning;
• La version officielle du livre blanc a été publiée en janvier 2016 et Lightning Labs a été fondée;
• Le 15 mars 2018, Lightning Labs a publié la première version du réseau Lightning, le Lightning Network Daemon )LND( version 0.4.
• Début 2021, la capacité publique du réseau Lightning était de )TVL( d'environ 40 millions de dollars, avec environ 100 000 utilisateurs utilisant le réseau Lightning.
• En juin 2021, le Salvador a annoncé l'adoption du Bitcoin comme monnaie légale, et en septembre, il a publié le portefeuille Chivo basé sur le réseau Lightning.
• En 2022, Cash App et 26 plateformes d'échange de cryptomonnaies, y compris OKX, Kraken et Bitfinex, ont annoncé le support du Lightning Network, permettant des dépôts et retraits BTC instantanés et peu coûteux.
• En octobre 2022, Lightning Labs a publié un nouveau protocole basé sur Taproot ------ Taro protocol) version alpha(, qui est actuellement en phase de test sur le réseau de test. À l'avenir, il pourra être utilisé pour frapper, envoyer et recevoir des actifs sur le réseau Bitcoin, et pour effectuer des transactions instantanées, à grande échelle et à faible coût via le réseau Lightning.
• 23 novembre 2022, selon 1ml.com, le réseau Lightning compte 76 236 canaux de paiement, avec des fonds de canal de 5049 $BTC)$81,8M(.

Développement écologique: L'écosystème du réseau Lightning BTC se compose de bas en haut : le réseau BTC de base --- les infrastructures fondamentales --- divers Dapps.

Les infrastructures de base comprennent

• Solutions de réseau Lightning : les particuliers et les entreprises peuvent exécuter des programmes logiciels connectés au réseau Lightning, dont la part de marché la plus importante est détenue par Lightning Labs.
• Nœuds et services de liquidité : étant donné que l'exécution indépendante des nœuds par les utilisateurs est relativement complexe, il est nécessaire de fournir une interface plus conviviale pour aider à gérer les canaux de paiement instantané.

Au-dessus des infrastructures de base se trouvent divers services de paiement et financiers ainsi que des applications, par exemple, Strike construit sur la solution LND permet aux utilisateurs d'acheter et de vendre des BTC, de récompenser les créateurs sur Twitter avec des BTC et de permettre aux commerçants de Shopify d'accepter des BTC, etc.

Jusqu'en novembre 2022, le nombre de Dapps basées sur le réseau Lightning de Bitcoin a augmenté pour dépasser 20 catégories et plus de 100 applications. Les catégories d'applications comprennent principalement les paiements via le réseau Lightning de Bitcoin, les portefeuilles, la gestion des nœuds, les extensions de navigateur, les podcasts et le streaming, entre autres. Actuellement, la couche de base technique associée à l'infrastructure des nœuds est presque mature, le support des portefeuilles augmente, l'intégration des services financiers et des paiements continue de croître, et un plus grand nombre d'applications de divertissement sont construites sur le réseau Lightning, l'écosystème du réseau Lightning est en pleine expansion.

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)## Réseau Lightning Ethereum

Aperçu: Foudre