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, seulement deux d'entre elles peuvent être réalisées, ce qui est connu sous le nom de 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, qui est l'un des sujets brûlants du développement actuel de la blockchain.

La décentralisation, la sécurité et l'évolutivité de la blockchain sont définies comme suit :

• Décentralisé : Toute personne 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 que le réseau n'est pas contrôlé par un petit groupe.

• Sécurité : plus le coût d'obtention du contrôle du système blockchain est élevé, plus la sécurité est élevée, la chaîne peut résister à un plus grand pourcentage d'attaques des participants.

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

La première bifurcation majeure du réseau Bitcoin est née du problème d'extensibilité. Avec l'augmentation du nombre d'utilisateurs et du volume des transactions, le réseau Bitcoin, avec une limite de bloc de 1 Mo, a commencé à faire face à des congestions. Depuis 2015, la communauté Bitcoin est divisée sur l'extensibilité, une partie soutenant l'augmentation de la taille des blocs, tandis que l'autre préconise l'utilisation de la solution SegWit pour optimiser la structure de la chaîne principale. Le 1er août 2017, la partie qui soutenait les grands blocs a développé indépendamment un système client de 8 Mo, ce qui a entraîné la première bifurcation majeure du Bitcoin, donnant naissance à une nouvelle cryptomonnaie, le BCH.

Le réseau Ethereum choisit également de sacrifier une partie de l'évolutivité pour garantir la sécurité et la décentralisation, en limitant les frais de gas pouvant être contenus dans un seul bloc pour restreindre le volume des transactions, avec pour objectif d'atteindre un consensus sans confiance et d'assurer une large distribution des nœuds.

Depuis les CryptoKitties de 2017 jusqu'à l'émergence ultérieure d'applications telles que DeFi, GameFi et NFT, la demande de capacité de traitement sur le marché 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 soutenir en termes de coûts d'exploitation. L'ensemble du réseau devient lent et coûteux pour les utilisateurs, et le problème de l'évolutivité de la blockchain doit être résolu de toute urgence. La solution idéale d'évolutivité est d'augmenter autant que possible la vitesse et la capacité de traitement des transactions, sans sacrifier la décentralisation et la sécurité.

2. Catégories des solutions d'évolutivité

Nous pouvons classer les solutions d'extension en deux grandes catégories : l'extension on-chain et l'extension off-chain, selon "si une couche de la blockchain principale est modifiée".

2.1 extension on-chain

Concept clé : une solution visant à 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 sur la chaîne, en voici deux en résumé :

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

• Sharding, qui divise le livre de comptes de la blockchain en plusieurs parties, chaque nœud étant responsable de la comptabilité différente, permet un calcul parallèle pouvant traiter plusieurs transactions simultanément. Cela peut réduire la pression de calcul sur les nœuds et le seuil d'entrée, améliorer la vitesse de traitement des transactions et le degré de décentralisation, mais cela peut également réduire la sécurité de l'ensemble du réseau.

Modifier un protocole de réseau principal de niveau peut avoir des effets négatifs imprévisibles, car toute petite vulnérabilité de sécurité sous-jacente pourrait gravement 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.

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

Les solutions Layer2 incluent :

• Canaux d'État
• Plasma
• Rollups(Rollups optimistes & Rollups ZK)

Autres solutions incluent :

• Sidechains
• Validium

3. Solutions d'extension off-chain

3.1 Canaux d'état

3.1.1 Résumé

Le canal d'état stipule que les utilisateurs n'ont besoin d'interagir avec la chaîne principale que lors de l'ouverture, de la fermeture ou de la résolution de litiges, les interactions entre utilisateurs étant effectuées off-chain, afin de réduire le temps et le coût des transactions, et de permettre 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 litiges entre les participants. Après le déploiement du contrat, les participants déposent des fonds et les verrouillent, et le canal s'ouvre officiellement après la confirmation par signature des deux parties. Le canal permet aux participants d'effectuer un nombre illimité de transactions off-chain gratuites ( tant que la valeur nette des transferts ne dépasse pas le montant total des jetons déposés ). Les participants envoient à tour de rôle des mises à jour d'état et attendent la confirmation par signature de l'autre partie. En temps normal, les mises à jour d'état convenues par les deux parties ne sont pas téléchargées sur la chaîne principale, et seules les disputes ou la fermeture du canal nécessitent une confirmation de la chaîne principale. Lors de la fermeture du canal, l'un des participants peut soumettre une demande de transaction sur la chaîne principale, qui sera exécutée immédiatement si elle reçoit l'approbation de toutes les signatures, sinon elle doit attendre la fin de la "période de contestation" pour distribuer les fonds restants.

Les canaux d'état peuvent réduire considérablement la charge de calcul sur la chaîne principale, 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 du livre blanc sur le réseau Lightning.

• 2015/11 : Jeff Coleman a d'abord systématiquement résumé le concept de State Channel, affirmant que le Payment Channel de Bitcoin est un sous-ensemble du State Channel.

• 2016/01 : Joseph Poon et Thaddeus Dryja publient officiellement un livre blanc proposant le schéma d'extension des Payment Channels du réseau Lightning de Bitcoin, destiné uniquement à traiter les paiements de transfert sur le réseau Bitcoin.

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

• 2018/06 : Counterfactual a proposé une conception détaillée des Generalized State Channels, le premier design entièrement corrélé.

• 2018/10 : L'article propose les concepts de State Channel Networks et de Virtual Channels.

• 2019/02 : Le concept de canaux d'état s'étend aux N-Party Channels, 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 en ligne en permanence.

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

3.1.3 Principe technique

Le flux de travail général d'un canal d'état est le suivant :

1. Alice et Bob ouvrent un canal d'état en déposant des fonds dans un contrat sur la chaîne principale.

2. Les deux personnes peuvent effectuer un nombre illimité de transactions off-chain et communiquer pour mettre à jour l'état par le biais de messages signés.

3. Lors de la fermeture du canal, Alice soumet l'état final au contrat. Si Bob signe pour approuver, le contrat distribue les fonds selon l'état final. Si Bob ne répond pas, les fonds sont distribués après la fin de la période de contestation.

4. Si Bob ne répond pas à la mise à jour de statut envoyée par Alice à un certain moment, Alice peut soumettre à contrat le dernier statut valide ( contenant la signature précédente de Bob ) pour lancer un défi. Le contrat permet à Bob de répondre pendant une période donnée. Si Bob répond, la transaction continue; s'il ne répond pas, le contrat ferme le canal et renvoie les fonds à Alice.

3.1.4 Avantages et inconvénients

Avantages :

• Finalité instantanée
• Transactions à faible coût
• Confidentialité
• Haute capacité de traitement

Inconvénients:

• Nécessite d'être en ligne en continu
• Réservé aux participants prévus
• Verrouillage des fonds
• Gestion complexe des canaux
• Délai lors de la fermeture du canal

3.1.5 Application

Réseau Lightning Bitcoin

Aperçu: Le réseau Lightning est un canal de paiement à faible montant sur le réseau Bitcoin. L'évolution technique a traversé : construction d'un canal de paiement unidirectionnel avec 2/2 multisignatures, ajout de RSMC pour construire un canal de paiement bidirectionnel, ajout de HTLC permettant d'étendre le canal de paiement à plusieurs paiements, et enfin la construction d'un réseau de paiement. Grâce aux canaux de paiement à faible montant off-chain, un réseau de transactions est constitué avec l'aide d'intermédiaires, résolvant ainsi le problème de l'extensibilité du réseau Bitcoin.

Chronologie:

• Février 2015 : publication d'un brouillon du livre blanc sur le réseau Lightning
• Janvier 2016 : Publication du livre blanc officiel et création de Lightning Labs
• Mars 2018 : lancement de la première version du réseau principal
• Année 2021 : Cash App et plusieurs plateformes d'échange supportent le réseau Lightning
• Novembre 2022 : Il y avait 76 236 canaux de paiement, avec un montant total de 5049 BTC.

Développement écologique: L'écosystème du réseau Lightning se compose, de bas en haut, de : réseau BTC, infrastructure de base ( solutions de réseau Lightning, services de nœuds et de liquidité ), et diverses Dapps. Actuellement, le niveau d'infrastructure est pratiquement mature, le support des portefeuilles augmente, les services financiers et l'intégration des paiements continuent de croître, et de plus en plus d'applications de divertissement sont en cours de construction, l'écosystème est en pleine expansion.

Réseau Lightning d'Ethereum

Aperçu: Le réseau Lightning est un canal de paiement de faible montant basé sur Ethereum, similaire au réseau Lightning, qui étend les transactions on-chain en établissant des canaux d'état. Son objectif est de réaliser des paiements de jetons ERC20 presque instantanés, à faible coût et évolutifs.

Chronologie:

• Fondé en 2017
• ICO réalisé en octobre 2017
• Le premier client léger Raiden a été lancé sur le mainnet en mai 2020.
• À la fin de 2021, plusieurs échanges retireront $RDN.

Actuellement, il n'est pas largement adopté, en raison d'un seuil d'utilisation élevé et de l'émergence de technologies d'extension plus avancées. L'équipe travaille à le faire fonctionner sur un réseau L2 Rollup, afin de réduire le coût de création des State Channels.

Celer Network

Aperçu: Celer Network est essentiellement un réseau Lightning qui augmente la couche d'incitation, construisant des Dapps d'interaction à haute fréquence rapides, faciles à utiliser, à faible coût et sécurisés grâce à des techniques d'extension off-chain et un modèle économique incitatif, tels que les plateformes de jeux d'e-sport.

Le cadre d'extension off-chain de Celer Network basé sur Ethereum est composé de trois couches:

• cChannel: ensemble de canaux d'état généraux et de chaînes latérales
• cRoute: off-chain paiement routage
• cOS: cadre de développement et environnement d'exécution des applications off-chain

Chronologie:

• Fondé en 2018
• Le jeton $CELR a été lancé en mars 2019
• Lancé en juillet 2019 sur le réseau principal Ethereum, publication du premier réseau de canaux d'état généralisés au monde.

Développement écologique: Avec le développement de l'écosystème blockchain vers une architecture multi-chaînes, Celer Network a étendu sa technologie de base pour devenir une plateforme d'agrégation d'extension L2 prenant en charge les solutions inter-chaînes, lançant le protocole DeFi Layer2.finance, le protocole d'information inter-chaînes Celer IM et le pont inter-chaînes d'actifs cBridge. cBridge prend désormais en charge 139 types de tokens et 38 chaînes.

3.1.6 Comparaison des applications

Réseau Lightning Bitcoin:

• Se concentrer sur les paiements Bitcoin de petite taille
• Le développement de l'écosystème est bon, avec des applications larges.

Réseau Lightning Ethereum:

• Prise en charge des paiements en tokens ERC20
• Développement lent, faible taux d'adoption

Celer Network:

• Supporte des scénarios d'application plus complexes
• Se transformer en plateforme d'agrégation d'extension L2 inter-chaînes

3.2 Sidechains

3.2.1 Résumé

Le concept de sidechain a été proposé pour la première fois en 2012, afin d'accélérer les transactions Bitcoin.