Analyse approfondie de l'extension off-chain

1. La nécessité d'augmenter la capacité

La vision future de la blockchain est la décentralisation, la sécurité et l'évolutivité, mais il est généralement possible de réaliser seulement deux de ces trois aspects, ce qui est connu sous le nom de problème des triangles impossibles 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 chauds du développement actuel de la blockchain.

La décentralisation, la sécurité et l'évolutivité de la blockchain peuvent être définies simplement comme :

• Décentralisation : n'importe qui peut devenir un nœud et participer au système blockchain, plus le nombre de nœuds est élevé, plus le degré de décentralisation est élevé.
• Sécurité : Plus le coût pour obtenir le contrôle d'un système blockchain est élevé, plus la sécurité est grande, ce qui permet de résister aux attaques d'un grand nombre de participants.
• Scalabilité : la capacité de la blockchain à traiter un grand nombre de transactions.

Le premier hard fork majeur du réseau Bitcoin provient du problème d'évolutivité. Avec l'augmentation du nombre d'utilisateurs et du volume des transactions, la limite de 1 Mo par bloc a entraîné une congestion du réseau. Depuis 2015, la communauté Bitcoin a été divisée sur la question de l'évolutivité, ce qui a finalement conduit au premier hard fork majeur de Bitcoin le 1er août 2017, donnant naissance à la nouvelle cryptomonnaie BCH.

Le réseau Ethereum a également choisi de sacrifier une partie de l'évolutivité pour garantir la sécurité et la décentralisation. Bien qu'il n'y ait pas de restriction de la taille des blocs comme avec Bitcoin, il limite indirectement le volume des transactions en restreignant les frais de carburant d'un seul bloc, le but étant d'atteindre un consensus sans confiance et d'assurer une large distribution des nœuds.

Depuis CryptoKitties en 2017 jusqu'à l'essor ultérieur de DeFi, GameFi et NFT, la demande du marché pour la capacité de traitement a constamment augmenté, mais Ethereum ne peut traiter que 15 à 45 transactions par seconde. Cela a entraîné une augmentation 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. Le problème de l'augmentation de la capacité blockchain doit être résolu d'urgence. La solution d'augmentation idéale est d'augmenter la vitesse des transactions et la capacité de traitement autant que possible, sans compromettre la décentralisation et la sécurité.

2. Catégories des solutions d'extensibilité

Selon le critère "s'il y a un changement de couche de la chaîne principale", nous pouvons diviser les solutions d'extension en deux grandes catégories : l'extension on-chain et l'extension off-chain.

2.1 Scalabilité on-chain

Concept clé : une solution visant à améliorer la capacité en modifiant un niveau du protocole de la chaîne principale, la principale solution actuellement est le sharding.

Il existe plusieurs solutions pour l'extension on-chain, en voici brièvement deux :

• La première solution consiste à élargir l'espace de bloc, en augmentant le nombre de transactions empaquetées dans chaque bloc, mais cela augmentera les exigences en matière d'équipement des nœuds et réduira le degré de décentralisation.

• La solution deux est le sharding, qui divise le grand livre de la blockchain en plusieurs parties, chaque nœud étant responsable d'un enregistrement différent, et le calcul parallèle permettant de traiter plusieurs transactions simultanément. Cela peut réduire 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, mais cela peut réduire la sécurité de l'ensemble du réseau.

Modifier le code d'un protocole de réseau principal à un niveau peut avoir des effets négatifs imprévisibles, car toute vulnérabilité de sécurité sous-jacente peut sérieusement menacer la sécurité de l'ensemble du réseau, ce qui pourrait entraîner des forks ou des interruptions de mise à niveau. Par exemple, l'incident de vulnérabilité d'inflation de Zcash en 2018, l'équipe a mis 8 mois à corriger secrètement le problème avant de le rendre public.

2.2 off-chain expansion

Concept central : 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 :

Layer2:

• State Channels
• Plasma
• Rollups
  • Optimistic Rollups
  • ZK Rollups

Autre:

• Sidechains
• Validium

3. Solution 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 de litiges, permettant ainsi aux interactions entre utilisateurs de se dérouler off-chain, réduisant ainsi le temps et le coût des transactions, et 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 sur la blockchain, contrôlant les actifs déposés, vérifiant les mises à jour d'état et arbitrant les litiges ( selon les preuves de fraude signées et horodatées ). Les participants déposent des fonds et les verrouillent après le déploiement du contrat sur le réseau, et le canal est officiellement ouvert après confirmation de la signature des deux parties. Le canal permet aux participants d'effectuer un nombre illimité de transactions hors chaîne gratuites ( tant que la valeur nette des transferts ne dépasse pas le total déposé ). Les participants envoient alternativement des mises à jour d'état et attendent la confirmation de signature de l'autre partie. Normalement, les mises à jour d'état convenues par les deux parties ne sont pas envoyées sur la blockchain, seules les confirmations de la blockchain sont nécessaires en cas de litige ou de fermeture du canal. Lors de la fermeture, l'une ou l'autre des parties peut faire une demande sur la blockchain, qui est exécutée immédiatement si elle obtient l'approbation de toutes les signatures, sinon il faut attendre la fin de la "période de contestation" pour recevoir les fonds.

Les canaux d'état peuvent considérablement réduire la charge de calcul sur la chaîne principale, améliorer la vitesse des transactions et réduire les coûts de transaction.

3.1.2 Chronologie

• 2015/02 : Joseph Poon et Thaddeus Dryja publient le brouillon du livre blanc du réseau Lightning
• 2015/11 : Jeff Coleman a d'abord résumé systématiquement le concept de State Channel.
• 2016/01 : Publication officielle du livre blanc sur le réseau Lightning, proposant un plan d'extension du canal de paiement Bitcoin.
• 2017/11 : Le premier standard de conception de State Channel basé sur Payment Channel a été proposé par Sprites.
• 2018/06 : Counterfactual a proposé un design détaillé des Generalized State Channels
• 2018/10 : Les réseaux de canaux d'état généralisés ont proposé le concept de canaux d'état et de canaux virtuels.
• 2019/02 : Nitro a établi un protocole basé pour la première fois sur des N-Party Channels
• 2019/10 : Pisa étend le concept de Watchtowers pour résoudre le problème de la connexion continue des participants
• 2020/03 : Hydra a proposé des Fast Isomorphic Channels

3.1.3 Principes techniques

Flux de travail traditionnel sur la chaîne : les utilisateurs modifient l'état des contrats intelligents en envoyant des transactions sur la chaîne, l'inconvénient étant que cela entraîne des problèmes de temps et de coûts.

Flux de travail du canal d'état:

1. Alice et Bob ouvrent un canal d'état en déposant des fonds dans un contrat sur la chaîne.
2. Les deux parties peuvent effectuer un nombre illimité de transactions off-chain et communiquer entre elles par des messages signés.
3. Si Alice souhaite fermer le canal, elle doit soumettre l'état final au contrat.
4. Si Bob signe pour approuver, le contrat distribue les fonds en fonction de l'état final.
5. Si Bob ne répond pas, le contrat distribuera les fonds après la fin de la période de contestation.

Flux de travail en cas de pessimisme:

1. Si Bob ne répond pas à la signature de mise à jour de l'état, Alice peut soumettre l'état final valide au contrat pour lancer un défi.
2. Le contrat permet à Bob de répondre pendant une certaine période.
3. Si Bob répond, la transaction peut continuer ; si aucune réponse, le contrat ferme automatiquement le canal et rembourse les fonds.

3.1.4 Avantages et inconvénients

Avantages:

• Confirmation de transaction instantanée
• Frais de transaction très bas
• Bonne confidentialité
• Forte évolutivité

Inconvénients :

• Nécessite une surveillance en ligne continue
• Le coût initial de configuration est élevé
• Efficacité des fonds faible
• Difficile de gérer les transactions multi-parties
• Manque de modularité

3.1.5 Application

Les principales applications incluent le réseau Lightning de Bitcoin, le réseau Lightning d'Ethereum et Celer Network.

Réseau Lightning de Bitcoin:

• Publication du projet de livre blanc en février 2015
• Version principale du réseau lancée en mars 2018
• En 2021, le Salvador a adopté le bitcoin comme monnaie légale et a lancé le portefeuille Chivo basé sur le réseau Lightning.
• En novembre 2022, il y avait 76 236 canaux de paiement, avec des fonds de 5049 BTC.

Réseau Lightning Ethereum :

• Fondé en 2017, similaire au réseau Lightning
• En octobre 2017, l'ICO a levé plus de 30 millions de dollars.
• Le premier Light Client a été lancé sur le réseau principal en mai 2020
• Le seuil d'entrée est actuellement élevé, le développement de l'écosystème est lent.

Celer Network:

• Essentiellement, il s'agit d'augmenter la couche d'incitation du réseau Lightning.
• Peut être construit des Dapps d'interaction haute fréquence rapides, à faible coût et sécurisés grâce à des technologies d'extension off-chain et des modèles économiques incitatifs.
• Lancement sur le réseau principal Ethereum 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:

• Avantages : faibles coûts de transaction, bonne confidentialité
• Inconvénients : nécessite de verrouiller des fonds, routage complexe

Réseau Lightning Ethereum:

• Avantages : prise en charge des contrats intelligents
• Inconvénients : progression du développement lente, barrière à l'entrée élevée

Celer Network:

• Avantages : supporte le cross-chain, mécanisme d'incitation complet
• Inconvénient : degré de centralisation relativement élevé

3.2 Sidechains

3.2.1 Résumé

Le concept de sidechain a été proposé pour la première fois en 2012 dans le salon de discussion des développeurs Bitcoin, et en 2014, un chercheur de Blockstream a écrit le premier article connexe. La sidechain est une forme de blockchain apparue pour accélérer les transactions Bitcoin, permettant d'utiliser des contrats plus complexes ou d'améliorer le mécanisme de consensus. Lorsque les résultats des transactions de la sidechain sont finalement renvoyés à la chaîne principale, ils sont enregistrés du côté des validateurs. Ce modèle de blockchain n'est pas une nouvelle forme, mais plutôt une infrastructure attachée à la chaîne principale qui aide à résoudre des problèmes.

3.2.2 Chronologie

• 2012/01 : Le concept de sidechain de Bitcoin a été proposé dans le chat.
• 2014/10 : Publication du papier sur les sidechains Bitcoin, proposant le Symmetric Pegged et l'Asymmetric Pegged.
• 2017/04 : Le réseau POA a lancé un testnet de sidechain basé sur le consensus PoA d'Ethereum.
• 2017/10 : Démarrage de Matic Network
• 2017/12 : Lancement de la mainnet POA Network
• 2018/01 : Lancement du testnet de Skale
• 2018/10 : lancement du testnet xDai Chain
• 2020/06 : Lancement du réseau principal Skale
• 2020/06 : Lancement du mainnet de la chaîne Matic PoS côté Ethereum.
• 2021/02 : Matic Network a été renommé Polygon Network
• 2021/02 : Le réseau principal de la chaîne latérale Ronin du jeu Axie Infinity est opérationnel
• 2021/12 : xDai Chain fusionne avec Gnosis Dao pour devenir Gnosis Chain
• 2022/03: POA Network a été fusionné avec Gnosis Chain

3.2.3 Principe technique

Les sidechains communiquent principalement avec la chaîne principale par deux méthodes : l'ancrage bidirectionnel et l'ancrage non coordonné.

Double Ancrage ( Symmetric Pegged ):

• Les validateurs de la chaîne principale et de la chaîne latérale enregistrent en temps réel l'état actuel de l'autre.
• Utiliser la technologie SPV bidirectionnelle pour la transmission d'informations
• La sortie SPV-Locked est générée lorsque le token de la chaîne principale est envoyé à la chaîne secondaire.
• Les validateurs de sidechain déverrouillent avec une preuve SPV
• Après la période de confirmation et la période de concours, les utilisateurs peuvent utiliser de nouveaux actifs emballés sur la chaîne latérale.

Ancrage non coordonné ( Ancrage asymétrique ) :

• Les validateurs de chaîne latérale surveillent en temps réel les activités de la chaîne principale
• Les transactions de la chaîne principale vers la chaîne latérale peuvent être enregistrées directement
• Les transactions de la sidechain vers la chaîne principale doivent introduire le mécanisme des Certifiers
• Les certificateurs enregistrent des informations clés et agrègent des signatures
• Des actifs doivent être stakés pour garantir que le système ne soit pas compromis.

De plus en plus de chaînes latérales choisissent d'utiliser le mécanisme PoA ou les Relayers pour confirmer l'état des blocs de la chaîne principale.

Résumé du mécanisme de chaîne latérale :

• Chaîne principale vers chaîne latérale : la chaîne principale verrouille les actifs, la chaîne latérale génère un actif enveloppé.
• Chaîne latérale à la chaîne principale : la chaîne latérale détruit l'actif wrapped, la chaîne principale déverrouille l'actif.

La sécurité des actifs de la chaîne latérale dépend de la sécurité du mécanisme de consensus de la chaîne latérale.

3.2.4 Avantages et inconvénients

Avantages :

• Haute flexibilité, fonctionnalités personnalisables
• Les actifs de la chaîne principale peuvent être interopérables
• Réduire la charge de la chaîne principale
• Réduire les coûts de transaction

Inconvénients :

• La sécurité dépend de son propre mécanisme de consensus
• Besoin d'une fédération ou d'une autorité de confiance
• Les transactions inter-chaînes sont complexes
• Peut entraîner une fragmentation de la liquidité