Analyse approfondie de l'extension off-chain

1. La nécessité d'une extension

La vision future de la blockchain est de réaliser la décentralisation, la sécurité et l'évolutivité, mais il est généralement possible de satisfaire uniquement deux de ces trois critères en même temps, ce qui est connu sous le nom de problème du triangle impossible de la blockchain. Au fil des ans, les chercheurs ont exploré 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 peuvent être définies comme suit :

• Décentralisé : toute personne peut devenir un nœud participant à la production et à la vérification 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 élevée, la chaîne peut résister à un pourcentage élevé d'attaques des participants.
• Scalabilité : la capacité de la blockchain à traiter un grand nombre de transactions.

La première grande bifurcation dure du réseau Bitcoin est née du problème de l'extension. 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. À partir de 2015, la communauté Bitcoin a divergé sur le problème de l'extension, ce qui a finalement conduit à la première grande bifurcation dure de l'histoire de Bitcoin le 1er août 2017, donnant naissance à la nouvelle cryptomonnaie BCH.

De même, le réseau Ethereum choisit également de sacrifier une partie de l'évolutivité pour garantir la sécurité et la décentralisation. Bien qu'Ethereum ne limite pas directement la taille des blocs, mais fixe un plafond sur les frais de carburant d'un bloc unique, l'objectif est de réaliser un consensus sans confiance et d'assurer une large distribution des nœuds.

Depuis les CryptoKitties de 2017 jusqu'à l'émergence ultérieure des applications telles que DeFi, GameFi et NFT, la demande du marché pour la capacité de traitement a considérablement augmenté. Cependant, même l'Ethereum, qui est Turing-complet, ne peut traiter que 15 à 45 transactions par seconde, ce qui entraîne une augmentation des coûts de transaction et un allongement des délais de règlement, rendant la plupart des DApps difficilement viables économiquement, et le réseau entier devient lent et coûteux. Par conséquent, le problème de l'évolutivité de la blockchain doit être résolu d'urgence. La solution d'évolutivité idéale consiste à augmenter la vitesse et la capacité de traitement des transactions autant que possible sans sacrifier la décentralisation et la sécurité.

2. Catégories de solutions d'extension

Nous pouvons classer les solutions d'extension en deux grandes catégories, à savoir l'extension on-chain et l'extension off-chain, en fonction du critère "si cela modifie une couche de la mainnet".

2.1 Scalabilité on-chain

Concept clé : une solution permettant d'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 discutera pas en détail, mais en énumérera brièvement deux :

• La première solution consiste à élargir l'espace de bloc, c'est-à-dire à augmenter le nombre de transactions emballées dans chaque bloc, mais cela augmentera les exigences pour les appareils de nœud à haute performance, augmentera le seuil d'entrée 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 shard étant responsable de la comptabilité différente, 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 améliorant la vitesse de traitement des transactions et le degré de décentralisation ; mais cela signifie que la puissance de calcul du réseau est dispersée, ce qui peut réduire la sécurité de l'ensemble du réseau.

Modifier un protocole de couche principale peut avoir des conséquences négatives imprévisibles, car toute vulnérabilité de sécurité sous-jacente menace gravement la sécurité du réseau dans son ensemble.

2.2 off-chain scaling

Concept clé : solution d'extension qui ne modifie pas le protocole de la couche 1 existante.

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

• Layer2 : State Channels, Sidechains, Plasma, Rollups ( Optimistic Rollups, ZK Rollups )
• Autres solutions : Validium, Volition

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 de conflits du canal, et que les interactions entre utilisateurs se font en dehors de la chaîne afin de réduire le temps et le coût des transactions, permettant un nombre illimité de transactions.

Les canaux d'état sont des protocoles P2P simples, adaptés aux "applications basées sur des tours", comme le jeu d'échecs à deux. 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 différends entre les participants. Après le déploiement du contrat, 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 des transactions gratuites en chaîne off-chain entre les participants sans limitation 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 à l'autre, attendant la confirmation de signature de l'autre partie. Une fois que l'autre partie a confirmé par signature, 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 différend ou de fermeture du canal. Lors de la fermeture du canal, n'importe quel participant peut soumettre une demande de transaction sur la chaîne principale, qui sera exécutée immédiatement si elle obtient l'approbation de toutes les signatures; sinon, il faudra 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 diminuer le coût des transactions.

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)# 3.1.2 Chronologie

• 2015/02 : Joseph Poon et Thaddeus Dryja publient le brouillon du 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 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 le plan d'extension du réseau Lightning de Bitcoin, le Payment Channel.
• 2017/11 : Proposition de la première spécification de conception des State Channels basée sur le cadre Payment Channel, appelée Sprites.
• 2018/06 : Counterfactual a proposé un design 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 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 nécessité pour tous les participants d'être en ligne en continu.
• 2020/03 : Hydra a proposé des Fast Isomorphic Channels.

3.1.3 Principes techniques

Le flux de travail général des canaux d'état est le suivant :

1. Alice et Bob déposent des fonds de leur EOA personnel à l'adresse du contrat on-chain, ces fonds étant verrouillés dans le contrat jusqu'à ce que le canal soit fermé et renvoyé à l'utilisateur ; après confirmation par signature des deux parties, le canal est officiellement ouvert.

2. Alice et Bob peuvent effectuer un nombre illimité de transactions off-chain, les participants communiquant entre eux par le biais de messages signés cryptographiquement. Les deux parties doivent signer chaque transaction pour éviter les doubles dépenses malveillantes. Grâce à ces messages, ils proposent des mises à jour de l'état de leurs comptes et acceptent les mises à jour de l'état proposées par l'autre.

3. Si Alice souhaite fermer le canal, elle doit soumettre l'état final de son compte au contrat. Si Bob signe pour approbation, le contrat libérera les fonds verrouillés 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 et les renverra à l'utilisateur correspondant à la fin de la période de contestation.

Dans le cas pessimiste, si Bob ne répond pas à la signature de mise à jour de l'état envoyée par Alice à un moment donné, Alice peut initier un défi en soumettant son dernier état valide au contrat. Ensuite, le contrat permet à Bob de répondre en soumettant le prochain état au contrat pendant une période donnée; si Bob répond, les deux peuvent continuer à effectuer des transactions dans le canal d'état; si Bob ne répond pas pendant cette période, le contrat ferme automatiquement le canal d'état et renvoie les fonds à Alice.

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)# 3.1.4 Avantages et inconvénients

Avantages :

• Transactions instantanées : pas besoin d'attendre la confirmation de bloc
• Haute capacité de traitement : le nombre de transactions off-chain n'est pas limité
• Coût faible: des frais on-chain ne sont nécessaires que lors de l'ouverture et de la fermeture du canal.
• Confidentialité : les détails des transactions off-chain ne seront pas rendus publics

Inconvénients :

• Verrouillage des fonds : les fonds sont verrouillés pendant l'ouverture du canal.
• Exigences en ligne : les participants doivent rester en ligne pour signer les mises à jour de statut.
• Faible combinaison : pas adapté aux interactions complexes entre plusieurs parties
• Dépendance à la sécurité : dépend de services de surveillance externes ### tels que Watchtowers ( pour prévenir les actes malveillants.

)# 3.1.5 Application

Réseau Lightning de Bitcoin:

• Un canal de paiement de petite taille basé sur le réseau Bitcoin, utilisant un canal de paiement unidirectionnel construit avec une signature multiple 2/2, ajoutant RSMC pour construire un canal de paiement bidirectionnel, puis ajoutant HTLC pour connecter le canal de paiement et l'étendre à plusieurs paiements, pour finalement construire un réseau de paiement.
• Proposition d'un projet de livre blanc en février 2015, publication de la version officielle du livre blanc en janvier 2016.
• Première version de la chaîne principale publiée 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 2022, il y avait 76 236 canaux de paiement, avec des fonds de 5049 BTC.
• Développement de l'écosystème : des solutions d'infrastructure de base BTC réseau off-chain à ###, services de nœuds et de liquidité (, jusqu'à divers services de paiement et financiers ainsi que des applications.

Réseau Lightning Ethereum:

• Un canal de paiement de petite taille basé sur Ethereum, similaire au réseau Lightning.
• Fondée en 2017, ICO en octobre de la même année.
• Le premier client léger Raiden a été lancé sur le réseau principal Ethereum en mai 2020.
• Actuellement, il n'est pas largement adopté, les raisons incluent un seuil d'utilisation élevé, l'émergence de technologies d'extension plus avancées, etc.
• En cours de transformation pour fonctionner sur le réseau Rollup Layer2 d'Ethereum, réduisant les frais de Gas pour la création de State Channel.

Celer Network:

• Essentiellement, cela ajoute une couche d'incitation ) de jetons $CELR( au réseau Lightning, construisant des DApps blockchain de type interaction haute fréquence grâce à une technologie d'extension off-chain et un modèle économique incitatif.
• Convient aux plateformes de sport électronique et à d'autres scénarios d'interaction à haute fréquence.
• Fondée en 2018, le token $CELR a été lancé sur Binance Launchpad en mars 2019.
• Des produits tels que le protocole DeFi Layer2.finance, le protocole d'information inter-chaînes Celer IM et le pont inter-chaînes d'actifs cBridge ont déjà été lancés.

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)# 3.1.6 Comparaison des applications

Le réseau Lightning de Bitcoin, le réseau Lightning d'Ethereum et le réseau Celer ont des conceptions similaires, tous basés sur des solutions de mise à l'échelle off-chain par des canaux d'état. La principale différence est :

1. Blockchain de base : Le réseau Lightning de Bitcoin est basé sur Bitcoin, le réseau Lightning et Celer Network sont basés sur Ethereum.

2. Cas d'application :

   • Le réseau Lightning est principalement utilisé pour les paiements de petites sommes en Bitcoin
   • Le réseau Lightning vise à soutenir les paiements de jetons ERC20 sur Ethereum
   • Celer Network a des objectifs plus larges, soutient les DApps à interactions haute fréquence.

3. Caractéristiques techniques :

   • Le réseau Lightning utilise HTLC pour réaliser des paiements multi-sauts
   • Le réseau Lightning utilise un mécanisme similaire
   • Celer Network a ajouté une couche d'incitation et une couche de routage d'état

4. Phase de développement:

   • Le réseau Lightning est déjà assez mature, avec un bon développement de l'écosystème.
   • Le développement du réseau Lightning est lent, et son taux d'utilisation est faible.
   • Celer Network est en train de se transformer en une plateforme d'agrégation multi-chaînes.

5. Économie des jetons:

   • Le réseau Lightning n'a pas de jeton natif
   • Le réseau Lightning et Celer Network ont tous deux émis leur propre jeton

3.2 Sidechains

3.2.1 Résumé

Le concept de sidechain a été proposé pour la première fois en 2012 dans le chat des développeurs de Bitcoin, et en 2014, un chercheur de Blockstream a écrit le premier article connexe.

Les chaînes latérales sont une forme de blockchain qui est apparue pour accélérer les transactions Bitcoin, permettant l'utilisation de contrats plus complexes, ou en améliorant le mécanisme de consensus ### tel que PoS (, ou en ajustant les paramètres des blocs pour rendre la chaîne latérale adaptée à des usages spécifiques. Les résultats des transactions sur la chaîne latérale sont finalement enregistrés dans la chaîne principale lors de leur transmission.