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 il est généralement possible de satisfaire seulement deux de ces trois aspects en même temps, 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 d'actualité du développement de la blockchain.

Définition de la décentralisation, de la sécurité et de l'évolutivité:

• 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, garantissant que le réseau n'est pas contrôlé par un petit nombre de grands participants centralisés.

• Sécurité : Plus le coût pour obtenir le contrôle du système blockchain est élevé, plus la sécurité est élevée, la chaîne peut résister à une attaque d'un plus grand pourcentage de participants.

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

La première grande hard fork du réseau Bitcoin est née du problème de la mise à l'échelle. 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 la question de la mise à l'échelle, une partie soutenant l'extension des blocs, tandis que l'autre partie soutenait l'utilisation de la solution SegWit pour optimiser la structure de la chaîne principale. Le 1er août 2017, la partie soutenant les grands blocs a commencé à faire fonctionner un système client de blocs de 8 Mo, ce qui a conduit à la première grande hard fork de Bitcoin, 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 du réseau, en limitant le volume des transactions par la mise en place d'un plafond sur les frais de gas pouvant être inclus dans un seul bloc. L'objectif est d'atteindre un consensus sans confiance et d'assurer une large distribution des nœuds.

Depuis CryptoKitties en 2017, jusqu'à l'été DeFi, l'essor des applications on-chain telles que GameFi et NFT, la demande du marché pour la capacité de traitement 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, un allongement des temps de règlement, et rend la plupart des DApps difficiles à soutenir financièrement, rendant l'ensemble du réseau lent et coûteux pour les utilisateurs. Le problème de la scalabilité de la blockchain doit être résolu de toute urgence. La solution idéale d'extension est d'augmenter la vitesse des transactions et la capacité de traitement du réseau blockchain autant que possible, sans sacrifier la décentralisation et la sécurité.

2. Types de solutions d'extensibilité

Nous avons classé les solutions d'extension en deux grandes catégories : l'extension on-chain et l'extension off-chain, en nous basant sur le critère "s'il faut changer une couche de la chaîne principale".

2.1 extensibilité on-chain

Concept clé : solution visant à atteindre un effet d'extension en modifiant une couche 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 solution un est d'élargir l'espace de bloc, c'est-à-dire d'augmenter le nombre de transactions packagées dans chaque bloc, mais cela augmentera les exigences en matière d'équipement des nœuds, augmentera le seuil d'entrée et réduira le degré de décentralisation.

• La solution deux est le sharding, qui divise le grand livre blockchain en plusieurs parties, chaque fragment étant responsable de la comptabilité différente, et le calcul parallèle pouvant traiter plusieurs transactions simultanément; cela peut réduire la pression sur les nœuds et le seuil d'entrée, tout en augmentant la vitesse des transactions et le degré de décentralisation; mais cela signifie que la puissance de calcul de l'ensemble du réseau est dispersée, ce qui réduit la sécurité de l'ensemble du réseau.

Modifier un protocole de réseau principal peut entraîner des conséquences négatives imprévisibles, car toute petite vulnérabilité au niveau sous-jacent peut sérieusement menacer la sécurité du réseau entier, qui peut être contraint de se diviser ou d'interrompre les mises à jour de réparation. Par exemple, l'incident de vulnérabilité à l'inflation de Zcash en 2018 : le code sous-jacent contenait une vulnérabilité critique, permettant une émission illimitée de jetons. L'équipe a mis 8 mois à réparer secrètement et n'a rendu cet incident public qu'après la correction.

2.2 off-chain extension

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 d'autres solutions :

• Layer2 : State Channels, Sidechains, Plasma, Rollups
• Autres : Validium

3. off-chain l'extension des solutions

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 lorsque le canal est ouvert, fermé ou pour résoudre des différends, en effectuant les interactions entre utilisateurs 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 un jeu d'échecs à deux. Chaque canal est géré par un contrat intelligent multi-signatures fonctionnant sur la blockchain principale, qui contrôle les actifs déposés dans le canal, vérifie les mises à jour d'état et arbitrage les disputes entre participants. Après le déploiement du contrat, les participants déposent des fonds et les verrouillent, et une fois que les deux parties ont signé pour confirmer, le canal est officiellement ouvert. 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 déposé ). Les participants envoient alternativement des mises à jour d'état à l'autre partie, en 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 complétée. Normalement, les mises à jour d'état acceptées par les deux parties ne sont pas téléchargées sur la blockchain principale, et ce n'est qu'en cas de dispute ou de fermeture du canal qu'elles dépendent de la confirmation de la blockchain principale. Lors de la fermeture du canal, n'importe quel participant peut faire une demande de transaction sur la blockchain principale, qui sera exécutée immédiatement si elle obtient l'approbation de toutes les signatures, sinon, elle devra attendre la fin de la "période de contestation" pour recevoir les fonds restants.

En résumé, les solutions de canaux d'état peuvent réduire considérablement 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 sur le réseau Lightning.

• 2015/11 : Jeff Coleman a d'abord résumé de manière systématique le concept de State Channel, en proposant que le Payment Channel de Bitcoin est un sous-cas 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 une solution d'extension pour le réseau Bitcoin avec le Payment Channel, destiné uniquement à traiter les paiements de transfert sur le réseau Bitcoin.

• 2017/11 : La première spécification de conception de State Channel basée sur le cadre Payment Channel, Sprites, a été proposée.

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

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

• 2019/02 : Le concept de canaux d'état s'est étendu aux N-Party Channels, Nitro étant le premier protocole établi sur cette idée.

• 2019/10 : Pisa a élargi le concept de Watchtowers pour résoudre le problème de la nécessité d'être en ligne en permanence pour tous les participants.

• 2020/03 : Hydra a proposé des canaux isomorphes rapides.

3.1.3 Principes techniques

Flux de travail traditionnel sur la chaîne : Alice et Bob interagissent avec des contrats intelligents déployés sur le réseau principal, les utilisateurs modifient l'état du contrat intelligent en envoyant des transactions sur la chaîne. L'inconvénient est que cela entraîne des problèmes de temps et de coût.

Flux de travail des canaux d'état :

1. Alice et Bob déposent des fonds de leur EOA personnel à l'adresse du contrat sur la chaîne, les fonds étant verrouillés dans le contrat jusqu'à ce qu'ils soient retournés à l'utilisateur lorsque le canal est fermé ; après confirmation par leurs signatures, le canal d'état est officiellement ouvert.

2. Alice et Bob peuvent effectuer un nombre illimité de transactions off-chain, en communiquant via des messages signés de manière cryptographique. Les deux parties doivent signer chaque transaction pour éviter la fraude par double dépense. À travers ces messages, ils proposent des mises à jour de l'état de leurs comptes et acceptent les mises à jour d'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 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 après la fin de la période de contestation et les renverra à l'utilisateur correspondant.

Flux de travail dans un scénario pessimiste :

1. Deux participants déposent des fonds et commencent à échanger des mises à jour d'état.

2. Supposons qu'à un moment donné, Bob ne réponde pas à la signature de mise à jour d'état envoyée par Alice. Alice peut soumettre son dernier état valide au contrat pour lancer un défi, cet état contenant la signature précédente de Bob.

3. Le contrat permet à Bob de soumettre la prochaine réponse d'état pendant une période; si Bob répond, les deux peuvent continuer à échanger; si Bob ne répond pas, le contrat ferme automatiquement le canal d'état et renvoie les fonds à Alice.

3.1.4 Avantages et inconvénients

Avantages:

• Instantanéité : les transactions peuvent être effectuées immédiatement, sans attendre la confirmation de bloc.
• Confidentialité : seules les opérations d'ouverture et de fermeture nécessitent des actions sur la chaîne, toutes les autres transactions sont effectuées off-chain.
• Scalabilité : le nombre de transactions off-chain n'est pas limité
• Coût faible : seules l'ouverture et la fermeture du canal nécessitent des frais de gas.

Inconvénients :

• Verrouillage des fonds : il est nécessaire de verrouiller un certain montant de fonds dans le canal.
• En ligne en continu : les participants doivent rester en ligne pour répondre aux dernières mises à jour.
• Interactions multiples limitées : uniquement applicable entre des participants prédéfinis
• Complexité du réseau de canaux : les fonds doivent trouver un chemin reliant les deux parties.
• Pas adapté aux calculs complexes : uniquement approprié pour les scénarios d'interaction simples et fréquents.

3.1.5 Application

Réseau Lightning de Bitcoin

Aperçu: Le réseau Lightning est un canal de paiement à faible montant sur le réseau Bitcoin. L'évolution technologique a traversé : construction d'un canal de paiement unidirectionnel en 2/2 multi-signatures, possibilité de créer un canal de paiement bidirectionnel après l'ajout de RSMC, et l'ajout de HTLC permet d'étendre les canaux de paiement à plusieurs personnes, formant finalement un réseau de paiement. Grâce à des canaux de paiement à faible montant off-chain, et en utilisant des intermédiaires, il est possible de constituer un réseau de transactions, ce qui peut résoudre le problème de scalabilité du réseau Bitcoin. En suivant le processus "Dépôt ( établir canal ) → transaction réseau Lightning ( mise à jour état du canal ) → remboursement/règlement ( terminer canal )", il est théoriquement possible de traiter un million de transactions par seconde.

Chronologie:

• Février 2015 : Joseph Poon et Thaddeus Dryja ont publié le brouillon du livre blanc sur le réseau Lightning.
• Janvier 2016 : Publication de la version officielle du livre blanc et création de Lightning Labs
• 15 mars 2018 : Lightning Labs a publié la première version principale LND 0.4
• Début 2021 : capacité publique d'environ 40 millions de dollars, environ 100 000 utilisateurs.
• Juin 2021 : Le Salvador adopte le Bitcoin comme monnaie légale, en septembre, il publie le portefeuille Chivo basé sur le réseau Lightning.
• 2022: Cash App et 26 plateformes d'échange de cryptomonnaies annoncent le soutien au réseau Lightning
• Octobre 2022 : Lightning Labs a publié la version alpha du protocole Taro basé sur Taproot (.
• 23 novembre 2022 : le réseau Lightning compte 76 236 canaux de paiement, avec des fonds de canaux de 5049 BTC)$81.8M(

Développement écologique: L'écosystème du réseau Lightning est structuré de bas en haut comme suit : réseau BTC de base --- infrastructures fondamentales --- diverses Dapps.

Les infrastructures de base comprennent :

• Solutions de réseau Lightning : programmes logiciels permettant aux particuliers et aux entreprises de faire fonctionner et de se connecter au réseau Lightning, la plus grande part de marché étant détenue par Lightning Labs.
• Nœuds et services de liquidité : fournir une interface 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, comme Strike qui permettent d'acheter et de vendre des BTC, les pourboires sur Twitter et les commerçants de Shopify qui acceptent des BTC, etc.

En novembre 2022, le nombre de Dapps basés sur le réseau Lightning a dépassé 20 catégories et plus de 100 applications, y compris des paiements, des portefeuilles, la gestion de nœuds, des extensions de navigateur, des podcasts et des services de streaming. Actuellement, la couche de base technique liée à l'infrastructure des nœuds est presque 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 construction, l'écosystème prospère.

![Rapport de recherche approfondi : analyse complète de l'expansion off-chain])https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-815c5eb2bdba725e04eebe67b22d42aa.webp(

Réseau Lightning Ethereum

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

Timeline:

• 2017