Analyse approfondie de l'extension off-chain

1. La nécessité de l'extension

La vision future de la blockchain est la décentralisation, la sécurité et l'évolutivité, mais il est souvent possible de n'en réaliser que deux, c'est le problème du triangle impossible de la blockchain. Pendant des années, les gens 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 d'évolutivité.

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

• Décentralisé : Toute personne 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'obtention du contrôle du système blockchain est élevé, plus la sécurité est grande, 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 importante hard fork du réseau Bitcoin provient d'un problème d'évolutivité. Avec l'augmentation du nombre d'utilisateurs et du volume des transactions, le réseau Bitcoin, avec sa limite de bloc de 1 Mo, a commencé à faire face à des problèmes de congestion. Depuis 2015, la communauté Bitcoin a eu des divergences sur la question de l'évolutivité, ce qui a finalement conduit à la première importante hard fork de l'histoire de Bitcoin le 1er août 2017, donnant naissance à une nouvelle cryptomonnaie, le BCH.

De même, le réseau Ethereum choisit également de sacrifier une partie de l'évolutivité pour garantir la sécurité et la décentralisation du réseau. Bien qu'Ethereum n'impose pas de limite à la taille des blocs comme Bitcoin, il fixe en revanche un plafond sur les frais de gaz pouvant être contenus dans un seul bloc, dans le but d'atteindre un consensus sans confiance et de garantir 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 le débit ne cesse d'augmenter, mais Ethereum ne peut toujours traiter que 15 à 45 transactions par seconde. Cela entraîne une augmentation des coûts de transaction, un allongement des délais de règlement, et la plupart des DApps ont du mal à supporter les coûts d'exploitation, rendant l'ensemble du réseau lent et coûteux pour les utilisateurs. Le problème de l'évolutivité de la blockchain doit être résolu d'urgence. La solution d'évolutivité idéale est d'augmenter la vitesse des transactions et le débit du réseau autant que possible, sans sacrifier 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 modifie une couche de la blockchain principale".

2.1 Scalabilité on-chain

Concept clé : une solution qui atteint un effet d'extension en modifiant une couche de protocole de la blockchain principale, la principale solution actuelle étant le sharding.

Il existe plusieurs solutions pour l'extension on-chain, cet article ne sera pas développé, mais énumérera brièvement deux d'entre elles :

• 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 envers les équipements des nœuds haute performance 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 de la comptabilité de différentes parties. 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 signifie que la puissance de calcul du réseau est dispersée, ce qui peut réduire la "sécurité" de l'ensemble du réseau.

Changer le protocole principal d'une couche peut avoir des effets négatifs imprévisibles, car la moindre faille de sécurité au niveau sous-jacent peut 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'extensibilité off-chain peuvent être subdivisées en Layer2 et autres solutions :

• Layer2: Réseau de deuxième couche construit au-dessus de la chaîne principale
• Chaîne latérale : une blockchain indépendante fonctionnant en parallèle avec la chaîne principale
• Plasma : une chaîne latérale spéciale
• Validium: solution d'extension de la disponibilité des données hors chaîne

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 lorsque le canal est ouvert, fermé ou pour résoudre des litiges, permettant ainsi aux interactions entre utilisateurs de se faire en chaîne off-chain, afin de réduire le temps et le coût des transactions, et de réaliser un nombre illimité de transactions.

Les canaux d'état sont des protocoles P2P simples, adaptés aux "applications basées sur des tours", comme les parties d'échecs à deux. Chaque canal est géré par un contrat intelligent multi-signatures fonctionnant sur la chaîne principale, ce contrat 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 sur le réseau, les participants déposent des fonds et les verrouillent, et après confirmation par les signatures des deux parties, le canal est officiellement ouvert. Le canal permet aux participants d'effectuer un nombre illimité de transactions off-chain gratuitement ( tant que la valeur nette des transferts ne dépasse pas le montant total des jetons déposés ). Les participants envoient alternativement des mises à jour d'état à l'autre, attendant la confirmation par la signature de l'autre partie. En temps normal, les mises à jour d'état acceptées par les deux parties ne sont pas téléchargées sur la chaîne principale ; seules les controverses ou la fermeture du canal nécessitent une confirmation par 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 l'approbation de toutes les signatures est obtenue ; sinon, il faudra attendre la fin de la "période de contestation" pour recevoir les fonds restants.

En résumé, la solution des canaux 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

• 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 et a proposé 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 du réseau Lightning, proposant un plan d'extension du réseau Lightning Bitcoin, le Payment Channel.
• 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 une conception détaillée des Generalized State Channels.
• 2018/10: Les réseaux de canaux d'état généralisés ont proposé les concepts de réseaux de canaux d'état et de canaux virtuels.
• 2019/02 : Le concept de canal 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 d'être en ligne en continu pour tous les participants.
• 2020/03 : Hydra a proposé des canaux isomorphes rapides.

3.1.3 Principes techniques

Flux de travail des canaux d'état :

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. Après que les deux ont signé pour confirmer, le canal d'état est officiellement ouvert.

2. Alice et Bob peuvent effectuer un nombre illimité de transactions off-chain, en communiquant par des messages signés cryptographiquement. 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 et terminer la transaction, elle doit soumettre l'état final de son compte au contrat. Si Bob signe pour approuver, le contrat renverra les fonds bloqués à l'utilisateur correspondant selon l'état final. Si Bob ne répond pas à la signature, le contrat renverra les fonds à l'utilisateur correspondant après la fin de la période de contestation.

3.1.4 Avantages et inconvénients

Avantages :

• Confirmation instantanée
• Haute capacité de traitement
• Coût faible
• Bonne confidentialité

Inconvénients:

• Nécessite de verrouiller les fonds
• Les participants doivent rester en ligne en continu
• Difficile de gérer les transactions multiparties
• Pas adapté aux contrats intelligents complexes
• Risque de centralisation
• Mauvaise expérience utilisateur

3.1.5 Application

Réseau Lightning de Bitcoin:

• Un réseau de paiements de petite taille sur le réseau Bitcoin, constitué de canaux de paiement off-chain et d'intermédiaires, résolvant le problème de scalabilité du réseau Bitcoin.
• Le brouillon du livre blanc a été publié en février 2015, et la version principale a été publiée en mars 2018.
• En novembre 2022, le réseau Lightning comptait 76 236 canaux de paiement, avec des fonds de 5049 BTC.
• L'écosystème comprend plus de 100 applications telles que les paiements, les portefeuilles, la gestion des nœuds, les extensions de navigateur, etc.

Réseau Lightning Ethereum:

• Un canal de paiement de petite taille basé sur Ethereum, similaire au réseau Lightning.
• Fondée en 2017, le premier client de la chaîne principale a été lancé en mai 2020.
• Actuellement, il n'a pas été largement adopté, les raisons incluent un seuil d'utilisation élevé et l'apparition de technologies d'extensibilité plus avancées.

Celer Network:

• Essentiellement, c'est un réseau Lightning avec une couche d'incitation supplémentaire.
• Fondée en 2018, mise en ligne sur le réseau principal Ethereum en juillet 2019.
• Devenu une plateforme d'agrégation d'extension L2 prenant en charge les chaînes croisées, avec le lancement 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.

3.2 Sidechains

3.2.1 Résumé

Le concept de sidechain a été proposé pour la première fois en 2012, en tant que forme de blockchain apparue pour accélérer les transactions Bitcoin. Les sidechains peuvent utiliser des contrats plus complexes, ou améliorer le mécanisme de consensus ( comme PoS ), ou ajuster les paramètres de bloc pour que la sidechain remplisse une fonction spécifique. Les résultats des transactions sur la sidechain sont finalement enregistrés du côté des validateurs lors de leur transmission au mainchain. Ce modèle de blockchain n'est pas une nouvelle forme de blockchain, mais constitue une infrastructure attachée au mainchain pour aider à résoudre les problèmes du mainchain.

3.2.2 Chronologie

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

3.2.3 Principes techniques

Les principes techniques des chaînes latérales comprennent deux principales technologies de cross-chain :

Pegged Symétrique:

• 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
• Lorsque le token de la chaîne principale est transféré vers la chaîne latérale, cela génère une sortie spéciale qui ne peut être déverrouillée que par les validateurs de la chaîne latérale.
• Il est nécessaire d'attendre la période de confirmation et la période de contestation pour éviter les attaques par double dépense.

Pegged asymétrique :

• Les validateurs de sidechain doivent surveiller en temps réel les activités de la chaîne principale.
• Transfert de la chaîne principale vers la chaîne latérale ( transaction à l'avance ) enregistré activement par la chaîne latérale
• Les transferts de sidechain à la chaîne principale ( transaction inverse ) nécessitent l'introduction du mécanisme des Certifiers.
• Les certificateurs enregistrent des informations clés et les renvoient à la chaîne principale via une signature agrégée.

Résumé du mécanisme de sidechain:

• Chaîne principale → Chaîne latérale : la chaîne principale verrouille les actifs, la chaîne latérale génère des actifs enveloppés.
• Sidechain → Mainchain : destruction de l'actif wrapped sur la sidechain, déverrouillage de l'actif sur la mainchain

La sécurité des actifs de la chaîne latérale dépend du mécanisme de consensus de celle-ci. Si quelqu'un crée des actifs à partir de rien sur la chaîne latérale, il pourrait y avoir un risque de vol de fonds.

3.2.4 Avantages et inconvénients

Avantages :

• Bonne évolutivité
• Personnalisation élevée
• N'affecte pas la sécurité de la chaîne principale
• Fonctionnalités expérimentales

Inconvénients:

• Sécurité relativement faible
• Les opérations inter-chaînes sont complexes
• Liquidité dispersée
• Un mécanisme d'incitation indépendant
• Risque de centralisation

3.2.5 Application

xDai( maintenant sur Gnosis Chain) :

• Mise en ligne de la mainnet en septembre 2018
• Adoption du modèle de validation PoSDAO
• Fusion avec Gnosis DAO en novembre 2021
• La TVL actuelle est d'environ 53 millions de dollars, avec 35 projets en cours.

Polygon:

• Matic Network a été fondé en 2017, renommé Polygon en février 2021.
• La chaîne Matic PoS et la chaîne Matic Plasma ont été lancées sur le réseau principal en juin 2020.
• Actuellement orienté vers une solution L2 full-stack
• Plus de 37k DApp, 1,8B de transactions au total, plus de 135M d'utilisateurs

Ronin:

• Lancement de la mainnet en mars 2021, spécialisé