Analyse approfondie de l'extension off-chain

Auteur : Ellaine Xu, Hettie Jiang, June Wang, Walon Lin, Yiliu Lin

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, 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.

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

• Décentralisation : 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 élevée, ce qui permet de résister à un plus grand pourcentage d'attaques.
• Scalabilité : la capacité de la blockchain à traiter un grand nombre de transactions.

La première grande hard fork du réseau Bitcoin provient d'un problème de scalabilité. Depuis 2015, la communauté Bitcoin est divisée sur la question de l'augmentation de la capacité, une partie soutenant l'augmentation de la taille des blocs, tandis que l'autre privilégie l'utilisation du SegWit. Le 1er août 2017, la partie en faveur de l'augmentation de la taille des blocs a commencé à faire fonctionner un nouveau système client, entraînant la première grande hard fork de l'histoire de Bitcoin et la création d'une nouvelle cryptomonnaie, le BCH.

Le réseau Ethereum a également choisi de sacrifier une partie de sa scalabilité pour garantir la sécurité et la décentralisation du réseau. Depuis CryptoKitties en 2017 jusqu'à l'émergence ultérieure de DeFi, GameFi et NFT, la demande du marché pour le débit a constamment augmenté, mais Ethereum 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. La solution d'extension idéale est : augmenter la vitesse et le débit des transactions du réseau blockchain autant que possible, sans sacrifier la décentralisation et la sécurité.

2. Catégories de solutions d'extension

Nous avons classé les solutions d'extension en deux grandes catégories : l'extension on-chain et l'extension off-chain, en utilisant "si cela modifie une couche de la blockchain" comme critère.

2.1 extensibilité on-chain

Concepts clés : une solution pour atteindre un effet d'évolutivité en modifiant un niveau de protocole de la chaîne principale, la principale solution actuelle étant le sharding.

Il existe plusieurs solutions pour l'extension on-chain, voici un bref aperçu de deux d'entre elles :

• La première solution consiste à élargir l'espace des blocs, c'est-à-dire à augmenter le nombre de transactions empaquetées dans chaque bloc, mais cela augmentera les exigences des nœuds et diminuera 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, ce qui peut réduire la pression sur les nœuds, mais cela diminuerait 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 pourrait gravement menacer la sécurité de l'ensemble du réseau.

2.2 off-chain expansion

Concept clé : solution d'extensibilité sans modifier 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
• Autres solutions : Sidechains, Validium

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 des litiges, tandis que les interactions entre utilisateurs se déroulent hors chaîne, afin de réduire les coûts de transaction 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. Chaque canal est géré par un contrat intelligent multi-signatures fonctionnant sur la chaîne principale, contrôlant les actifs déposés dans le canal, vérifiant les mises à jour d'état et arbitrant les litiges entre les participants.

3.1.2 Chronologie

• 2015/02 : Joseph Poon et Thaddeus Dryja publient le projet de livre blanc du réseau Lightning
• 2015/11 : Jeff Coleman a d'abord résumé de manière systématique le concept de State Channel
• 2016/01 : Publication officielle du livre blanc sur le réseau Lightning
• 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
• 2018/10 : Proposition des concepts de State Channel Networks et de Virtual Channels
• 2019/02 : Le concept de canaux d'état s'étend aux N-Party Channels
• 2019/10 : Pisa étend le concept de Watchtowers pour résoudre le problème des participants devant être en ligne en permanence.
• 2020/03 : Hydra a proposé des Fast Isomorphic Channels

3.1.3 Principe technique

Workflow des canaux d'état :

1. Alice et Bob ouvrent un canal d'état en déposant des fonds dans le contrat de la chaîne principale et en signant pour confirmer.
2. Alice et Bob peuvent effectuer un nombre illimité de transactions off-chain, chaque transaction nécessitant la confirmation par la signature des deux parties.
3. Si Alice souhaite fermer le canal, elle doit soumettre l'état final au contrat. Si Bob signe pour approuver, le contrat exécute immédiatement la distribution des fonds ; si Bob ne répond pas, il faut attendre la fin de la "période de défi" avant de pouvoir recevoir les fonds.

Flux de travail en cas de pessimisme :

Si Bob ne répond pas à la signature de mise à jour d'état d'Alice, Alice peut soumettre son dernier état valide au contrat pour lancer un défi. Bob peut soumettre le prochain état en réponse dans un délai ; s'il ne répond pas, le contrat fermera automatiquement le canal et retournera les fonds à Alice.

3.1.4 Avantages et inconvénients

Avantages :

• Confirmation instantanée
• Haute capacité de traitement
• Bonne confidentialité
• Forte polyvalence

Inconvénients :

• Nécessite de verrouiller les fonds à l'avance
• Les participants doivent rester en ligne
• Supporte moins de participants
• Impossible de résoudre le problème des retraits massifs

3.1.5 Application

Réseau Lightning de Bitcoin:

• Proposé en 2015, version mainnet publiée en 2018
• En novembre 2022, il y avait 76 236 canaux de paiement, avec des fonds de 5049 BTC.
• L'écosystème couvre plusieurs catégories telles que le paiement, le portefeuille, la gestion des nœuds, etc., plus de 100 applications.

Réseau Lightning d'Ethereum:

• Fondé en 2017, la version principale a été publiée en 2020
• Le seuil d'utilisation est élevé, le développement de l'écosystème est lent
• Passer à l'exécution sur le réseau Layer2 Rollup

Celer Network :

• Augmentation du réseau Lightning avec la couche d'incitation
• Applicable aux applications à forte interaction telles que les plateformes de jeux électroniques
• Des produits tels que le pont inter-chaînes cBridge ont été lancés

3.2 Sidechains

3.2.1 Résumé

La sidechain est une forme de blockchain qui est apparue pour accélérer les transactions Bitcoin, permettant d'utiliser des contrats plus complexes ou d'améliorer le mécanisme de consensus. Les résultats des transactions de la sidechain seront finalement enregistrés du côté des validateurs et renvoyés à la chaîne principale.

3.2.2 Chronologie

• 2012/01 : Le concept de sidechain de Bitcoin est proposé pour la première fois
• 2014/10: Publication du document sur les sidechains Bitcoin
• 2017/04: Lancement du réseau de test POA Network
• 2017/10:Lancement de Matic Network
• 2018/01: Mise en ligne du testnet Skale
• 2020/06: lancement du réseau principal de Matic PoS Chain
• 2021/02: Lancement de la mainnet Ronin
• 2021/12: la chaîne xDai a fusionné avec Gnosis Dao pour devenir Gnosis Chain

3.2.3 Principe technique

Les sidechains communiquent principalement de deux manières avec la chaîne principale :

1. 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, utilisant la technologie SPV pour valider les transactions.

2. Ancrage non coordonné ( Ancrage asymétrique ) : Les validateurs de la chaîne latérale surveillent les activités de la chaîne principale, mais le réseau principal ne peut pas confirmer l'état de la chaîne latérale, il est nécessaire d'introduire un mécanisme de Certifiers pour valider les transactions de la chaîne latérale.

De plus en plus de chaînes latérales choisissent actuellement d'utiliser des notaires tiers (PoA) ou des couches intermédiaires Relayers pour confirmer l'état des blocs de la chaîne principale.

Résumé du mécanisme de chaîne latérale :

• Actifs de la chaîne principale vers la chaîne latérale : la chaîne principale verrouille les actifs, la chaîne latérale génère des actifs enveloppés.
• Actif de la side chain vers la chaîne principale : destruction de l'actif wrapped sur la side chain, déverrouillage de l'actif sur la chaîne principale

3.2.4 Avantages et inconvénients

Avantages :

• Hautement personnalisable
• Peut supporter des contrats intelligents complexes
• Transfert d'actifs inter-chaînes
• Mécanisme de gouvernance indépendant

Inconvénients:

• Sécurité relativement faible
• Risque de centralisation
• La complexité de la communication inter-chaînes est élevée
• L'ancrage bidirectionnel nécessite un temps de confirmation plus long

3.2.5 Application

xDai Chain( maintenant Gnosis Chain):

• Lancement de la mainnet en septembre 2018, fusion avec Gnosis en avril 2022
• Adoption du mécanisme de consensus PoSDAO
• TVL d'environ 53 millions de dollars, l'écosystème compte 35 projets en cours

Polygon :

• Lancement du mainnet de la chaîne Matic PoS et de la chaîne Plasma en juin 2020
• En 2021, la marque a été mise à niveau vers Polygon, se transformant en agrégateur.
• Il y a plus de 37k Dapps, 1,8B de transactions totales et plus de 135M d'utilisateurs

Ronin:

• Chaîne latérale développée pour le jeu Axie Infinity
• Lancement de la mainnet en mars 2021, utilisant un mécanisme de consensus PoA
• En mars 2022, une attaque de hacker a causé une perte de 624 millions de dollars.

3.3 Plasma

3.3.1 Résumé

Plasma est un cadre pour construire des Dapps évolutifs, visant à réduire au minimum la confiance des utilisateurs envers l'Operator de la chaîne latérale. Le principe de base de Plasma est que même en cas de défaillance de sécurité de la chaîne Plasma, tous les actifs des utilisateurs peuvent être retirés de la chaîne Plasma et renvoyés au réseau principal.

3.3.2 Ligne du temps

• 2017/08: Publication du livre blanc Plasma
• 2018/01: Proposition de la première application Plasma officielle Plasma MVP
• 2018/03 : proposition de Plasma Cash pour résoudre le problème des retraits à grande échelle
• 2018/06 : Proposition de Plasma Debit
• 2018/11 : Proposition de Plasma Prime
• À partir de 2019 : la communauté Ethereum a commencé à explorer les solutions Rollups.

3.3.3 Principe technique

La pensée centrale de Plasma :

• off-chain execution : la plupart du travail est traité en dehors de la chaîne principale
• Engagement d'état : version compressée de l'état de la chaîne Plasma stockée avec la racine Merkle
• Mécanisme de retrait : les utilisateurs doivent prouver au réseau principal qu'ils ont des fonds retirables et d'un montant correct.

Utilisation du processus :

1. L'utilisateur dépose des fonds dans le contrat Plasma de la chaîne principale.
2. L'utilisateur effectue des transactions sur la chaîne Plasma
3. L'opérateur empaquete les transactions et soumet l'engagement d'état à la chaîne principale.
4. L'utilisateur initie une demande de retrait, après la période de défi, il peut retirer des fonds.

3.3.4 Avantages et inconvénients

Avantages :

• Haute capacité de traitement
• Faibles frais de transaction
• Hériter de la sécurité de la chaîne principale

Inconvénients:

• Mécanisme de sortie complexe
• Problèmes de disponibilité des données
• Les utilisateurs doivent surveiller fréquemment
• Fonctionnalité limitée

3.3.5 Application

Applications principales:

• Plasma Group → Optimism(Optimistic Rollup)
• OMG Network → Boba Network(Optimistic Rollup)
• Polygon(anciennement Matic Network) → solution L2 full-stack

Résumé: Plasma est une solution de transition technique, limitée par les problèmes inhérents à la technologie elle-même, et la plupart des applications se sont rapidement orientées vers le développement de solutions basées sur les Rollups.

3.4 Rollups

3.4.1 Résumé

L'idée fondamentale des Rollups est de placer le processus de calcul et le stockage d'état hors chaîne, tout en stockant l'engagement d'état et les données de transaction compressées sur la chaîne principale.

Les Rollups se divisent en deux types :

• Optimistic Rollups : garantir la correctitude par des preuves de fraude
• ZK Rollups : garantir la correction par des preuves efficaces ( de preuve à divulgation nulle )

3.4.2 Principe technique

Mécanisme central:

• off-chain machine virtuelle exécute des transactions et stocke l'état
• Téléchargez les données de transaction compressées et la racine d'état dans le contrat de la chaîne principale.