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 n'est généralement possible d'en réaliser que deux, ce qu'on appelle le 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 brûlants du développement actuel de la blockchain.

La décentralisation, la sécurité et l'évolutivité de la blockchain sont définies simplement comme suit :

• Décentralisation : Toute personne peut devenir un nœud participant au système blockchain. Plus le nombre de nœuds est élevé, plus le degré de décentralisation est important, garantissant que le réseau n'est pas contrôlé par un petit nombre de grands participants centralisés.

• Sécurité : Plus le coût d'acquisition du contrôle du système blockchain est élevé, plus la sécurité est importante, capable 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 de problèmes d'extensibilité. 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 ; depuis 2015, la communauté Bitcoin a eu des divergences sur la question de l'extensibilité, d'une part soutenant l'augmentation de la taille des blocs, d'autre part soutenant l'utilisation de SegWit pour optimiser la structure de la chaîne principale. Le 1er août 2017, la partie soutenant l'augmentation de la taille des blocs a développé un système client de 8 Mo, entraînant le premier hard fork majeur de Bitcoin et la naissance de la nouvelle cryptomonnaie BCH.

Le réseau Ethereum a également choisi de sacrifier une partie de l'évolutivité pour garantir la sécurité et la décentralisation, en fixant un plafond sur les frais de carburant des blocs pour limiter le volume des transactions. Depuis le CryptoKitties de 2017 jusqu'à l'émergence ultérieure des applications DeFi, GameFi et NFT, la demande du marché pour le débit n'a cessé d'augmenter, 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, rendant difficile pour la plupart des DApps de supporter les coûts d'exploitation, et l'ensemble du réseau devient lent et coûteux, nécessitant une solution urgente pour le problème d'évolutivité. La solution d'évolutivité idéale est : augmenter autant que possible la vitesse des transactions et le débit, sans sacrifier la décentralisation et la sécurité.

2. Catégories des solutions d'extension

Selon le critère "si le réseau principal doit être modifié", les solutions d'extension peuvent être classées en deux grandes catégories : l'extension on-chain et l'extension off-chain.

2.1 Scalabilité on-chain

Concept clé : une solution permettant d'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, voici un bref aperçu de deux d'entre elles :

• Option 1 : Élargir l'espace de bloc, augmenter le nombre de transactions empaquetées dans chaque bloc, mais cela augmentera les exigences en matière de matériel des nœuds et réduira le degré de décentralisation.

• Option 2 : Sharding, diviser le livre de la blockchain en plusieurs parties, chaque nœud étant responsable de la comptabilité différente, le calcul parallèle pouvant traiter plusieurs transactions simultanément ; cela peut réduire la pression de calcul sur les nœuds et le seuil d'entrée, améliorant ainsi la vitesse de traitement des transactions et le degré de décentralisation ; mais la puissance de calcul globale du réseau étant répartie, cela peut réduire la sécurité de l'ensemble du réseau.

Changer un protocole principal de la blockchain peut avoir des conséquences négatives imprévisibles, des vulnérabilités de sécurité subtiles au niveau de la couche inférieure peuvent menacer gravement la sécurité de l'ensemble du réseau, ce qui pourrait entraîner des forks ou interrompre les mises à jour de réparation.

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 autres solutions :

Les solutions Layer2 incluent :

• État du canal
• Sidechain
• Plasma
• Rollups( optimistes et sommaires à connaissance nulle )

D'autres solutions incluent :

• Validateur
• 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 chaîne principale que lors de l'ouverture, de la fermeture ou de la résolution de litiges, en plaçant les interactions entre utilisateurs hors chaîne, afin de réduire le temps et le coût des transactions, permettant ainsi un nombre illimité de transactions.

Les canaux d'état sont des protocoles P2P simples, adaptés aux "applications basées sur des tours", comme les jeux de société à deux. Chaque canal est géré par un contrat intelligent multi-signatures sur la chaîne principale, contrôlant les actifs déposés, vérifiant les mises à jour d'état et arbitraire les litiges. Les participants déposent des fonds et les verrouillent après le déploiement du contrat, et le canal est officiellement ouvert après confirmation par les deux parties. Le canal permet des transactions hors chaîne gratuites sans limite de nombre tant que le montant total des transferts ne dépasse pas le montant des tokens déposés. Les participants envoient à tour de rôle des mises à jour d'état et attendent la confirmation par signature de l'autre partie. En temps normal, les mises à jour d'état ne sont pas téléchargées sur la chaîne principale, et ce n'est qu'en cas de litige ou de fermeture du canal qu'elles dépendent de la confirmation de la chaîne principale. Lors de la fermeture du canal, n'importe quel participant peut faire une demande sur la chaîne principale ; si la signature de tous les membres est obtenue, elle est exécutée immédiatement ; sinon, il faut attendre la fin de la "période de contestation" avant de recevoir les fonds restants.

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 ont publié un brouillon de livre blanc sur le réseau Lightning
• 2015/11 : Jeff Coleman a d'abord résumé systématiquement le concept de State Channel.
• 2016/01 : Joseph Poon et Thaddeus Dryja publient officiellement le livre blanc du réseau Lightning de Bitcoin
• 2017/11 : Première norme de conception de State Channel basée sur le cadre de canal de paiement, Sprites proposée
• 2018/06 : Counterfactual a proposé un design détaillé 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 canaux d'état s'étend aux N-Party Channels, Nitro est le premier protocole basé sur cette idée.
• 2019/10 : Pisa pour résoudre le problème des participants qui doivent être en ligne en continu, élargit le concept des Watchtowers.
• 2020/03 : Hydra a proposé des Fast Isomorphic Channels

)# 3.1.3 Principes techniques

Flux de travail traditionnel sur la chaîne : les utilisateurs interagissent avec des contrats intelligents sur le réseau principal, en envoyant des transactions pour modifier l'état du contrat. L'inconvénient est qu'il entraîne des problèmes de temps et de coûts.

Flux de travail des canaux d'état:

1. L'utilisateur dépose des fonds dans l'adresse de contrat principal, verrouillant les fonds jusqu'à la fermeture du canal.
2. Les utilisateurs peuvent effectuer un nombre illimité de transactions off-chain, en communiquant par des messages signés cryptographiquement.
3. Si vous devez fermer le canal, l'utilisateur soumet l'état final au contrat.
4. Si la signature de l'autre partie est approuvée, le contrat distribue les fonds en fonction de l'état final ; sinon, il faut attendre la fin de la période de contestation.

Dans le cas pessimiste:

• Si un utilisateur ne répond pas à la mise à jour de l'état, l'autre partie peut soumettre le dernier état valide au contrat pour lancer un défi.
• Le contrat permet à la partie contestée de répondre dans un délai.
• En l'absence de réponse, le contrat ferme automatiquement le canal et restitue les fonds.

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(# 3.1.4 Avantages et inconvénients

Avantages :

• Confirmation instantanée de la transaction
• Haut débit
• Faibles frais de transaction
• Bonne confidentialité

Inconvénients:

• Nécessite de verrouiller les fonds à l'avance
• Capacité de canal limitée
• Les participants doivent surveiller en ligne de manière continue
• Le coût de création et de fermeture des canaux est élevé
• Universalité limitée

)# 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 : canal de paiement unidirectionnel, canal de paiement bidirectionnel, réseau de paiement multi-utilisateurs. Grâce aux canaux de paiement off-chain et aux intermédiaires, un réseau de transactions est constitué, résolvant ainsi le problème de scalabilité du réseau Bitcoin. Le processus d'utilisation est "dépôt ### établir canal ### → transaction réseau Lightning ( mettre à jour l'état du canal ) → remboursement/règlement ( terminer canal )". Théoriquement, il est possible de traiter des millions de transactions par seconde.

Chronologie:

• Février 2015 : Publication de l'ébauche du livre blanc
• Janvier 2016 : Publication du livre blanc officiel, création de Lightning Labs
• Mars 2018 : publication de la première version du réseau principal LND 0.4
• Juin 2021 : Le Salvador adopte le Bitcoin comme monnaie légale et lance le portefeuille Chivo basé sur le réseau Lightning.
• 2022 : Plusieurs plateformes d'échange prennent en charge le réseau Lightning
• Octobre 2022 : Le réseau Lightning compte 76 236 canaux de paiement, avec un fonds de canal de 5049 BTC.

Développement écologique: L'écosystème du réseau Lightning se compose des éléments suivants de bas en haut : le réseau BTC de base, l'infrastructure fondamentale, et diverses DApps. L'infrastructure fondamentale comprend des solutions de réseau Lightning et des services de liquidité pour les nœuds. Au-dessus de l'infrastructure se trouvent des applications telles que des services de paiement et financiers. Actuellement, il y a plus de 20 catégories et plus de 100 applications, couvrant des domaines tels que le paiement, les portefeuilles, la gestion des nœuds, les extensions de navigateur, les podcasts et le streaming.

Réseau Lightning d'Ethereum:

Résumé: Le réseau Raiden est un canal de paiement à faible coût basé sur Ethereum, similaire au réseau Lightning, qui étend les transactions on-chain en établissant des canaux d'état, permettant des paiements rapides et à faible coût de jetons ERC20.

Chronologie:

• Fondée en 2017, le fondateur était un développeur clé d'Ethereum.
• ICO réalisé en octobre 2017, ayant levé plus de 30 millions de dollars.
• Première version du réseau principal Alderaan publiée en mai 2020
• À la fin de 2021, plusieurs échanges ont retiré le token RDN.

Actuellement pas largement adopté, les raisons incluent : 1( Utilisation avec un seuil élevé : les frais de Gas Ethereum sont trop élevés, le coût d'ouverture du canal est trop élevé. 2) Des technologies d'extension plus avancées apparaissent : à l'époque, c'était la seule solution d'extension d'Ethereum, mais des solutions meilleures comme Rollup apparaissent actuellement.

Développement écologique: Le développement de l'écosystème est actuellement lent, l'équipe est en train de le transformer pour qu'il fonctionne sur le réseau Layer 2 Rollup d'Ethereum, afin de réduire les frais de Gas pour la création de canaux. Il a été lancé sur Arbitrum en mai 2022, devenant ainsi un L2 sur un L2. À l'avenir, il se concentrera sur les Rollups comme solution complémentaire.

Celer Network:

Aperçu: Celer Network est essentiellement un réseau Lightning qui augmente la couche d'incitation )CELR ), construisant des DApps d'interaction haute fréquence rapides et à faible coût grâce à la technologie d'extension off-chain et à un modèle économique incitatif, tels que des plateformes de sports électroniques.

Principe technique : Les utilisateurs interagissent dans des canaux d'état off-chain, et la vérification on-chain ne se fait que lorsque cela est nécessaire, par exemple en cas de litige (. Grâce à l'outil de conversion d'adresse off-chain OAT, l'adresse off-chain peut être mappée de manière unique à un contrat intelligent on-chain.

L'architecture comprend trois couches :

• cChannel: ensemble de canaux d'état généraux et de chaînes latérales
• cRoute:off-chain paiement routage
• cOS: cadre de développement et environnement d'exécution pour applications off-chain

Ligne du temps:

• Fondé en 2018, l'équipe vient d'universités renommées
• Le jeton CELR a été émis sur la plateforme Launchpad de Binance en mars 2019
• Le mainnet a été lancé en juillet 2019, avec la publication du premier réseau de canaux d'état généraux et de la plateforme de jeux CelerX.

Développement écologique: Avec l'évolution de l'écosystème blockchain vers le multichaîne, Celer Network se transforme en une plateforme d'agrégation de mise à l'échelle L2 prenant en charge les solutions inter-chaînes, lançant des produits tels que le protocole DeFi Layer2.finance, le protocole d'information inter-chaînes Celer IM et le pont inter-chaînes cBridge. cBridge prend en charge 139 jetons et 38 chaînes. En novembre 2022, il a été intégré dans MetaMask Bridges Beta et le réseau de test zkSync 2.0.

)# 3.1.6 Comparaison des applications

Réseau Lightning de Bitcoin:

• Utilisation principale : paiements de petits montants en Bitcoin
• Caractéristiques techniques : HTLC prend en charge les paiements multi-sauts
• Développement écologique : application large, capacité on-chain en croissance stable
• Avantages : faibles frais, transactions rapides, amélioration de l'évolutivité du réseau Bitcoin
• Inconvénients : nécessite un capital préalable, capacité de passage limitée, routage complexe

Réseau Lightning Ethereum:

• Utilisation principale : Paiement en tokens Ethereum
• Caractéristiques techniques : prend en charge les contrats intelligents génériques
• Développement de l'écosystème : croissance lente, en transition vers Rollup
• Avantages : prend en charge une logique plus complexe
• Inconvénients : seuil d'utilisation élevé, écosystème sous-développé

Celer Network :

• Usage principal : DApp d'interaction à haute fréquence
• Caractéristiques techniques : ajout d'une couche d'incitation, prise en charge des contrats intelligents généraux
• Développement écologique : se transformer en plateforme d'agrégation L2 inter-chaînes
• Avantages : grande polyvalence, capacité inter-chaînes
• Inconvénients : relativement complexe

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