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 généralement, seulement deux de ces trois objectifs peuvent être atteints, ce qui est appelé le problème du triangle impossible de la blockchain. Depuis des années, les gens explorent comment résoudre ce dilemme, 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.

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

• Décentralisé : n'importe qui peut devenir un nœud participant à la production et à la validation du 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 groupe.

• Sécurité : Plus le coût pour obtenir le contrôle d'un 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 d'extension. Avec l'augmentation du nombre d'utilisateurs de Bitcoin et du volume des transactions, le réseau avec une limite de 1 Mo par bloc a commencé à faire face à des congestions ; depuis 2015, il y a eu des divergences au sein de la communauté Bitcoin sur le problème d'extension, une partie soutenant l'augmentation de la taille des blocs, tandis que l'autre estime qu'il faudrait utiliser la solution Segwit pour optimiser la structure de la chaîne principale. Le 1er août 2017, la partie soutenant l'augmentation de la taille des blocs a exécuté un nouveau client par elle-même, entraînant la première grande hard fork de l'histoire de Bitcoin, 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'il ne limite pas la taille des blocs comme le réseau Bitcoin, il impose en quelque sorte un plafond sur les frais de gas qu'un seul bloc peut contenir, avec pour objectif de réaliser un consensus sans confiance et de garantir une large distribution des nœuds.

Depuis le CryptoKitties de 2017, l'été DeFi, jusqu'à l'émergence ultérieure des applications on-chain comme GameFi et NFT, la demande du marché en termes de débit n'a cessé d'augmenter. Cependant, même Ethereum, qui est Turing-complet, ne peut traiter que 15 à 45 transactions par seconde (TPS), ce qui entraîne une augmentation des coûts de transaction et un allongement des temps de règlement. La plupart des Dapps ont du mal à supporter les coûts d'exploitation, rendant le réseau lent et coûteux pour les utilisateurs. Le problème de l'évolutivité de la blockchain doit être résolu en urgence. La solution d'évolutivité idéale est d'augmenter la vitesse et le débit des transactions du réseau blockchain autant que possible, sans sacrifier la décentralisation et la sécurité.

2. Catégories des solutions d'extension

Selon le critère "si la couche principale du réseau est modifiée", les solutions d'extension peuvent être divisées en deux grandes catégories : l'extension on-chain et l'extension off-chain.

2.1 extensibilité on-chain

Concept clé : une solution pour atteindre l'effet d'évolutivité en modifiant une couche du protocole de la chaîne principale, la principale solution actuelle est le sharding.

Il existe plusieurs solutions pour l'extension on-chain, cet article ne les développera pas, mais en énumérera brièvement deux :

• La première option consiste à élargir l'espace des blocs, c'est-à-dire à augmenter le nombre de transactions emballées dans chaque bloc, mais cela augmentera les exigences en matière de matériel pour les nœuds performants, augmentera la barrière d'entrée pour les nœuds et réduira le degré de "décentralisation".

• La solution deux est le sharding, qui consiste à diviser le grand livre de la blockchain en plusieurs parties, où chaque nœud ne participe plus à tous les enregistrements, mais où différents shards, c'est-à-dire différents nœuds, sont responsables de différents enregistrements, permettant un calcul parallèle qui peut traiter plusieurs transactions simultanément ; cela peut réduire la pression de calcul sur les nœuds et le seuil d'entrée, améliorer la vitesse de traitement des transactions et le degré de décentralisation ; mais cela signifie que la puissance de calcul de l'ensemble du réseau est dispersée, ce qui peut réduire la "sécurité" de l'ensemble du réseau.

Changer le code du protocole principal d'une couche peut avoir des effets négatifs imprévisibles ; toute faille de sécurité mineure dans la couche sous-jacente pourrait gravement menacer la sécurité de l'ensemble du réseau, qui pourrait être contraint de procéder à une fourche ou à une interruption pour une mise à niveau 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 :

Layer2:

• Canaux d'État
• Plasma
• Rollups
  • Optimistic Rollups
  • ZK Rollups

Autres:

• 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 du canal. Les interactions entre utilisateurs se font off-chain, 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 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 participants ( en se basant sur des preuves de fraude signées et horodatées ). Après le déploiement du contrat sur le réseau, les participants déposent des fonds et les verrouillent; après la confirmation par les signatures des deux parties, le canal est officiellement ouvert. Le canal permet un nombre illimité de transactions hors chaîne gratuitement entre les participants ( tant que la valeur nette des transferts ne dépasse pas le montant total des tokens déposés ). Les participants envoient alternativement des mises à jour d'état à l'autre, en attendant la confirmation par signature de l'autre partie. Une fois que l'autre partie a confirmé par signature, 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 chaîne principale; seules les disputes ou la fermeture du canal nécessitent une confirmation par la chaîne principale. Lors de la fermeture du canal, n'importe quel participant peut soumettre une demande de transaction sur la chaîne principale; si tous les participants donnent leur accord par signature, l'exécution sur la chaîne se fait immédiatement, c'est-à-dire que le contrat distribue les fonds restants verrouillés en fonction des soldes de chaque participant à l'état final du canal; si d'autres participants n'ont pas donné leur accord par signature, tous doivent attendre la fin de la "période de contestation" pour recevoir les fonds restants.

En résumé, les solutions de canaux d'état peuvent considérablement réduire la charge de calcul sur la chaîne principale, améliorer la vitesse des transactions et réduire les coûts des transactions.

3.1.2 Chronologie

• 2015/02, Joseph Poon et Thaddeus Dryja ont publié un projet de livre blanc sur le réseau Lightning.

• 2015/11, Jeff Coleman a d'abord résumé systématiquement le concept de State Channel, 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" qui propose une solution d'extension du réseau Lightning de Bitcoin, le Payment Channel(, qui est uniquement utilisé pour traiter les paiements de transfert sur le réseau Bitcoin.

• En novembre 2017, la première spécification de conception des State Channels basée sur le cadre des Payment Channels, appelée Sprites, a été proposée.

• 2018/06, Counterfactual a proposé un design détaillé des Generalized State Channels, c'est la première conception entièrement liée aux State Channels.

• 2018/10, l'article Generalised State Channel Networks a proposé les concepts de State Channel Networks et de Virtual Channels.

• 2019/02, le concept de canaux d'état s'est étendu aux canaux N-Party, 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 pour tous les participants d'être continuellement en ligne.

• 2020/03, Hydra a proposé des Fast Isomorphic Channels.

)# 3.1.3 Principes techniques

Flux de travail traditionnel sur la chaîne : Alice et Bob interagissent avec le contrat intelligent déployé sur la chaîne principale, les utilisateurs modifient l'état du contrat intelligent en envoyant des transactions sur la chaîne. Le inconvénient est qu'il entraîne des problèmes de temps et de coûts discutés précédemment.

La plupart des protocoles de canaux d'état suivent un flux de travail général : dans le cas optimiste, Alice et Bob doivent effectuer les mêmes opérations qu'auparavant, mais cette fois en utilisant un canal d'état, sans interagir avec un contrat on-chain.

• Première étape, Alice et Bob déposent des fonds de leur EOA personnel à l'adresse du contrat on-chain, ces fonds sont verrouillés dans le contrat jusqu'à ce qu'ils soient retournés aux utilisateurs lorsque le canal est fermé ; après que les deux parties aient signé et confirmé, le canal d'état entre les deux est officiellement ouvert.

• Deuxième étape, Alice et Bob peuvent théoriquement effectuer un nombre illimité de transactions off-chain via ce canal, les participants communiquant entre eux par des messages signés cryptographiquement ### plutôt qu'avec le réseau blockchain (. Les deux utilisateurs doivent signer chaque transaction pour éviter les attaques de 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.

• Troisième étape, si Alice souhaite fermer le canal et mettre fin à la transaction avec Bob, Alice doit soumettre l'état final de son compte au contrat. Si Bob signe et approuve, le contrat libérera les fonds verrouillés et les renverra à l'utilisateur correspondant selon l'état final. Si Bob ne répond pas à la signature, le contrat libérera les fonds verrouillés et les renverra à l'utilisateur correspondant après la fin de la période de contestation.

Flux de travail des canaux d'état dans un scénario pessimiste : au départ, deux participants déposent des fonds, puis commencent à échanger des mises à jour d'état. Supposons qu'à un certain moment, Bob ne réponde pas à la signature de mise à jour d'état envoyée par Alice lors du tour, à ce moment-là, Alice peut initier un défi en soumettant son dernier état valide au contrat, cet état valide contenant également la signature de Bob précédente, prouvant ainsi que la dernière transaction a été approuvée par Bob et que l'état final a été confirmé par Bob. Ensuite, le contrat permet à Bob de répondre dans un certain délai en soumettant le prochain état au contrat ; si Bob répond, les deux peuvent continuer à échanger dans le canal d'état ; si Bob ne répond pas dans ce délai, 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 :

• Confirmation de transaction instantanée
• Frais de transaction très bas
• Bonne évolutivité, théoriquement infinie TPS
• Bonne confidentialité, seul l'état final est enregistré sur la chaîne.
• Mise à jour de l'état flexible

Inconvénients :

• Doit préalablement verrouiller les fonds
• Les participants doivent surveiller en ligne en continu
• Il faut attendre la période de contestation lorsque le canal est fermé.
• Établir un canal multi-parties complexe
• Pas adapté aux transferts de valeur à grande échelle

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)# 3.1.5 Application

Réseau Lightning de Bitcoin:

Aperçu: Le réseau Lightning est un canal de paiement de petite taille sur le réseau Bitcoin. L'évolution technologique globale a traversé : la construction d'un canal de paiement unidirectionnel par multi-signature 2/2, la possibilité de construire un canal de paiement bidirectionnel après l'ajout de RSMC, puis l'ajout de HTLC permettant d'étendre les canaux de paiement à plusieurs parties, et finalement la construction du réseau de paiement, c'est-à-dire le réseau Lightning. Grâce aux canaux de paiement de petite taille off-chain, et en s'appuyant sur des intermédiaires pour constituer un réseau de transactions, il est possible de résoudre le problème de scalabilité du réseau Bitcoin. L'utilisation du réseau Lightning suit le processus "Dépôt ### Établir un canal ( → Transactions sur le réseau Lightning ) Mettre à jour l'état du canal ( → Remboursement / Règlement ) Clôturer le canal (" ; théoriquement, il est capable de traiter un million de transactions par seconde.

Chronologie:

• En février 2015, Joseph Poon et Thaddeus Dryja ont publié un brouillon du livre blanc du réseau Lightning
• Publication de la version finale du livre blanc en janvier 2016 et création de Lightning Labs
• Le 15 mars 2018, Lightning Labs a lancé la première version du réseau Lightning mainnet, Lightning Network Daemon )LND( version 0.4.
• Début 2021, la capacité publique du réseau Lightning )TVL( était d'environ 40 millions de dollars, avec environ 100 000 utilisateurs.
• En juin 2021, le Salvador a annoncé l'adoption du Bitcoin comme monnaie légale, et en septembre, il a lancé le portefeuille Chivo basé sur le réseau Lightning.
• En 2022, Cash App et 26 plateformes de trading de cryptomonnaies, y compris OKX, Kraken et Bitfinex, ont annoncé le support du réseau Lightning, permettant des dépôts et retraits BTC instantanés et peu coûteux.
• Octobre 2022, Lightning Labs a publié la nouvelle version alpha du protocole Taro basé sur Taproot ), qui est actuellement en phase de test sur le réseau de test. À l'avenir, il pourra être utilisé pour créer, envoyer et recevoir des actifs sur le réseau Bitcoin, et exécuter des transactions instantanées, de grande capacité et à faible coût via le réseau Lightning.
• 23 novembre 2022, selon 1ml.com, le réseau Lightning compte 76 236 canaux de paiement, avec des fonds de canal de 5049 $BTC($81.8M)

Développement écologique: L'écosystème du réseau Lightning BTC se compose de bas en haut : le réseau BTC de base -- les infrastructures fondamentales -- divers Dapps.

Les infrastructures de base comprennent :

• Solutions de réseau Lightning : les particuliers et les entreprises peuvent exécuter et se connecter à