Analyse approfondie de l'expansion off-chain

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

1. La nécessité de l'extension

L'avenir de la blockchain est une vision grandiose : décentralisation, sécurité et évolutivité ; mais généralement, la blockchain ne peut réaliser que deux de ces trois objectifs, et satisfaire à ces trois exigences est ce qu'on appelle 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'extension, qui est l'un des sujets de discussion les plus brûlants dans le processus de développement actuel de la blockchain.

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

• Décentralisation : Tout le monde peut devenir un nœud participant à la production et à la vérification du système blockchain. Plus il y a de nœuds, plus le degré de décentralisation est élevé, garantissant ainsi que le réseau n'est pas contrôlé par un petit groupe de participants centralisés.
• Sécurité : Plus le coût pour obtenir le contrôle d'un système blockchain est élevé, plus la sécurité est élevée, permettant ainsi à la chaîne de résister à un plus grand pourcentage d'attaques de la part des participants.
• Scalabilité : la capacité de la blockchain à traiter un grand nombre de transactions.

La première grande séparation de la chaîne du réseau Bitcoin est née du problème de la scalabilité. Avec l'augmentation du nombre d'utilisateurs et du volume des transactions de Bitcoin, le réseau Bitcoin, avec une limite de 1 Mo par bloc, a commencé à faire face à des problèmes de congestion ; à partir de 2015, la communauté Bitcoin a eu des divergences sur la question de la scalabilité. D'une part, il y avait le camp pro-scalabilité, représenté par Bitcoin ABC, qui soutenait l'augmentation de la taille des blocs, et d'autre part, le camp du petit bloc, représenté par Bitcoin Core, qui pensait qu'il fallait utiliser la solution Segwit pour optimiser la structure de la chaîne principale. Le 1er août 2017, le système client développé par Bitcoin ABC jusqu'à 8 Mo a commencé à fonctionner, entraînant la première grande séparation de la chaîne dans l'histoire de Bitcoin, et donnant naissance à la nouvelle cryptomonnaie BCH.

De même, le réseau Ethereum a choisi de sacrifier une partie de l'évolutivité pour garantir la sécurité et la décentralisation du réseau ; bien que le réseau Ethereum ne limite pas le volume des transactions en restreignant la taille des blocs comme le fait le réseau Bitcoin, il a plutôt transformé cela en un plafond sur les frais de gaz pouvant être acceptés pour un seul bloc. Cependant, l'objectif est d'atteindre un consensus sans confiance et de garantir une large distribution des nœuds. Que ce soit en annulant ou en augmentant le plafond, cela éliminera de nombreux petits nœuds qui manquent de bande passante, de stockage et de capacité de calcul.

Depuis CryptoKitties en 2017, l'été DeFi, jusqu'à l'émergence ultérieure des applications en chaîne telles que GameFi et NFT, la demande du marché en matière de débit ne cesse 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 continue des coûts de transaction, un allongement des délais de règlement, et la plupart des Dapps ont du mal à supporter leurs coûts d'exploitation. L'ensemble du réseau devient également lent et coûteux pour les utilisateurs, et le problème de l'évolutivité de la blockchain doit être résolu de toute urgence. La solution d'évolutivité idéale serait d'augmenter la vitesse des transactions du réseau blockchain ( un temps de finalité ) plus court et un débit de transactions ( un TPS ) plus élevé, sans compromettre la décentralisation et la sécurité.

2. Catégories des solutions d'extension

Nous classons 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 y a un changement de couche de la chaîne principale".

( 2.1 évolutivité on-chain

Concept clé : une solution visant à augmenter la capacité en modifiant un niveau de 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, voici un bref aperçu de deux solutions :

• La solution un est d'élargir l'espace de bloc, c'est-à-dire d'augmenter le nombre de transactions emballées dans chaque bloc, mais cela augmentera les exigences pour les équipements des nœuds à haute performance, augmentant ainsi le seuil d'entrée pour les nœuds et réduisant le degré de "décentralisation".
• La solution deux est le sharding, qui consiste à diviser le grand livre de la blockchain en plusieurs parties. Ainsi, chaque nœud ne participe plus à toutes les écritures, mais différents shards, c'est-à-dire différents nœuds, sont responsables de différentes écritures. Le calcul parallèle peut traiter plusieurs transactions simultanément ; cela réduit 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. Cependant, cela signifie que la puissance de calcul du réseau est dispersée, ce qui peut diminuer la "sécurité" de l'ensemble du réseau.

Modifier le code du protocole principal d'une couche peut avoir des effets négatifs imprévisibles, car même une légère vulnérabilité de sécurité sous-jacente peut sérieusement menacer la sécurité de l'ensemble du réseau. Le réseau pourrait être contraint de se diviser ou de subir une interruption pour une mise à niveau de réparation. Par exemple, l'incident de vulnérabilité d'inflation de Zcash en 2018 : le code de Zcash est basé sur une modification du code de la version 0.11.2 de Bitcoin. En 2018, un ingénieur a découvert une vulnérabilité critique dans le code sous-jacent, à savoir que les jetons pouvaient être émis de manière illimitée, et l'équipe a ensuite passé 8 mois à réparer cela en secret, ne rendant public l'incident qu'après la correction de la vulnérabilité.

) 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 :

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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 de litiges, et que les interactions entre utilisateurs se déroulent off-chain, afin de réduire le temps et le coût des transactions pour les utilisateurs, 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 les parties d'échecs à deux joueurs. 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 ### selon les preuves de fraude signées et horodatées ###. Après le déploiement du contrat sur le réseau blockchain, les participants déposent des fonds et les verrouillent, et le canal est officiellement ouvert après la confirmation par signature des deux parties. Le canal permet aux participants d'effectuer un nombre illimité de transactions off-chain gratuites ( tant que la valeur nette de leurs transferts ne dépasse pas le montant total des tokens déposés ). Les participants envoient à tour de rôle des mises à jour d'état à l'autre, 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 convenues par les deux parties ne sont pas téléchargées sur la chaîne principale, elles ne dépendent de la confirmation de la chaîne principale qu'en cas de litige ou de fermeture du canal. Lorsqu'il est nécessaire de fermer le canal, n'importe quel participant peut soumettre une demande de transaction sur la chaîne principale, et si la demande de retrait obtient l'approbation par signature unanime, elle est exécutée immédiatement sur la chaîne, c'est-à-dire que le contrat intelligent distribue les fonds restants verrouillés selon le solde de chaque participant à l'état final du canal ; si d'autres participants n'ont pas approuvé par signature, tous doivent attendre la fin de la "période de contestation" pour recevoir les fonds restants.

En résumé, le schéma des canaux d'état peut réduire considérablement la charge de calcul du réseau principal, améliorer la vitesse des transactions et réduire le coût des transactions.

(# 3.1.2 Chronologie

• 2015/02, Joseph Poon et Thaddeus Dryja ont publié un brouillon du livre blanc du 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 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 » proposant une solution d'extensibilité pour le réseau Bitcoin, le Payment Channel ), cette solution est uniquement utilisée pour traiter les paiements de transfert sur le réseau Bitcoin.
• Novembre 2017, la première spécification de conception concernant les State Channels basée sur le cadre Payment Channel, Sprites, a été proposée.
• 2018/06, Counterfactual a proposé un design très détaillé des Generalized State Channels, c'est le premier design entièrement lié 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 a été étendu aux canaux N-Party, Nitro est le premier protocole basé 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 Fast Isomorphic Channels.

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)# 3.1.3 Principe technique

Le flux de travail général d'un canal d'état est le suivant :

1. Alice et Bob déposent des fonds depuis leur EOA personnel dans une adresse de contrat sur la chaîne, ces fonds sont verrouillés dans le contrat jusqu'à ce que le canal soit fermé, moment auquel le solde est restitué à l'utilisateur ; après confirmation par signature, le canal d'état entre les deux parties est officiellement ouvert.

2. Alice et Bob peuvent théoriquement réaliser un nombre illimité de transactions off-chain via ce canal, les participants communiquant entre eux par des messages signés de manière cryptée ( plutôt qu'en communiquant avec le réseau blockchain ). Les deux utilisateurs doivent signer chaque transaction pour prévenir les fraudes par double dépense. Grâce à 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 mettre fin à la transaction avec Bob, elle doit soumettre l'état final de son compte au contrat. Si Bob signe pour approuver, le contrat libérera les fonds verrouillés et les renverra à l'utilisateur correspondant en fonction de l'état final. Si Bob ne répond pas à la signature, le contrat libérera les fonds verrouillés et les renverra à l'utilisateur correspondant à la fin de la période de contestation.

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)# 3.1.4 Avantages et inconvénients

Avantages :

• Vitesse de transaction rapide, confirmation presque instantanée
• Frais de transaction très bas
• Haute capacité de traitement, théoriquement un nombre illimité de transactions
• Bonne confidentialité, seul l'état final est enregistré sur la chaîne

Inconvénients:

• Besoin de verrouiller des fonds
• Tous les participants doivent rester en ligne en permanence
• La capacité du canal est limitée
• L'établissement et la fermeture des canaux nécessitent des frais.
• Les contrats intelligents complexes sont difficiles à réaliser
• Problème de liquidité

(# 3.1.5 Application

Réseau Lightning Bitcoin

Aperçu: Le réseau Lightning est un canal de paiement à faible montant sur le réseau Bitcoin, dont l'évolution technologique globale a traversé : 2/2 multisig pour construire un canal de paiement unidirectionnel, puis la construction d'un canal de paiement bidirectionnel après l'ajout de RSMC, et enfin, avec l'ajout de HTLC, l'extension des canaux de paiement pour des paiements en plusieurs parties, construisant finalement un réseau de paiement, c'est-à-dire le réseau Lightning. Grâce à des canaux de paiement à faible montant hors chaîne, et en utilisant des intermédiaires pour former un réseau de transactions, il est possible de résoudre le problème de scalabilité du réseau Bitcoin. L'utilisation globale du réseau Lightning suit le processus "dépôt ) établir le canal ### → transaction du réseau Lightning ### mettre à jour l'état du canal ( → remboursement / règlement ) terminer le canal (" ; théoriquement, le réseau Lightning peut traiter un million de transactions par seconde.

Chronologie:

• En février 2015, Joseph Poon et Thaddeus Dryja ont publié le brouillon du livre blanc du réseau Lightning.
• La version officielle du livre blanc a été publiée en janvier 2016 et Lightning Labs a été fondée.
• Le 15 mars 2018, Lightning Labs a lancé la première version principale du réseau Lightning, Lightning Network Daemon )LND( version 0.4.
• Au début de 2021, la capacité publique du réseau Lightning était de )TVL( d'environ 40 millions de dollars, avec environ 100 000 utilisateurs utilisant le réseau Lightning.
• 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 leur soutien au réseau Lightning, permettant des dépôts et retraits BTC instantanés et peu coûteux.
• En octobre 2022, Lightning Labs a publié un nouveau protocole basé sur Taproot - le protocole Taro) version alpha(, actuellement en phase de test sur le réseau de test, qui sera à l'avenir utilisé pour frapper, envoyer et recevoir des actifs sur le réseau Bitcoin, et via le réseau Lightning.