Analyse approfondie de l’expansion off-chain

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

1. La nécessité de l’extension

Le problème du triangle impossible auquel fait face la blockchain : la décentralisation, la sécurité et l’évolutivité sont difficiles à satisfaire simultanément. L’un des sujets brûlants du développement de la blockchain actuellement est la question de savoir 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.

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

• Décentralisé : plus il y a de nœuds, plus le degré de décentralisation est élevé, le réseau n’est pas contrôlé par un petit groupe.
• Sécurité : Plus le coût d’acquisition du contrôle du système blockchain est élevé, plus la sécurité est grande, capable de résister à une attaque d’un pourcentage élevé de participants.
• 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. Le 1er août 2017, le système client de 8 Mo développé par Bitcoin ABC a commencé à fonctionner, entraînant la première grande hard fork de l’histoire de Bitcoin, donnant naissance à la nouvelle cryptomonnaie BCH.

Le réseau Ethereum limite le volume des transactions en restreignant les frais de gaz pouvant être inclus dans un seul bloc, afin d’atteindre un consensus sans confiance et d’assurer une large distribution des nœuds. Avec l’essor des applications sur chaîne, la demande de débit sur le marché augmente sans cesse, mais Ethereum ne peut traiter que 15 à 45 transactions par seconde, ce qui entraîne une augmentation des coûts de transaction, un allongement des temps de règlement, et la plupart des Dapps ont du mal à supporter les coûts d’exploitation, rendant le réseau lent et coûteux, et le problème de l’évolutivité de la blockchain doit être résolu d’urgence.

2. Catégories de solutions d’extensibilité

Selon le critère “s’il y a un changement du niveau principal du réseau”, les solutions d’extension sont classées en deux grandes catégories : l’extension on-chain et l’extension off-chain.

2.1 Scalabilité on-chain

Concept central : une solution qui atteint un effet d’extension en modifiant une couche de protocole principal, la principale solution actuelle étant le sharding.

Il existe plusieurs solutions pour l’extension on-chain, cet article ne s’étendra pas, voici un bref aperçu de deux solutions:

• La première solution consiste à élargir l’espace de bloc, c’est-à-dire à augmenter le nombre de transactions pouvant être incluses dans chaque bloc, mais cela augmentera les exigences pour les équipements des nœuds à haute performance, augmentant le seuil d’entrée pour les nœuds et réduisant ainsi le degré de “décentralisation”.
• La solution deux est le sharding, qui divise le grand livre de la blockchain en plusieurs parties. Au lieu que chaque nœud participe à tous les enregistrements, différents shards, c’est-à-dire différents nœuds, sont responsables de différents enregistrements. Le calcul en parallèle peut traiter plusieurs transactions simultanément ; 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. Cependant, cela signifie que la puissance de calcul de l’ensemble du réseau est dispersée, ce qui peut diminuer la “sécurité” du réseau.

Modifier le code du protocole principal de la couche peut avoir des conséquences négatives imprévisibles, car la moindre faille de sécurité dans la couche sous-jacente peut menacer gravement la sécurité de l’ensemble du réseau, qui peut être contraint de procéder à un fork ou à une interruption pour une mise à jour de réparation.

2.2 off-chain expansion

Concept clé : solution d’extensibilité qui ne modifie pas le protocole de la couche 1 existante.

Les solutions d’extension off-chain peuvent être subdivisées en Layer2 et d’autres solutions :

• Layer2 : State Channels, Plasma, Rollups ( Optimistic Rollups, ZK Rollups )
• Autres solutions : Sidechains, Validium

3. Solutions d’extension off-chain

3.1 Canaux d’état

3.1.1 Résumé

Le protocole des canaux d’état stipule 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, et que les interactions entre utilisateurs se font hors chaîne, 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”, par exemple, un jeu 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 disputes entre les participants ( selon des preuves de fraude avec signatures et horodatages ).

3.1.2 Chronologie

• 2015/02, Joseph Poon et Thaddeus Dryja ont publié un projet de livre blanc sur le réseau Lightning.
• En novembre 2015, 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’extension pour le réseau Lightning de Bitcoin, le Payment Channel(, cette solution est uniquement utilisée pour traiter les paiements de transfert sur le réseau Bitcoin.
• En novembre 2017, la première spécification de conception de State Channel basée sur le cadre de Payment Channel, Sprites, a été proposée.
• 2018/06, Counterfactual a présenté 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 introduit les concepts de State Channel Networks et de Virtual Channels.
• 2019/02, le concept de canaux d’état a été étendu 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 pour tous les participants d’être constamment en ligne.
• 2020/03, Hydra a proposé des Fast Isomorphic Channels.

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)# 3.1.3 Principe technique

Flux de travail des canaux d’état :

1. L’utilisateur dépose des fonds dans le contrat on-chain et les verrouille, le canal est ouvert.
2. L’utilisateur effectue des transactions off-chain et confirme chaque transaction par signature.
3. Lorsque vous devez fermer le canal, soumettez l’état final au contrat en chaîne.
4. En cas de litige, vous pouvez entrer dans la période de contestation et soumettre des preuves.
5. Le contrat rembourse les fonds à l’utilisateur en fonction de l’état final ou du résultat du défi.

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)# 3.1.4 Avantages et inconvénients

Avantages:

• Confirmation instantanée
• Faibles frais
• Haute confidentialité
• Haute capacité de traitement

Inconvénients :

• Nécessite une surveillance continue en ligne
• Impossible de faire face à un retrait massif
• La capacité de canal est limitée
• Liquidité faible
• Manque d’universalité

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)# 3.1.5 Application

Réseau Lightning de Bitcoin:

• est un canal de paiement à faible montant sur le réseau Bitcoin
• Créer un réseau de transactions à l’aide de canaux de paiement off-chain de petite taille et d’intermédiaires pour résoudre le problème de l’extensibilité du réseau Bitcoin.
• Théoriquement, un million de transactions peuvent être traitées par seconde.
• L’écosystème continue de se développer, avec des applications couvrant plusieurs catégories telles que les paiements, les portefeuilles et la gestion des nœuds.

Réseau Lightning Ethereum:

• Canal de paiement de faible montant basé sur Ethereum
• Cette technologie n’a pas encore été largement adoptée.
• L’équipe est en train de transformer le Raiden Network pour qu’il fonctionne sur le réseau Rollup Layer2 d’Ethereum.

Celer Network:

• Essentiellement, il s’agit d’un réseau Lightning avec une couche d’incitation supplémentaire.
• Peut être construit des Dapps blockchain de type interaction haute fréquence rapides, faciles à utiliser, à faible coût et sécurisés grâce à des technologies d’extension off-chain et à des modèles économiques incitatifs.
• Des produits tels que le pont d’actifs inter-chaînes cBridge ont été lancés.

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) 3.2 Sidechains

3.2.1 Résumé

La chaîne latérale est une forme de blockchain qui a émergé pour accélérer les transactions Bitcoin, permettant d’utiliser des contrats plus complexes, ou d’améliorer le mécanisme de consensus ### tel que PoS (, ou d’ajuster les paramètres de bloc pour rendre la chaîne latérale conforme à des fonctions spécifiques. Les résultats des transactions de la chaîne latérale sont finalement enregistrés du côté des validateurs lorsqu’ils sont renvoyés à la chaîne principale. Ce modèle de blockchain n’est pas une nouvelle forme de blockchain, mais constitue une infrastructure attachée à la chaîne principale et qui aide la chaîne principale à résoudre des problèmes.

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)# 3.2.2 Chronologie

• Janvier 2012, le concept de sidechain Bitcoin a été proposé dans un chat.
• 2014/10, publication initiale du document sur les sidechains de Bitcoin : Symmetric Pegged et Asymmetric Pegged
• 2017/04, la side chain POA Network basée sur le consensus Proof of Authentication d’Ethereum a lancé son réseau de test.
• 2017/10, lancement de Matic Network
• Décembre 2017, lancement du réseau principal de POA Network
• 2018/01, lancement du testnet Skales
• 2018/10, lancement du testnet xDai Chain
• 2020/06, lancement du réseau principal Skale
• 2020/06, le mainnet de la chaîne PoS Matic d’Ethereum sidechain a été lancé
• 2021/02, la marque Matic Network a été renommée en Polygon Network
• 2021/02, le réseau principal Ronin de 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 a fusionné avec Gnosis Chain

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)# 3.2.3 Principes techniques

Les deux principaux mécanismes des chaînes latérales :

1. Ancrage bi-directionnel ### Ancrage symétrique (: Les validateurs de la chaîne principale et de la chaîne latérale enregistrent en temps réel l’état de l’autre. Lorsqu’un token de la chaîne principale est transféré vers la chaîne latérale, une sortie spéciale est générée, que seuls les validateurs de la chaîne latérale peuvent déverrouiller.

2. Ancrage non coordonné ) Ancrage asymétrique (: Les validateurs de sidechain surveillent les activités de la chaîne principale et peuvent enregistrer activement les transactions de la chaîne principale vers la sidechain. Cependant, lorsque la transaction va de la sidechain vers la chaîne principale, la chaîne principale ne peut pas confirmer l’état de la sidechain et doit introduire le mécanisme des Certifiers.

En termes simples, le mécanisme de la chaîne latérale :

• Chaîne principale vers chaîne secondaire : la chaîne principale verrouille les actifs, la chaîne secondaire génère des actifs enveloppés.
• Chaîne latérale vers la chaîne principale : destruction des actifs wrapped sur la chaîne latérale, déverrouillage des actifs sur la chaîne principale

La sécurité des actifs de la chaîne latérale dépend du mécanisme de consensus de la chaîne latérale.

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)# 3.2.4 Avantages et inconvénients

Avantages:

• Hautement personnalisable
• Les actifs de la chaîne principale peuvent être utilisés
• N’affecte pas la chaîne principale
• Peut réaliser des fonctionnalités complexes

Inconvénients :

• Sécurité relativement faible
• Faible degré de décentralisation
• Liquidité dispersée
• Manque d’actifs natifs

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)# 3.2.5 Application

xDai ### maintenant Gnosis Chain (:

• Le token $xDai est ancré 1:1 avec $Dai
• Adoption du mécanisme de consensus PoSDAO
• A fusionné avec Gnosis

Polygon :

• Agrégateur de solutions d’extension Ethereum
• Fournir une chaîne latérale Polygon PoS et diverses solutions Rollup
• Le développement de l’écosystème est rapide, avec de nombreuses Dapps et utilisateurs.

Ronin:

• Chaîne latérale du jeu Axie Infinity
• Utilisation du mécanisme de consensus PoA
• A subi des attaques de hackers graves

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) 3.3 Plasma

3.3.1 Résumé

Plasma est un cadre pour construire des Dapps évolutifs. Il est apparu comme une solution évolutive pour les chaînes latérales, visant à minimiser la confiance des utilisateurs envers l’Operator de la chaîne latérale.