Analyse approfondie des technologies d'extension off-chain : principes et applications des State Channels et des Sidechains

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 qui est appelé 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 peuvent être définies comme :

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

  • Sécurité : Plus le coût d'obtention du contrôle du système blockchain est élevé, plus la sécurité est grande, 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.

Rapport d'analyse approfondie : analyse complète de l'extension off-chain

Le premier hard fork majeur du réseau Bitcoin provient d'un problème de scalabilité. Avec l'augmentation du nombre d'utilisateurs et du volume des transactions, le réseau Bitcoin, avec sa limite de bloc de 1 Mo, a commencé à faire face à des congestions. Depuis 2015, la communauté Bitcoin a divergée sur la question de la scalabilité, une partie soutenant l'augmentation de la taille des blocs, tandis que l'autre préconisait l'utilisation de SegWit pour optimiser la structure de la chaîne principale. Le 1er août 2017, la partie favorable à l'expansion a développé elle-même une blockchain de 8 Mo, entraînant le premier hard fork majeur de Bitcoin, donnant naissance à une nouvelle cryptomonnaie, le BCH.

Le réseau Ethereum a également choisi de sacrifier une partie de l'évolutivité pour garantir la sécurité et la décentralisation, en limitant le volume des transactions par un plafond de frais de carburant. Depuis le CryptoKitties de 2017 jusqu'à l'essor de DeFi, GameFi et NFT, la demande de débit sur le marché 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 la plupart des DApp difficilement viables en raison des coûts d'exploitation. L'ensemble du réseau devient lent et coûteux, nécessitant de toute urgence une solution d'évolutivité. La solution d'évolutivité idéale consiste à améliorer autant que possible la vitesse des transactions et le débit, tout en préservant la décentralisation et la sécurité.

2. Catégories de solutions d'extension

Nous pouvons diviser les solutions d'extension en deux grandes catégories : l'extension on-chain et l'extension off-chain, selon "si une couche de la chaîne principale est modifiée".

2.1 Scalabilité on-chain

Concept central : une solution visant à atteindre un effet d'extension 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, en voici brièvement deux :

  • La solution un consiste à élargir l'espace de bloc, à augmenter le nombre de transactions empaquetées dans chaque bloc, mais cela augmentera les exigences en matière de matériel pour les nœuds à haute performance, réduisant ainsi le degré de "décentralisation".

  • La solution deux est le sharding, qui divise le grand livre de la blockchain en plusieurs parties, chaque fragment étant responsable de la comptabilité différente, et le calcul parallèle 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 signifie que la puissance de calcul de l'ensemble du réseau est dispersée, ce qui peut diminuer la "sécurité" de l'ensemble du réseau.

Modifier un protocole de la couche principale peut avoir des conséquences négatives imprévisibles, et toute faille de sécurité mineure au niveau de la couche sous-jacente peut gravement menacer la sécurité de l'ensemble du réseau, qui pourrait être contraint de se diviser ou d'interrompre une mise à niveau de réparation.

2.2 off-chain expansion

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 d'autres solutions :

Layer2:

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

Autre:

  • Sidechains
  • Validium

Rapport d'étude en profondeur de 10 000 mots : Analyse complète de l'expansion off-chain

3. Solutions pour l'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. Les interactions entre utilisateurs sont effectuées off-chain afin de réduire le temps et le coût des transactions, permettant un nombre illimité de transactions.

Les canaux d'état sont des protocoles P2P simples, adaptés aux "applications basées sur des tours", comme les échecs à deux joueurs. Chaque canal est géré par un contrat intelligent multi-signatures sur la chaîne principale, contrôlant les actifs du canal, vérifiant les mises à jour d'état et arbitrant les litiges ( en fonction des preuves de fraude signées et horodatées ). Après que les participants ont déployé le contrat, ils déposent des fonds et les verrouillent, et une fois que les deux parties ont signé, le canal est officiellement ouvert. Le canal permet un nombre illimité de transactions hors chaîne gratuites ( tant que la valeur nette ne dépasse pas le montant total déposé ). Les participants envoient alternativement des mises à jour d'état et attendent la confirmation de signature de l'autre partie. Normalement, les mises à jour d'état ne sont pas téléchargées sur la chaîne principale, dépendant uniquement de la confirmation de la chaîne principale en cas de litige ou de fermeture du canal. Lors de la fermeture du canal, l'une ou l'autre des parties peut faire une demande sur la chaîne principale, qui sera exécutée immédiatement si elle obtient l'approbation de toutes les signatures, sinon elle devra attendre la fin de la "période de contestation".

Les canaux d'état peuvent considérablement réduire la charge de calcul du réseau principal, améliorer la vitesse des transactions et réduire le coût des transactions.

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3.1.2 Chronologie

  • 2015/02 : Joseph Poon et Thaddeus Dryja publient le brouillon du livre blanc sur le réseau Lightning.

  • 2015/11 : Jeff Coleman a d'abord résumé systématiquement le concept de State Channel, en proposant que le Payment Channel de Bitcoin est un sous-cas de State Channel.

  • 2016/01 : Joseph Poon et Thaddeus Dryja publient officiellement le livre blanc du réseau Lightning de Bitcoin, proposant un schéma d'extension des canaux de paiement.

  • 2017/11 : Le premier protocole de conception de State Channel basé sur Payment Channel a été proposé par Sprites.

  • 2018/06 : Counterfactual a proposé un design détaillé des Generalized State Channels, le premier design entièrement pertinent.

  • 2018/10: introduction des concepts de State Channel Networks et de Virtual Channels.

  • 2019/02 : Les canaux d'état s'étendent aux canaux N-Party, Nitro est le premier protocole basé sur cette idée.

  • 2019/10 : Pisa étend le concept de Watchtowers, résolvant le problème des participants qui doivent rester en ligne en permanence.

  • 2020/03 : Hydra a proposé des canaux isomorphes rapides.

3.1.3 Principe technique

Flux de travail traditionnel en chaîne : les utilisateurs changent l'état des contrats intelligents en envoyant des transactions sur la chaîne, mais cela entraîne des problèmes de temps et de coût.

Flux de travail des canaux d'état :

  1. L'utilisateur dépose des fonds de l'EOA dans le contrat sur la chaîne, verrouillé 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. Lors de la fermeture du canal, soumettez l'état final au contrat. S'il y a une approbation de la signature de l'autre partie, exécutez immédiatement, sinon attendez la période de contestation.

Dans un scénario pessimiste, si une partie ne répond pas, l'autre partie peut soumettre l'état final valide au contrat pour initier un défi. Le contrat permet à l'autre partie de répondre dans un certain délai. En l'absence de réponse, le contrat ferme automatiquement le canal et rembourse les fonds.

Rapport de recherche approfondi : analyse complète de l'extension off-chain

3.1.4 Avantages et inconvénients

Avantages:

  • Confirmation instantanée, transaction rapide
  • Faibles frais
  • Confidentialité
  • Haute capacité de traitement

Inconvénients :

  • Nécessite une surveillance en ligne continue
  • Nécessité de verrouiller les fonds
  • Pas adapté au trading à faible fréquence
  • Capacité du canal limitée
  • Ne prend pas en charge les contrats intelligents généraux

3.1.5 Application

Réseau Lightning de Bitcoin:

  • C'est un canal de paiement à faible montant sur le réseau Bitcoin.
  • Créez un réseau de transactions à travers des canaux de paiement off-chain à faible montant et des intermédiaires pour résoudre le problème de scalabilité.
  • Suivez le processus "Dépôt → Transaction sur le réseau Lightning → Remboursement/ Réglement"
  • Théoriquement, il est possible de traiter un million de transactions par seconde.
  • À la fin de 2021, le TVL était d'environ 40 millions de dollars, avec environ 100 000 utilisateurs.
  • En novembre 2022, il y avait 76 236 canaux de paiement, 5049 BTC de fonds ( $81.8M )

Réseau Lightning Ethereum:

  • Canal de paiement de petite taille basé sur Ethereum, similaire au réseau Lightning
  • L'objectif est d'atteindre des paiements de jetons ERC20 presque instantanés, à faible coût et évolutifs.
  • Fondé en 2017, a levé 30 millions de dollars lors de l'ICO en octobre 2017
  • Le premier Light Client a été lancé en mai 2020
  • Actuellement pas largement adopté, les raisons incluent des barrières à l'entrée élevées et l'émergence de technologies d'extension plus avancées.
  • L'équipe est en train de le transformer pour fonctionner sur le réseau Rollup Layer2 d'Ethereum.

Celer Network:

  • L'essence est d'augmenter la couche d'incitation du réseau Lightning
  • Construire des DApps d'interaction à haute fréquence rapides, faciles à utiliser, peu coûteuses et sécurisées grâce à des technologies d'extension off-chain et à des modèles économiques incitatifs.
  • Applicable aux applications d'interaction à haute fréquence telles que les plateformes de sport électronique
  • Utilisez le traducteur d'adresse off-chain OAT( pour mapper de manière unique les adresses off-chain aux contrats intelligents sur la chaîne.
  • Composé de trois couches : cChannel, cRoute et cOS
  • Fondée en 2018, le jeton $CELR a été émis en mars 2019.
  • Les protocoles DeFi Layer2.finance, le protocole de communication inter-chaînes Celer IM et le pont inter-chaînes d'actifs cBridge ont été lancés.

)# 3.1.6 Comparaison des applications

Réseau Lightning de Bitcoin:

  • Utilisé pour le paiement BTC
  • Canal de paiement bidirectionnel
  • Volume de transactions élevé
  • Le développement écologique est relativement bon

Réseau Lightning d'Ethereum:

  • Utilisé pour les paiements ETH et ERC20
  • Canal de paiement bidirectionnel
  • Volume de transactions faible
  • Développement écologique lent

Celer Network :

  • Support de plusieurs actifs
  • Canal d'état au sens large
  • Volume moyen
  • Écologie se développant vers la direction inter-chaînes

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) 3.2 Sidechains

3.2.1 Résumé

Le concept de sidechain a été proposé pour la première fois en 2012 dans le chat des développeurs de Bitcoin, et le premier article pertinent a été publié en 2014. La sidechain est une forme de blockchain qui apparaît pour accélérer les transactions Bitcoin, et permet d'utiliser des contrats plus complexes ou d'améliorer le mécanisme de consensus. Lorsque le résultat d'une transaction de sidechain est finalement renvoyé à la chaîne principale, il est enregistré du côté des validateurs. Ce modèle est une infrastructure attachée à la chaîne principale qui aide à résoudre des problèmes.

3.2.2 Chronologie

  • 2012/01 : Le concept de sidechain de Bitcoin a été proposé dans un salon de discussion
  • 2014/10: Publication du papier sur les sidechains Bitcoin : Symmetric Pegged et Asymmetric Pegged
  • 2017/04: Le réseau POA a lancé un test de chaîne latérale basé sur le consensus PoA d'Ethereum.
  • 2017/10:Lancement du Matic Network
  • 2017/12: Lancement du réseau principal de POA Network
  • 2018/01: Mise en ligne du testnet de Skales
  • 2018/10: lancement du testnet xDai Chain
  • 2020/06: lancement du mainnet Skale
  • 2020/06: Lancement du réseau principal de la chaîne Matic PoS sur la chaîne latérale Ethereum
  • 2021/02: Matic Network a été renommé en Polygon Network
  • 2021/02: Le réseau principal de la sidechain Ronin du jeu Axie Infinity fonctionne.
  • 2021/12: la chaîne xDai fusionne avec Gnosis Dao pour devenir Gnosis Chain
  • 2022/03: POA Network a fusionné avec Gnosis Chain

3.2.3 Principes techniques

Les sidechains communiquent avec la chaîne principale par deux moyens : l'ancrage bilatéral ### Symmetric Pegged ( et l'ancrage non coordonné ) Asymmetric Pegged (.

Symmetric Pegged:

  • Les validateurs de la chaîne latérale principale enregistrent en temps réel l'état actuel de l'autre ) les informations d'en-tête de bloc (
  • Utiliser la technologie SPV bidirectionnelle pour transmettre des informations
  • Lors de l'envoi de Token de la chaîne principale vers la chaîne latérale, un SPV-Locked Output est généré
  • Les validateurs de sidechain déverrouillent avec des preuves SPV
  • Vous pouvez utiliser les nouveaux actifs émis sur la chaîne latérale après la période de confirmation et la période de concours.

Pegged asymétrique :

  • Les validateurs de sidechain surveillent en temps réel les activités de la chaîne principale
  • Lorsque la chaîne principale effectue un transfert vers la chaîne latérale, la chaîne latérale enregistre activement )forward transaction(
  • Introduction du mécanisme des Certifiers lors du transfert de la side chain vers la main chain.
  • Les certificateurs enregistrent les informations telles que l'ID du contrat, l'ID du validateur, la liste de transfert, etc.
  • Les certificateurs garantissent la sécurité par le biais de la mise en jeu et de la signature.

Actuellement, la plupart des sidechains utilisent un mécanisme PoA ou une couche intermédiaire de Relayers pour confirmer l'état des blocs de la chaîne principale.

Résumé du mécanisme de chaîne latérale:

  • Chaîne principale → Chaîne latérale : la chaîne principale verrouille les actifs, la chaîne latérale génère des actifs enveloppés.
  • Sidechain → Mainchain : destruction des actifs wrapped sur la sidechain, déblocage des actifs sur la mainchain

La sécurité des actifs de la chaîne latérale dépend de la sécurité de la chaîne latérale, c'est-à-dire du mécanisme de consensus de la chaîne latérale.

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RugDocScientistvip
· Il y a 18h
Il faut dire qu'on ne peut vraiment pas supporter, le problème du triangle est trop difficile.
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TokenUnlockervip
· 07-07 19:59
La séparation des pouvoirs ? Qui l'a dit ?
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SighingCashiervip
· 07-07 12:48
Le triangle impossible est un classique ancien.
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MetaMaximalistvip
· 07-06 09:46
une autre vision naïve sur le trilemme de la scalabilité... soupir
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CryptoFortuneTellervip
· 07-06 09:42
Encore la Trinité impie, un vieux problème.
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rekt_but_not_brokevip
· 07-06 09:33
Ce n'est pas simplement le principe de triangle de la Blockchain ? Peux-tu faire quelque chose de nouveau ?
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NewPumpamentalsvip
· 07-06 09:27
Ce Trinité impie est vraiment ennuyeux.
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SolidityNewbievip
· 07-06 09:25
Trinité impie ah... c'est vraiment difficile à gérer
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SybilAttackVictimvip
· 07-06 09:18
Le problème triangulaire recommence à tourner.
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