Analyse approfondie de l'extensibilité off-chain

1. La nécessité de l'extension

La vision future de la blockchain est d'atteindre la décentralisation, la sécurité et la scalabilité, mais il est souvent possible de ne réaliser que deux de ces objectifs. Cela est connu sous le nom de 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 en résolvant le problème de scalabilité.

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

• Décentralisé : N'importe qui peut devenir un nœud participant au système blockchain, plus il y a de nœuds, plus le degré de décentralisation est élevé.
• Sécurité : Plus le coût d'obtention du contrôle du système blockchain est élevé, plus la sécurité est élevée, la chaîne peut résister à une plus grande proportion d'attaques.
• Scalabilité : la capacité de la blockchain à traiter un grand nombre de transactions.

La première grande bifurcation dure du réseau Bitcoin est née du problème de scalabilité. 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. À partir de 2015, la communauté Bitcoin a eu des divergences sur le problème de scalabilité, d'un côté, certains soutenaient l'augmentation de la taille des blocs, tandis que de l'autre, certains soutenaient l'utilisation de la solution SegWit pour optimiser la structure de la chaîne principale. Le 1er août 2017, le camp en faveur de grands blocs a développé de manière autonome un système client de 8 Mo, ce qui a conduit à la première grande bifurcation dure de Bitcoin, donnant naissance à BCH.

Le réseau Ethereum a également choisi de sacrifier une partie de l'évolutivité pour garantir la sécurité et la décentralisation du réseau. Bien qu'Ethereum ne limite pas la taille des blocs comme le fait Bitcoin, il impose indirectement un plafond sur les frais de gaz d'un bloc unique, dans le but d'atteindre un consensus sans confiance et d'assurer une large distribution des nœuds.

Depuis les CryptoKitties de 2017 jusqu'à l'été DeFi, puis l'essor de GameFi et des NFT, la demande du marché pour le débit n'a cessé d'augmenter. Cependant, Ethereum ne peut toujours traiter que 15 à 45 transactions par seconde, ce qui entraîne une augmentation des coûts de transaction et des délais de règlement prolongés, rendant difficile pour la plupart des DApps de supporter les coûts d'exploitation. 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'augmentation de capacité

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

2.1 extension on-chain

Concept clé : une solution qui permet d'augmenter la capacité en modifiant un niveau du protocole principal, la principale solution actuelle étant le sharding.

Il existe plusieurs solutions pour l'extension on-chain, cet article ne s'étendra pas, mais énumérera brièvement deux d'entre elles :

• Élargir l'espace de bloc, augmenter le nombre de transactions empaquetées par bloc, mais cela augmentera les exigences sur les dispositifs des nœuds et réduira le degré de décentralisation.
• Sharding, qui divise le grand livre de la blockchain en plusieurs parties, est responsable de l'enregistrement par différents nœuds, permettant le calcul parallèle pour 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 peut réduire la sécurité globale du réseau.

Modifier un protocole de chaîne principale peut avoir des effets négatifs imprévisibles, et toute vulnérabilité de sécurité mineure au niveau sous-jacent peut gravement menacer la sécurité de l'ensemble du réseau.

2.2 off-chain扩容

Concept central : 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
• 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 de litiges, plaçant les interactions entre utilisateurs en off-chain pour 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 d'échecs à deux joueurs. Chaque canal est géré par un contrat intelligent multi-signatures fonctionnant sur la chaîne principale, qui contrôle les actifs déposés dans le canal, vérifie les mises à jour d'état et arbitre les litiges entre les participants.

3.1.2 Chronologie

• 2015/02 : Joseph Poon et Thaddeus Dryja publient 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 : La première spécification de conception de State Channel basée sur le cadre Payment Channel, Sprites, a été proposée.
• 2018/06 : Counterfactual propose un design détaillé des Generalized State Channels.
• 2018/10: Proposition des concepts de State Channel Networks et de Virtual Channels.
• 2019/02 : Le concept de canaux d'état est étendu aux N-Party Channels, 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 pour les participants d'être en ligne en permanence.
• 2020/03 : Hydra a proposé des canaux isomorphes rapides.

3.1.3 Principe technique

Flux de travail général des canaux d'état :

1. Les participants ouvrent un canal en déposant des fonds dans le contrat intelligent de la chaîne principale.

2. Les participants peuvent effectuer un nombre illimité de transactions off-chain et communiquer entre eux pour mettre à jour l'état par le biais de messages signés.

3. Lors de la fermeture du canal, les participants soumettent l'état final au contrat de la chaîne principale. Si tous les membres signent, l'exécution est immédiate ; sinon, il faut attendre la fin de la période de contestation.

4. En cas de litige, une preuve de fraude peut être soumise au contrat de la chaîne principale pour contestation.

3.1.4 Avantages et inconvénients

Avantages :

• Confirmation instantanée, frais de transaction bas
• Haute capacité de traitement, évolutivité forte
• Bonne confidentialité

Inconvénients :

• Nécessite de verrouiller les fonds à l'avance
• Les participants doivent rester en ligne
• Non applicable aux applications à participation ouverte
• Le coût d'établissement et de fermeture des canaux est élevé

3.1.5 Application

Applications principales : réseau Lightning de Bitcoin, réseau Lightning d'Ethereum, Celer Network.

Réseau Lightning de Bitcoin:

• Proposé en 2015, le réseau principal a été lancé en mars 2018
• À la date de novembre 2022, il y a 76 236 canaux de paiement et 5049 BTC verrouillés.

Réseau Lightning Ethereum:

• Fondée en 2017, lancement de la mainnet en mai 2020
• Actuellement, il manque de progrès dans le développement, plusieurs échanges retirent le jeton RDN.

Celer Network:

• Fondé en 2018, ajout d'une couche d'incitation
• Convient aux applications d'interaction à haute fréquence telles que les plateformes de jeux vidéo.

3.1.6 Comparaison des applications

Le réseau Lightning est actuellement l'application de canal d'état la plus réussie, avec un écosystème relativement complet. Le développement du réseau Thunder est plutôt lent. Celer Network a élargi davantage les cas d'application en ajoutant une couche d'incitation.

3.2 Sidechains

3.2.1 Résumé

Le concept de sidechain a été proposé en 2012 et des articles connexes ont été publiés pour la première fois en 2014. Les sidechains sont une forme de blockchain apparue pour accélérer les transactions Bitcoin, permettant d'utiliser des contrats plus complexes ou d'améliorer le mécanisme de consensus. Lorsque les résultats des transactions sur la sidechain sont finalement renvoyés à la chaîne principale, ils sont enregistrés du côté des validateurs.

3.2.2 Chronologie

• 2012/01: Le concept de sidechain Bitcoin a été proposé dans un salon de discussion.
• 2014/10: Publication du document sur les sidechains Bitcoin
• 2017/04: Mise en ligne du réseau de test POA Network
• 2017/10: Lancement de Matic Network
• 2017/12: Lancement du réseau principal de POA Network
• 2018/01: Lancement du réseau de test Skale
• 2018/10: Lancement du testnet xDai Chain
• 2020/06: Lancement du réseau principal Skale, lancement du réseau principal Matic PoS Chain
• 2021/02:Matic Network a été renommé 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 principaux principes techniques des chaînes latérales comprennent :

1. Ancrage bidirectionnel : les validateurs de la chaîne principale et de la chaîne latérale enregistrent en temps réel l'état actuel de l'autre.

2. Ancrage non coordonné : les validateurs de la chaîne latérale doivent surveiller l'activité de la chaîne principale, mais la chaîne principale ne peut pas confirmer l'état de la chaîne latérale, nécessitant l'introduction du mécanisme des Certifiers.

3. Actifs cross-chain:

   • Chaîne principale → Chaîne latérale : la chaîne principale verrouille les actifs, la chaîne latérale génère des actifs wrapped.
   • Sidechain → Mainchain : destruction de l'actif wrapped de la sidechain, déverrouillage de l'actif sur la mainchain

La sécurité des actifs sur la chaîne latérale dépend de la sécurité de la chaîne latérale, principalement de son mécanisme de consensus.

3.2.4 Avantages et inconvénients

Avantages:

• Peut réaliser des transactions rapides et à faible coût
• Prend en charge des contrats intelligents plus complexes
• N'affecte pas la sécurité et la décentralisation de la chaîne principale

Inconvénients :

• Nécessite une mécanisme de signature conjointe, sécurité relativement faible
• Les ponts inter-chaînes pourraient devenir des cibles d'attaque
• Les actifs de la chaîne principale doivent être verrouillés sur le pont.
• Dépendance totale à l'honnêteté des validateurs

3.2.5 Application

Principales applications : Gnosis Chain ( ancien xDai ), Polygon, Ronin

Chaîne Gnosis:

• Lancement du mainnet en septembre 2018
• Fusion avec Gnosis DAO en 2021
• Adopter le modèle PoSDAO, le staking peut obtenir 15% APR
• La TVL actuelle est d'environ 53 millions de dollars, avec 35 projets en cours.

Polygon:

• Fondée en 2017, mise en ligne du réseau principal en juin 2020
• Renommé en février 2021, se transformant en agrégateur de solutions d'extension.
• Le développement de l'écosystème est rapide, avec plus de 37k DApp
• La TVL actuelle est d'environ 1,07 milliard de dollars.

Ronin:

• Chaîne latérale développée pour le jeu Axie Infinity
• Lancement de la mainnet en mars 2021
• Utilisation du consensus PoA, jusqu'à 25 nœuds de validation
• En mars 2022, une attaque de hacker de 625 millions de dollars a eu lieu.

3.2.6 Comparaison des applications

La chaîne Gnosis se concentre sur les paiements en stablecoins, Polygon se développe de manière rapide et complète, et Ronin est conçu spécifiquement pour les jeux mais sa sécurité est douteuse. Polygon est en tête en matière de construction d'écosystème, d'innovation technologique et de solidité financière.

3.3 Plasma

3.3.1 Résumé

Plasma est un cadre pour construire des DApps évolutives. Il apparaît comme une solution d'évolution des chaînes latérales, visant à minimiser la confiance des utilisateurs envers l'Operator de la chaîne latérale. Le principe de base de Plasma est que même en cas de défaillance de sécurité de la chaîne Plasma, les actifs des utilisateurs peuvent toujours être retirés du réseau principal.

3.3.2 Chronologie

• 2017/08 : Vitalik et Joseph Poon ont proposé le livre blanc Plasma
• 2018/01 : Vitalik a proposé Plasma MVP
• 2018/03 : Vitalik a proposé Plasma Cash
• 2018/06 : Dan Robinson a proposé Plasma Debit
• 2018/11: La Fondation BANKEX a proposé Plasma Prime
• Depuis 2019 : la communauté Ethereum commence à explorer les Rollups

3.3.3 Principe technique

La pensée centrale de Plasma :

1. Exécution off-chain : la plupart des travaux sont traités en dehors de la chaîne principale.
2. Engagement d'état : soumettre régulièrement l'état de la chaîne Plasma sur le réseau principal.
3. Mécanisme de retrait : les utilisateurs peuvent retirer des fonds de la chaîne Plasma vers le réseau principal à tout moment.

Flux utilisateur :

1. Déposer des actifs dans le contrat de la chaîne principale pour entrer dans la chaîne Plasma
2. Effectuer des transactions sur la chaîne Plasma
3. L'opérateur soumet régulièrement des engagements d'état au réseau principal
4. L'utilisateur peut à tout moment initier une demande de retrait et récupérer ses actifs après la période de contestation.