Analyse approfondie de l'extension off-chain

1. La nécessité de l'extension

L'avenir de la blockchain est décentralisé, sécurisé et évolutif. Mais généralement, la blockchain ne peut réaliser que deux de ces trois objectifs, 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.

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

• Décentralisé : n'importe qui peut devenir un nœud pour participer au système de blockchain, plus il y a de nœuds, plus le degré de décentralisation est élevé.
• Sécurité : Plus le coût pour obtenir le contrôle du système blockchain est élevé, plus la sécurité est élevée.
• Scalabilité : Capacité de la blockchain à traiter un grand nombre de transactions.

La première grande bifurcation dure du réseau Bitcoin provient d'un problème d'extensibilité. Le 1er août 2017, le système client Bitcoin ABC, développé en interne avec des blocs de 8 Mo, a commencé à fonctionner, entraînant la première grande bifurcation dure de l'histoire de Bitcoin, donnant naissance à la nouvelle crypto-monnaie BCH.

Le réseau Ethereum a également choisi de sacrifier une partie de sa capacité d'extension pour garantir la sécurité et la décentralisation du réseau. Depuis CryptoKitties en 2017, jusqu'à l'été DeFi, puis l'émergence ultérieure des applications en chaîne telles que GameFi et NFT, la demande du marché pour le débit n'a cessé d'augmenter, mais Ethereum ne peut traiter que 15 à 45 transactions par seconde. Cela a entraîné une augmentation des coûts de transaction, des temps de règlement plus longs, et la plupart des Dapps ont du mal à supporter les coûts d'exploitation, rendant l'ensemble du réseau lent et coûteux pour les utilisateurs, le problème de l'extension de la blockchain doit être résolu de toute urgence.

2. Catégories des solutions d'extensibilité

Nous classons les solutions d'extension en deux grandes catégories : l'extension on-chain et l'extension off-chain, en utilisant "s'il y a un changement de la couche principale du réseau" comme critère.

2.1 Extensibilité on-chain

Concept clé : une solution visant à augmenter la capacité en modifiant une couche du protocole de la chaîne principale, 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, c'est-à-dire augmenter le nombre de transactions emballées dans chaque bloc, mais cela réduira le degré de "décentralisation".
• Sharding, qui divise le grand livre de la blockchain en plusieurs parties, chaque nœud étant responsable de la comptabilité de différentes parties, peut réduire la charge de calcul des nœuds, mais cela peut diminuer la "sécurité" de l'ensemble du réseau.

Changer un protocole de réseau principal peut avoir des effets négatifs imprévisibles, car la moindre vulnérabilité de sécurité à la base mettrait gravement en danger la sécurité de l'ensemble du réseau.

2.2 off-chain extensibilité

Concept clé : une 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(Rollups optimistes, Rollups ZK)
• Autres:
  • Sidechains
  • Validium

3. Solutions d'extension off-chain

3.1 Canaux d'état

3.1.1 Résumé

Le canal d'état stipule que les utilisateurs n'ont besoin d'interagir avec la blockchain principale que lorsque le canal est ouvert, fermé ou en cas de résolution de litiges, permettant ainsi d'effectuer les interactions entre les utilisateurs hors chaîne afin de réduire le temps et le coût des transactions, et de permettre 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 blockchain principale, ce contrat contrôle les actifs déposés dans le canal, vérifie les mises à jour d'état et arbitre les disputes entre participants.

3.1.2 Ligne du temps

• 2015/02 : Joseph Poon et Thaddeus Dryja publient un projet de livre blanc sur le réseau Lightning.
• 2015/11 : Jeff Coleman a d'abord résumé de manière systématique le concept de State Channel.
• 2016/01 : Joseph Poon et Thaddeus Dryja publient officiellement le livre blanc du réseau Lightning Bitcoin.
• 2017/11 : La première spécification de conception de State Channel basée sur le cadre Payment Channel, appelée Sprites, a été proposée.
• 2018/06 : Counterfactual a proposé la conception de Generalized State Channels.
• 2018/10 : Introduction des concepts de State Channel Networks et de Virtual Channels.
• 2019/02 : les canaux d'état s'étendent aux canaux N-Parties, Nitro est le premier protocole établi sur cette idée.
• 2019/10 : Pisa a élargi le concept de Watchtowers pour résoudre le problème du besoin de rester en ligne en continu pour tous les participants.
• 2020/03 : Hydra a proposé des Fast Isomorphic Channels.

3.1.3 Principes techniques

Flux de travail des canaux d'état :

1. Alice et Bob déploient un contrat multi-signatures sur la blockchain principale et y déposent des fonds pour les verrouiller.
2. Alice et Bob effectuent plusieurs transactions off-chain, chaque transaction étant confirmée par la signature des deux parties.
3. Lors de la fermeture du canal, Alice soumet l'état final au contrat. Si Bob signe pour approuver, le contrat distribue les fonds en fonction de l'état final. Si Bob ne répond pas, il faut attendre la fin de la période de contestation pour recevoir les fonds.

3.1.4 Avantages et inconvénients

Avantages:

• Finalité instantanée
• Faibles frais de transaction
• Haute confidentialité

Inconvénients :

• Le coût d'initialisation du canal est élevé
• Les participants doivent rester en ligne en permanence.
• Liquidité des fonds bloqués faible
• Difficile à appliquer aux scénarios généraux

3.1.5 Application

1. Réseau Lightning de Bitcoin

   • Résumé : Un réseau de paiements de petite taille sur le réseau Bitcoin, constitué d'un canal de paiement de petite taille off-chain et d'intermédiaires.
   • Chronologie : proposé en 2015, version mainnet lancée en 2018, plusieurs échanges soutiennent le réseau Lightning en 2022.
   • Écosystème : plus de 20 catégories et plus de 100 applications, y compris le paiement, le portefeuille, la gestion des nœuds, etc.

2. Réseau Lightning Ethereum

   • Aperçu: Un canal de paiement de petite taille basé sur Ethereum, similaire au réseau Lightning.
   • Chronologie: Fondé en 2017, premier Light Client lancé en 2020.
   • Développement entravé : l'utilisation d'un seuil élevé, l'apparition de technologies d'extensibilité plus avancées, entre autres raisons, ont conduit à une adoption limitée.

3. Celer Network

   • Résumé : Ajouter un réseau Lightning avec une couche d'incitation, adapté aux applications d'interaction à haute fréquence comme les plateformes de jeux vidéo.
   • Chronologie : fondée en 2018, mise en ligne sur le réseau principal en 2019.
   • Écosystème : les protocoles DeFi Layer2.finance, le protocole inter-chaînes Celer IM et le pont inter-chaînes d'actifs cBridge ont été lancés.

3.1.6 Comparaison des applications

Le réseau Lightning de Bitcoin, le réseau Lightning d'Ethereum et le réseau Celer ont chacun des caractéristiques en termes de fonctionnalité, de sécurité et de degré de décentralisation, adaptés à différents scénarios.

3.2 Sidechains

3.2.1 Résumé

Les chaînes latérales sont une forme de blockchain apparue pour accélérer les transactions sur la chaîne principale, permettant l'utilisation de contrats plus complexes ou l'amélioration des mécanismes de consensus. Les chaînes latérales sont des infrastructures attachées à la chaîne principale et aident la chaîne principale à résoudre des problèmes.

3.2.2 Chronologie

• 2012/01: Le concept de sidechain de Bitcoin est proposé pour la première fois
• 2014/10: Publication du document sur les sidechains Bitcoin
• 2017-2022 : plusieurs projets de chaînes latérales ont été lancés, comme POA Network, Matic Network( renommé plus tard Polygon), xDai Chain, etc.

3.2.3 Principes techniques

Les sidechains ont principalement deux types de technologies de cross-chain:

1. Symmetric Pegged( double ancrage):

   • Les validateurs de la chaîne principale et de la chaîne latérale enregistrent en temps réel l'état actuel de l'autre.
   • Utiliser la technologie SPV bidirectionnelle pour la transmission d'informations
   • La migration d'actifs de la chaîne principale vers la chaîne latérale génère une sortie verrouillée SPV, qui ne peut être déverrouillée que par les validateurs de la chaîne latérale.

2. Asymmetric Pegged( déséquilibré ):

   • Les validateurs de sidechain surveillent les activités de la chaîne principale et peuvent enregistrer activement les transactions de la chaîne principale vers la sidechain.
   • Les transactions de la sidechain vers la chaîne principale nécessitent l'introduction du mécanisme des Certifiers, qui vérifient et signent.

3.2.4 Avantages et inconvénients

Avantages :

• Permet des transactions rapides et des frais peu élevés
• Peut réaliser la complétude de Turing
• Mécanisme de consensus personnalisable

Inconvénients :

• La sécurité dépend des validateurs de chaîne latérale
• Le transfert d'actifs de la chaîne latérale principale nécessite un temps d'attente
• Degré de décentralisation relativement faible

3.2.5 Application

1. xDai( est maintenant Gnosis Chain)

   • Résumé: Sidechain basé sur DAI, les frais de transaction sont faciles à calculer
   • Chronologie : lancement en 2018, fusion avec Gnosis en 2022
   • Écosystème : classé 20ème dans DeFi Llama, TVL d'environ 53 millions de dollars

2. Polygon

   • Résumé : Agrégateur de solutions d'extension Ethereum
   • Chronologie : Fondé en 2017, lancement du mainnet en 2020, renommé en Polygon en 2021
   • Écosystème : possède 37k+Dapp, 1.8B transactions totales et 135M+ utilisateurs

3. Ronin

   • Résumé : une sidechain développée pour le jeu Axie Infinity
   • Chronologie : lancement du mainnet en mars 2021, attaque par des hackers en mars 2022
   • Écosystème: principalement dédié aux applications liées à Axie Infinity

3.2.6 Comparaison des applications

xDai, Polygon et Ronin ont des caractéristiques techniques, des cas d'utilisation et un développement écosystémique différents, chacun étant adapté à des besoins d'utilisation spécifiques.

3.3 Plasma

3.3.1 Résumé

Plasma est un cadre pour construire des Dapp évolutifs, conçu pour réduire au minimum la confiance des utilisateurs envers les opérateurs de sidechain. Même si l'opérateur agit de manière malveillante, Plasma peut empêcher le vol des fonds des utilisateurs.

3.3.2 Chronologie

• 2017/08 : Vitalik et Joseph Poon ont proposé le livre blanc Plasma
• 2018/01 : Proposition du MVP Plasma
• 2018/03 : Proposition de Plasma Cash
• 2018/06 : proposition de Plasma Debit
• 2018/11 : Proposition de Plasma Prime
• Depuis 2019 : la communauté Ethereum a commencé à explorer de nouvelles solutions d'évolutivité de deuxième couche "Rollups".

3.3.3 Principes techniques

Idée principale de Plasma:

• off-chain execution : la plupart des travaux sont traités en dehors de la chaîne principale
• Engagement d'état : L'Operator publie régulièrement la racine Merkle sur le réseau principal en tant qu'engagement d'état.
• Mécanisme de sortie : les utilisateurs peuvent soumettre une preuve Merkle pour prouver la propriété des fonds

Utilisation du processus :

1. L'utilisateur dépose des fonds dans le contrat principal.
2. L'utilisateur effectue des transactions sur la chaîne Plasma
3. L'opérateur emballe les transactions et soumet la racine Merkle au réseau principal
4. L'utilisateur soumet une demande de retrait, après une période de contestation, il peut retirer des fonds.

3.3.4 Avantages et inconvénients

Avantages:

• Haut débit
• Faibles frais de transaction
• Hériter de la sécurité de la chaîne principale

Inconvénients:

• Temps de retrait long
• Les utilisateurs doivent surveiller en permanence la chaîne Plasma
• Problème de sortie à grande échelle
• Problèmes de disponibilité des données

3.3.5 Application

1. Plasma Group → Optimism

   • Changement en 2019 vers la recherche sur Optimistic Rollup

2. OMG Network → Boba Network

   • Lancement du mainnet en 2020, utilisant la technologie More Viable Plasma
   • Renommé en Boba Network en 2021, passage à Optimistic Rollup

3. Polygon

   • Chaîne Matic Plasma lancée en 2020
   • Solutions L2 full stack pour le back-end, y compris la technologie Rollups

3.3.6 Résumé

Plasma est une solution technique de transition, dont les principales applications ont été déplacées vers d'autres technologies d'extension telles que les Rollups.

3.4 Rollups

3.4.1 Résumé

La pensée centrale des Rollups est de placer le processus de calcul et le stockage d'état hors chaîne, tandis que ce qui est empaqueté sur la chaîne est l'engagement d'état et les données de transaction compressées. Actuellement, ils se divisent principalement en Rollups Optimistes et Rollups ZK.

3.4.2 Principe technique

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