Analyse approfondie de l'extension off-chain

1. La nécessité d'augmenter la capacité

La vision future de la blockchain est d'atteindre la décentralisation, la sécurité et l'évolutivité, mais il est souvent possible de satisfaire simultanément seulement deux d'entre elles, 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'expansion.

La décentralisation, la sécurité et l'évolutivité de la blockchain sont définies comme suit :

• Décentralisé : toute personne peut participer à la production et à la vérification du système blockchain, plus il y a de nœuds, plus le degré de décentralisation est élevé.
• Sécurité : Plus le coût d'acquisition du contrôle du système blockchain est élevé, plus la sécurité est renforcée, ce qui permet de résister à une plus grande proportion d'attaques.
• Scalabilité : la capacité de la blockchain à traiter un grand nombre de transactions.

Les réseaux Bitcoin et Ethereum ont tous deux choisi de sacrifier une partie de la scalabilité pour garantir la sécurité et la décentralisation du réseau. Cependant, avec l'émergence des applications on-chain, la demande du marché pour le débit augmente constamment, entraînant une augmentation des coûts de transaction et des temps de règlement plus longs, rendant la plupart des DApps difficilement viables en termes de coûts d'exploitation. La solution d'extension idéale est d'augmenter la vitesse des transactions et le débit du réseau blockchain sans sacrifier la décentralisation et la sécurité.

2. Catégories des solutions d'extension

Les solutions d'extension peuvent être classées en deux grandes catégories : l'extension on-chain et l'extension off-chain, selon "si cela modifie la couche principale du réseau".

2.1 Scalabilité on-chain

Concept clé : solution visant à augmenter la capacité en modifiant un niveau de protocole de la chaîne principale, la principale solution actuelle étant le sharding.

Les principales solutions d'extension on-chain comprennent :

1. Élargir l'espace de bloc, augmenter le nombre de transactions emballées dans chaque bloc, mais cela augmentera les exigences des nœuds et réduira le degré de décentralisation.

2. Sharding, qui divise le livre de comptes de la blockchain en plusieurs parties, chaque nœud étant responsable de la comptabilité de différentes parties, peut réduire la pression sur les nœuds, améliorer la vitesse de traitement des transactions et le degré de décentralisation, mais cela peut réduire la sécurité de l'ensemble du réseau.

Modifier un protocole de réseau principal peut avoir des conséquences négatives imprévisibles, et toute petite faille de sécurité dans la couche sous-jacente peut gravement menacer la sécurité de l'ensemble du réseau.

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 :

• Layer2 : comprend les canaux d'état, les chaînes latérales, Plasma, Rollups, etc.
• Autres solutions : y compris Validium, etc.

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 des canaux, en plaçant les interactions entre 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 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 litiges entre les participants.

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 résume pour la première fois le concept de State Channel de manière systématique.
• 2016/01 : Joseph Poon et Thaddeus Dryja publient officiellement le livre blanc du réseau Lightning de Bitcoin.
• 2017/11 : Proposition de la première spécification de conception de State Channel basée sur le cadre Payment Channel, Sprites.
• 2018/06 : Counterfactual propose une conception détaillée 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 construit sur cette idée.
• 2019/10 : Pisa élargit le concept de Watchtowers pour résoudre le problème des participants qui doivent être en ligne en permanence.
• 2020/03 : Hydra a proposé des Fast Isomorphic Channels.

3.1.3 Principes Techniques

Le flux de travail des canaux d'état est le suivant :

1. L'utilisateur dépose des fonds dans le contrat intelligent de la chaîne principale pour ouvrir un canal.
2. Les utilisateurs peuvent effectuer un nombre illimité de transactions off-chain et communiquer entre eux par des messages signés.
3. Lors de la fermeture du canal, l'utilisateur soumet l'état final au contrat. Si les deux parties confirment par leur signature, le contrat distribue les fonds selon l'état final ; en cas de litige, il faut attendre la fin de la période de contestation.

3.1.4 Avantages et inconvénients

Avantages :

• Confirmation instantanée
• Faibles frais
• Haute confidentialité
• Convient aux transactions fréquentes de petite valeur

Inconvénients :

• Besoin de verrouiller des fonds à l'avance
• Non applicable aux transactions multi-parties
• Les participants doivent rester en ligne en continu
• Il faut attendre la période de contestation lors de la fermeture du canal

3.1.5 Application

Principales applications comprennent :

1. Réseau Lightning de Bitcoin : un canal de paiement à faible montant sur le réseau Bitcoin, permettant des transactions rapides et à faible coût.

2. Réseau Lightning Ethereum : un canal de paiement à faible montant basé sur Ethereum, visant à réaliser des paiements ERC20 instantanés, à faible coût et évolutifs.

3. Celer Network : un réseau de lightning avec une couche d'incitation accrue, adapté aux DApps de type interaction à haute fréquence.

3.1.6 Comparaison des applications

Le réseau Lightning de Bitcoin, le réseau Lightning d'Ethereum et le réseau Celer présentent certaines différences en termes de mise en œuvre technique, de cas d'utilisation et de développement écosystémique. Le réseau Lightning de Bitcoin est principalement utilisé pour les paiements en Bitcoin, le réseau Lightning est utilisé pour les paiements de jetons Ethereum, tandis que le réseau Celer a un champ d'application plus large.

3.2 Sidechains

3.2.1 Résumé

La sidechain est une forme de blockchain qui apparaît pour accélérer les transactions de la chaîne principale, permettant d'utiliser des contrats plus complexes ou d'améliorer le mécanisme de consensus. Les résultats des transactions de la sidechain seront finalement enregistrés du côté des validateurs de la chaîne principale.

3.2.2 Ligne du temps

• 2012/01 : Le concept de sidechain Bitcoin a été proposé dans un chat.
• 2014/10 : Publication du papier sur les Sidechains Bitcoin
• 2017/04: Lancement du testnet POA Network
• 2017/10:Lancement de Matic Network
• 2017/12: Lancement de la mainnet de POA Network
• 2018/01: Mise en ligne du testnet Skales
• 2018/10: lancement du testnet de xDai Chain
• 2020/06: Lancement de Skale sur le mainnet
• 2020/06: Lancement du réseau principal de la chaîne Matic PoS d'Ethereum.
• 2021/02: Matic Network a été renommé Polygon Network
• 2021/02: Le réseau principal de la sidechain Ronin du jeu Axie Infinity est opérationnel
• 2021/12: la chaîne xDai a fusionné avec Gnosis Dao pour devenir Gnosis Chain
• 2022/03:POA Network a été fusionné avec Gnosis Chain

3.2.3 Principes techniques

Il existe principalement deux méthodes de communication entre la sidechain et la chaîne principale :

1. Pegging symétrique (: les validateurs de la chaîne principale et de la chaîne latérale enregistrent en temps réel les informations d'en-tête de bloc de l'autre.

2. Ancrage non coordonné ) Ancrage asymétrique ( : les validateurs de la chaîne latérale surveillent l'activité de la chaîne principale, mais la chaîne principale n'enregistre pas les informations de la chaîne latérale. Un mécanisme de Certifiers doit être introduit pour valider les transactions renvoyées par la chaîne latérale.

Résumé du mécanisme de chaîne latérale :

• Actifs de la chaîne principale à la chaîne latérale : la chaîne principale verrouille les actifs, la chaîne latérale génère des actifs encapsulés.
• Actifs du sidechain vers la chaîne principale : destruction des actifs encapsulés sur le sidechain, déverrouillage des actifs sur la chaîne principale.

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

![Rapport d'analyse approfondie : analyse complète de l'extension off-chain])https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-815c5eb2bdba725e04eebe67b22d42aa.webp(

)# 3.2.4 Avantages et inconvénients

Avantages:

• Un débit de transactions plus élevé
• Frais de transaction plus bas
• Scénarios d'application flexibles
• N'affecte pas la sécurité de la chaîne principale

Inconvénients:

• Hypothèses de confiance supplémentaires
• Les ponts inter-chaînes peuvent présenter des risques de sécurité.
• Liquidité distribuée

3.2.5 Application

Principales applications incluent :

1. xDai### actuel Gnosis Chain( : utiliser $xDai comme frais de transaction, adoptant le mécanisme de consensus PoSDAO.

2. Polygon : agrégateur de solutions d'extension d'Ethereum, offrant des chaînes PoS et des chaînes Plasma.

3. Ronin : une chaîne latérale développée pour le jeu Axie Infinity, utilisant un mécanisme de consensus PoA.

)# 3.2.6 Comparaison des applications

xDai, Polygon et Ronin présentent des différences en termes de mécanismes de consensus, de cas d'utilisation et de développement écologique. xDai est principalement utilisé pour les paiements, Polygon est une solution d'extensibilité multifonctionnelle, et Ronin se concentre sur les applications de jeu.

![Rapport de recherche approfondi : analyse complète de l'expansion off-chain]###https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-010d7309e0cc697da400d07e6948a16e.webp(

) 3.3 Plasma

3.3.1 Résumé

Plasma est un cadre pour construire des DApps évolutifs, conçu pour minimiser la confiance des utilisateurs envers les opérateurs de chaînes latérales. Même si l'opérateur agit mal, Plasma peut empêcher le vol des fonds des utilisateurs.

3.3.2 Chronologie

• 2017/08 : Vitalik et Joseph Poon ont proposé le livre blanc de Plasma
• 2018/01 : Proposition du Plasma MVP
• 2018/03 : proposition de Plasma Cash
• 2018/06: Proposition de Plasma Debit
• 2018/11 : Proposition de Plasma Prime
• À partir de 2019 : la communauté Ethereum commence à explorer les solutions Rollups.

3.3.3 Principes techniques

La pensée centrale de Plasma :

• Exécution off-chain: La plupart du travail est traité en dehors de la chaîne principale
• Engagement de l'état : l'Operator soumet régulièrement la Merkle Root sur le mainnet.
• Mécanisme de sortie : les utilisateurs peuvent retirer des fonds via Merkle Proof

Processus principal de Plasma:

1. L'utilisateur dépose des fonds sur la chaîne principale
2. L'utilisateur effectue des transactions sur la chaîne Plasma
3. L'opérateur regroupe les transactions et soumet la racine de Merkle au réseau principal.
4. Les utilisateurs peuvent quitter la chaîne Plasma via la preuve Merkle.

![Rapport de recherche approfondi : Analyse complète de l'extension off-chain]###https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-a4480736fad06464a18b1727f6ab08fd.webp(

)# 3.3.4 Avantages et inconvénients

Avantages:

• Haute capacité de traitement
• Faibles frais de transaction
• Hériter de la sécurité de la chaîne principale

Inconvénients :

• Mécanisme de sortie complexe
• Problèmes de disponibilité des données
• Un retrait massif pourrait entraîner des congestions.
• Fonctionnalités de contrat intelligent limitées

3.3.5 Application

Principales applications incluent :

1. Plasma Group : transformé en Optimism, se concentre sur la recherche d'Optimistic Rollup.

2. OMG Network : renommé Boba Network, se tournant vers la solution Optimistic Rollup

3. Polygon : fournit la chaîne Plasma, avec un recentrage vers la technologie Rollup

3.3.6 Résumé

Plasma est une solution technique transitoire, limitée par la technologie, qui n'a pas été largement adoptée. La plupart des projets se sont ensuite tournés vers des solutions Rollup.

3.4 Rollups

3.4.1 Résumé

La pensée centrale des Rollups est de placer le calcul et le stockage de l'état hors chaîne, tandis que les promesses d'état et les données de transaction compressées sont stockées sur la chaîne. Ils se divisent principalement en deux catégories : les Optimistic Rollups et les ZK Rollups.

3.4.2 Principe technique

Caractéristiques techniques principales des Rollups :

• off-chain machine virtuelle : effectuer le calcul des transactions et le changement d'état
• Compression des transactions : réduire la quantité de données stockées on-chain
• Engagement de l'état : soumettre régulièrement la racine de l'état sur le réseau principal
• Disponibilité des données : les données de transaction sont stockées dans le calldata de la chaîne principale

Coût des transactions Rollups = Coût de stockage des données L1 + Coût de traitement des calculs L2

![Rapport de recherche en profondeur : analyse complète de l'extension off-chain]###https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-1de870028e6093bdc65cf457fae9fe5f.webp(

)# 3.4.3 Avantages et inconvénients

Avantages:

• Haute capacité de traitement
• Faibles frais de transaction
• Hériter de la sécurité de la chaîne principale
• Aller vers la confiance

Inconvénients:

• Retard de retrait