Analyse approfondie des solutions d'extension off-chain : State Channels, Sidechains, Plasma et Rollups

2025-08-07 02:55:00

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 généralement, seuls deux d'entre eux peuvent être réalisés, ce qui est appelé le problème du triangle impossible de la blockchain. Au fil des ans, les gens ont exploré 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.

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

Décentralisation : Tout le monde peut devenir un nœud et participer au système blockchain, plus il y a de nœuds, plus le degré de décentralisation est élevé.
Sécurité : Plus le coût d'acquisition du contrôle de la blockchain est élevé, plus la sécurité est élevée, 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.

La première grande bifurcation du réseau Bitcoin est née d'un problème d'extensibilité. Le réseau Ethereum a également choisi de sacrifier une partie de l'extensibilité pour garantir la sécurité et la décentralisation du réseau.

Depuis les CryptoKitties de 2017, jusqu'à l'été DeFi, l'essor du GameFi et des NFT, la demande du marché pour le débit ne cesse d'augmenter. Cependant, 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 rend la plupart des Dapps incapables de supporter les coûts d'exploitation.

La solution d'extension idéale est : améliorer la vitesse des transactions et le débit du réseau blockchain sans compromettre la décentralisation et la sécurité.

2. Catégories des solutions d'extensibilité

Selon le critère "si cela modifie une couche de la chaîne principale", les solutions d'extensibilité peuvent être classées en deux grandes catégories : l'extensibilité on-chain et l'extensibilité off-chain.

2.1 Scalabilité on-chain

Concept clé : une solution visant à atteindre l'effet d'extension en modifiant une couche du protocole de la chaîne principale, la principale solution actuelle étant le sharding.

L'extension on-chain a plusieurs solutions, telles que :

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

Modifier un protocole de la couche principale peut entraîner des effets négatifs imprévisibles, et toute vulnérabilité de sécurité mineure dans la couche sous-jacente pourrait gravement menacer la sécurité de l'ensemble du réseau.

2.2 off-chain扩容

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 : comprend les State Channels, Plasma, Rollups, etc.
Autres solutions : comme les sidechains

3. Solution 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 des litiges. Les interactions entre utilisateurs se font en dehors de la chaîne afin de réduire le temps et le coût des transactions.

Les canaux d'état sont des protocoles P2P simples, adaptés aux "applications basées sur des tours", comme le jeu 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 conflits entre les participants.

3.1.2 Chronologie

2015/02 : Publication du brouillon du livre blanc sur le réseau Lightning
2015/11 : Jeff Coleman a d'abord systématiquement résumé le concept de State Channel.
2016/01 : Publication officielle du livre blanc sur le réseau Lightning de Bitcoin
2017/11 : Première spécification de conception de State Channel basée sur le cadre Payment Channel proposée par Sprites.
2018/06 : Counterfactual a proposé une conception détaillée des Generalized State Channels.
2018/10 : Proposition des concepts de State Channel Networks et de Virtual Channels
2019/02: Expansion du concept des canaux N-Party, établissement du protocole Nitro
2019/10 : Pisa étend le concept de Watchtowers pour résoudre le problème de la présence continue des participants
2020/03 : Hydra a proposé des canaux isomorphes rapides

3.1.3 Principes techniques

Flux de travail des canaux d'état :

Les utilisateurs déposent des fonds sur la chaîne principale via un contrat intelligent, ouvrant ainsi un canal d'état.
L'utilisateur effectue plusieurs transactions off-chain, signant mutuellement pour confirmer la mise à jour de l'état.
Chaque partie peut soumettre une demande de fermeture de canal au réseau principal, si aucune contestation n'existe, l'état final sera exécuté.
En cas de litige, le contrat attendra la fin de la "période de contestation" avant de confirmer l'état final.

Comparé aux interactions traditionnelles sur la chaîne, les State Channels peuvent réduire considérablement la charge de calcul sur le réseau principal, augmenter la vitesse des transactions et réduire les coûts.

3.1.4 Avantages et inconvénients

Avantages :

Confirmation instantanée de la transaction
Faibles frais de transaction
Haute confidentialité
Haute évolutivité

Inconvénients:

Nécessite de verrouiller les fonds à l'avance
Les participants doivent rester en ligne
Non applicable aux applications à participation ouverte
Difficile à réaliser des canaux multi-parties
Il faut attendre la période de contestation lorsque le canal est fermé.

3.1.5 Application

Les principales applications incluent le réseau Lightning de Bitcoin, le réseau Lightning d'Ethereum et le réseau Celer, entre autres.

Réseau Lightning de Bitcoin:

Proposé en 2015, version principale publiée en 2018
Résoudre le problème de l'évolutivité du réseau Bitcoin par des canaux de paiement de petite taille off-chain.
Il y a actuellement 76 236 canaux de paiement, avec des fonds de 5049 BTC.

Réseau Lightning Ethereum:

Fondée en 2017, l'objectif est de réaliser des paiements instantanés à faible coût en ERC20.
Lancement du premier client principal en 2020
Actuellement peu utilisé, l'équipe est en train de le transformer pour fonctionner sur L2 Rollup.

Celer Network:

Fondée en 2018, c'est un réseau Lightning avec une couche d'incitation supplémentaire.
Applicable aux applications à haute fréquence d'interaction, telles que les plateformes de jeux vidéo.
Actuellement transformé en plateforme de communication inter-chaînes

3.1.6 Comparaison des applications

Le réseau Lightning de Bitcoin, le réseau Lightning d'Ethereum et le Celer Network présentent des différences dans les aspects suivants :

Blockchain de base : basé respectivement sur Bitcoin, Ethereum et multichain
Domain d'application : paiement, contrats intelligents et applications générales
Phase de développement : niveau de maturité et degré de développement de l'écosystème différents
Caractéristiques techniques : il existe des différences telles que l'algorithme de routage, la conception des canaux d'état, etc.

3.2 Sidechains

3.2.1 Résumé

Le concept de sidechain a été proposé pour la première fois en 2012, et le premier article pertinent a été publié en 2014. La sidechain est une forme de blockchain apparue pour accélérer les transactions, pouvant utiliser des contrats plus complexes ou 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 Chronologie

2012/01: Le concept de sidechain de Bitcoin a été proposé dans un chat.
2014/10 : Publication initiale du document sur les sidechains de Bitcoin
2017/04: lancement du testnet de POA Network
2017/10: Lancement de Matic Network
2017/12: Lancement du réseau principal de POA Network
2018/01: Lancement de Skale sur le testnet
2018/10: Mise en ligne du testnet xDai Chain
2020/06: Lancement du réseau principal Skale et de la chaîne Matic PoS.
2021/02:Matic Network a été renommé en Polygon Network
2021/02: Le réseau principal de Ronin, la chaîne latérale d'Axie Infinity, fonctionne
2021/12: fusion de xDai Chain et Gnosis Dao
2022/03:POA Network fusion avec Gnosis Chain

3.2.3 Principes techniques

Les chaînes latérales communiquent avec la chaîne principale par ancrage bidirectionnel ou ancrage non coordonné. Flux principal :

L'utilisateur envoie des actifs natifs à une adresse spéciale pour les verrouiller.
Attendre la fin de la période de confirmation, soumettre la preuve à la chaîne latérale
Attendre la période de défi, éviter les attaques par double dépense
Une fois terminé, les utilisateurs peuvent utiliser les actifs nouvellement émis sur la sidechain.

La sécurité des chaînes latérales dépend du mécanisme de consensus de la chaîne latérale. Si quelqu'un crée de manière fictive des actifs qui ne correspondent pas à la chaîne principale sur la chaîne latérale, cela peut entraîner un risque de vol de fonds.

3.2.4 Avantages et inconvénients

Avantages :

Haute évolutivité
Confirmation rapide
Faibles frais de transaction
Fonction personnalisable

Inconvénients:

La sécurité dépend de la sidechain elle-même
Besoin de faire confiance aux validateurs de la chaîne latérale
Le transfert d'actifs entre chaînes nécessite un temps d'attente long
Partiellement décentralisé

3.2.5 Application

Principales applications incluent :

xDai( maintenant Gnosis Chain):

Chaîne latérale Ethereum, utilisant xDai comme token natif
Lancement de la mainnet en septembre 2018, fusion avec Gnosis en 2021
Adoption du mécanisme de consensus PoSDAO
La TVL est actuellement d'environ 53 millions de dollars.

Polygon:

Anciennement Matic Network, mise à niveau de la marque en 2021
Fournir deux solutions : côté PoS et chaîne Plasma
Actuellement, il y a 37k+Dapp, 1.8B transactions totales, plus de 135M utilisateurs

Ronin:

Chaîne latérale dédiée au jeu Axie Infinity
Lancement du réseau principal en mars 2021, utilisant le consensus PoA
En mars 2022, une attaque par des hackers a causé des pertes de 625 millions de dollars.

3.2.6 Comparaison des applications

xDai, Polygon et Ronin diffèrent dans les aspects suivants:

Mécanisme de consensus : utilisation de PoSDAO, PoS et PoA.
Champ d'application : général, écosystème diversifié et dédié aux jeux
Sécurité : le nombre de validateurs et le mécanisme de sélection diffèrent
Phase de développement : il existe des différences dans le degré et l'échelle de développement de l'écosystème.

3.3 Plasma

3.3.1 Résumé

Plasma est un cadre pour construire des Dapps évolutifs. Il apparaît comme une solution d'évolution des chaînes latérales, visant à réduire au minimum la confiance des utilisateurs envers l'opérateur de chaîne latérale. Le principe fondamental de Plasma est que même en cas de défaillance de sécurité de la chaîne Plasma, tous les actifs des utilisateurs peuvent toujours être retirés et retournés à la chaîne principale.

3.3.2 Chronologie

2017/08:Publication du livre blanc Plasma
2018/01: première application Plasma officielle, proposition de Plasma MVP
2018/03 : Plasma Cash proposé, résolvant le problème des retraits à grande échelle
2018/06: Plasma Debit a été proposé
2018/11: BANKEX a proposé Plasma Prime
Depuis 2019 : la communauté Ethereum a commencé à explorer les solutions Rollups

3.3.3 Principes techniques

Idée centrale de Plasma:

Exécution off-chain : La plupart du travail est traité en dehors de la chaîne principale.
Engagement d'état : soumettre l'état au mainnet via la racine Merkle
Mécanisme de sortie : permet aux utilisateurs de quitter en toute sécurité la chaîne Plasma

Principaux processus:

L'utilisateur effectue un dépôt sur la chaîne Plasma dans le réseau principal.
Effectuer des transactions sur la chaîne Plasma
L'opérateur soumet régulièrement des engagements de statut au réseau principal.
L'utilisateur peut à tout moment initier une demande de retrait.
Après la période de défi, les utilisateurs peuvent récupérer des actifs sur la chaîne principale.

3.3.4 Avantages et inconvénients

Avantages :

Haute capacité de traitement
Faibles frais de transaction
Hériter d'une partie de la sécurité du réseau principal

Inconvénients:

Mécanisme de sortie complexe
Nécessite une surveillance régulière de la chaîne Plasma
Sortie de grande envergure

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