Cobo Ventures : Analyse approfondie du scaling hors chaîne
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Cobo Ventures : Analyse approfondie du scaling hors chaîne
Comment augmenter le débit et la vitesse des transactions sur une blockchain tout en préservant la décentralisation et la sécurité ?
Dédié à des analyses Web3 approfondiesAuteurs (par ordre alphabétique) : Ellaine Xu, Hettie Jiang, June Wang, Walon Lin, Yiliu Lin
Sommaire
1. La nécessité du dimensionnement
2. Catégories des solutions de dimensionnement
3. Solutions de mise à l'échelle hors chaîne
4. Synthèse et perspectives
1. La nécessité du dimensionnement
L'avenir de la blockchain est une vision ambitieuse : décentralisation, sécurité et évolutivité ; mais généralement, une blockchain ne peut atteindre que deux de ces trois objectifs simultanément. Cette limitation est connue sous le nom du « triangle impossible » de la blockchain (illustré ci-dessous).
Depuis des années, on cherche à résoudre ce dilemme : comment augmenter le débit transactionnel et accélérer les transactions d'une blockchain tout en maintenant sa décentralisation et sa sécurité ? C’est l’un des sujets les plus discutés dans le développement actuel des blockchains.
Définissons brièvement ces trois notions :
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Décentralisation : toute personne peut devenir un nœud participant à la production et à la validation du système blockchain. Plus il y a de nœuds, plus le degré de décentralisation est élevé, assurant ainsi que le réseau ne soit pas contrôlé par un petit groupe d’acteurs centralisés.
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Sécurité : plus le coût nécessaire pour prendre le contrôle du système blockchain est élevé, plus le niveau de sécurité est grand, permettant ainsi au réseau de résister aux attaques d’une proportion significative de participants.
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Évolutivité : capacité de la blockchain à traiter un grand volume de transactions.
La première bifurcation majeure du réseau Bitcoin découle directement du problème de dimensionnement. À mesure que le nombre d'utilisateurs et de transactions augmentait, le réseau Bitcoin, limité à 1 Mo par bloc, commençait à souffrir de congestion. Dès 2015, la communauté Bitcoin s'est divisée sur cette question : d'un côté, les partisans de l'augmentation de la taille des blocs, comme Bitcoin ABC ; de l'autre, les tenants de la version compacte initiale, représentés par Bitcoin Core, qui préconisaient l'utilisation de Segwit pour optimiser la structure de la chaîne principale. Le 1er août 2017, Bitcoin ABC lança son propre client avec des blocs de 8 Mo, provoquant ainsi la première grande bifurcation de l'histoire de Bitcoin et donnant naissance à la nouvelle cryptomonnaie BCH.
De même, Ethereum a choisi de sacrifier une partie de son évolutivité afin de garantir la sécurité et la décentralisation du réseau. Bien qu'Ethereum n'impose pas une limite stricte de taille de bloc comme Bitcoin, il fixe une limite maximale de gaz (« gas limit ») par bloc, visant à maintenir un consensus fiable et à assurer une distribution large des nœuds (car l'augmentation ou la suppression de cette limite éliminerait de nombreux petits nœuds faute de bande passante, de stockage ou de puissance de calcul suffisants).
Depuis CryptoKitties en 2017, jusqu’au boom du DeFi, puis à GameFi et NFT, la demande croissante en débit transactionnel n’a cessé d’augmenter. Pourtant, même si Ethereum est Turing-complet, il ne traite que 15 à 45 transactions par seconde (TPS). Cela entraîne une hausse continue des coûts de transaction, des délais de confirmation plus longs, et rend difficile pour la plupart des Dapps leur fonctionnement rentable. Le réseau devient lent et coûteux pour les utilisateurs, ce qui rend urgent le besoin de solutions de dimensionnement. L'idéal serait d'accroître la vitesse de traitement (réduction du temps de finalisation) et le débit (hausse du TPS) sans compromettre la décentralisation ni la sécurité.
2. Catégories des solutions de dimensionnement
Nous classons les solutions de dimensionnement en deux grandes catégories — mise à l’échelle sur chaîne (on-chain) et mise à l’échelle hors chaîne (off-chain) — selon qu'elles modifient ou non le protocole de la couche 1 (la chaîne principale).
2.1 Mise à l'échelle sur chaîne
Concept clé : solutions qui modifient le protocole de la chaîne principale pour améliorer l’évolutivité. Actuellement, la solution principale est le sharding (partitionnement).
Il existe plusieurs types de solutions de mise à l’échelle sur chaîne. Nous n’en ferons pas ici une analyse exhaustive, mais nous en mentionnons brièvement deux exemples :
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Augmenter la taille des blocs : consiste à inclure davantage de transactions par bloc. Cependant, cela augmente les exigences matérielles pour les nœuds, ce qui relève le seuil d’entrée et diminue donc la décentralisation.
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Sharding : divise le registre blockchain en plusieurs fragments. Chaque fragment est géré par un sous-ensemble de nœuds responsables de différentes tâches comptables, permettant un traitement parallèle des transactions. Cela réduit la charge de calcul, abaisse le seuil d’entrée et améliore à la fois la vitesse de traitement et le degré de décentralisation. En revanche, la puissance de calcul totale du réseau est fragmentée, ce qui diminue la sécurité globale du réseau.
Modifier le code du protocole de la couche 1 comporte des risques imprévisibles, car la moindre vulnérabilité peut gravement compromettre la sécurité du réseau entier, pouvant forcer une bifurcation ou une mise à jour urgente. Par exemple, en 2018, Zcash a découvert un grave bogue d’inflation dans son code source, basé sur une ancienne version de Bitcoin (0.11.2). Une équipe technique a passé huit mois à corriger ce problème en secret avant de le rendre public.
2.2 Mise à l'échelle hors chaîne
Concept clé : solutions qui améliorent l’évolutivité sans modifier le protocole existant de la chaîne principale.
Les solutions de mise à l’échelle hors chaîne peuvent être subdivisées en Layer 2 (couche 2) et autres solutions :
Note : les définitions des termes dans le tableau proviennent du site officiel d’Ethereum, synthétisées par Cobo Ventures.
Nous allons maintenant présenter en détail les principales solutions de mise à l’échelle hors chaîne selon leur chronologie, leurs principes techniques, leurs avantages/inconvénients et leurs applications comparées.
3. Solutions de mise à l'échelle hors chaîne
3.1 State Channels
3.1.1 Aperçu
Les state channels stipulent que les utilisateurs n'interagissent avec la chaîne principale que lors de l'ouverture, de la fermeture ou du règlement d'un litige. Les interactions entre utilisateurs ont lieu hors chaîne, réduisant ainsi le coût temporel et monétaire des transactions, et permettant un nombre illimité de transactions.
Les state channels sont des protocoles P2P simples, adaptés aux « applications basées sur des tours », comme un jeu d’échecs entre deux joueurs. Chaque canal est géré par un contrat intelligent multi-signatures déployé sur la chaîne principale, qui supervise les actifs déposés, vérifie les mises à jour d’état et arbitre les conflits via des preuves de fraude signées et horodatées. Après avoir déployé le contrat, les participants y déposent des fonds, les verrouillent, et une fois confirmés par signature, le canal est activé. Ce dernier permet un nombre illimité de transactions gratuites hors chaîne, tant que le solde transféré reste inférieur au montant total déposé. Les participants échangent des mises à jour d’état signées, et chaque confirmation valide une mise à jour. Normalement, ces états mis à jour ne sont pas publiés sur la chaîne principale. Seuls les cas de litige ou de fermeture du canal nécessitent l’intervention de la chaîne principale. Pour clore le canal, un participant peut demander une transaction sur la chaîne principale. Si tous approuvent la sortie, le contrat distribue immédiatement les fonds restants selon les soldes finaux. Sinon, tous doivent attendre une période de contestation ("challenge period") avant de récupérer leurs fonds.
En résumé, les state channels réduisent considérablement la charge de calcul de la chaîne principale, accélèrent les transactions et baissent les coûts.
3.1.2 Chronologie
Le graphique ci-dessus présente les jalons principaux du développement des state channels.
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Février 2015 : Joseph Poon et Thaddeus Dryja publient un projet de livre blanc sur le Lightning Network.
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Novembre 2015 : Jeff Coleman formalise systématiquement le concept de state channel, présentant le Payment Channel de Bitcoin comme un cas particulier.
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Janvier 2016 : publication officielle du livre blanc The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments, proposant le Payment Channel pour les paiements Bitcoin.
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Novembre 2017 : introduction du cadre Sprite, basé sur Payment Channel.
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Juin 2018 : Counterfactual propose un design détaillé de Generalized State Channels, premier design entièrement centré sur les state channels.
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Octobre 2018 : article sur les State Channel Networks et les Virtual Channels.
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Février 2019 : extension aux canaux multipartenaires (N-Party Channels), avec Nitro comme premier protocole basé sur cette idée.
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Octobre 2019 : Pisa développe le concept des Watchtowers pour résoudre la nécessité d'être constamment en ligne.
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Mars 2020 : Hydra introduit les Fast Isomorphic Channels.
3.1.3 Principes techniques
Source : L. D. Negka et G. P. Spathoulas, "Blockchain State Channels: A State of the Art" in IEEE Access, vol. 9, pp. 160277-160298, 2021, doi: 10.1109/ACCESS.2021.3131419.
La figure 1 illustre le flux de travail traditionnel sur chaîne : Alice et Bob interagissent avec un contrat intelligent déployé sur la chaîne principale, modifiant son état via des transactions. Inconvénient : coûts et délais élevés.
Source : L. D. Negka et G. P. Spathoulas, "Blockchain State Channels: A State of the Art" in IEEE Access, vol. 9, pp. 160277-160298, 2021, doi: 10.1109/ACCESS.2021.3131419.
La figure 2 montre le flux général suivi par la majorité des protocoles de state channels : dans un scénario optimiste, Alice et Bob effectuent les mêmes opérations, mais désormais via un state channel plutôt qu'en interagissant directement avec le contrat.
Étape 1 : Alice et Bob verrouillent des fonds dans un contrat sur la chaîne principale (interactions 1,2). Ces fonds restent bloqués jusqu’à la fermeture du canal. Une fois confirmés par signature, le canal est activé.
Étape 2 : ils peuvent théoriquement réaliser un nombre illimité de transactions hors chaîne (lignes pointillées bleues), communiquant via des messages signés cryptographiquement. Chaque transaction doit être signée pour éviter les doubles dépenses. Ils proposent mutuellement des mises à jour d’état, que l’autre accepte.
Étape 3 : si Alice souhaite fermer le canal, elle soumet l’état final à travers le contrat (interaction 3). Si Bob signe, les fonds sont libérés selon cet état final (interactions 4,5). Sinon, tous doivent attendre la fin de la période de contestation avant récupération.
Source : L. D. Negka et G. P. Spathoulas, "Blockchain State Channels: A State of the Art" in IEEE Access, vol. 9, pp. 160277-160298, 2021, doi: 10.1109/ACCESS.2021.3131419.
La figure 3 illustre le scénario pessimiste : après avoir déposé des fonds (interactions 1,2), les deux participants échangent des mises à jour d’état (lignes pointillées bleues).
Supposons qu'à un moment donné, Bob refuse de signer la mise à jour envoyée par Alice. Alors, Alice peut lancer un défi en soumettant sa dernière mise à jour valide au contrat (interaction 4), accompagnée de la signature précédente de Bob, prouvant ainsi que la transaction avait été validée.
Le contrat autorise alors Bob à répondre en soumettant l'état suivant dans un délai imparti. S’il répond, les transactions peuvent reprendre. Sinon, le contrat ferme automatiquement le canal et rembourse Alice (interaction 5).
3.1.4 Avantages et inconvénients
3.1.5 Applications
- Réseau Lightning de Bitcoin
Aperçu :
Le Lightning Network est un canal de paiement microéconomique pour Bitcoin. Son évolution technologique comprend : création de canaux unidirectionnels via signatures 2/2, passage à bidirectionnel grâce au RSMC (Revocable Sequence Maturity Contract), puis extension à des réseaux multihop via HTLC (Hash Time Lock Contract), formant ainsi un réseau de paiements. Suivant le flux « dépôt (création du canal) → transaction Lightning → remboursement/règlement (fermeture du canal) », il pourrait théoriquement traiter un million de transactions par seconde.
Chronologie :
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Février 2015 : publication du projet de livre blanc par Joseph Poon et Thaddeus Dryja.
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Janvier 2016 : publication du livre blanc complet et création de Lightning Labs.
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15 mars 2018 : sortie de la première version mainnet du Lightning Network Daemon (LND) 0.4.
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Début 2021 : environ 40 millions USD de TVL, moins de 100 000 utilisateurs.
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Juin 2021 : El Salvador adopte Bitcoin comme monnaie légale, lance le portefeuille Chivo basé sur Lightning en septembre.
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2022 : Cash App et 26 plateformes crypto (OKX, Kraken, Bitfinex, etc.) annoncent le support du Lightning Network pour des dépôts/retraits et transferts BTC instantanés et peu coûteux.
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Octobre 2022 : Lightning Labs lance Taro protocol (version alpha) basé sur Taproot, testé actuellement sur testnet, permettant à l'avenir de créer, envoyer et recevoir des actifs sur Bitcoin avec des transactions rapides, massives et à faible coût via Lightning.
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23 novembre 2022 : selon 1ml.com, 76 236 canaux de paiement, totalisant 5049 $BTC (~81,8 M$).
Évolution de l'écosystème :
Comme illustré ci-dessus, l'écosystème BTC Lightning Network s'organise verticalement : réseau BTC → infrastructure centrale → diverses Dapps.
Infrastructure centrale :
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Solutions Lightning Network : logiciels permettant à des particuliers et entreprises de rejoindre et exécuter le réseau. Lightning Labs détient la plus grande part du marché.
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Nœuds et services de liquidité : gestion simplifiée des canaux Lightning pour les utilisateurs via des interfaces conviviales.
Au-dessus de cette infrastructure : divers services financiers, paiements et applications. Exemple : Strike, construit sur LND, permet d’acheter/vendre du BTC, de rémunérer des créateurs sur Twitter ou d’accepter BTC sur Shopify.
Fin novembre 2022, plus de 20 catégories et 100 applications reposent sur le Lightning Network : paiements, portefeuilles, gestion de nœuds, extensions navigateur, podcasts, streaming, etc. La couche technique d’infrastructure est mature, le support des portefeuilles s’amplifie, les intégrations de paiement progressent, et davantage d’applications ludiques voient le jour. L’écosystème connaît une forte croissance.
- Réseau Raiden d’Ethereum
Aperçu :
Raiden Network est un canal de paiement microéconomique similaire au Lightning Network, basé sur des state channels pour étendre les transactions Ethereum, visant des paiements quasi instantanés, bon marché et évolutifs de jetons ERC20.
Chronologie :
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2017 : création par Heiko Hees, ancien développeur et conseiller d’Ethereum.
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17 octobre 2017 : ICO au format vente hollandaise pour $RDN, levée de plus de 30 millions $.
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Mai 2020 : lancement du premier Light Client Raiden - Alderaan sur la mainnet Ethereum, implémentation Typescript.
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Fin 2021 : faute de progrès, de transparence et d’utilisation, plusieurs exchanges (Bitkub, NiceHash, Binance) retirent $RDN.
Technologie peu adoptée, pour plusieurs raisons :
1) Seuil d’entrée élevé : frais de gaz élevés lors de l’ouverture de canal, freinant l’adoption.
2) Émergence de meilleures solutions : Raiden, conçu dès 2015 comme unique option d’évolutivité, est désormais concurrencé par des solutions supérieures comme Rollups, limitant ses cas d’usage.
Évolution de l'écosystème :
L’équipe transforme Raiden Network pour le faire fonctionner sur des Rollups Ethereum (L2 sur L2). En mai 2022, annonce du déploiement sur Arbitrum, réduisant les frais de création de canaux de 35 %, mieux adapté aux paiements fréquents et microéconomiques. Raiden Network pivote vers les Rollups, devenant une solution complémentaire.
- Celer Network
Aperçu :
Celer Network est essentiellement un Lightning Network enrichi d’une couche incitative ($CELR), combinant technologies hors chaîne et modèle économique pour développer rapidement des D
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