Lightning Network: de quoi s'agit-il et peut-il résoudre le problème de la mise à l'échelle de Bitcoin?

Satashi Nakamoto a envoyé une proposition pour "un nouveau système de paiement électronique entièrement peer-to-peer, sans tiers de confiance", à une liste de diffusion sur la cryptographie, le vendredi 31 octobre 2008. La première réponse - la première fois a commenté sur bitcoin - est venu le dimanche suivant: "Nous avons vraiment besoin d’un tel système", a écrit James A. Donald, "mais si je comprends bien votre proposition, elle ne semble pas s’adapter à la taille requise".

Dix ans plus tard, cette critique sonne toujours juste. Même les plus ardents évangélistes de Bitcoin admettent que cela ne vaut rien de faire de petits achats quotidiens. Mais le Lightning Network, l’un des projets de dimensionnement de bitcoins les plus prometteurs actuellement en cours, pourrait changer la donne.

Le réseau de la foudre

S'exprimant lors du Sommet de Blockstack en juillet 2017, Elizabeth Stark, PDG de Lightning Labs, a évoqué cette première critique de la monnaie électronique de Nakamoto, mais s'est dite confiante que le bitcoin peut en réalité évoluer. "Nous sommes en 1995 à nouveau en ce qui concerne les chaînes de blocs et les technologies décentralisées", a-t-elle déclaré, évoquant l'époque antérieure à l'acquisition d'Internet par HTTP et des autres couches de transport et d'application de TCP / IP.

Parmi les applications de "couche 2" les plus discutées pour la blockchain bitcoin figure le réseau Lightning. D'abord proposé par Joseph Poon et Tadge, alias Thaddeus Dryja en 2015 (la version la plus récente de leur livre blanc est disponible ici), Lightning a été intégré à une spécification fonctionnelle appelée lightning-rfc ou "BOLTS" par trois entreprises, chacune sa propre implémentation: Lightning Labs a lnd, Blockstream a c-lightning et ACINQ a éclair. Il existe également des implémentations non BOTLS en cours de développement, telles que thunder.

Le réseau Lightning est déjà opérationnel, mais il en est à ses balbutiements extrêmes. De véritables bitcoins ont été envoyés et presque toujours reçus à l'aide des implémentations de Lightning Labs, Blockstream et ACINQ, et les trois sont interopérables. La vidéo ci-dessous montre un ingénieur de l'ACINQ qui envoie 0.000001 bitcoin (environ 0, 01 USD) presque instantanément d'un nœud éclair à un nœud lnd via un nœud c-lightning:

Pour voir à quel point cela représente une amélioration, nous avons essayé une transaction similaire sur la chaîne de blocs bitcoin à l'aide de GreenAddress, une application de portefeuille mobile. L'application a suggéré de payer les mineurs 0, 00001907 BTC (0, 19 $): des frais de 1, 907%. Bien que le nombre de blocs que cette taxe était censée confirmer n’ait pas été clairement défini (nous avons contacté GreenAddress pour le savoir), la réponse est probablement six blocs, soit environ une heure.

Cependant, nous ne saurons jamais combien de temps cette transaction aurait duré: un message d'erreur nous informait que "les sorties de moins de 546 satoshis [0, 05 $] sont considérées par Bitcoin comme de la poussière non rentable. Augmentez la valeur."

Lightning Labs a également testé des échanges inter-chaînes atomiques à l'aide du réseau; ce sont des transferts de valeur entre différentes blockchains, en l'occurrence bitcoin et litecoin, qui constituent potentiellement un premier pas vers la construction d'échanges décentralisés.

Lightning permet des micropaiements que Bitcoin ne peut pas réaliser par lui-même, mais les implémentations existantes sont toujours boguées. Stark invite les utilisateurs à en savoir plus sur la foudre en utilisant le "testnet" de Bitcoin (c'est-à-dire, utiliser de l'argent factice), plutôt que le "réseau principal" à tir réel. Des transactions d’une valeur d’environ 50 000 $ ont été effectuées sur le réseau au moment de la rédaction du présent document et certaines personnes ont perdu de l’argent à cause d’un bogue C-Lightning. (Christian Decker, ingénieur en technologie chez Blockstream, m'a dit par courrier électronique que les fonds avaient finalement été récupérés dans la plupart des cas.)

Alors, comment fonctionne la foudre?

Comment fonctionne la foudre

La solution de Lightning repose sur des canaux de paiement bidirectionnels et hors chaîne. Dites qu'Alice et Bob négocient fréquemment l'un avec l'autre par petites quantités. Les paiements en chaîne ne sont pas pratiques dans ce cas en raison des frais et des longs délais de confirmation. Ils décident donc d'ouvrir un canal leur permettant d'envoyer des bitcoins dans les deux sens, instantanément et sans frais.

Ouvrir une chaîne

Pour ouvrir un canal, Alice, Bob ou les deux contribuent une certaine quantité de bitcoins à une adresse spéciale par le biais d'une transaction de financement (la boîte verte dans le diagramme ci-dessous). Dites Alice contribue 1 BTC. Elle envoie les fonds à ce qu'on appelle une adresse multisig 2 sur 2, ce qui oblige Alice et Bob à "signer" de manière cryptographique toute transaction d'envoi avec leurs clés privées. Une transaction normale nécessite uniquement la signature de la clé privée (unique) correspondant à la clé publique de l'adresse d'envoi.

Fait important, la transaction de financement n'est pas encore signée ni diffusée sur le réseau.

Toutes les images proviennent de Poon et Dryja.

Ensuite, Alice et Bob créent une "transaction d'engagement" en utilisant la transaction de financement comme "parent": ils utilisent sa sortie non confirmée de 1 BTC comme entrée pour une transaction "enfant" qui envoie 0, 5 BTC à Alice (sortie 0) et 0, 5. BTC à Bob (sortie 1). Si vous protestez contre le fait que le protocole de bitcoin n'autorise pas les utilisateurs à signer une dépense sans connaître les signatures de l'entrée, cette possibilité a été octroyée par le biais d'une fourchette souple.

Alice signe ensuite la sortie en envoyant 0, 5 BTC à Bob; Bob signe la sortie en envoyant 0, 5 BTC à Alice. Les deux signent et diffusent ensuite la transaction de financement, qui est liée à la blockchain bitcoin (et soumise aux frais de réseau et aux temps d’attente).

Ils disposent désormais d'un canal de paiement ouvert par lequel ils peuvent faire la navette instantanément et sans frais. Alice ou Bob peuvent le fermer à tout moment et réclamer leur 0, 5 BTC chacun, ou le solde mis à jour.

Ouvrir une chaîne… en anglais

À moins que vous ne sachiez déjà assez sur les entrailles du réseau Lightning, il est probablement difficile de digérer le "signe ici, commencez ici, passez ceci, diffusez cela - non, pas ça. "

Voici une description plus conceptuelle. La transaction de financement ressemble à ce que cela ressemble: elle fournit les fonds pour la chaîne. Cela agit également comme un plafond pour la chaîne: aucune partie ne peut se retrouver avec plus que le montant de financement initial, et les soldes des deux parties doivent totaliser ce montant. La raison pour laquelle la transaction de financement a été créée en premier, puis diffusée en dernier lieu, est que si elle avait été simplement enregistrée dans la blockchain en une seule étape, rien n’aurait été accompli en dehors d’une transaction unique. La foudre ne les rend pas plus rapides ou moins chers.

En laissant la transaction de financement ouverte, en insérant une transaction d'engagement - qui, comme décrit ci-dessous, fonctionne comme une sorte de contrat intelligent -, puis en clôturant la transaction de financement, les prix d'un éclair ouvrent une sorte de trou de ver dans le réseau. Il vous permet de déplacer bitcoin dans un seul chemin défini. Vous utilisez le protocole Bitcoin, mais en contournant les délais et les dépenses imposés par les mineurs.

Garder Lightning sans confiance

Say Bob veut maintenant payer Alice 0.1 BTC en utilisant son canal ouvert. Les deux parties mettent simplement à jour la transaction d'engagement - nul besoin de faire appel aux mineurs. Le solde, auparavant de 0, 5 BTC chacun, correspond désormais à 0, 6 BTC pour Alice et 0, 4 BTC à Bob.

Le seul problème est, comment faire cela en toute sécurité ">

Trouver une solution cryptographique à ce dilemme se résume à un objectif: rendre impossible la signature d’une ancienne transaction et la fermeture du canal de manière à refléter un état antérieur. Tant que cela est une option, la foudre pose un problème de double dépense.

N'oubliez pas que Bob signe la moitié de la transaction d'engagement (engagement Tx 1a ci-dessous), que seule Alice peut diffuser, car c'est la signature qui manque. Alice signe l'autre (engagement Tx 1b), que seul Bob peut ensuite diffuser. On peut le faire et fermer le canal, mais en utilisant les capacités d'écriture de contrat intelligentes (limitées) de bitcoin, les sorties des deux moitiés de la transaction d'engagement peuvent être soumises à des restrictions différentes. Plus précisément, une sortie peut permettre au destinataire de dépenser les fonds immédiatement, tandis que l’autre peut être annulée par l’une des parties - via un contrat à échéance séquentielle révocable (CMRS) - pendant une période définie, telle que 1 000 blocs ou environ. une semaine.

Voici pourquoi c'est utile. Si Bob s'avère sournois et sans scrupule, il ne peut que signer et diffuser l'engagement Tx 1b (ci-dessus), qui paie immédiatement Alice (Livraison 1b) et conserve ses fonds dans des limbes révocables pendant une semaine (Livraison Revocable 1b). Alice, voyant que Bob a tenté de la remplacer, peut déclencher une révocation et réclamer non seulement le 0.1 BTC que Bob a tenté de voler, mais le 0.4 BTC auquel il aurait autrement eu droit.

En d'autres termes, toute la chaîne va à Alice si elle surprend Bob en train de tricher. C'est possible parce que lorsque les parties créent une nouvelle transaction d'engagement (C2a et C2b ci-dessous), en promettant en fait de ne pas diffuser une ancienne transaction d'engagement (C1a ou C1b), elles mettent leur argent à l'endroit où elles se trouvent. Parallèlement à la nouvelle transaction d'engagement, ils créent une transaction de correction de violation avec deux sorties (BR1a et BR1b) s'appliquant à l'engagement précédent. Alice donne à Bob sa clé privée pour la moitié de sa transaction de violation, et inversement. Désormais, si l’un ou l’autre tente de diffuser l’ancienne transaction, la contrepartie peut tirer parti de la période d’attente de 1 000 blocs et se faufiler avant cette transaction, entraînant ainsi le solde intégral de la transaction.

Le problème est qu’Alice doit accorder une attention quasi constante à ses canaux, pour que Bob ne l’attrape pas au dépourvu pendant 1 000 pâtés de maisons. Poon et Dryja suggèrent de désigner une tierce partie dont le rôle est de déclencher des transactions en cas de violation de la loi - celles qui récompensent tous les fonds de la chaîne à la partie lésée - lorsqu'une contrepartie tente de tricher. Ceux-ci pourraient être payés une taxe sur la pénalité.

Olaoluwa Osuntokun, cofondateur et directeur de la technologie de Lightning Labs, développe des "tours de guet" pour servir de tiers exécutants. Alors que certains craignaient que ces nœuds puissent agir en tant que parties de confiance et introduire de l'insécurité dans le réseau, Osuntokun a déclaré à CoinDesk qu'un seul tour de contrôle honnête serait nécessaire pour une chaîne donnée.

En outre, comme le souligne Christian Decker, ingénieur technique principal chez Blockstream, dans un courrier électronique, la fraude est risquée. Il est risqué de supposer que la partie que vous essayez de voler ne s'enregistrera pas au moins une fois par semaine, et le risque de perdre tout l'argent de votre chaîne peut être suffisamment dissuasif.

Connecter les canaux

Dans le monde réel, Alice ne veut pas transiger exclusivement avec Bob, ni Bob exclusivement avec Alice. Les deux ont un nombre quelconque de contreparties dont ils ont besoin pour payer et sont payés. Ouvrir des canaux avec chacun de ces partis ne serait pas pratique. Même si l'interface utilisateur était simplifiée à la perfection, peu d'utilisateurs disposeraient de la liquidité nécessaire pour intégrer bitcoin dans une douzaine de canaux ouverts ou plus.

Heureusement, ils n'ont pas à le faire. Comme le montre la vidéo ci-dessus, les utilisateurs peuvent acheminer leurs paiements par le biais de canaux d'utilisateurs intermédiaires, de sorte que le principe de séparation à six degrés permette de payer toute personne disposant d'un ou plusieurs canaux ouverts. Contrairement aux transactions effectuées dans un même canal, ces transactions multicanaux impliqueront probablement de faibles frais pour inciter les nœuds à financer les canaux et à les maintenir ouverts. Le routage des oignons, technique utilisée pour dissimuler les utilisateurs du navigateur TOR, empêche les nœuds intermédiaires de voir le chemin complet emprunté par une transaction, atténuant ainsi les problèmes de confidentialité.

Il reste à voir si ce réseau de canaux fonctionne bien dans la pratique et il est concevable que, si les paiements doivent suivre un itinéraire trop compliqué - avec trop de "sauts" via des canaux intermédiaires, les frais facturés par ces utilisateurs pourraient s’additionner.

La foudre peut-elle rester décentralisée ">

Ces inquiétudes sont liées à une inquiétude qui, aux yeux de la critique, constitue une faille insurmontable dans le réseau des éclairs. Dans les implémentations actuelles, un canal vient avec un plafond: la quantité de bitcoins dans la transaction de financement initiale limite le montant total d'argent dans le canal.

Cette situation impose un compromis aux utilisateurs disposant de ressources raisonnablement limitées. Ils peuvent soit financer des chaînes avec de grandes quantités de bitcoins afin de s'assurer qu'ils disposent des fonds nécessaires pour effectuer tout paiement dont ils auraient besoin, soit financer des chaînes plus petites et avoir des bitcoins disponibles à d'autres fins. (Les paiements pouvant être acheminés via des canaux liés, un utilisateur donné n'a probablement pas besoin d'ouvrir plus d'une poignée de canaux, et peut-être seulement deux.)

Le choix revient à avoir des liquidités dans les canaux de la foudre ou des liquidités à l'extérieur de ceux-ci, en chaîne. Choisir de financer des canaux de paiement liquides pourrait être risqué si les tours de guet ou une autre solution n'empêchent pas la perte de fonds par inattention. D'autre part, si les canaux de paiement sont sécurisés et que la foudre devient la méthode principale d'utilisation quotidienne du bitcoin, il ne serait guère problématique de laisser des fonds dans les canaux. Elles serviraient de "carte de débit rechargeable ou d’argent liquide", comme le dit Decker, tandis que la chaîne principale fait office de compte d’épargne.

Stark avance un argument similaire: le financement d'un canal de foudre vous empêche d'utiliser ce bitcoin pour autre chose, sauf "un réseau potentiellement de nombreux nœuds qui accepteront le bitcoin instantanément sur plusieurs sites", écrit-elle par courrier électronique. "Nous pensons que les fonds sur les canaux Lightning seront plus utiles que les bitcoins en chaîne pour les transactions en raison de la vitesse instantanée et des faibles frais", a-t-elle ajouté.

Hubs?

Mais avec qui mettriez-vous ces chaînes en place? Choisir le Bob pour votre Alice est une décision économique et non pas cryptographique. Pour les détracteurs du réseau Lightning, la réponse évidente serait une sorte de "hub", un noeud doté de beaucoup de capital, ce qui lui donnerait la capacité de maintenir des chaînes ouvertes bien financées avec plusieurs partis à la fois.

L'idée qu'un secteur bancaire bitcoin hors chaîne pourrait se développer dérangerait les passionnés de bitcoin, qui y voient une centralisation du réseau.

Stark conteste cette argumentation. "Des milliers d’utilisateurs utilisent des nœuds complets pour Bitcoin", explique-t-elle, "et nous pensons que ceux-ci et d’autres exécuteront également des nœuds sur Lightning (c’est plus simple car vous n’avez pas besoin d’un nœud complet en bitcoin, et contrairement à ce dernier. peut faire de petits frais de routage). " Elle souligne également que son équipe travaille sur un "épissage", qui permettrait de compléter les canaux en utilisant des bitcoins de la chaîne principale. Cette capacité pourrait alléger le compromis entre mettre du bitcoin dans un canal ou le laisser dans la chaîne principale, ce qui pourrait à son tour réduire la tendance des concentrateurs à se former.

Pour Decker, il est probable qu'un "réseau à deux niveaux se formera, avec un grand nombre de nœuds fiables et constituant l’ossature du réseau". Il s’attend toutefois à ce qu’ils soient des commerçants plutôt que des centres qui existent uniquement pour fournir des canaux liquides. Selon lui, il serait coûteux de fournir ces canaux à plusieurs utilisateurs, car ils obligeraient les concentrateurs à facturer des frais élevés et à les rendre non compétitifs par rapport aux autres nœuds.

Le directeur général de l'ACINQ, Pierre-Marie Padiou, ne prétend pas savoir comment le réseau Lightning pourrait se développer. "Il est très difficile de prédire quel sera l'équilibre entre la centralisation et la décentralisation", a-t-il écrit par courrier électronique. "Bien sûr, il y aura des nœuds plus grands et des nœuds plus petits, mais dans quelle mesure il est difficile de dire à l'avance."

Le bon moyen d'échelle?

Poon et Dryja affirment qu '"en utilisant un réseau de ces canaux de micropaiement, Bitcoin peut atteindre des milliards de transactions par jour avec la puissance de calcul disponible sur un ordinateur de bureau moderne". Peut-être, mais ce n'est certainement pas le cas aujourd'hui. Moins de 1 000 nœuds Lightnet Mainnet sont ouverts au moment de la rédaction.

La foudre n'est pas non plus la seule proposition de dimensionnement existante. Un des principaux concurrents est l’argent bitcoin, une fourchette controversée qui permet de créer des blocs plus importants. Le débat entre les partisans de Bitcoin Cash, les partisans de Lightning et les défenseurs de diverses voies de recours, même les anti-détartreurs occasionnels, est animé, bien que acrimonieux. Il se peut que l'un ou l'autre l'emporte, qu'il continue à coexister ou que tout échoue.

Quoi qu'il en soit, le réseau de la foudre est une tentative prometteuse pour surmonter le dilemme d'évolutivité qui hante le bitcoin depuis le premier week-end de bitcoin en 2008.