BatPay : Protocole Économe en Gas pour les Micropaiements de Jetons ERC20

Table des matières

1. Introduction

BatPay (BatchPayment) est une solution de mise à l'échelle par proxy conçue spécifiquement pour les transferts de jetons ERC20 sur la blockchain Ethereum. Le protocole relève le défi critique des coûts de gas élevés dans les scénarios de micropaiement en regroupant plusieurs opérations en transactions uniques. Cette approche est particulièrement adaptée aux scénarios de paiement un-vers-plusieurs et quelques-vers-plusieurs, couramment rencontrés dans les places de marché numériques comme Wibson.

Le protocole fonctionne via trois moments principaux de regroupement :

• L'enregistrement par l'acheteur de multiples paiements aux vendeurs en une seule transaction
• Le recouvrement par le vendeur de nombreux paiements dans son portefeuille
• L'inscription en masse des utilisateurs sur la plateforme BatPay

2. Travaux connexes

2.1 Pools de paiement

Les pools de paiement utilisent des arbres de Merkle pour stocker les informations de paiement dans les feuilles, où les bénéficiaires reçoivent les branches de Merkle hors chaîne pour le retrait. Bien qu'efficaces pour les distributions uniques, les paiements récurrents nécessitent des mises à jour de l'arbre et sont confrontés à des défis de disponibilité des données et de mises à jour frauduleuses.

2.2 BatLog

BatLog fournit des mécanismes de distribution de récompenses efficaces où les récompenses totales sont stockées dans des contrats et les utilisateurs retirent les montants accumulés. Cependant, il se limite aux distributions périodiques de récompenses et ne résout pas les problèmes généraux de paiement un-vers-plusieurs.

2.3 Canaux de paiement

Des solutions comme Raiden, Perun et Celer utilisent des canaux hors chaîne avec des dépôts verrouillés. Bien qu'efficaces pour une utilisation récurrente des canaux, elles exigent que les participants soient en ligne pendant les périodes de défi et sont principalement adaptées aux paiements un-vers-quelques.

2.4 Chaîne Plasma

Les chaînes Plasma agissent comme médiateurs entre les chaînes racines et enfants, permettant aux utilisateurs de se retirer lors d'opérations frauduleuses. Cependant, elles sont vulnérables aux retraits massifs et dépendent de la disponibilité de l'opérateur de la chaîne.

2.5 Paiements groupés par zk-SNARKs

Cette approche utilise des arbres de Merkle pour l'enregistrement des adresses et des soldes avec des preuves à divulgation nulle de connaissance. Bien qu'offrant de fortes garanties de confidentialité, elle implique une surcharge computationnelle et une complexité significatives.

3. Conception du protocole BatPay

3.1 Architecture principale

BatPay emploie un mécanisme de regroupement sophistiqué qui agrège de multiples opérations de paiement en transactions blockchain uniques. L'architecture se compose de trois composants principaux : l'enregistrement des paiements, la résolution des défis et les mécanismes de retrait.

3.2 Opérations de regroupement

Le protocole identifie trois opportunités critiques de regroupement : l'enregistrement des paiements, le recouvrement des fonds et l'intégration des utilisateurs. Chaque opération groupée réduit significativement les coûts de gas par transaction en répartissant les coûts fixes sur de multiples opérations.

3.3 Mécanisme du jeu de défi

BatPay remplace les vérifications onéreuses sur la chaîne par un jeu de défi efficace. Ce mécanisme repousse la majeure partie de la charge computationnelle hors chaîne tout en maintenant des garanties de sécurité grâce à des incitations économiques et des preuves cryptographiques.

4. Implémentation technique

4.1 Fondement mathématique

L'optimisation du gas suit la formule : $G_{total} = G_{base} + n \times G_{marginal}$ où $G_{base}$ représente les coûts fixes de transaction et $G_{marginal}$ est le coût incrémental par paiement. BatPay atteint son efficacité en minimisant $G_{marginal}$ via le regroupement.

4.2 Code du contrat intelligent

function batchTransfer(
    address[] memory recipients,
    uint256[] memory amounts,
    bytes32 merkleRoot
) public payable {
    require(recipients.length == amounts.length, "Arrays length mismatch");
    
    for (uint i = 0; i < recipients.length; i++) {
        _pendingBalances[recipients[i]] += amounts[i];
    }
    
    emit BatchTransfer(merkleRoot, recipients.length, msg.sender);
}

4.3 Formules d'optimisation du gas

Les économies de gas sont calculées comme suit : $S = \frac{G_{standard} \times n}{G_{batch} + n \times G_{perPayment}}$ où $n$ est la taille du lot, démontrant des avantages de mise à l'échelle super-linéaires.

5. Résultats expérimentaux

5.1 Métriques de performance

BatPay atteint des performances remarquables avec 300-1000 gas par paiement, représentant une amélioration de 1000x par rapport aux transferts ERC20 standard. Le système maintient approximativement 1700 transactions par seconde sur le mainnet Ethereum.

5.2 Analyse du coût en gas

L'analyse comparative montre que les transferts ERC20 traditionnels consomment ~50 000 gas, tandis que BatPay réduit cela à 300-1000 gas selon la taille du lot et les paramètres opérationnels.

5.3 Comparaison du débit

Comparé aux canaux de paiement et autres solutions de Layer 2, BatPay démontre un débit supérieur pour les scénarios de paiement un-vers-plusieurs tout en maintenant de meilleures garanties de disponibilité des données.

6. Caractéristiques principales

• Méta-transactions : Permettent des opérations sans ether pour les utilisateurs finaux
• Paiements verrouillés par clé : Prend en charge l'échange atomique de biens numériques
• Retrait immédiat : Aucune période d'attente pour l'accès aux fonds
• Inscription en masse : Intégration des utilisateurs rentable
• Aucun problème de disponibilité des données : Toutes les informations nécessaires sont sur la chaîne

7. Analyse originale

BatPay représente une avancée significative dans les solutions de micropaiement blockchain, abordant les défis fondamentaux de scalabilité qui ont limité l'utilité d'Ethereum pour les transactions de faible valeur. L'approche innovante du protocole, combinant le regroupement de transactions avec des jeux de défi, crée un compromis équilibré entre la vérification sur chaîne et le calcul hors chaîne. Cette philosophie de conception s'aligne sur les recherches établies en matière de mise à l'échelle d'institutions comme la Fondation Ethereum et Stanford Blockchain Research.

Comparé aux canaux de paiement traditionnels tels que documentés dans le livre blanc du Raiden Network, BatPay offre une scalabilité supérieure pour les scénarios de paiement un-vers-plusieurs sans exiger une présence en ligne continue des participants. L'efficacité en gas de 300-1000 gas par paiement du protocole représente une amélioration de trois ordres de grandeur par rapport aux transferts ERC20 standard, le rendant compétitif avec les solutions émergentes de Layer 2 tout en maintenant de meilleures garanties de sécurité.

Le mécanisme du jeu de défi démontre une conception cryptéconomique sophistiquée, rappelant les approches de type optimistic rollup mais optimisée spécifiquement pour les applications de paiement. Cette approche réduit la charge computationnelle sur la chaîne principale tout en assurant l'intégrité du protocole grâce à des incitations économiques. Le fondement mathématique $G_{total} = G_{base} + n \times G_{marginal}$ fournit des avantages de scalabilité clairs qui augmentent de manière super-linéaire avec la taille du lot.

Le support des méta-transactions par BatPay aborde une barrière d'utilisabilité critique dans les applications Ethereum, permettant aux utilisateurs d'interagir avec le protocole sans détenir d'ETH natif pour les frais de gas. Cette fonctionnalité, combinée aux paiements verrouillés par clé pour les échanges atomiques, positionne BatPay comme une solution complète pour les places de marché numériques et les applications décentralisées nécessitant des capacités de micropaiement efficaces.

Les métriques de performance du protocole de 1700 TPS dépassent significativement la capacité de la couche de base d'Ethereum et se comparent favorablement à d'autres solutions de mise à l'échelle tout en maintenant une disponibilité complète des données sur la chaîne. Ce choix de conception évite les problèmes de disponibilité des données qui affectent certaines solutions de Layer 2 et assure l'auditabilité permanente de toutes les transactions.

8. Applications futures et orientations

L'architecture de BatPay permet de nombreuses applications futures, incluant :

• Distributions de micro-rendements DeFi : Distribution efficace de petits paiements de rendement à des milliers de fournisseurs de liquidités
• Monétisation de contenu : Micropaiements pour les services de streaming et le contenu numérique
• Paiements entre appareils IoT : Transactions machine-à-machine dans les réseaux IoT
• Économies de jeux : Microtransactions en jeu et distributions de récompenses
• Intégration cross-chaîne : Expansion vers des environnements multi-chaînes et les réseaux de Layer 2

Les orientations futures de développement incluent l'intégration avec les preuves à divulgation nulle de connaissance pour une confidentialité améliorée, la compatibilité cross-chaîne, et l'amélioration de l'expérience utilisateur via des intégrations de portefeuilles et des outils pour développeurs.

9. Références

1. Livre blanc de la place de marché de données Wibson (2018)
2. Fondation Ethereum. "Livre blanc Ethereum" (2014)
3. Recherche sur les pools de paiement - Ethereum Research
4. Applications des arbres de Merkle dans la blockchain - Symposium IEEE
5. BatLog : Distribution efficace des récompenses - Actes de conférence sur la blockchain
6. Raiden Network : Paiements rapides et évolutifs - Livre blanc
7. Plasma : Contrats intelligents autonomes et évolutifs - Buterin & Poon
8. zk-SNARKs pour la mise à l'échelle de la blockchain - Spécification du protocole Zcash
9. Techniques d'optimisation du gas - Livre jaune Ethereum
10. Réseaux de canaux de micropaiement - ACM Computing Surveys