深度！跨链技术的研究和思考：成果颇多却仍道阻且长

2019-04-28 16:07:34 浏览数 (1)

来源 | BitLife（ID：bitlife2017）

作者 | Xiaoyi Wang

责编 | 乔治

出品 | 区块链大本营（ID：blockchain_camp）

当前的区块链底层技术平台百花齐放，不同的业务、不同的技术底层的区块链之间缺乏统一的互联互通的机制，这极大限制了区块链技术和应用生态的健康发展。跨链的需求由此而来，本文通过分析几种主流的跨链方案探讨跨链技术的本质及相应的解决思路。

跨链的类型

跨链交互根据所跨越的区块链底层技术平台的不同可以分为同构链跨链和异构链跨链：同构链之间安全机制、共识算法、网络拓扑、区块生成验证逻辑都一致，它们之间的跨链交互相对简单。而异构链的跨链交互相对复杂，比如比特币采用PoW算法而联盟链Fabric采用传统确定性共识算法，其区块的组成形式和确定性保证机制均有很大不同，直接跨链交互机制不易设计。异构链之间的跨链交互一般需要第三方辅助服务辅助跨链交互。

主流跨链机制概述

截至目前，主流的区块链跨链技术方案按照其具体的实现方式主要分为三大类，分别是公证人机制、侧链/中继和哈希锁定：

  • 公证人机制（Notaryschemes）: 公证人也称见证人机制，公证人机制本质上是一种中介的方式。具体而言，假设区块链A和B本身是不能直接进行互操作的，那么他们可以引入一个共同信任的第三方作为中介，由这个共同信任的中介进行跨链消息的验证和转发。公证人机制的优点在于能够灵活地支持各种不同结构的区块链（前提是公证人能够访问相关方的链上信息），缺点在于存在中心化风险。
  • 哈希锁定（Hash-locking）: 哈希锁定技术主要是支持跨链中的原子资产交换，最早起源自比特币的闪电网络。其典型实现是哈希时间锁定合约HTLC(Hashed TimeLock Contract)。哈希锁定的原理是通过时间差和影藏哈希值来达到资产的原子交换。哈希锁定只能做到交换而不能做到资产或者信息的转移，因此其使用场景有限。
  • 侧链/中继链（Sidechains/Relays）: 侧链是指完全拥有某链的功能的另一条区块链，侧链可以读取和验证主链上的信息。主链不知道侧链的存在，由侧链主动感知主链信息并进行相应的动作。而中继链则是侧链和公证人机制的结合体，中继链具有访问需要和验证进行互操作的链的关键信息并对两条链的跨链消息进行转移。从这个角度看中继链也是一种去中心的公证人机制。

下面就这几种跨链方式的典型实现方式进行详细分析：

典型跨链机制实现分析

公证人机制

最传统的公证人机制是基于中心化交易所得跨链资产交换，这种跨链的方式比较单一，只支持资产的交换，如下图演示了Alice通过交易所，用比特币和Bob交换ETH的过程。

  1. Alice 通过交易所钱包将自己的比特币打入交易所地址;
  2. Alice 在交易所上挂上卖单1个BTC卖出20ETH价格；
  3. Bob需要将自己的ETH打入交易所的以太坊地址；
  4. Bob通过交易所挂出购买比特币的单子 20ETH买一个比特币；
  5. 交易所将Alice的卖单和Bob的卖单进行撮合；
  6. 交易所将Alice在交易所存储的1BTC 转移给Bob的比特币地址；
  7. 交易所将Bob在交易所存储的20ETH 转移给Alice的以太坊地址；

至此完成了Alice和Bob的BTC和ETH的交换（案例中省去了交易所的服务费）。通过该例子可以看出交易所的方式目前仅能够支持资产的交换，且资产交换的原子性、安全性完全由中心化的交易所保障存在较大的中心化风险。

除此之外还有一种著名的分布式账本技术Ripple，也是采用类似公证人的机制来解决全球金融机构之间的资产交换。Ripple的系统架构如上图所示，Ripple系统中交易通过网络中的验证者进行交易的验证，验证者验证的交易通过加密算法保护交易内容不能被验证着窥探从而保证交易的隐私性。

公证人机制的跨链技术实现简单，且能够比较灵活地支持不同类型的底层区块链体系。公证人机制的主要问题在于公证人机制的安全性保障完全由公证人系统保障。参与跨链的相关方需要对中间人给予较大的信任。

哈希锁定

哈希时间锁定（HTLC）最早出现在比特币的闪电网络，跨链资产交换支持一定数量的A链资产和一定数量的B链资产进行原子交换。哈希时间锁定巧妙地采用了哈希锁和时间锁，迫使资产的接收方在deadline内确定收款并产生一种收款证明给打款人，否则资产会归还给打款人。收款证明能够被付款人用来获取接收人区块链上的等量价值的数量资产或触发其他事件。

如下图所示，我们用一个例子来阐述如何使用哈希时间锁定进行跨链的原子资产交换，假设Alice和Bob有资产交换的需求，Alice想用1个BTC和Bob换20个ETH. 那么首先需要在两条链上设置哈希时间锁定合约，然后执行如下步骤：

  1. Alice 随机构建一个字符串s，并计算出其哈希 h=hash(s)；
  2. Alice 将h发送给Bob的合约；
  3. Alice锁定自己的1个BTC资产，并设置一个 较长的锁定时间t1, 并设置了获取该BTC的一个条件： 谁能够提供h的原始值s就可以得到该BTC;
  4. Bob观察到Alice 合约中锁定了一个BTC, 然后Bob锁定自己的20个ETH资产，并设置一个 相对较短的锁定时间 t2, t2 < t1, Bob也设置了同样获取条件（谁提供h的原始值s就可以获取20个ETH）；
  5. Alice将自己最初生成的字符串s 发送到Bob的合约里取得了20个ETH;
  6. Bob观察到步骤5中Alice的s值，将其发送给Alice的合约成功获取1个BTC; 至此Alice和Bob完成了资产的交换。

从上述的过程我们可以看出哈希时间锁定合约有一些约束条件：

  • 进行跨链资产交换的双方必须能够解析双方的合约内部数据，例如s，例如锁定资产的证明等；
  • 哈希锁定的超时时间设置时需要保证存在时间差，这样在单方面作弊时另一方可以及时撤回自己的资产。

哈希锁定的思想运用在支付领域较多，例如闪电网络、雷电网络以及跨链资产转移协议Interledger等。但是哈希锁定目前看只适合偏资产或者关键数据的交换，甚至不支持转移因此其试用场景受限。

侧链/中继链

侧链

侧链是相对于主链而言的，最初的侧链提出是针对比特币做新特性的测试和研发。侧链相对主链而言能够验证和解析主链中的区块数据和账本数据。侧链实现的基础技术是双向锚定（Two-way Peg），通过双向锚定技术可以将数字资产在主链上进行锁定，同时将等价的资产在侧链中释放。相反当侧链中相关资产进行锁定时，主链上锚定的等价资产也可以被释放。

BTC-Relay是号称的史上第一个侧链，BTC-Relay是通过以太坊构建了一个比特币的侧面，运用以太坊的智能合约允许用户验证比特币的交易。这里我们仍然以Alice 1BTC和Bob的20ETH数字资产交换为例阐述相应原理：

  1. Bob将20ETH发送到BTCSwap的合约进行冻结；(该合约只要能够确认BTC网络上Bob接收到来自Alice 1BTC就自动将20ETH转给Alice)
  2. Alice 确认Bob冻结信息后，将1 BTC转给Bob比特币账户；
  3. BTC Relayer将比特币区块头推送到BTCSwap合约；
  4. Alice 接下来就可以调用relay tx;
  5. BTCSwap合约结合tx和BTC链的区块链进行SPV验证，验证通过则将20ETH转给Alice以太坊地址。

这种跨链的实现方式简单，但是BTC Relay需要额外的信任和维护成本，且智能合约内部的数据存储会有体积膨胀的问题。但是侧链的机制相对哈希锁定而言能够提供更多的跨链交互场景，侧链以及类SPV验证的思想适合所有跨链的场景。

中继链

中继链本质上算是公证人机制和侧链机制的融合和扩展，目前社区内最活跃的两个跨链项目 Cosmos 和 Polkadot 采用的都是基于中继链的多链多层架构，其中 Cosmos目前支持的是跨链资产交互，而 Polkadot则宣称提供任意类型的跨链交互，具体实现还有待观察。

Cosmos网络是一个多链混合的区块链网格结构，如下图所示，该网络中主要包括两种角色： Hub: 用于处理跨链交互的中继链； Zone: Cosmos中的平行链， Cosmos中平行链需要具备两个前提条件：

  • 快速确定性（fast finality）, 这个特性由共识算法保障，也就是说Cosmos的跨链不直接支持PoW等概率确定模型的区块链；
  • 强监管性（Sovereignty)：每个平行链都具有一组验证者能够决定其出块。

为了支持平行链之间的跨链互操作，Cosmos提出了一种跨链交互协议IBC(Inter-Blockchain Communication protocol), 并利用tendermint共识算法的即时确定性实现多个异构链之间的价值和数据传输。

首先我们以 Chain A 到 Chain B 转账 10 token 为例说明使用 IBC 的跨链交互：

  1. 互相跟踪，也就是说如果A要和B进行跨链交易，那么A和B链需要分别运行相当于对方区块链的轻节点服务，这样互相可以实时接收到对方的区块头信息（方便后续执行类SPV验证）；
  2. A链上初始化IBC协议，冻结相关资产10 token, 并生成相应的证明发送给B区块链；
  3. B链接收到相应的IBC消息，通过A链的区块头信息确定A确实进行相应的资产冻结，然后B链会生成等价值10 token的资产。

以上是使用IBC协议的两个平行链直接进行跨链的基本过程，如果区块链很多，那么这种方式的两两跨链复杂度会呈现组合级别增加。因此Cosmos网络又引入了一种Hub的中继链，所有的平行链都通过IBC连接到Hub，让Hub辅助跨链交易的验证和转移，目前Cosmos实现了一个官方的Hub称为Cosmos Hub（如前图所示）。

如下图所示是Cosmos 网络的详细架构图，Cosmos为方便平行链开发提供了基本服务CosmosSDK包括：共识、网络以及IBC协议等，这样基于Cosmos SDK开发的子链之间都能够方便地互相交互。此外对于非Cosmos SDK 开发的区块链需要使用Peg Zone进行桥接，如图中的Ethereum。

笔者认为Cosmos为跨链带来的最大贡献在于IBC协议的设计，IBC协议提供了一种通用的跨链协议标准。IBC的设计使得跨链交易可以在多个Hub之间进行安全路由和转发，类似目前互联网的TCP/IP 协议。但是遗憾的是目前的Cosmos设计也只能够支持资产的跨链，而且由于不同区块链的业务不同其共识速率的不一致也会影响跨链交易有效性的证明。

Polkadot也是一种集成平行链和中继链的多层多链架构，Polkadot区块链的整体架构图如下图所示，主要包含三种角色链和四种参与方：

三种链角色：

  1. 中继链（Relay chain）: 中继链位于Polkadot的体系的核心地位，主要是为整个系统提供统一的共识和安全性保障；
  2. 平行链（Parachain）: 在Polkadot中平行链负责具体的业务场景，平行链自身不具备区块的共识，它们将共识的职责渡让给了中继链，所有平行链共享来自中继链的安全保障，中继链是Polkadot组成的一部分；
  3. 桥接链：桥接链指的是非Polkadot体系之外的区块链，如Bitcoin, Ethereum， 这些区块链有自身的共识算法，它们通过不同的Bridge与Polkadot连接在一起进行跨链交互。

四种参与方：

  1. 验证者(Validator): 验证者负责Polkadot的网络出块，会运行一个中继链的客户端，在每一轮区块产生中会对其提名的平行链出的块进行核验。当平行链的跨都被他们的子验证者集合确定好之后，验证者们会将所有平行链区块头组装到中继链的区块并进行共识。
  2. 核验人(Collator): 帮助验证者收集、验证和提交备选平行链区块，维护了一个平行链的全节点。
  3. 钓鱼人(Fisherman):钓鱼人主要靠检举非法交易或者区块以获取收益；
  4. 提名人(Nominator): 拥有stake的相关方，维护和负责验证者的安全性。

Polkadot的特性包括两个，一个是共享安全性，一个是不需信任的跨链交互。这里的不需信任的跨链交互其实是和第一个特点共享安全性密切相关的，而且Polkadot的不需信任的跨链交互也主要是只其内部的平行链之间。

在Polkadot中如果parachain A 需要发送一笔交易到parachain B的过程如下：

  1. A链将跨链交易放到自己的engress(每个平行链有一个消息输出队列engress 和一个消息输入队列ingress);
  2. A链的Collator收集A链的普通交易以及跨链交易并提交给A链的验证者集合；
  3. A链的验证者集合验证成功，将本次A链的区块头信息以及A链的engress内信息提交到中继链上；
  4. 中继链运行共识算法进行区块确认以及跨链交易路由，中继链上的验证者会将A链的相应交易从A链的engress queue中移动到B链的ingress queue中。
  5. B链执行区块，将ingress queue中相应交易执行并修改自身账本。

以上便是Polkadot跨链交易的主要步骤，由于所有平行链的共识同步发生（中继链区块示意图如下），因此跨链交易不会有诸如双花等安全性问题。

Polkadot 的平行链之间的跨链交换的安全性保障主要来自共享安全性这个特点，共享安全性使得跨链交易和普通交易同步发生也就不存在其他跨链场景中的双花等跨链数据不一致问题。其次Polkadot中的引入的特殊状态验证方法方便中继链进行跨链等消息的有效性验证。

值得一提的是Polkadot项目目前还处在项目初期，对于parachain的设计、Collator的协作以及Validator的共识、工作效率等都未完善。这种共享安全性的方式是否也限制了平行链自身的性能都还有待考证。

关于跨链技术的几点思考

综合以上的一些主流跨链场景和方案的分析，从跨链的概念以及需求上看跨链的本质其实就是 如何将A链上的消息M安全可信地转移到B链并在B链上产生预期效果。那么一个成功的跨链交互到底需要解决哪些问题呢？笔者认为主要有以下四个问题：

  1. 消息M的真实性证明，也就是说M是否确实是存在A链上的，也确实是A链发给B链的；
  2. 消息M的路由，如何让跨链消息安全跨系统路由；
  3. 消息M的有效性证明，这里的有效性是指来自A链的消息M如何让B链认可其抵达B链时状态仍然有效，比如转移的资产是否是冻结的，没有双花的，如果是状态那么是否在此期间未发生改变等；
  4. 消息M的执行结果证明，这个是指A链需要确认跨链操作是否成功，以及成功操作的相应回执。

那么针对这些关键本质问题，如何去处理呢？笔者设想未来的区块链应该在底层平台的设计之初就需要遵循统一的跨链协议标准，就像现在的操作系统对TCP/IP协议的支持一样。需要进行通用跨链的区块链至少要支持一下功能：

  1. 提供跨链消息的输入和输出口径，例如Cosmos和Polkadot的跨链队列；
  2. 提供跨链消息的真实性证明，区块链需要提供类似SPV的证明手段；
  3. 消息的有效路由需要构建跨链消息的统一格式，定义好消息的来源和去处以及消息内容，如Cosmos的IBC协议；
  4. 消息的有效性证明，区块链可能需要设计新的类似UTXO的可验证存储结构，方便做类SPV类验证，否则目前的基于KV的数据存储方式做有效性证明几乎不可能；
  5. 跨链执行结果证明，和有效性证明类似，需要全新的数据结构和运行算法支持。

除此之外，跨链系统的设计还需要考虑系统稳定性、可扩展性以及易升级性、容错等等，总而言之，真正的可信互联网建设艰辛漫长，诸君共勉！

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