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关于区块链:构建万物可信互联的基石带你深度剖析区块链跨链的关键技术满满是干货

jiezi

【摘要】什么是区块链，置信你肯定有所理解，那么你是否理解区块链跨链技术呢？本文将从区块链跨链技术的起源倒退、相干名词、关键技术和模型实现几个方面进行深度分析，干货满满！

1．区块链跨链技术诞生背景及倒退历程

1.1 什么是跨链？

区块链技术通过 10 来年演进，曾经被认为是能够参加将来可信社会构建的重要基础设施。然而事实的社会中包含许多行业和不同的经济畛域。把整个事实世界中的各个行业都套用区块链是不事实的，也是不适合的。不同行业、不同经济畛域的商品能够通过市场实现价值替换。每个区块链零碎都是一个独立的价值经济体系。区块链跨链技术是连贯独立区块链的枢纽，承载着不同价值体系的区块链之间的替换性能。价格是替换货物的前提，价格由商品自身的价值决定，受供需关系的影响，供需关系又建设在市场之上。为了实现不同区块链上的价值替换，区块链通过跨链为每个独立区块链中的价值交易市场提供跨链契约服务。每个区块链是一个独立的账本，两个不同的区块链对应两个不同的独立账本，两个账本之间没有关联关系。跨链这个技术，买通不同账本之间的阻碍，容许价值逾越不同区块链进行流转。实质上，价值不能在账间转移。然而对于一个特定的用户来说，一个区块链中存储的价值能够转化为另一个区块链价值，从而实现了价值的循环。

1.2 诞生的背景及倒退历程

随着 2008 年比特币诞生以来，区块链技术曾经有了十分宽泛的倒退，截止目前世界各国至多有上千种区块链我的项目。区块链给人们提供了解决数据孤岛，传递信赖价值等能力，然而一个个不同生态的区块链我的项目建设之后，人们发现这些区块链又变成了新的数据孤岛。不同的区块链基于不同的共识算法，数据结构，平安算法，账本类型导致其不存在互通的能力。这时候不可避免的会提出一个新的问题：链与链之间怎么进行价值替换？跨链互通后是否在无第三方的状况下持续维持资产的原子替换，并且保证数据的一致性及全流程可信呢？那为了解决下面碰到的问题，跨链技术就应运而生了。

首先回顾下区块链跨链技术倒退历史，以及其倒退的几个重要阶段。从技术上来说跨链次要包含上面三种模式，哈希锁定技术，公证人技术以及中继链。这几种技术的次要倒退历史如下图 1 所示。

图 1 跨链技术倒退历史年表

2008 年 Nakamoto 发表了《Bitcoin：a peer-to-peer electronic cash system》报告，通常被当做区块链技术倒退的起源事件，从此在相当长的一段历史期间，区块链都是基于单链倒退的。缓缓的，单链呈现多种状态和类型，同时呈现不少受限于出块工夫，区块大小限度及无奈用智能合约解决的理论问题。在 2012 年瑞波实验室提出了一个叫做 InterLedger 的协定来解决不同区块链零碎之间交互和合作问题，Interledger 作为最后公证人机制的代表。2013 年 5 月，Herlihy 在 BitcoinTalk 论坛上提出 atomic swap 这一概念，也就是针对跨链交易过程中，其子交易要么同时产生，要么不产生，不会有第三种状态存在。这也就演进成了一种次要跨链技术，hash 锁定。2014 年 10 月，BlockStream 首次提出了侧链的概念，利用双向锚定机制实现加密资产依照某种汇率在主链和侧链之间转移，侧链是首个产生较大影响力的跨链技术。2015 年，比特币提出闪电网络，利用哈希工夫锁定技术，通过链下交易渠道，进步其交易速率。2016 年，Vitalik 发表了区块链互操作相干报告，对互操作问题进行了深刻的剖析。2017 年，Cosmos 和 Polkadot 提出了跨链平台的计划，通过其平台反对兼容所有区块链利用。

2. 跨链的目标及相干名词解释

2.1 目标

区块链的跨链技术是区块链实现互联互通，进步其可扩展性的重要技术手段。跨链的目标以及想要解决的问题次要包含上面几点：

  • 冲破公链目前性能和性能瓶颈

通过下面跨链演进的历史不难看出，整个跨链呈现最早的起因就是为了解决比特币，或者其它波及代币的价值替换以及流通的问题。区块链的可扩展性三难题法令表明，其只能兼顾去核心性，可扩展性和安全性的其中两项。并且随着技术的倒退，其交易速度和性能曾经很难满足以后的需要，只管诸如 EOS 等我的项目称其 TPS 可达百万级，然而都是通过局部中心化节点进行验证，跨链能够为其架构提供更优化的抉择和更高的可扩展性。

  • 实现不同区块链间资产的转移

繁多的区块链零碎无奈获取内部数据，使不同链之间或者链外可信数据上链，然而随着技术的倒退，场景越来越多的须要链间互操作的能力。尽管说能够通过第三方局部平台来实现肯定交互，然而又会引入新的中心化节点，带来新的不可信及安全性问题，跨链心愿的是通过技术而不是机构或人来提供可信，牢靠和高效的保障。这里须要的跨链互操作场景包含但不限于跨链领取结算，去中心化交易所，跨链信息交互等。

  • 实现区块链上链资产的解冻锁定

在一些金融场景中须要基于特定链上的信息对某些链上的数据提供解冻锁定的能力，同时还能够设定某个资产的锁定条件和其解锁条件也与其余链的事件或者行为进行关联；

  • 读取和验证其余链的状态或值.

不同类型的联盟链在不同生态下构建起来，很多场景下须要在某些联盟链中读取数据用于本人以后的链中，例如，司法利用中跨链的可信取证。或在以后区块链上部署的智能合约，须要依赖于其余链的信息和数据才能够触发其执行的条件，跨链读在相似的场景中具备典型利用价值;

2.2 相干名词解释

  • 分布式账本技术

分布式账本零碎是一种只做附加操作的，非凡类型分布式数据库系统，实用于不可信的环境中应用。分布式账本技术容许呈现拜占庭谬误，包含节点解体，或者无法访问，网络提早或者节点的歹意行为存在。在分布式账本零碎中，新的数据通过事务的形式附加到每个节点的本地正本，并通过肯定加密机制，保障账本中的数据不能被随便删除或更改。

为了在分布式账本零碎中达到数据在各个节点中的一致性，每个分布式账本零碎都会应用共识机制。共识机制是在分布式账本的不同节点之间协商其以后账本无效状态的算法。因为分布式系统中要达到共识，平安以及一致性方面的一些衡量，共识要么达到最终一致性，要么达到概率的最终一致性。如果所有的节点都能胜利落块，并且都存储同样的账本正本，就阐明零碎达到了最终一致性。

通常来说，咱们基于分布式账本层次结构上不同设计把它分成两类：私有链和联盟链。在私有链中，任何人都能够退出分布式账本零碎，领有对分布式账本的的读写权限。相同，联盟链的分布式账本设计将节点排除在操作（例如，事务验证、退出分布式分类帐）之外，因为它们应用权限模型。为了在联盟链中增强易用性，性能等充沛衡量了分布式系统相干的个性，使得这种许可模型强烈影响了共识机制的适用性，例如：私有链设计次要采纳仅达到概率最终性的共识机制。相比之下，大多数联盟链设计的共识机制要求齐全最终一致性，因而，不分叉或只分叉短时间，导致只有无限数量的节点纳入共识发现。

  • 智能合约

分布式账本的设计反对了自定义软件的部署和执行，这种自定义的程序被叫做智能合约。智能合约容许程序代码中通过定义标准的表达式来进行触发交易。最后，智能合约仅限于解锁存储在分布式账本上的资产（例如，应用 hash 锁，工夫锁，和多重签名）。为了减少开发人员的能动性来实现更富裕表达力的智能合约，开发了一个图灵齐备的智能合约的执行环境。明天，智能合约能够存储资产，一旦满足合约约定的条件，就能够进行交易。这些条件与存储在对立分布式账本中的数据及来自内部（链下）的数据无关。智能合约对于实现不同分布式账本之间的原子通信也至关重要，从而实现跨链的互操作能力。

  • 跨链技术

分布式账本之前的互操作性是指它从内部零碎检索数据或与内部零碎替换数据的能力。跨链零碎通过实现不同分布式账本与内部零碎之间实现数据交换，帮忙实现互操作性的能力。通过与内部零碎的数据交换能够进步分布式账本的灵活性，克服自身限度所带来的性能问题，并进步分布式账本的安全性。跨链组件的实现蕴含几种关键技术，例如哈希锁定，公证人，侧链等，并且基于这些技术形象成了一些实现模式，这些模式是对指定性能的形象形容。

3. 跨链的几种关键技术

3.1 跨链技术存在的难点

目前，实现跨链技术面临的次要难点有如下 4 点。

  • 如何确保跨链交易的原子性

跨链交易原子性保障是跨链互操作的一个重点，一笔跨链交易在发动之后只有胜利或是失败两种状态，不能停留在任何两头态，然而整个流程是由多个不同区块链交易组成，别离运行在不同的区块链零碎中，彼此都是独立的。原子性就是保障在这一笔跨链交易执行胜利后，其后续跨链交易或费跨链交易都能执行胜利，如果失败的话，以后交易能够回滚或是撤销，不影响后续交易，整个跨链零碎要保障一致性。

  • 如何用分布式形式验证不同链的后果和状态

跨链体系对于交易后果的验证贯通于整个跨链的流程中，次要蕴含两个方面，一是发动跨链交易时写入账本并满足最终确定性和真实性，另一种是在跨链交互过程中，跨链的单方能够验证彼此交易起源，真实性，合法性和有效性。区块链须要在数学及逻辑上保障其安全可靠，至多也是全流程可信及可追溯，单个区块链作为一个关闭的零碎如何确认另一条链上的交易合法性是跨链的一个难点。

  • 如何保障互操作的链资产总和不变且独立平安

跨链操作中一个很重要的点就是保障整个跨链交易完结后不同链之间的全局事务一致性，实质上来讲，在这种资产交互场景，跨链操作也没有让这两条链进行实质性的替换，因而这种替换不会影响单个链的资产总量。在资产转移中，须要缩小某个链下面的资产，相应的在对应链上减少资产，这种转移使各条链的资产产生了变动，因而要保障总和，须要保障跨链交易的原子性，要么同时记账，要么都不去记账。还要思考的资产转移过程中的安全性，如何验证资产转移过程是没有被篡改的，两头流程是不是能够被审计，平安问题是关系到跨链网络的一个十分重要的问题，也就是将跨链流程进行可信闭环。

4）如何实现一个可信的跨链信息路由

跨链零碎交互的过程须要跨链发起方 A 将其跨链交易发给链 B，对于 A 如何找到 B 这个过程也是业界正在欠缺的区块链路由零碎，提供对立标准协议，反对各个链的注册查问能力

5）如何实现一个混合跨链平台

目前，业界曾经有一些跨链我的项目在钻研中，例如 Cosmos、Polkadot 等我的项目。目前的 跨链钻研仍处于初期阶段，要达到为真正的商业利用 提供一个基于同构和异构的实用于各种混合场景的互操作平台也是一个须要解决的问题。

3.2 跨链波及的关键技术

区块链之间的价值调配存在人造的阻碍。跨链是一个简单的过程。它不仅要求区块链中的节点具备独自的验证能力，而且要求去中心化的输出，以及区块链内部信息的获取和验证。目前，跨链技术次要包含：公证计划、侧链 / 中继和哈希锁定。

  • 公证人

引入一方或多方可信实体做信用背书的跨链机制都称为公证人机制，公证人机制是技术上可实现的、最简略的跨链机制。在公证模式下，一个受信赖的集体或组被用来向区块链申明另一个区块链产生了一些事件，或确保起源正确。这些组既能够主动侦听和响应事件，也能够在申请时侦听和响应事件。假如 Alice 和 Bob 不能相互信任，那么 Alice 和 Bob 都能够信赖的第三方就是公证人的中间人。这样就建设了 Alice 和 Bob 之间的间接信赖机制。代表方法是 Interledger，它自身不是区块链零碎，不寻求任何共识。它提供了一个顶级的加密托管零碎，称为“连接器”，借助这个中介，容许资金在不同区块链零碎之间流动。

  • 侧链 / 中继

BlockStream 在 2014 年发表了侧链白皮书，定义了侧链是一条可能验证其余区块链数据的链。侧链不是专门指某一条区块链，而是指合乎侧链协定的所有区块链，是绝对于比特币主链的概念。侧链协定是容许比特币平安传输的协定。从比特币主链到其余区块链，并且能够平安地从其余区块链转回比特币主链。侧链协定的目标是实现双向挂钩，以便比特币能够传输。在主链和侧链之间。侧链协定意味着比特币不仅能够在比特币区块链上流通，也能够在其余区块链上流通。侧链 / 中继的本质特征是关注不同区块链之间达成统一共识。一般而言，单一侧链模式下，主链不晓得侧链的存在，但侧链必须晓得主链的存在；中继模式下，多链链不晓得中继的存在，但中继必须晓得多链的存在。

  • 哈希锁定

哈希锁定是一种依靠于哈希函数的单向性与低碰撞性，同时利用区块链中交易能够延时执行的特点而产生的机制。哈希锁定是通过对不同区块链之间互操作设置不同的触发器，通常是公开随机数的哈希值，它起源于比特币的闪电网络，其关键技术是 RSMC（可撤销序列到期合同）和 HTLC（哈希工夫锁定合同）。有上面这么一个场景，Alice 和 Bob 能够达成一个协定：该协定将锁定 Alice BTC。在 T 时刻之前，如果 Bob 可能向 Alice 显示一个适合的 R，使 R 的哈希值等于之前约定的值 H(R), Bob 就能够失去这个 BTC；如果在 T 时刻 Bob 不能提供正确的 R 而后这个 BTC 会主动冻结并返还给 Alice。应用哈希锁定能够实现跨链资产的替换，但不能实现跨链资产的转移，也不能实现跨链合同，其利用场景比拟无限。

4. 跨链三种技术模型

  • 手动资产替换

手动资产替换模型是最简略的跨链技术模式。手动资产替换模型遵循典型的财务交易生命周期：结算、订单匹配、清理。

第一阶段，A 应用某种机密（例如，哈希值的预映像、账户的私钥）锁定相应的分布式账簿上的资产，从而结算新的资产替换订单；

第二阶段，A 必须找到对应的交易搭档 B，最终就各自订单的资产汇率达成统一（如 32.5 Ether 赠送 1 Bitcoin），在人工资产替换模型中，这种订单匹配是在链下进行的，例如：由第三方或通过集体互动。A 和 B 批准替换后，B 将资产锁定在对应的区块链账本上。

第三阶段，订单清零，理论资产替换产生。

因而，用户 A 和用户 B 别离替换本人的机密，解锁被锁定的资产。手动资产替换模型存在肯定缺点，只能用于资产替换（不同于其余模式），通常手动资产替换模型不采纳主动订单匹配，不须要制品，因为资产替换能够齐全基于当事人的集体协定。然而，手动资产替换模型容易受到欺诈。如果 A 先收到 B 的秘密，而没有机制来反锁 A 的秘密，那么 A 能够利用 B 的秘密来解锁 B 的资产，而不须要将本人的资产转移给 B,A 将不能正确实现替换。为了避免交易所搭档进行可能导致财务损失的欺诈流动，原子性对资产替换至关重要。

  • 公证人模式

在公证人模式中，由可信的第三方建设不同区块链之间的连贯。公证人计划提供基础设施和相干服务以利于资产转移或相似行为（例如，执行智能合同）。在对区块链执行操作之前，公证人必须首先批准某个操作（例如，交易承诺）在另一个已区块链上执行。例如，加密货币替换的状况，公证员在向区块链 B 开出相应的交易之前，必须首先验证区块链 A 的交易是否胜利实现，这样，区块链之间的数据交换齐全由公证员治理。公证计划采纳集中式架构实现跨链互操作。

公证模式能够对应一个公证员（集中公证打算或集中替换），也能够对应一个公证联盟（分布式公证节点）。单个公证员能够设置并操作每个连贯的分布式账本节点。例如，当公证员决定将资产从比特币转移至 Ethereum 时，公证员会设置比特币和 Ethereum 节点，治理两个已散发账本的交易接管和发行。公证员独自确认事件是否产生（如交易接管），并触发相应的操作，为了使公证员对事件的确认民主化，减少透明度，可信第三方通常共享例如分布式私钥或应用多签名钱包。只有当肯定数量的公证员确认该事件（例如，锁定分布式账本 A 上的资产）时，相应的操作才会执行（例如，解锁分布式账本 B 上的资产）。

  • 侧链中继模式

侧链 / 中继，个别是连贯主链的上级分布式账本，如 Bitcoin、Ethereum 等。侧链在技术上独立于主链，因而，能够有本人的共识机制等。最后，开发侧链是为了通过资产转移加强现有分布式账本的可扩展性。侧链能够从主链读取和验证数据，例如，将资产从主链转移到侧链，在这种资产转移中，若干资产被锁在主链条上；资产锁定由指标侧链的验证机制确认，最终解锁（或生成）相应数量的本机 token。为了可能将资产转移回主链或另一侧链，主链还必须可能验证中继上的数据。

  • 混合解决方案

除了繁多的跨链模式，也存在混合解决方案，它联合了后面解释的几种模式的某些方面。例如，通过混合解决方案有助于建设双向追溯的侧链，假如其中一种区块链设计不反对适当的验证机制（例如，简略领取验证 (SPV）)，在这种状况下，集成公证计划取代了特定中继辨认和验证它的交易的能力，并让可信的公证人提供此信息。还有一些设计，例如华为跨链平台，是在中继跨链计划中集成了哈希锁定技术，并交融分布式公证人技术，把几种次要模式混入在一起，实现一种简单跨链解决方案，构建多异构链能够集成交互的场景，并保障全流程交易的原子性和一致性。

5. 跨链相干实现

目前，在跨链阶段的区块链曾经缓缓实现初步摸索，开始落地一些标准规范，有一些比拟好的我的项目曾经公布，这里咱们重点并重形容四个典型跨链实现。

  • Corda

第一个说的是 Corda 这个我的项目，它是一个商业化的区块链平台。它通过间接的业务替换打消了商业交易之间的阻碍。Corda 实现了一个合作、凋谢的网络，使公司可能更强地相互协作、互相交换和间接交换价值。Corda 应用交易造成其分布式账本，其散发的账本中存储金融或商业合同所涉各方的交易信息。这些信息存储在 Corda Vault 中。同时，Corda 还存储所有交易历史，跟踪记录事件的历史并独立核实。Corda 并不是跨链我的项目，而是一个分布式账本实现，第一个提它次要是它的实现中存在跨链关键技术所蕴含的公证人的典型利用。Corda 的交易只在参与者和公证人之间进行。公证人由交易各方独特选定，具备高度可信度。公证人负责验证数据的有效性和数据的唯一性。使用者能够简略地为不同的分布式帐本抉择分叉，或强制它们指向雷同的验证器并同步它们的账本，来平安地验证分叉交易音讯。

  • Polkadot

Polkadot 是一种反对异构链并能进行多链链接的技术架构。它由许多具备潜在不同特色的副链组成，这能够更容易地实现隐衷爱护或形式化验证。交易能够散布在各个链上，容许在同一时间段内解决更多的交易。Polkadot 确保每个区块链平安，并确保它们之间的任何交易都失去可信执行。它外部一种特地的子链被称为桥，通过它能够创立连贯买通每个独立的区块链。Polkadot 具备使每一个独立的区块链都能够与其余链替换信息的协定。Polkadot 的区块链协定不同于互联网消息传递的协定（例如 TCP/IP），它须要确保链间音讯的程序和有效性。这种互操作性能力通过为多个状态机创立通用环境来取得可伸缩性等。

  • Cosmos

Cosmos 是一个分布式的独立并行区块链网络，每个区块链都由经典的 BFT 共识算法 Tendermint 进行共识。Cosmos 是一个非许可的网络，这意味着任何人都能够在其上构建区块链。Cosmos 核心通过一个新的区块链通信协议连贯许多其余区块链。该核心能够跟踪许多 token 类型，并记录每个连贯空间的 token 总数。Token 能够平安、疾速地从一个空间转移到另一个空间，而无需体现出两个空间之间的替换流动性，因为所有空间之间的 token 传输都通过 Cosmos 核心。Cosmos 不只是繁多的分布式张本零碎，Cosmos 核心也不是一个关闭的花园或交互核心。而是在为分布式账本的凋谢网络设计一个协定。该协定将基于加密、经济学、共识实践、透明度和问责制等准则，成为将来金融体系的新根底。

Huawei 跨链服务

华为跨链服务提供了一个基于跨链的混合计划，不仅仅蕴含一个通用的跨链协定，它的中继侧还有一个分布式账本，记录了跨链和链内交易，在不同区块链账本之间以分布式的形式连贯和交换价值。它利用最新的密码学实践，构建了一个非专有的跨链协定和一个记录跨链和链内交易的分布式系统。任何区块链网络，无论是公共链、公有链还是财团链，都能够与华为跨链服务集成，建设不同分不是账本间的连贯，实现低成本的分布式账本间资产转移。

表 1 跨链各个模式比照

6 总结与剖析

跨链技术在这两年开始被宽泛的关注，并被寄予厚望，人们期待它能够解决目前区块链存在的种种问题，并成为万链互联的基石。目前咱们看到业界中各个厂商实现的区块链我的项目目方面呈现很多新的跨链技术，从状态上来看，很多事在已有根底上进行改良；有些是提出一系列新的跨链协定，实现区块链之间的互通。然而支流的都是通过中继链实现的，有些特定的跨链实现在公链及代币畛域利用偏多。尽管目前跨链的几个关键技术解决一些问题，然而其计划还远远没有成熟，或多或少都有一些瑕疵：

  • 公证人机制：公证人实现的跨链在肯定水平上违反了区块链去中心化的个性，通过可信的第三方中介实现跨链交互，反对中介将交易打包发到不同链上的计划，存在中心化的危险，也就是公证人作恶有批改跨链信息的可能。
  • 哈希锁定：最早起源于比特币闪电网络的 哈希锁定技术次要利用原子替换实现跨链。长处 是通过对替换信息进行哈希运算并锁定，能够保障交 换信息的真实性；毛病在于哈希锁定只能做到替换，而不能做到信息或资产的跨链转移，应用场景受到很 大限度。基于哈希锁定的资产转移实现有一个窗口 期，窗口期内的汇率稳定须要思考；此外，应用哈希 锁定须要构建多笔交易，操作简单。
  • 侧链：侧链是一个和主链绝对独立运行的区 块链，其运行依赖于主链。侧链实现的技术根底是 双向锚定（two-way peg），通过在侧链和主链中锁 定资产，并提供无效验证形式，从而在其主链或侧 链上生成或开释等价值的资产。长处是这种跨链实 现形式简略，侧链绝对于哈希锁定技术能提供更多 的实现场景；毛病是侧链的实现通常须要利用智能 合约，随着交易量的增多，智能合约外部的数据存 贮存在收缩问题，可能会造成交易处理速度慢，甚 至呈现交易梗塞的状况。
  • 中继链：咱们能够把中继链看成是侧联和公证人机制的交融以及扩大，它能提供一个跨链交互的平台或者一条中继链，各种不同类型的链对接上中继链，基于中继链实现跨链交互，进步实用性和扩展性。然而其实现简单，开发难度大，须要定制一套跨链协定来保障各个异构链能够顺利接入，不足对立的跨链协定也是目前跨链面临的很重要的问题。

基于下面的介绍，以及在表 3 中具体对集中模式进行的剖析比拟，区块链跨链技术还在倒退期间，须要更加宽泛的推广和各大厂商及业界达成共识。华为的区块链零碎采纳的混合模式，躲避了下面提到的毛病，集成了一套对立的跨链平台，反对各种异构链的对接。心愿能够突破公有链，私有链，联盟链之间的节点，拓展区块链的应用场景和利用便捷，使区块链将来能够演进为撑持更广泛应用的网络基础设施。

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本文分享自华为云社区《万物可信互联的基石：区块链跨链技术概述》，原文作者：麦冬爸。

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