跨链技术综述

　　日前，北京金融科技产业联盟成功举办“区块链跨链技术研讨会”。本次研讨会聚焦区块链跨链技术、方案对比、实现路径及发展趋势等方面，相关案例为实现跨链互操作提供行业借鉴。本次研讨会分享嘉宾来自华为、溪塔科技、微众银行、趣链科技等。以下内容根据专委会专家在会上分享的“跨链技术综述”主题演讲整理而成。

　　跨链技术的发展主要分为三个阶段，首先是单链扩张阶段，作为提升某一条链的交易速率以及如何完成两种加密数字资产互换的一种技术手段，包括公证人技术、哈希锁定和侧链。随着区块链技术的不断发展以及加密数字资产的增多，跨链技术逐渐进入到了中继平台阶段，作为一种构建加密数字资产生态的主要技术被人们关注，Vitalik和Gavin Wood都提出了对跨链技术的展望，代表产品如以太坊(Ethereum)2.0和波卡(Polkadot)。公链技术的发展也推动了联盟链技术和应用场景的不断涌现，这也使得大量的联盟链厂商推出了自研的跨链产品，使跨链技术进入到了互联互通阶段。除了社区和联盟链厂商外，跨链技术也得到了政府和标准化组织的高度关注。习在集体学习时强调，要探索区块链数据共享的模式，IEEE、ITU和ISO等组织也在积极制定区块链互操作的标准。

　　跨链技术之所以得到各方的广泛关注，其主要原因在于通过跨链技术可以实现不同区块链系统间的信息交互，这样就可以让区块链技术突破单链所带来的瓶颈，减少因为用户和业务增长所带来的性能和存贮压力。同时，也可以打破目前数据孤岛的局面，增加区块链系统整体的灵活性。

　　跨链技术在设计时需要着重考虑以下问题。一是数据验证，指目标链可以验证原链上的信息真实性，要验证传输的信息是否真的存在于源链上，而且也确实是源链发送给目标链的。二是协议适配，目前主流的区块链平台在底层协议、密码算法、数据结构以及智能合约框架都存在差异，需要存在一个通用的协议适配方案来保证跨链的信息可以被有效的上链和验证。三是事务管理，需要保证跨链事务的原子性，只有成功和失败，不存在第3种中间状态。四是安全保障，当网络中的一条链出现安全事件时，我们需要快速的将这条链从网络中隔离出去。

　　最开始的跨链技术，是针对加密数字资产的跨链交易。Vitalik将其概括为公证人、哈希锁定和侧链，我们先来看一下公证人，公证人是加密数字资产跨链交易中最简单的。例如，Alice将A数字资产打到公证人的地址，然后在公证人服务器中挂单，接下来Bod将B数字资产打到公证人地址，在公证人挂买单，最后公证人完成撮合后，将A资产打到Bob的A资产地址中，将B资产打到Alice的B资产地址。

　　哈希时间锁定，最初是作为中心化交易的替代方案出现的，通过哈希锁和时间锁来保证跨链交易的原子性，通常在两方之间来进行。交易者会首先在各自的链上使用哈希锁对资产进行锁定，并且使用时间锁来保证在公布哈希锁的原项前资产不会被取走。

　　哈希时间锁定并不仅仅针对公有链，在联盟链中也可以集成。下表展示的这几个项目均集成了哈希时间锁定相关的合约。但是哈希时间锁定依然有缺陷，例如会造成交易的不公平，后加锁的一方或者先解锁的一方可以根据加密数字资产的价格来决定是否进行交易。

　　侧链技术是相对于主链而言的，能够验证和解析主链中的区块数据和交易数据。侧链实现的核心技术是双向锚定(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。当然，反过来也可以，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。其中用到了一个在跨链技术中十分核心的技术，也就是SPV证明。

　　第二个类别是中继链，早些时候Vitalik把中继BOB·体育综合APP下载链和侧链归为一个技术，但是现在的很多文章认为这两者在具体实现上还是有区别的，所以给这个技术起了一个更形象的名字，BlockChain of BlockChains(BoB)。BoB是提供可重复使用的数据结构以及网络、共识、激励和智能合约等技术的框架，用于创建彼此之间可以相互通信的定制化区块链。当前主要的框架有Cosmos和波卡(Polkadot)，未来可能还会有以太坊2.0的信标链(Beacon Chain)。

　　首先我们来看一下Cosmos，Cosmos是一个多链并行的区块链网络，每条链被称为Zone，所有的Zone采用相同的共识算法(Tendermint)，Zone可以通过Hub将信息传输到其他Zone，同时Hub可以最大限度的减少Zone之间的链接数量而且可以防止双花攻击。例如A Zone可以将自己Zone的数字资产转移到B Zone或从B Zone接收数字资产。在这个过程中A仅需要信任Hub和B Zone就可以。这样的设计还有一个好处就是可以简化区块链的开发，例如Cosmos将区块链的开发抽象为三层，即网络层、共识层和应用层。Tendermint实现了网络和共识层，然后通过一个内部的ABCI(Application Blockchain Interface)协议连接到应用层。同时Cosmos提供了SDK来让开发者进行应用层的开发。

　　而Polkadot是由以太坊黄皮书作者Wood开发，主要目的和Cosmos一样，也是建立一个可以链接区块链网络的网络。Polkadot网络中的并行链被叫做平行链。Polkadot的网络架构也比Cosmos要复杂很多，涉及的组件有平行链、收集者、验证者、中继链等，并且提供了一套开发组件Substrate，包括P2P通信框架和Wasm虚拟机等。

　　上述提到的跨链技术是针对公有链的跨链方案，需要通过一套激励机制来管理跨链网络。针对联盟链的跨链，联盟链厂商和研究者提出了可信中继(Trusted Relays)、区块抽象协议(Blockchain-Agnostic Protocols)和状态迁移(Blockchain Migrators)这三类主要的跨链技术，这三类技术目前在一些文章中被归类为BlockChian Connectors或者叫做Hybrid Connectors，其主要的目的就是提供一个抽象层，能够通过公开一组统一的操作接口，允许DApp和不同的链交互时可以使用一套统一的API。

　　刚刚提到的可信中继是将交易从源链重定向到目标链的可信第三方，并且允许用户定义任意业务逻辑。可信中继在使用时需要通过区块链注册表或者发布订阅机制来提前获知源链和目标链的身份以及链配置等先验知识。

　　而区块链抽象协议则是通过将两个异构链之间的数据结构和格式进行抽象，生成一个抽象的交易来实现任意结构的分布式账本之间的跨链通信。在具体的实践中，一般会将可信中继和抽象协议结合起来使用。

　　状态迁移目前是一种仅停留在论文上的技术，其主要目的也是为了帮助企业将自己的DApp从一条链迁移到另一条链，而且需要同时对两条链的虚拟机进行改造。

　　中继是未来。我认为中继这种方式是未来跨链网络架构的主要形式，因为不管是中继链还是中继平台，都可以作为一个可信的消息验证平台，减轻区块链平台的信息验证负担。而且当网络中一条链被攻击时，可以快速的将其与其他链隔离。

　　统一接口和准入机制是首要问题。通过上面这个表格我们可以看到不同跨链方案之间在数据结构、准入机制、接入方式之间存在差异。而接入规则作为跨链的首要步骤，它的通用性和易用性直接决定了跨链网络的接入门槛，影响跨链网络的规模与生态。

　　跨链协议是跨链技术的核心。当前，不同跨链通信项目都各自实现了自己的跨链协议，但是不同跨链协议之间在报文格式、路由协议方面还是互不兼容的状态，这对不同跨链网络之间的相互通信是一个很大的阻碍。所以为了提升跨链协议的通用性和灵活性，我认为在未来需要区块链研发机构和标准化组织形成共识，共同推出类似TCP/IP的区块链基础协议。

　　完善的数字身份管理体系是跨链操作的基石。数字身份作为一种基础设施，贯穿整个跨链事务的生命周期，支撑区块链互操作的实现。为了更好的实现跨链操作，同时为了明晰链上数据的权责问题，实现链上身份和链下身份的无缝对接，有必要对数字身份进行规范，建立行业层面互通互信的数字身份管理体系。

　　跨链生态的构建。区块链的发展愿景是形成一个连接各方的可信网络，同时，随着不同的区块链平成互联互通，原有割裂的社区生态会逐渐融合成一个整体生态体系。一方面需要一个完备的治理体制来保证跨链网络的平稳运行;另一方面需要区块链技术提供方、行业需求方、标准化组织、监管机构和政府单位等更多力量参与到区块链互操作研究中，不断凝聚共识，形成更大合力，加速构建广泛互联的跨链生态体系。