全面解析跨鏈橋基本原理及安全性_ZONE:ONE

什么是跨鏈橋？

當前區塊鏈行業發展迅猛，出現了各種各樣的公有鏈，但是不同鏈上有著不同類型的資產、協議等，使得它們之間無法直接通信，這給用戶帶來了諸多不便，比如：某用戶持有比特幣資產，但是想在以太坊生態中進行投資或消費，那么最直接的方式就是通過中心化的交易所進行兌換，但是整個過程非常繁瑣，耗時很長并且需要多次支付手續費。

跨鏈技術的發展使得用戶對于不同區塊鏈之間的互操作（如：資產交易和信息交互）成為可能，其中應用范圍最廣的實現就是跨鏈橋。Web3領域中的「跨鏈橋」，不是物理位置連接的橋，而是連接兩個不同的區塊鏈網絡。這種連接非常重要，因為如果沒有區塊鏈「橋」，區塊鏈就會處于孤立的環境中，無法相互通信。

區塊鏈的互操作性Interoperability，由Interaction、Operation和Ability組合而成，即“相互操作的能力”，簡稱互操作性。區塊鏈互操作性主要包含三方面內容：一是用于應用層的互操作性，主要解決上層應用與底層鏈緊密耦合的問題，二是用于鏈間互操作性，主要解決“鏈級孤島”問題，三是鏈下數據互操作性，主要解決鏈上鏈下數據的安全可信交互。而本文主要從跨鏈交易的用途討論區塊鏈互操作性，即不同區塊鏈系統之間的資產和信息交互。

下面將首先對三種區塊鏈中的互操作性技術進行詳細介紹：

2.1公證人機制

公證人機制是技術上可實現的最簡單的一種跨鏈機制，本質上是一種中介的方式。通過引入一個或多個可信第三方做信用背書，持續監聽鏈上的事件，并根據獲取到的事件信息負責在其他鏈上進行跨鏈消息的驗證和轉發。公證人機制的實現方式主要分為以下三種：

1.單簽名公證人機制

最簡單的公證人機制，該方式會選取一個獨立的節點或者機構作為第三方公證人。公證人在整個跨鏈交互中進行數據收集、驗證、交易確認等任務。該方式兼容性高、交易速度快，但使用范圍僅限于跨鏈資產交換等場景。

2.多簽名公證人機制

該方式中公證人為一群獨立節點或者機構組成的聯盟，每個節點都擁有一個密鑰，只有一定比例的公證人在跨鏈交易上簽名達成共識時，該交易才有效。

該方式弱化了單簽名公證人機制的中心化風險，具有更高的安全性，即使有部分節點受到惡意攻擊也不會影響整個跨鏈系統的運行。

3.分布式簽名公證人機制

該方式相較于多簽名公證人機制，采用了多方計算MPC（multipartycomputation）來確保密鑰的安全性和隱私性。即將密鑰拆分為多個碎片并隨機分發給公證人，但無法利用這些碎片得出完整的密鑰，僅當一定比例的公證人共同完成簽名后才能拼湊出完整的密鑰。

法律專家：現在禁止加密為時已晚，印度需要全面監管:金色財經報道，印度法律專家表示，盡管印度央行（RBI）呼吁全面禁止加密貨幣，但現在禁止加密貨幣為時已晚。他們解釋說，政府的加密貨幣立法必須保持平衡。這不僅可以確保投資者不會受到傷害，還可以防止加密貨幣不受控制地增長，這可能會威脅到印度的外匯儲備并擾亂其經濟。

民族主義者 Rashtriya Swayamsevak Sangh 的附屬機構 Swadeshi Jagran Manch（SJM）也通過了一項決議，呼吁徹底禁止加密貨幣。與此同時，印度政府正在重新制定加密法案，然后將其重新提交給議會。（news.bitcoin）[2021/12/30 8:13:37]

2.2哈希鎖定

哈希鎖定全稱為哈希時間鎖定合約（Hash timelock contract），該方式利用哈希函數的單向性與低碰撞性，通過哈希鎖和時間鎖，在無需可信第三方作為公證人的情況下完成不同鏈間資產兌換的跨鏈技術。其中，哈希時間鎖要求接收方在規定的deadline期限內，能夠確認收款并生成證明給發送方，否則資金將會歸還。發送方能夠使用收款證明獲取到接收方在目標鏈上的資金或觸發相關事件。

該方式的能夠保證同一條鏈上的資產總量保持不變，但通常只能用于轉賬操作。下面以閃電網絡中基于哈希鎖定的原子交換實現過程：

1）用戶A生成隨機數s，并計算出其哈希值H(s)；

2）將H(s)值通過網絡發送給另一條鏈上的用戶B；

3）用戶A設置時間鎖t1，并使用H(s)將BTC鎖定在自己所在的鏈的腳本中，該操作限定了只有能提供s值的用戶才能獲取到鎖定的BTC；

4）另一條鏈上的用戶B在A所在鏈上確認上述交易后，同樣在自己所在的鏈上設置時間鎖t2（t2 Bitcoin SPV功能來允許用戶在以太坊上驗證比特幣的交易。

該技術目前可以通過單一托管模式、聯盟模式、驅動鏈模式、SPV模式實現，

下面將進行具體介紹：

1.單一托管模式

最簡單的實現方式，基本原理與單簽名公證人相同。通過公證人實現側鏈資產的鎖定和驗證釋放。

2. 聯盟模式

資產托管方是公證人聯盟，基本原理與多簽名公證人相同，利用多重簽名減小上述方式中中心化的風險。

3.驅動鏈模式

該模式中由交易處理節點作為公證人，負責資金的托管和解鎖。具體過程為：交易處理節點提交其他鏈上的資產鎖定信息到區塊中并發起草案，在投票與確認后，在當前鏈上解鎖指定的資產。

4.SPV（Simple Payment Verification ）模式

58COIN完成DOGEUSDT停服維護工作 USDT合約全面恢復服務:據58COIN官方公告，其現已完成DOGEUSDT停服維護，USDT合約維護升級工作全面完成。投資者可進行包括DOGEUSDT在內的全部品類的開平倉、計劃委托、止盈止損、資金劃轉等操作。[2020/8/28]

主鏈和側鏈通過SPV驗證，確定資產是否被安全鎖定。下面以BTC-Relay中該模式的具體實現為例，進行介紹：

1）用戶A向主鏈上包含了側鏈信息的指定地址發送代幣，鎖定主鏈資產；

2）等待一段確認期，使得上述交易經過主鏈共識后被確認；

3）用戶在側鏈提交一筆鑄幣交易和對應的主鏈資產鎖定交易的SPV證明，側鏈區塊根據SPV證明驗證上述交易的有效性，驗證通過后側鏈會進行鑄幣但該資產此時處于鎖定狀態；

4）等待一段競爭期，目的是為了保證資產被完全鎖定，從而防范雙花攻擊。如：等待SPV區塊頭的驗證數大于6次；

5）側鏈解鎖鑄幣，使得其可以在側鏈上自由流通。

3.1資產交換

區塊鏈在轉移跨鏈資產時通常分為以下四種方式：第一種是鎖定和鑄造，該方式會在原鏈上鎖定資產，并在目標鏈上鑄造對應的資產；第二種方式是銷毀和鑄造，該方式會銷毀原鏈上的資產，并在目標鏈上鑄造資產；第三種方式是原子交換，該方式會將原鏈上的資產直接兌換為目標鏈上的資產，且無需信任，因此其不需要前兩種方式中的可信第三方；第四種方式為流動性置換，該方式會在不同的鏈上建立流動性資金池，用戶可以在資金池中直接兌換另一條鏈上的原生資產，另外流動性提供者也可以通過提供代幣作為流動性資金。典型的資產交換協議有Plasma、Rollup等，下面將進行詳細介紹。

3.1.1 Plasma

Plasma包含一系列運行在區塊鏈上的智能合約，通過與側鏈間接交互實現跨鏈。它可以創建子鏈的無限分支，這些子鏈是以太坊主鏈的的較小副本，具有自己的共識機制。計算所需的帶寬和交易數據在側鏈進行，僅定期發布交易結果到主鏈。每個子鏈都依賴于“欺詐證明系統”的安全性，任何人都可以質疑其有效性。

Plasma實際上不是單指一個項目本身，而是一種框架。其有多種實現方式，本文以Plasma MVP，一種基于UTXO模型的側鏈為例進行介紹。Plasma MVP的側鏈采用POA共識算法，即參與共識的只有一個管理者（Operator）。在業務類型上該項目只支持轉賬，共有兩種種場景，分別為：存款（Deposit）、取款/退出（Withdrawal/Exit），下面將分別進行介紹：

1.存款（Deposit）：

1）用戶發起一個Deposit調用交易向主鏈Plasma智能合約上發送一定數額

的以太幣或ERC20代幣，交易成功執行后產生一個DepositCreated事件；

聲音 | Dan Held：比特幣獲得主流認可將導致更全面監管:Kraken業務開發總監Dan Held在采訪中表示，比特幣獲得了更多主流認可，隨著用戶基數的不斷增長，監管機構也將考慮到加密貨幣的普及程度。在這種情況下，更多的采用會導致更全面的監管和合規基礎設施，從而消除阻礙和不確定性。（AMBCrypto）[2020/2/27]

2）Operator監測到該事件，生成一個僅包含一筆交易的區塊。該筆交易是

由合約調用deposit()函數為用戶創建側鏈資產Creat(DepositCreated,amount)；

3）側鏈上創建的交易包含兩個輸入UTXO和兩個輸出UTXO，在存款（充

值）時，只有輸出的第一個UTXO不為0，其他值都為0，具體如下：

4）Operator將該區塊的默爾克樹根發送到主鏈合約中，合約會產生

BlockSubmitted事件；

5）用戶監聽到該事件，驗證其有效性，存款成功。

2.取款/退出（Withdrawal/Exit）：

1）用戶向主鏈的Plasma 合約發起Exit交易，其中包含一些必要參數用于明確待提現的UTXO位置和合法性：要取款的UTXO所在區塊號（h）、區塊內交易所在編號（Tindex）、交易中UTXO編號（Uindex）等標識目標UTXO位置的參數，以及該UTXO涉及到的一系列交易確認簽名等信息。此外，同時還要提供一筆保證金EXIT_BOND；

2）該交易會被放入一個優先隊列中，優先級按照如下公式進行計算：

根據該公式計算優先級決定取款順序的原因是保證在出現惡意交易時，之前的UTXO都可以安全退出，即舊的UTXO總是先于新的UTXO被取出；

3）Exit交易需要等待一段挑戰期才會生效，最快7天、最慢14天。

在Exit交易中，如果有其他用戶發現申請人存在惡意行為，就會發起一個爭議challengeExit。該爭議需要提供有效的UTXO爭議對象的默克爾證明。如果該爭議被驗證成功，則被爭議對象的交易將會從隊列中刪除，同時將保證金獎勵給發起爭議的用戶。

由于Operator負責將區塊打包給主鏈，所以其可以監控到側鏈上的所有交易，而一旦其存在某些惡意行為將會導致嚴重的后果，如雙花攻擊等。

針對這一點，Plasma在取款/退出期間也進行了很多設計避免了這些情況。首先是上文中提到的優先級隊列，其主要目的是保證存在惡意交易時，能夠保證用戶的資金安全。該優先級按照上述計算公式，首先由區塊的次序決定，其次是單個塊中的交易次序，最后是交易中的余額，同時上述三個值就可以唯一的確定一個UTXO的位置。因此上述優先級計算公式可以確保舊的交易優先級高于新的交易，這意味著如果一筆不正確的交易（如：雙花攻擊）被加入到區塊時，那么所有錯誤交易之前的交易都會先執行，最后再執行錯誤交易，這會使得雙花攻擊失敗。

動態 | 北京銀行將運用區塊鏈等金融科技實現全面數字化轉型:據中國經營報報道，北京銀行零售業務部相關負責人近日透露，未來幾年該行將繼續深化零售轉型，圍繞三大金融特色品牌，運用智能投顧和區塊鏈等金融科技，實現全面數字化轉型。[2018/7/21]

但是存在Operator可以故意將錯誤交易打包到用戶交易之前的可能，針對這種情況，Plasma的交易中其實存在兩個簽名。第一個是當用戶發起交易時，會對交易本身進行簽名，接著發送給Operator打包。第二個是當交易被加入到區塊中時，用戶會再進行一次簽名，其被稱為“確認簽名”。如果用戶正確遵循該規則，那么在該筆交易被Operator打包前，用戶絕不會發出確認簽名，即Operator無法將非法交易寫在用戶的交易之前。

Plasma存在的問題：

1）每個用戶都必須監控和驗證整個Plasma MVP鏈上的所有交易，防范惡意交易并及時退出。但是驗證成本高昂，且增大了鏈上開銷；

2）數據可用性問題：側鏈的Operator如果僅發布區塊頭，而拒絕發布鏈下的交易數據，這將使得主鏈無法驗證側鏈的正確性。

3）用戶取款/退出操作耗時很長，必須等待挑戰期結束。

3.1.2Rollup

Rollup與Plasma類似都通過側鏈實現對數據的交易和執行，二者不同之處在于，Plasma將數據和計算都放到鏈下進行，但是該方式存在鏈下數據的可用性問題。針對該問題，Rollup僅將計算（和狀態存儲）移到鏈下，但將每個交易的部分數據保存在鏈上。具體地說，該方案會將數百個鏈下交易匯總為一個批次，并在側鏈上按批次執行交易，最終完成的交易“打包”后再按批次發布到主鏈上，以此提升主鏈的交易速度。這種將數據存放在鏈上的方式，允許任何人在本地進行Rollup中的所有操作，從而實現欺詐驗證、發起提款、甚至自己打包交易等功能。

Rollup主鏈上存在一個智能合約維護一個狀態樹的根節點，該節點數據包括：賬戶余額、合約代碼等，但該狀態樹本身并不存儲在合約內部，該樹由側鏈每隔一段時間通過數據的交易和執行結果產生，具體如下圖所示：

交易的批次由一個高度壓縮的交易集合，以及之前的狀態根和新的狀態根（執行該批次交易之后生成的新的狀態根）組成。合約將檢查批次中前一個狀態根是否與當前的狀態根匹配，如果匹配，將切換到新的狀態根，具體如下：

Rollup針對誰可以提交批次這一問題，有以下幾種方案：

1）任何人都可以提交，該方式是最簡單的一種方式。但是，由于存在多個參與者，如果批次交易并行發布，會導致生成證明或批次交易發布到鏈上的這個過程產生過多的花銷。

逾3千萬美元加密貨幣被盜 Bithumb全面停止充值提幣業務:Bithumb公告稱：因安全問題日益嚴重，臨時全面停止平臺的充值和提幣業務。已經證實，從深夜至凌晨有約350億韓元的加密貨幣被盜。Bithumb稱將對被盜數字貨幣負責，所有資產正在轉入冷錢包。[2018/6/20]

2）中心化定序器（Centralized sequencer）：目前最常用的一種方式，由一個中心化的單一定序器提交交易批次。

3）定序器拍賣（Sequencer auction）：通過拍賣的方式，使得出價最高的實體有權成為定序器。

4）PoS投票：任何人都可以將指定代幣存入Rollup合約，接著可以從每批交易中的存款者中隨機選取一位作為定序器，選取的概率與存入的代幣數量成正比，該方式的缺點是會導致大量不必要的資金被鎖定。

5）DPoS投票：拍賣中選取的定序器，如果存在離線或打包惡意交易等不良操作，代幣持有者可以通過投票將其踢出并舉行新的拍賣重新選取定序器。

Rollup中的一個重要問題是如何確定批次中的后狀態根的正確性，因為如果提交偽造的后狀態根而無需付出任何代價，那么攻擊者可以偽造該數據使得自己獲取到所有代幣。針對該問題，Rollup目前有兩種典型的解決方案ZK-rollups和Optimistic-rollups。

Optimistic-rollups使用欺詐證明，即Rollup合約跟蹤狀態根的整個歷史記錄和每個批次的交易Hash值。如果有人發現某個批次的狀態后根不正確，可以將其生成欺詐證明發布到合約中，如果合約驗證通過，將恢復該批次和之后的所有批次。典型的項目有Arbitrum、Optimism；ZK-rollups則使用有效性證明，每個批次都包含一個ZK-SNARK的加密證明，其可證明后狀態根是執行正確的結果。

3.2信息交互

3.2.1 Polkadot

Polkadot是一種支持多鏈的異構多鏈跨鏈平臺，使得多個區塊鏈之間可以實現去信任地交互，其架構中有三種類型的鏈：

第一種是中繼鏈（Relay chain），該鏈位于Polkadot的核心，主要用于轉發各平行鏈上產生的跨鏈交易，記錄各平行鏈的交易狀態，并傳遞交易的驗證和執行結果，采取拜占庭容錯算法（BFT,byzantine fault tolerance）為整個系統提供統一的共識和安全保障。該鏈本身不包含任何交易，只負責最頂層的跨鏈交易路由，DApp均在平行鏈上進行開發和部署。

第二種是平行鏈（Parachain），其只負責具體的業務場景中的DApp應用開發和部署，各自并行存在，開發者可以依據特定應用場景下的問題，選擇平行鏈底層的區塊鏈系統。其鏈本身不具備區塊共識，其安全性通過Polkadot的共享安全性模型由中繼鏈的驗證者提供。

第三種是橋接鏈，專門針對異構鏈開發設計的一個跨鏈結構，如當以太坊需要與Polkadot中繼鏈進行交互時，以太坊數據需要首先經過以太坊底層系統中的橋接鏈對跨鏈信息進行規范化處理，才能轉換為Polkadot網絡交互需要的形式。該鏈具有自身的共識算法，通過不同的Bridge與Polkadot連接在一起進行交互。

其核心是通過提供一個中繼鏈，鏈上以區塊鏈的數據形式存儲所有連接到中繼鏈上的所有其他鏈信息，這些信息來自連接在中繼鏈上的各個獨立運行的平行鏈。網絡中存在四種類型的參與者，包括驗證人（Validator）、收集人（Collator）、釣魚人（Fisherman）、提名人（Nominator）。下面將對其進行具體介紹：驗證人：擁有最高權限，主要負責Polkado網絡的出塊，通過運行一個中繼鏈的客戶端，在整個網絡的每一輪區塊產生過程中，驗證各個被提名的平行鏈出的區塊。當各個平行鏈的區塊都被其驗證人確定之后，驗證人會將所有平行鏈區塊頭組裝到中繼鏈區塊并進行共識出塊；

收集人：幫助驗證人在各個平行鏈收集必要的交易信息，打包并執行相關交易，然后將執行交易的結果附上一個零知識證明，提交給該平行鏈的驗證人；

釣魚人：不直接參與區塊打包的過程，釣魚人可以通過檢舉一個有質押的參與方存在的非法行為，并提供帶簽名的有效證明去獲取獎勵收益。其中非法行為包括驗證人對兩個有相同 父區塊的不同區塊進行簽名，或在平行鏈上驗證通過一個無效區塊等；

提名人：是一個擁有權益的群體，驗證人由提名人選舉產生。提名人選擇驗證人之后，可以通過將自身的權益質押給驗證人，從而使驗證人代表其維護整個Polkadot網絡，這種方式使得提名人和驗證人可以收到相同比例的獎勵和懲罰。

每個平行鏈有兩個消息隊列，一個是輸出隊列engress，一個是輸入隊列ingress。Polkadot中的平行鏈A和平行鏈B之間的跨鏈交易過程如下：

1）A鏈將跨鏈交易存放到自己的輸出隊列engress中；

2）A鏈的Collator收集A鏈的普通交易和跨鏈交易并提交給A鏈的Validator集合；

3）A鏈的Validator集合驗證成功后，將本次區塊頭信息和engress內信息提交到中繼鏈上；

4）中繼鏈利用共識算法確認區塊以及跨鏈交易路由后，中繼鏈上的Validator會將A鏈的相應交易從A鏈的engress隊列提交到鏈B上的ingress隊列；

5）B鏈執行區塊和ingress隊列中的交易并修改自身賬本。

由于所有平行鏈的共識同步發生，所以跨鏈交易沒有雙花等安全性問題。

3.2.2 Cosmos

Cosmos與Polkadot類似，都是通過一個中繼鏈對跨鏈消息進行中轉，從而創建一個異構跨鏈平臺，但二者也存在一些不同之處。首先在Cosmos網絡中存在兩種角色包括：Hub、Zone，其中Hub為用于處理跨鏈交互的中繼鏈，Zone為Cosmos中的平行鏈。Cosmos生態中有不同的Hub作為中心樞紐，每個中心樞紐又可以和自己的分區Zone連接，同時不同的Hub之間也可以互相連接。具體的網絡架構如下：

為了支持平行鏈之間的跨鏈操作，Cosmos提出了一種跨鏈交互協議IBC（inter-blockchain communication protocol），并利用tendermint共識算法的即時確定性實現多個異構鏈之間的價值和數據傳輸。因此，Cosmos中平行鏈需要滿足如下兩個前提條件：

1）快速確定性（fast finality）：由共識算法保證，即Cosmos的跨鏈不支持PoW等概率確定模型的區塊鏈；

2）強監管性（sovereignty）：每個平行鏈都具備一組驗證人能夠決定其出塊。同時如果要連接概率鏈（如：以太坊），則需要額外的結構支持。

Cosmos網絡體系外的其他異構鏈需要通過一個Bridge-Zone轉接層才能接入Hub，該轉接層用于中轉異構鏈中的跨鏈交易，并對跨鏈交易信息中的數據結構進行規范化處理，具體包括：對原鏈交易的確認、在Cosmos網絡中生產或銷毀相應代幣等。

下面以以太坊用戶向Cosmos網絡轉移資產為例，介紹Cosmos Bridge的跨鏈通信流程：首先需要在以太坊上部署一個Bridge合約，該合約負責跨鏈交易的處理，包含具體的交互規則。如果用戶需要向Cosmos網絡轉賬時，需要先將ETH發送到Bridge合約中鎖定，但是跨鏈交易如果失敗，系統可以回退到交易前的狀態。或者當Bridge合約監測到Cosmos有跨鏈交易將資產轉移到以太坊，那么合約將自動解鎖對應資產。Bridge合約會跟蹤Zone驗證節點的狀態，并且其可以和Hub共享一組驗證者節點。當Zone的驗證者節點接收到跨鏈交易時，會首先會通過SPV驗證用戶是否給Bridge合約發送了ETH，驗證通過將在Bridge-Zone生成對應的Cosmos-ETH。同理，將Cosmos-ETH轉移到以太坊的過程也類似，不過該過程將銷毀Cosmos-ETH，同時解鎖Bridge合約中對應的ETH并轉移到某賬戶地址中。

Cosmos中各個網絡中樞Hub和Hub所在的分區Zone之間的消息傳遞都使用IBC協議，當新Zone產生時，在線治理社區的投票會決定新Zone是否可以連接到Hub上，所以Cosmos也支持區塊鏈的擴展。不同Zone之間的跨鏈消息傳遞如下圖所示：

具體為：首先Zone1向Hub發出一筆BlockCommit交易，包含區塊的頭部信息和所有驗證人的公鑰；接著如果Zone1試圖發起一筆向Zone3的代幣轉移交易，Zone1首先驗證該交易的合法性，如果有效則將該交易發送到自己的輸出隊列中，等待發送給Hub，交易信息包括：交易的發起者Zone、該筆交易在發起Zone中確認的高度和目標Zone；接下來，Zone1中的中繼程序根據消息隊列中的交易生成默克爾證明并作為Packet中的有效載荷發送到Hub；Hub中的驗證者通過SPV驗證對該證明進行核驗，核驗通過則發送消息給Zone3，Hub給Zone3發送消息的過程同上；Zone3接收到Hub發送的跨鏈交易后，首先驗證對該筆交易是否由Zone1發起的真實有效交易，并給Hub發送確認消息表明可以接收來自Zone1的資產；最后Hub給Zone3發送消息，將資產發送給Zone3，完成了一筆完整的跨鏈交易。

綜上，本文主要介紹了三種常見的跨鏈互操作性技術，包括公證人機制、哈希鎖定、側鏈/中繼。下一篇文章將介紹基于以上三種跨鏈技術實現的跨鏈橋項目。

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