科普 | 走進Cosmos之入門_區塊鏈:COS

作者簡介

江哲

來自數據網格實驗室BitXHub團隊主要負責區塊鏈賬本互操作技術相關研究工作

導讀

跨鏈作為近兩年來區塊鏈技術一個炙手可熱的方向，吸引了許多人的目光。

從技術層面看，Cosmos無疑可以與Polkadot并稱“跨鏈雙雄”，兩者的技術路線并無明顯的優劣之分，只是開發理念各有千秋。

Cosmos最初是由Tendermint團隊構建的開源社區項目，它將自己定義為“一個由多條獨立平行區塊鏈組成的去中心化網絡”，和Polkadot一樣，也由中繼技術實現。

Cosmos到底是如何解決跨鏈過程中遇到的各項問題的，本文通過對其架構和跨鏈交易流程的解讀，帶我們進一步了解Cosmos。

什么是Cosmos

Cosmos作為跨鏈雙雄之一，定位為一個可擴展、易用、互操作的區塊鏈互聯網。

首先介紹Cosmos的三個重要組成部分

Hub：本質上是一條中繼鏈，由官方進行維護，被當作跨鏈消息的信任中心；

Zone：參與到Cosmos網絡中的應用鏈，允許不同類型的區塊鏈加入進來；

IBC：鏈間通信協議。

他們三者的關系我們從上面的簡圖中看到，位于中心的是Hub。

Hub管理著許多被稱為“Zone”的應用鏈，在Ｃosmos網絡中，由Hub來追蹤記錄各個Zone的狀態，而每一個Zone有義務不停地把自身產出的新區塊反向匯報給Hub。

Hub與Zone直接通信，而Zone與Zone之間通過IBC間接通信。

民盟中央建議加速元宇宙科普和立法:3月4日消息，民盟中央已起草了《關于“元宇宙”技術發展的提案》，并將提交全國政協十三屆五次會議。在提案中，民盟中央建議，在科普層面需加速知識傳播，法律層面則需加快立法步伐。民盟中央擬提交的提案指出，目前，在新興網絡層面，相關政策法規相對缺失。“元宇宙”在未來將會帶動形成全新的網絡形態，當遇到突發輿情，全虛擬的環境、場景將更難進行源頭追蹤、問題疏導。因此建議應盡早加快立法研究，盡快形成與技術、市場發展相適應的治理模式和法律基礎，全面提升我國社會治理的水平。建議組織相關部門，針對“元宇宙”相關需求、風險進行立法研究，并盡快發布。此前消息，民進中央擬向全國政協十三屆五次會議提交《關于積極穩妥推進元宇宙技術和產業發展的提案》。建議推進元宇宙技術產業發展，建立相關監管治理體系。（華夏時報）[2022/3/4 13:37:12]

當Zone對Hub建立起一個IBC連接，它可以自動訪問其他連接到該Hub上的Zone，這意味著Zone無需與其他Zone連接，而僅僅連接到Hub上即可。

當一個Zone通過Hub收到來自其他Zone的代幣時，它只需要信任Hub，而不需要信任網絡中所有其它的Zone。

為什么Cosmos不直接利用IBC建立Zone與Zone之間的連接？

事實上，隨著接入到網絡中Zone的數量上升，以直連方式實現通信會導致鏈路數量呈平方級上升，如此快速的增長顯然會令網絡不堪重負。

Cosmos架構

Cosmos作為一個多鏈互操作的跨鏈平臺，支持不同種類應用鏈接入到Cosmos的網絡，如圖所示：

一般來說，應用鏈可以分成兩種類型：概率鏈和確定性鏈。

歐科云鏈集團正式啟動區塊鏈科普行動“星途計劃”:歐科云鏈集團于4月26日，正式宣布啟動了區塊鏈科普行動——“星途計劃”，行動包括將在全國范圍展開系列沙龍，加大力度推進區塊鏈科普進機關、進國企、進校園等，聯合政府部門、行業協會等共同構建起更加完善和有效的區塊鏈科普教育生態，與此同時，直擊區塊鏈科普現存痛點，推出簡單易懂的“秒懂區塊鏈”公益短視頻課。

該計劃旨在全維度推動社會建立對產業更清晰的認知，與“鯤鵬計劃”一道助力數字經濟及區塊鏈產業本身健康發展夯實“人才”和“產業認知”兩大基礎。[2021/4/26 20:59:37]

概率鏈是指只能根據區塊鏈網絡參與者在不同分叉鏈上的比例，而以一定概率認為某條鏈是主鏈。一般來說比特幣通過6個區塊以上來達到確認，而以太坊通過15個區塊以上來達到確認。

確定性鏈指的是每個區塊的狀態都是確定的，在未來的任意時刻你都可以從創始塊開始復現推演每個區塊的狀態。

Cosmos中的Hub理論上可以接入上述兩者，只不過對于概率鏈的支持在實踐中要相對麻煩一些。這是因為從底層設計來講，IBC跨鏈通信協議發揮作用的前提在于區塊鏈的不可逆。?

所以Cosoms試圖通過“PegZone”橋接鏈來實現概率鏈的互操作性。PegZone是追蹤記錄另一條區塊鏈狀態的區塊鏈，它要將自己橋接的某條概率鏈上的狀態確定為不可逆的，使得這些狀態得以與IBC兼容。

其中這里的ABCI是應用層的區塊鏈如何與共識層交互的接口，共識層和網絡層是由CosmosSDK底層實現，只需實現相關的ABCI接口即可自行搭建一條鏈。

ABCI接口和CosmosSDK會在接下來的Cosmos系列中會詳細介紹。

動態 | 人民日報官方微博科普區塊鏈 強調區塊鏈不等于比特幣:人民日報官方微博今早發表9圖科普區塊鏈。其中涉及區塊鏈的特點有：1、安全；2、不可篡改；3、可訪問；4、無第三方。區塊鏈對未來的影響：1、不需繁瑣個人證明；2、看病避免反復檢查；3、旅行消費更加便捷；4、交易無需第三方。同時強調，區塊鏈不等于比特幣。比特幣只是區塊鏈技術的一種應用，區塊鏈還有醫療衛生、食品安全、版權保護等諸多應用領域。[2019/10/28]

交易流程

接下來介紹Cosmos的交易流程，Cosmos的交易分為普通交易和跨鏈交易，普通交易通過應用鏈內的共識上鏈，跨鏈交易通過IBC跨鏈協議進行交易。

▲?普通交易

Cosmos的普通交易和以太坊類似，也是一個帳戶模型，有著From，To和Amount關鍵字段。

普通交易Msg：

typeMsgSendstruct{FromAddressgithub_com_cosmos_cosmos_sdk_types.AccAddressToAddressgithub_com_cosmos_cosmos_sdk_types.AccAddressAmountgithub_com_cosmos_cosmos_sdk_types.Coins}交易流程

接下來介紹一筆普通交易的流程，例如Alice轉給Bob100atom代幣。

1.Tendermint收到該筆交易，調用BaseApp的CheckTx校驗該筆交易的有效性；

2.Tendermint出塊，調用BaseApp的BeginBlock，檢查區塊的高度、Gas消耗情況和節點投票情況；

聲音 | 中科院姚建銓：要加快推進區塊鏈與物聯網融合的科普 培訓:據新華網消息，日前，在區塊鏈與物聯網融合發展峰會上，中國科學院院士姚建銓說，關注區塊鏈技術里面的大數據，跟區塊鏈技術結合起來進行測量和檢測，能更好地提升激光清洗技術。姚建銓建議，無錫今后要加快推進區塊鏈與物聯網融合的科普、培訓，正確引導廣大人民群眾對技術的認知；同時，建立專業、權威，但又普適、成套的理論體系和標準，以此切入區塊鏈的實際應用。[2018/9/18]

3.Tendermint調用BaseApp的DeliverTx，執行區塊中的交易；

4.減少Alice100atom，增加Bob100atom，存儲Alice和Bob的賬本。

5.區塊內交易全部執行完成后，Tendermint調用BaseApp的EndBlock收尾，包含執行完成后的事件和相關的驗證者集合等等；

6.Tendermint調用BaseApp的Commit，IavlStore構建MerkleTree；

7.通過返回的MerkleTreeRoot生成區塊哈希，進行一下輪出塊。

▲?跨鏈交易

交易結構

IBC協議中包含了三個主要的交易類型：

MsgPacket：定義了IBC協議的跨鏈交易數據包，包含跨鏈交易、目的鏈的超時高度和時間戳。

/IBC數據包typeMsgPacketstruct{PacketProofcommitmentexported.ProofProofHeightuint64Signersdk.AccAddress}//數據包定義了一種通過IBC跨不同鏈傳輸數據的類型typePacketstruct{//跨鏈交易數據Databyte//number對應于發送和接收的順序，必須按序發送和接收Sequenceuint64//標識來源鏈上的端口SourcePortstring//標識來源鏈上的通道SourceChannelstring//標識目的鏈上的端口DestinationPortstring//標識目的鏈上的通道DestinationChannelstring//標記數據包超時的區塊高度TimeoutHeightuint64//數據包超時的區塊時間戳TimeoutTimestampuint64}MsgAcknowledgement：定義IBC協議的響應數據包，包含跨鏈交易執行成功或者失敗的狀態。

金色財經獨家分析 監管機構、媒體、業界提示詐騙風險 區塊鏈科普道阻且長:新華社今日發文表示，近來“區塊鏈”類詐騙案件頻發，不法分子以“投資虛擬貨幣周期短、收益高、風險低”為借口，騙取用戶信任并誘使其轉賬進行投資。無獨有偶，同日消息，騰訊手機管家安全專家也提醒此類風險，并從技術上提出防騙建議。在美國，監管機構警示加密貨幣欺詐現象普遍承諾高收益而不披露潛在風險。金色財經獨家分析，不法分子假借新技術之名進行詐騙，一方面是抓住民眾趨利的心理，一方面反映出區塊鏈科普的欠缺。區塊鏈是新興科技和底層技術并有改變社會生產關系的潛力，應該進行系統性的科普教育，當前，部分大學已經開始設置了區塊鏈課程，但對于普通民眾仍然有科普的需求，人們應該了解到系統和正確的知識，不僅要了解區塊鏈的好，也要明確局限和弊端，以在高收益的誘惑下，保持清醒客觀。[2018/4/11]

/IBC響應數據包typeMsgAcknowledgementstruct{PacketAcknowledgementbyteProofcommitmentexported.ProofProofHeightuint64Signersdk.AccAddress}MsgTimeout：定義IBC協議的超時數據包，包含下一個接收包的序列號。

//IBC超時數據包typeMsgTimeoutstruct{PacketNextSequenceRecvuint64Proofcommitmentexported.ProofProofHeightuint64Signersdk.AccAddress}當應用鏈雙方在Hub注冊后，彼此發現就可以通過路由進行跨鏈交易。

IBC跨鏈流程

我們通過一個例子來介紹IBC的跨鏈交易，ChainA和ChainB都是基于CosmosSDK搭建的應用鏈，Relayer作為一個鏈下中繼負責輪詢和路由IBC的數據包，這里的大致流程如下所示：

ChainA->relayer->hub->relayer->ChainB為了更加清晰的描述ChainA的跨鏈交易是如何到達ChainB的，relayer和hub之間只是負責路由，這里簡化了relayer到hub之間的過程。

ChainA的Alice轉給ChainB的Bob100atom

1.ChainA的Tendermint收到該筆交易，調用BaseApp的BeginBlock，檢查區塊的高度、Gas消耗情況和節點投票情況；

2.執行區塊中的交易，減少Alice100atom，增加托管賬戶Escrow100atom，存儲Alice和Escrow的賬本。

3.構建跨鏈交易MsgPackage數據包，根據DestinationChannel和DestinationPort定位Outgoing隊列，將MsgPackage存入該隊列；

4.區塊內交易全部執行完成后，Tendermint調用BaseApp的EndBlock收尾，包含執行完成后的事件等等，?再調用BaseApp的Commit，調用IavlStore持久化等操作；

5.IavlStore通過當前所有的IavlTreeRoot構建MerkleTree；

6.ChainA的Tendermint通過Treeroot生成區塊哈希；

7.ChainA的Tendermint準備進行下一輪出塊；

8.中繼器Relayer輪詢ChainA的Out隊列，發現Outgoing隊列存在MsgPackag；

9.中繼器Relayer解析MsgPackage數據包來源和目的；如果發現ChainB的區塊高度大于超時高度，移除ChainA的MsgPackage，向ChainA的inComming隊列發送MsgTimeout數據包；

10.中繼器Relayer向ChainB的Incomming隊列發送包含MsgPackage數據包，ChainB隨后解析MsgPackage，驗證MsgPackage的有效性；

11.托管賬戶Escrowmint100atom，然后向Bob發送100atom；

12.ChainB構建MsgAcknowledgement數據包，中繼器Relayer輪詢ChainB的Incomming隊列，將其放入ChainB的Outgoing隊列；

13.ChainA收到ChainB的MsgAcknowledgement或者MsgTimeout數據包，如果MsgAcknowledgement包含執行失敗的狀態或者存在MsgTimeout數據包，則根據數據包內的信息進行向托管賬戶贖回對應的金額。

跨鏈難題

▲?Relayer作惡問題

場景描述：Relayer是鏈下的一個傳遞跨鏈消息的組件，任何人可以啟動Relayer來傳遞消息。

方案：所有驗證在鏈上進行，Ｒelayer只做消息傳遞。

效果：可多個Ｒelayer同時工作，跨鏈消息的有效性和有序性的保證和Ｒelayer無關，至少一個不作惡Ｒelayer即可工作

▲?跨鏈存在性證明

我們可以看到，在每個IBC數據包的結構中都包含：

struct{Proofcommitmentexported.ProofProofHeightuint64Signersdk.AccAddress}其中ProofHeight是對應的區塊高度，Proof是MerkleProof，Signer是發送者的地址，跨鏈雙方維護對方的輕節點，提供類似SPV證明的機制。

▲?跨鏈交易事務

IBC跨鏈協議中定義了兩種關于包含狀態的跨鏈交易數據包：

MsgAcknowledgement：定義IBC協議的響應數據包，包含跨鏈交易執行成功或者失敗的狀態。

//MsgAcknowledgementreceivesincomingIBCacknowledgementtypeMsgAcknowledgementstruct{PacketAcknowledgementbyteProofcommitmentexported.ProofProofHeightuint64Signersdk.AccAddress}MsgTimeout：定義IBC協議的超時數據包，包含下一個接收包的序列號。

//MsgTimeoutreceivestimed-outpackettypeMsgTimeoutstruct{PacketNextSequenceRecvuint64Proofcommitmentexported.ProofProofHeightuint64Signersdk.AccAddress}來源鏈通過MsgAcknowledgement數據包，可以判斷跨鏈交易是否執行成功，如果執行失敗來源鏈做出相對的回滾。

來源鏈通過MsgTimeout數據包，可以判斷一個跨鏈交易的數據包是否超時，如果超時來源鏈做出相對的回滾。

結論

總體來說，Cosmos作為與Polkadot齊名的跨鏈雙雄之一，在架構設計和IBC跨鏈協議上有許多值得我們學習借鑒的地方。

接下來的Cosmos系列文中會詳細介紹IBC協議和Tendermint共識詳解，敬請期待！

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