【前言】
自从ETH掀起了一轮1C0的高潮后,各种项目宣称自己是第三代区块链技术,就连笔者一直钟爱的NAS也是如此自诩(PS明天NAS就要上主网咯,token要换成coin啦)。随着看得白皮书越来越多,笔者逐渐对自诩第三代区块链技术的项目产生了反感(雷声大雨点小,广告乱喊套路),甚至当时看到号称第四代区块链技术的Seeler元一时,直接pass掉了其白皮书的阅读。
反观公认的第一代区块链技术BTC属于开创了分布式账本的先河,第二代ETH属于从将分布式账本的维度扩展到了智能合约等更广阔的运用维度上,从技术上两者均采用的是区块链技术,阶跃的是功能和应用模式的扩展。
从这个理解上去推广,笔者以为分布式账本技术上应该关注两个技术(尤其后者的爆发力会更强):
1.区块链:有块有链,更要命的是去中心化、可扩展性和安全性的限制铁三角。
2.DAG:有向无环,现有的明星项目有IOTA和Bytebal,但是学术上路走得更远,近期热门的Swirlds Hashgraph不断刷新DAG的新高度。
而在功能和应用维度上的第三代区块链技术,笔者以为很大可能将非跨链技术莫属:
1.随着众多token项目(参见区块链基础概念 - 理解COIN和TOKEN)的灰飞烟灭,项目团队开始回归coin项目的开发,这样产生了无数各自为政的公链,大一统的需求就会越来越强烈;
2.随着各国政府对区块链技术的认可以及企业联盟链和私有链的开发,跨链融合将产生新生态的阶跃;
3.不知道大家有没有发现在笔者《中心化交易所和去中心化交易所交易流程对比》一文中,基本上介绍的去中心化交易所都是ERC20生态的,本文将用跨链技术来弥补多币种去中心化交易所的模式。
【区块链项目类型】
在开始探讨跨链之前,笔者想第二次讨论一下公有链-联盟链-私有链之间的关系。
图中虚线想说明的是相邻类型链之间并没有绝对的界限,是因人对验证节点接受度不同而不同的,而且所有的项目随着应用的不断扩展,都具有向左移动的特性,即:随着项目落地和生态的建设的推进,项目分布式程度逐渐增加,最终达到平衡!所以笔者当时在区块链去中心化的生命之源——共识机制一文中最想给出的是下图:
笔者认为以后的生态将集中在联盟链式的企业级应用,公有链、私有链也并存,但是大家都不会太去纠结之间的具体定义,价值甚至数据可以通过跨链实现转移。
【央行法定数字货币CBDC】
该信息来自于同济大学校友会区块链分会,由中国人民银行数字货币研究所专家委员会区块链技术委员、中国电子学会区块链专委会副主任委员、工信部电标院区块链标准专家评审组组长、苏州同济金融科技研究院院长马小峰教授分享。
虽然央行法定数字货币CBDC从本质上讲肯定是一个中心化的货币,笔者将之理解成私有链,甚至很长一段时间都不会认可BTC等区块链货币,但是构建的技术会采用区块链技术,所谓本是同根生。所以它也具有如下特征:
1.可存储;
2.可控匿名;
3.可编程;
4.可追踪;
5.可在线或离线处理;
6.不可抵赖;
7.不可重复交易;
8.不可伪造;
9.可流通;
笔者脑中是有一副如此的画面:
央行数字货币一旦上线时,其他国家也会有自己的货币,这样很大可能是处于百链齐放的状态,而且都是基于区块链技术,货币要想互相流通起来跨链技术就成硬需求了!现在的公链就像各自玩着单机版游戏,要产生聚变,不升级成“连通的”大型网游是完全不现实的。
【跨链技术】
早在2016年9月份,以太坊创始人Vitalik Buterin 为银行联盟链R3写了关于跨链互操作的报告(干货技术文下载),文中提到三种跨链方式:
1.公证人机制(Notary schemes):中心化或多重签名的见证人模式,见证人是链A的合法用户,负责监听链B的事件和状态,进而操作链A。本质特点是完全不用关注所跨链的结构和共识特性等。假设A和B是不能进行互相信任的,那就引入A和B都能够共同信任的第三方充当公证人作为中介。这样的话,A和B就间接可以互相信任。具有代表性的方案是Interledger,它本身不是一个账本,不寻求任何的共识。相反它提供了一个顶层加密托管系统称之为“连接者”,在这个中介机构的帮助下,让资金在各账本间流动。
2.侧链/中继(Sidechains / Relays):区块链系统本身可以读取链B的事件和状态,即支持SPV(Simple Payment Verificaiton),能够验证块上Header、merkle tree的信息。本质特点是必须关注所跨链的结构和共识特性等。一般来说,主链不知道侧链的存在,而侧链必须要知道主链的存在;双链也不知道中继的存在,而中继必须要知道两条链。
3.哈希锁定(Hash-locking):在链AB间设定相互操作的触发器,通常是个待披露明文的随机数的hash值。本质特点是HTLC(Hashed TimeLock Contract),是通过锁定一段时间猜hash原值(preimage)来兑换支付(redeem)的机制。哈希锁定起源于比特币闪电网络,闪电网络本身是一种小额的快速支付的手段,后来它的关键技术哈希时间锁合约被应用到跨链技术上来。虽然哈希锁定实现了跨链资产的交换,但是没有实现跨链资产的转移,更不能实现这种跨链合约,所以它的应用场景是相对比较受限的。
随着大家对三种技术认识的不断深入,其实当前很多跨链项目已经采用的是混合模式,相互取长补短,如Interledger如今也是使用HTLC来执行交易的(参见https://interledger.org/about.html),后文介绍的Polkadot,Cosmos也都是混合模式,这让人非常容易混淆三种技术,所以很多文章在讲解区别的时,往往采取将公证人机制理解成中心化机制,避谈其多重签名见证人的模式,这显然是不太合理的。本质是是否支持SPV,对简单跨链交易所来说的确意义不大,但是如果要实现跨链智能合约的应用场景,意义会大很多。
市面上,做跨链的技术很多,凡是支持跨链的项目,它最起码会是一个去中心化的跨币交易所,这是最基础的跨链模式。不论跨链实现方式如何复杂,跨链的本质都是如下图所示:
如图所示,基础的跨链实现满足一下五个步骤:
1.用户使用A链币向跨链协议发起兑换B链币的请求;
2.跨链协议锁定用户A链币;
3.跨链协议锁定等额数量的B链币;
4.将B链币发到用户B链钱包地址,同时拿走用户锁定的A链币;
5.用户A链钱包币转走,对应获得B链钱包等额币。
这五个步骤说起来非常简单,但是真正去中介化自动运作起来就得需要Vitalik说的三种方案来实现,而且现实世界对跨链的应用需求远不止跨链的币币兑换(前两条),它需要实现:
1.便携式资产(Portable assets):资产可以多链之间来回转移和使用。
2.满足原子性交换(atomic swap):跨链资产兑换是安全的而且同步发生的。(不同链上的两位用户可以发起两笔传输交易,要么在两个账本上一起执行,要么两个账本都不执行,即原子性)
3.带有跨链互通性,具备他链信息和事件的读取和验证能力(Cross-chain oracle issues):在某些情况下,一个链(如A链)的智能合约执行机制可能是依赖另一个链(B链)的条件触发,所以A链要能获得B链的所有相关条件状态,即c具备他链信息和事件的读取和验证能力。
4.资产留置权(Asset encumbrance):在某些情况下,相关联的两个链资产同时需要被锁定,如抵押品或者法院强制执行的扣押等。
5.跨链执行合约(General cross-chain contracts):例如根据链A的股权证明在链B上分发股息等。
即除了资产安全跨链兑换,还有智能合约、数据的跨链互通,实现的过程仍同前所述的五个步骤。但是难度却非常大,要求:
1.每个节点要有单独验证的能力;
2.要有去中心化的输入;
3.他链信息和事件的读取和验证很难(oracle issues)。
【对应跨链项目】
一、公证人机制(Notary schemes)—— 中心化交易所;Ripple; BTS, Cybex
1.中心化交易所其实也属于公证人机制,只不过是完全中心化的方式。更多原理可以参见《中心化交易所和去中心化交易所交易流程对比》一文。
2.Ripple的Interledger Protocol (ILP)是最典型的代表,它本身不是一个账本,不寻求任何的共识,但它提供了一个第三方顶层加密托管系统称之为“连接器”,能使不同的记账系统通过“连接器”互相自由地传输货币。
记账系统无需信任“连接器”,因为该协议采用密码算法用连接器为这两个记账系统创建资金托管,当所有参与方对交易达成共识时,便可相互交易。该协议移除了交易参与者所需的信任,连接器不会丢失或窃取资金,这意味着,这种交易无需得到法律合同的保护和过多的审核,大大降低了门槛。同时,只有参与其中的记账系统才可以跟踪交易,交易的详情可隐藏起来,“验证器”是通过加密算法来运行,因此不会直接看到交易的详情。理论上,该协议可以兼容任何在线记账系统,而银行现有的记账系统只需小小的改变就能使用该协议。从而使银行之间可以无需中央对手方或代理银行就可直接交易。
3.相对Ripple来说,BTS和Cybex的分布式程度会更高,采用的是多重签名的验证方式,正如前面介绍的,这种方式相对简单,容易搭建跨链的分布式交易所:
下图即为Cybex的具体原理:
二、侧链/中继(Sidechains / Relays)—— RSK,BTC Relay,Polkadot,Cosmos
1.侧链Sidechains—— RSK (还有Bytom ,Lisk,元素链以及RDN)
侧链是以锚定某种原链上的代币为基础的新型区块链,如法币对黄金的锚定一样。该技术一般是为了解决主链扩展性问题而想出来的扩容技术,它为了不让更多第三方参与双向锚定,每个区块链可以通过协议来实现强制执行的共识。一个区块链系统性能能够理解其它区块链的共识系统,能够实现在获得其它区块链系统提供的锁定交易证明之后,自动释放比特币。可以用下图来描述:
最典型的侧链项目RootStock(根链RSK), 是一个建立在比特币区块链上的智能合约分布式平台。它的目标是,将复杂的智能合约实施为一个侧链,为核心比特币网络增加价值和功能。RSK实现了以太坊虚拟机的一个改进版本,它将作为比特币的一个侧链,使用了一种可转换为比特币的代币作为智能合约的“燃料”。它基于必须与比特币联合挖矿的设计思想,发现如果几乎全体的比特币矿工都加入到联合挖矿中,当监管者是比特币矿工时,参与各方可以被激发出最高的诚实性,但只有当几乎所有矿工都参与其中。在联合挖矿的情况下,侧链都完全依靠比特币矿工的诚实,两者的安全性是相同的。所以,RSK选择了一种混合型设计方案,可以被称为驱动链+侧链模式:
2.中继(Relays)—— BTC Relay
很多文章都如此评价:由ConsenSys团队推出BTC Relay被认为区块链上的第一个侧链。虽然Vitalik Buterin并不认为需要严格区分侧链(Sidechains )和中继(Relays),但从功能上讲,BTC Relay是把以太坊网络与比特币网络通过使用以太坊的智能合约连接起来,可以使用户在以太坊上验证比特币交易。所以笔者更喜欢将之定义为中继(Relays)。
BTC Relay是在以太坊基金会之下诞生并成长起来的,BTC Relay其主要原理是BTC Relay把以太坊网络与比特币网络以一种安全去中心化的方式连接起来。BTC Relay通过使用以太坊的智能合约功能可以允许用户在以太坊区块链上验证比特币交易。侧链机制不仅允许用户将交易发送到其他的地址或账户,还可以发送到其他的区块链。BTC Relay使用区块头创建一种小型版本的比特币区块链,以太坊DApp开发者可以从智能合约向BTC Relay进行API调用来验证比特币网络活动。
其使用场景如下:
1.Alice和Bob同意使用BTCSwap合约来进行交易,Alice要买Bob的eth,Bob把他的 eth发送到BTCSwap合约
2.Alice向Bob发送bitcoin,她希望BTCSwap这个合约能知道这件事以便BTCSwap合约可以释放Bob之前的eth
3.Alice通过bitcoin的交易信息以及BTCSwap合约地址来调用btcrelay.relayTx(),btcrelay验证这笔交易通过后就触发BTCSwap合约里面的processTransaction方法
4.BTCSwap合约在被触发后确认这个btcrelay地址是一个合法地址,然后释放之前Bob的eth,交易完成。
3.中继(Relays)—— Polkadot
Polkadot技术是由以太坊核心开发Ethcore(Parity公司)公有链,黄皮书是以太坊的联合创始人Gavin Wood所写,所以它目前还是以以太坊为主,实现其与私链的互连,并以其他公有链网络为升级目标,最终让以太坊直接与任何链进行通讯。它旨在解决当今两大阻止区块链技术传播和接受的难题:即时拓展性和延伸性。Polkadot计划将私有链/联盟链融入到公有链的共识网络中,同时又能保有私有链/联盟链的原有的数据隐私和许可使用的特性。它可以将多个区块链互相连接。
Polkadot基于Notary、侧链和中继技术,采用多链融合的设计模式parachains+relay-chain,兼具拜占庭和POS的共识协议来建立自己的技术路线。它将所有其它区块链都视为平行链,Polkadot为通过中继链(relay-chain)技术能够将原有链上的代币转入类似多重签名控制的原链地址中,对其进行暂时锁定,在中继链上的交易结果将由这些签名人投票决定其是否生效。它还引入了钓鱼人角色对交易进行举报监督。通过Polkadot可以将比特币、以太币等都链接到Polkadot上,从而实现跨链通信。
Polkadot的论文开头提到,目前区块链系统无法伸缩的原因是:把共识系统中的一致性和有效性绑定的太死了,Polkadot是个异构的多链框架,可以从根本上解决这个问题。有效性的概念是比如我有10个比特币,我转给A5个是有效的,或者我转给B10个也可以是有效的,我转给C20个就是无效的。但一致性的概念就是我只能转给A或B其中某一个人,即使我发出了两笔有效的交易,最终网络会共识出一条最长链来达成一致,另一个交易会被丢弃。更加概括性地讲就是有效性负责运算,一致性负责投票,一个是强CPU依赖的,一个是强出块权依赖的。运算只要有CPU就行,POW投票需要买矿机,POS投票需要买权益。那么Polkadot如何分离这两者呢,它是一条中继链连接多条平行链的系统,中继链负责一致性,平行链负责有效性。这个平行链不一定是条链,也可以是其他类型的系统,由收集人管理。中继链是Polkadot的主权益代币链。某条中继链还可以是另一条中继链的平行链,这样就可以形成多级嵌套关系,达到真正的可伸缩性。比如1条中继链管10条平行链,那么10套这样的中继链再配一条上层中继链,就可以连接100条平行链。
中继链采用POS共识算法,将主要借鉴Honeybadger,还有Tendermint。假设中继链有144个验证人,会每隔一个块或更长一点时间,随机将验证人分组,然后分配给各个平行链。每组验证人负责这条平行链的数据验证,然后再整体完成中继链区块的共识。大体结构使中继链区块中包含所有平行链区块的块头和类似SPV的树形证明数据,包含跨链交易执行所需的必要数据。然后每条链都有一个入口队列和出口队列,想外发的交易填进出口队列,等待被中继链路由;接收到的其他链的消息会被填入自己的入口队列,然后自己去执行。
关于Polkadot更多解读,大家感兴趣可以前往:http://chainx.org/news/index/index/category/2.html
目前笔者也只是将Polkadot理解成和Cosmos一样。
4.中继(Relays)—— Cosmos
Cosmos是tendermint团队推出的一个支持跨链交互的异构网络。Cosmos采用的Tendermint共识算法,是一个类似实用拜占庭容错共识引擎,具有高性能、一致性等特点,而且在其严格的分叉责任制保证下,能够防止怀有恶意的参与者做出不当操作。
协议中的参与者叫着 “验证人”(validator)。他们轮流对交易区块进行提议,并对这些区块进行投票。区块会被提交到链上,每一个块占据一个“高度”(height)。提交块可能会失败,如果失败,协议就会开始下一轮的提交,并且一个新的验证人会继续提交那个高度的区块。要想成功提交一个块,需要有两个阶段的投票:“预投票”(pre-vote)和“预提交”(pre-commit)。在同一轮提交中,只有超过 2/3 的验证人对同一个块进行了预提交,这个块才能被提交到链上。
上图右下角有一对夫妇在跳波卡舞,因为验证人做的事情就像是在跳波卡舞。当超过 2/3 的验证人对同一个块进行了预投票,我们就把它叫做一个“波卡”(polka)。每一个预提交都必须被同一轮中的一个波卡所证明。
Tendermint架构设计上还有一个很重要的特点就是它把共识引擎和底下的P2P网络层,打包在一起组成了这个软件叫Tendermint Core,这就是Tendermint这个产品的核心的功能。Tendermint把这些底层最常用的和共识有关的功能提炼出来做成一个很精炼的一个产品,剩下的应用层的逻辑就是由应用开发者来实现。也就是说区块链的开发分成了两部分:一部分是底层常用共识引擎和网络层(这个由Tendermint团队来实现)。另外一个是区块链所要完成的应用逻辑,由区块链开发团队来实现。
在这个基础上,Cosmos团队设计了Cosmos SDK这个核心产品,它是基于Go语言来实现一个简单的区块链。当我们希望实现一个基于PoS的一个区块链时需要实现的常见功能:像多代币账户体系、还有就是大家把自己的代币委托给见证人节点,负责共识和出块,还有链上的一些治理。这些常见的一些功能都已经在SDK里实现了。Cosmos SDK是一个可以快速的开发区块链的一个架构体系。
Cosmos又引入了Cosmos Hub的模块,它是Cosmos的枢纽,其他区块链都会通过互联链的通信协议(IBC)跟Cosmos Hub进行连接。比方说像比特币,还有门罗币、以太坊,另外一些去中心化的交易所的一些链,理论上都是可以连到这个Hub上。
Cosmos认为将来我们的世界不可能是有一两个区块链所主导的,会有比较多的区块链,每一个链都完成它自己特有的功能。我们会将来生活在一个多链多币的世界里。Cosmos想做的事情就是实现代币转移这样一个基础的功能,以后再加一些扩展的功能,从而组成一个代币经济高度集成的这样一个统一的生态系统。
而IBC跨链通讯协议定义了最主要的两个交易类型的数据包。一个就是IBCBlockCommitTx。它做的事情实际上就是把发起的这条链的当前最新的区块的头部信息传到目标区块链。这样的目标区块链就获得了当前最新的这个链里面Merkle Root。另外一个包的类型就是IBCPacketTx。这个就是传递了跨链转代币的交易信息,这个交易信息实际上是在消息体里面实际包含的payload信息。这个消息在原链上的一个Merkle Proof 。
最终实现下图所示的跨链交易:
对应到Cosmos具体执行上,以张三BTC买入李四ETH为例,张三买入方向上比特币的转账路径为,从BTC的POW链到BTC的分区链,再到Hub链,再到Dex链。李四以太坊的卖出方向也是从ETH的POW链到ETH的分区链,再到Hub链,再到Dex链,到了DEX的链后再进行原子撮合,完成CBTC和CETH的兑换。(为了区分cosmos的内部流程,对应Coin加了C来区别实际币,下同),见下图:
张三买的ETH的转出方向上CETH币的转账路径为,从Dex的分区链到Hub的中心链,再到ETH转接桥分区链,再到ETH的POW链,张三完成BTC买入ETH。李四获得的比特币的方向上也是一致的,不过以太坊上用的是合约,比特币上用的是多签地址。见下图:
关于Cosmos更多解读,大家感兴趣可以前往Cosmos官方公众号,干货很多:前沿跨链技术Cosmos简介
最后,顺便奶个cosmos的同生项目Irisnet ,一个跨链服务基础协议 。它可以把基于云的服务,基于传统企业系统的一些功能,还有其他公有链或者联盟链的一些功能,以服务的方式提供到Cosmos世界上,让大家可以跨链调用这个服务。具体感兴趣的童鞋可以自行研究。
三、哈希锁定(Hash-locking)—— Lighting network
正如前文介绍的,哈希锁定起源于闪电网络的HTLC(Hashed TimeLock Contract),如今也使用较为广泛,但应该不会成为主流。它实现的过程如下:
例如使用Hash-locking来实现20ETH和1BTC的原子交换过程:
1.A生成随机数s,并计算h = hash(s),将h发送给B;
2.A生成HTLC,超过时间设置为:2小时,如果2小时内B猜出随机数s,则取走1BTC,否则A取回1BTC;
3.B在以太坊里部署智能合约,如果有谁能在1小时内提供一个随机数s,让其hash值等于h则可以取走智能合约中20ETH;
4.A调用B部署的智能合约提供正确的s,取走20ETH;
5.B得知s,还有1小时时间,B可以从容兑现A的HTLC的1BTC。
一旦超时,交易失败,符合原子性。
四、其他 —— Wanchain,Fusion
Fusion的人员写了一篇《深度解析:区块链跨链技术》的文章,将Wanchain和Fusion归结成第四种跨链技术——分布式私钥控制技术,因为它们的核心本质是均采用分布式私钥生成和控制技术来生成原链的锁定账户,然后将相应资产映射到自己的链上。从技术本质上讲,笔者并不能完全认同这是一种新的技术,而是隶属于公证人机制(Notary schemes),对多方签名账户的一种分布式改进做法,实现“侧链”的功能,但是只是资产映射。当然,将Vitalik Buterin说的三个技术细分一下也许更容易理解:1.中心化公证人机制;2.多重签名公证人机制;3.分布式私钥控制技术;4.侧链技术;5中继技术;6.哈希锁定技术。
所以它们在跨链交易方案中,账户锁定机制不需要采用双向锚定方法,也不需要在原有链上添加识别和验证SPV证明的脚本扩展,所有交易数据都是在验证节点上重构合成后传入原有链节点网络,都是符合其交易类型要求的合法格式,这就将跨链交易的特定操作和计算完全归结于各自链中(Wanchain和Fusion)完成,无需对原有链的各项机制进行任何修改,使得无论已有公有链还是基于其他平台开发的私有链、联盟链都可以低门槛自由接入链中,达到降低跨链交易合作成本,实现各链间资产的自由映射。
Wanchain和Fusion的实现思路大同小异,主要区别在于:
1.Wanchain是Token项目(定义参见区块链基础概念 - 理解COIN和TOKEN一文),它是一个基于以太坊开发的通用账本,可以独立运行应用,保留账户模式和智能合约,可以完整实现以太坊原有的各项功能。在此之上,加入了跨链交易机制,并且实现了智能合约代币交易的隐私保护。而Fusion是一个Coin项目,从一开始就定位为公链。
2.Wanchain对自己的定位是打造一个分布式未来“银行”,让区块链技术和数字资产应用能够更大范围的普及。而Fusion要做的是价值互联网时代的金融,即加密金融。之所以叫加密金融是因为,各种加密金融的资产都是由私钥控制的。这一点其实说是一致的更合理,但是Fusion的定位要求它比Wanchain会构思得更多,FUSION想要做的加密金融合约还必须有多种触发机制才能完成完整的金融功能,所以它还使用了“Calling list”机制将各种触发条件与智能合约分开储备,记账节点只要加载触发条件的列表即可,被触发时才加载智能合约,这使各种交易触发、时间触发和事件触发(包括链外数据触发)可以写到触发列表里。
其他具体细节感兴趣的童鞋就去官网吧,下图是两个项目的架构
最后,再一下Fusion,由上面和Wanchain的对比介绍来看,如果看好Wanchain的童鞋,Fusion的想象空间会更大。除此之外,这是BitSE CEO钱德君团队继Qtum和VeChain之后的第三个项目,虽然VEN基金会也澄清与Fusion没有任何关系,但是低调的操盘手法和VEN还是挺像的,加之团队并未在国内大肆宣传,而是在默默的推进中,同在魔都,笔者得找个时间去更加深入了解一番。
五、特例 —— Metronome
Metronome是一个冠有“不死币”之称的项目,它的不死之处也源自跨链技术,只不过它的跨链是将自己从一个链跨到另一个链上,不管公链的生与死,它自己是永远不会消亡的——寄生者(不死鸟一辉)。这是个非常有意思的构想,创始人也不是一般人,配套的bloq lab也是很有名气的。当然,要是币没有拥护者,再怎么再生也没用。此处不是奶项目,只是作为跨链的一个特例当作一股清风提及一下,也是写着写着突然想起了这个项目。
【总结】
跨链项目目前尚未有很好的落地案例,尚在摸索中,它们基本上都会经历两个阶段:
1.跨链的分布式交易所出现,大面积取代现有ERC20的分布式交易所;
2.分布式智能合约的跨链应用等;
实现难度很大,想象空间更大,笔者拭目以待,掀起区块链的第三次变革。
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