跨链系统构建-basecoin的IBC

basecoin的IBC

一、概述

cosmos网络中最重要的功能实现是InterBlockchainCommunication(IBC)，IBC协议支持不同区块链之间的互操作性。cosmos网络将IBC作为一个basecoin插件实现，我们将使用cosmos来跨区块链发送token。

IBC插件定义了一组交易集合作为AppTx的子类型，要使用这个插件，需要设置AppTx.Name为“IBC“，同时需要设置data域为序列化的IBC交易类型。

二、IBC

IBC的目的是使一个区块链能够作为另一个区块链的轻客户端，由于我们使用的是经典的PBFT算法，因此轻客户端验证成本低且简单：因为需要做的就是检查最新块上的验证者签名并验证merkle证明。

在tendermint中，验证者在处理一个节点之前需要共识，这意味着区块签名和区块状态根不会包含在当前这个区块中，而是下一个区块中，这样每个区块包含一个叫做lastcommit的域，包含了前一个区块的commit，区块头还包含一个叫做apphash的域，是merkle的根hash。所以如果我们想验证高度H的区块的apphash，我们需要区块高度H+1的lastcommit中的签名。

轻客户端协议不需要下载一个区块链所有的区块头，客户端总是维护最新的区块头，只要验证者没有变动。如果验证者有变动，客户端需要跟踪这些变动，需要下载每个区块的头，因为签名有变动。

现在我们可以准确描述出IBC的工作原理，假如我们有两个链chain1和chain2，我们想要从chain1发送一些数据到chain2，大概的工作流程如下：

1. 在chain2上注册chain1的详细信息（如chainID，genesis配置）

2. 在chain1上收到一个交易，需要进行IBC，目标地址为chain2

3. 向chain2同步chain1最新的状态（区块头信息，commit签名）

4. chain1将IBC数据包发送到chain2，包括在chain1上已经提交的交易的证明，chain2可以验证该交易因为其包含了当前的区块头和commit

以上每一步都需要一个IBC的交易：

1. IBCRegisterChainTx

type IBCRegisterChainTx struct { BlockchainGenesis }
type BlockchainGenesis struct { ChainID string Genesis string }

IBCRegisterChainTx用于在另一条链上注册当前链，包含了需要注册的链的chainID和genesis配置，这个交易仅仅发送一次，多次发送将给出error的response。

2. IBCUpdateChainTx

type IBCUpdateChainTx struct {
  Header tm.Header
  Commit tm.Commit
}

IBCUpdateChainTx用于在另一条链上更新当前链的状态，包含了区块头和commit的签名数据，后续会包含验证者的变动信息，任何人都可以转发IBCUpdateChainTx，就像发送固定频率的链状态更新包和验证者变动包一样。

3. IBCPacketCreateTx

type IBCPacketCreateTx struct {
  Packet
}

type Packet struct {
  SrcChainID string
  DstChainID string
  Sequence   uint64
  Type string
  Payload    []byte
}

IBCPacketCreateTx用于创建一个跨链通信的数据包，包含了源chainID和目标chainID、包类型、和payload。

payload数据格式还没有定义，可以是任意的字节。

这个IBC交易主要用于以下场景：

chain2在chain1上有一个账户，在chain1上使用IBCPacketCreateTx发送资金到这个账户，这样我们可以给chain2证明在chain1链上已经有到其账户的一个交易，这些资金只能被chain2到chain1的IBC消息解锁，消息需要指定发送锁定的资金到chain1的另一个账户上。

4. IBCPacketPostTx

type IBCPacketPostTx struct {
  FromChainID     string // The immediate source of the packet, not always Packet.SrcChainID
  FromChainHeight uint64 // The block height in which Packet was committed, to check Proof Packet
  Proof *merkle.IAVLProof
}

IBCPacketPostTx用于从一个链发送IBC包到另一个链，包含了另一个链的交易数据和当前链上已经commit的交易的验证信息。

交易的验证信息是IAVL树的一个merkle验证，IAVL树是一个平衡二叉搜索树，包含了节点列表，这些节点通过hash到最后形成一个merkle根hash，这个hash一定和高度H+1的区块的头中AppHash匹配。

三、IBC State

我们已经分析了所有的交易类型，接下来看看状态，每个链在merkle树中存储了一些IBC状态，被跟踪的每条链，我们需要存储：

1. genesis配置

2. 最新的状态

3. 当前高度的header

我们还需要存储所有incoming包和outgoing包。

每当一个IBCUpdateChainTx交易被提交，链的状态会被更新，当IBCPacketCreateTx的时候，新的数据包被加入到outgoing，当IBCPacketPostTx的时候，新的数据包被加入到incoming。

四、merkle查询

basecoin应用程序使用一个单独的merkle树，该树在其所有状态中共享，包括内置账户状态和所有的插件状态，所以，使用明确的键名和/或hash来确保没有冲突。

我们可以使用ABCI Query方法来查询merkle树，如果我们传入正确的key，它将返回相应的值，以及证明key和值包含在merkle树中。

查询的结果可以用来作为IBCPacketPostTx的证明。

五、中继

虽然我们在内部需要所有这些数据包类型以便以安全的方式跟踪两条链，但对于正常的流程，我们可以运行一个中继节点来处理跨链交互。

使用中继的情况下，需要两个步骤，首先basecoin relay init，必须运行一次从而让链间注册，确保链准备好发送和接收包，然后basecoin relay start，一个守护进程，在每条链上轮询队列，转发所有的新消息到对应的链。

这个需要中继能访问通信的两条链上的资金账户，从而支付需要转发的IBC包。

六、准备

确保安装了basecoin和basecli，basecoin是创建新的加密货币应用程序的框架，它带有一个默认就启动的IBC插件。

设置一些环境变量：

[kingnet@pdev3 ~]$ rm -rf ~/.ibcdemo
[kingnet@pdev3 ~]$ export BCHOME1_CLIENT=~/.ibcdemo/chain1/client
[kingnet@pdev3 ~]$ export BCHOME1_SERVER=~/.ibcdemo/chain1/server
[kingnet@pdev3 ~]$ export BCHOME2_CLIENT=~/.ibcdemo/chain2/client
[kingnet@pdev3 ~]$ export BCHOME2_SERVER=~/.ibcdemo/chain2/server
[kingnet@pdev3 ~]$ alias basecli1="basecli --home $BCHOME1_CLIENT"
[kingnet@pdev3 ~]$ alias basecli2="basecli --home $BCHOME2_CLIENT"
[kingnet@pdev3 ~]$ alias basecoin1="basecoin --home $BCHOME1_SERVER"
[kingnet@pdev3 ~]$ alias basecoin2="basecoin --home $BCHOME2_SERVER"
[kingnet@pdev3 ~]$ export CHAINID1="test-chain-1"
[kingnet@pdev3 ~]$ export CHAINID2="test-chain-2"
[kingnet@pdev3 ~]$ export PORT_PREFIX1=1234
[kingnet@pdev3 ~]$ export PORT_PREFIX2=2345
[kingnet@pdev3 ~]$ export RPC_PORT1=${PORT_PREFIX1}7
[kingnet@pdev3 ~]$ export RPC_PORT2=${PORT_PREFIX2}7
[kingnet@pdev3 ~]$

七、安装第一条链

创建test-chian-1链上的账户：

[kingnet@pdev3 ~]$ basecli1 keys new money
Enter a passphrase:
Repeat the passphrase:
money           5DA404DC686F44E78810E8DE63EBC2D6D440FAF2
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[kingnet@pdev3 ~]$ basecli1 keys new gotnone
Enter a passphrase:
Repeat the passphrase:
gotnone         D8A5932E4D6FAF6B8C84D2DB6EF2D4FACA40C359
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[kingnet@pdev3 ~]$ export MONEY=$(basecli1 keys get money | awk '{print $2}')
[kingnet@pdev3 ~]$ export GOTNONE=$(basecli1 keys get gotnone | awk '{print $2}')
[kingnet@pdev3 ~]$

初始配置配置，给money用户提供大量初始coin：

[kingnet@pdev3 ~]$ basecoin1 init --chain-id $CHAINID1 $MONEY
[kingnet@pdev3 ~]$

启动test-chain-1:

[kingnet@pdev3 ~]$ sed -ie "s/4665/$PORT_PREFIX1/" $BCHOME1_SERVER/config.toml
[kingnet@pdev3 ~]$ basecoin1 start &> basecoin1.log &
[2] 193294
[kingnet@pdev3 ~]$

sed命令用于修改配置文件的端口，日志输出到basecoin1.log，检查日志看是否正确出块：

[kingnet@pdev3 ~]$ tail -f basecoin1.log
I[05-28|12:19:33.072] Executed block                               module=state height=80 validTxs=0 invalidTxs=0
I[05-28|12:19:33.073] Committed state                              module=state height=80 txs=0 hash=C6D89553EBD974A4F946775CD1D6620BD661A864
I[05-28|12:19:34.059] Executed block                               module=state height=81 validTxs=0 invalidTxs=0
I[05-28|12:19:34.061] Committed state                              module=state height=81 txs=0 hash=C6D89553EBD974A4F946775CD1D6620BD661A864
^C
[kingnet@pdev3 ~]$ 

使用客户端来验证test-chain-1已经正确启动，第一个账户有余额，第二个没有：

[kingnet@pdev3 ~]$ basecli1 init --node=tcp://localhost:${RPC_PORT1} --genesis=${BCHOME1_SERVER}/genesis.json
Loading validator set from tendermint rpc...
[kingnet@pdev3 ~]$ basecli1 query account $MONEY
{
  "height": 233,
  "data": {
    "pub_key": null,
    "sequence": 0,
    "coins": [
      {
        "denom": "mycoin",
        "amount": 9007199254740992
      }
    ]
  }
}
[kingnet@pdev3 ~]$ basecli1 query account $GOTNONE
ERROR: Account bytes are empty for address D8A5932E4D6FAF6B8C84D2DB6EF2D4FACA40C359
[kingnet@pdev3 ~]$

八、安装第二条链

第二条链的安装基本与第一条相同，主要是需要修改端口，因为运行在一台机器上。

为test-chain-2创建账户密钥：

[kingnet@pdev3 ~]$ basecli2 keys new moremoney
Enter a passphrase:
Repeat the passphrase:
moremoney       3A4F8C378CFAB5E59F39C3F1B90B87B8CB22489B
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[kingnet@pdev3 ~]$ basecli2 keys new broke
Enter a passphrase:
Repeat the passphrase:
broke           A65BE96A51C251537F481096AA3775B55EB0A596
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[kingnet@pdev3 ~]$ MOREMONEY=$(basecli2 keys get moremoney | awk '{print $2}')
[kingnet@pdev3 ~]$ BROKE=$(basecli2 keys get broke | awk '{print $2}')
[kingnet@pdev3 ~]$

初始配置：

[kingnet@pdev3 ~]$ basecoin2 init --chain-id $CHAINID2 $MOREMONEY
[kingnet@pdev3 ~]$

启动test-chain-2:

[kingnet@pdev3 ~]$ sed -ie "s/4665/$PORT_PREFIX2/" $BCHOME2_SERVER/config.toml
[kingnet@pdev3 ~]$ basecoin2 start &> basecoin2.log &
[3] 195019
[kingnet@pdev3 ~]$

检查启动日志看是否正确出块：

[kingnet@pdev3 ~]$ tail -f basecoin2.log
I[05-28|12:28:58.509] Executed block                               module=state height=64 validTxs=0 invalidTxs=0
I[05-28|12:28:58.511] Committed state                              module=state height=64 txs=0 hash=B5EACFA6EA4A1F5A8F88CE4E701CED0F927491C0
I[05-28|12:28:59.488] Executed block                               module=state height=65 validTxs=0 invalidTxs=0
I[05-28|12:28:59.490] Committed state                              module=state height=65 txs=0 hash=B5EACFA6EA4A1F5A8F88CE4E701CED0F927491C0
I[05-28|12:29:00.508] Executed block                               module=state height=66 validTxs=0 invalidTxs=0
I[05-28|12:29:00.510] Committed state                              module=state height=66 txs=0 hash=B5EACFA6EA4A1F5A8F88CE4E701CED0F927491C0
I[05-28|12:29:01.513] Executed block                               module=state height=67 validTxs=0 invalidTxs=0
I[05-28|12:29:01.514] Committed state                              module=state height=67 txs=0 hash=B5EACFA6EA4A1F5A8F88CE4E701CED0F927491C0
I[05-28|12:29:02.499] Executed block                               module=state height=68 validTxs=0 invalidTxs=0
I[05-28|12:29:02.501] Committed state                              module=state height=68 txs=0 hash=B5EACFA6EA4A1F5A8F88CE4E701CED0F927491C0
I[05-28|12:29:03.519] Executed block                               module=state height=69 validTxs=0 invalidTxs=0
I[05-28|12:29:03.520] Committed state                              module=state height=69 txs=0 hash=B5EACFA6EA4A1F5A8F88CE4E701CED0F927491C0
I[05-28|12:29:04.524] Executed block                               module=state height=70 validTxs=0 invalidTxs=0
I[05-28|12:29:04.526] Committed state                              module=state height=70 txs=0 hash=B5EACFA6EA4A1F5A8F88CE4E701CED0F927491C0
^C
[kingnet@pdev3 ~]$

使用客户端连接test-chain-2来验证账户：

[kingnet@pdev3 ~]$ basecli2 init --node=tcp://localhost:${RPC_PORT2} --genesis=${BCHOME2_SERVER}/genesis.json
Loading validator set from tendermint rpc...
[kingnet@pdev3 ~]$ basecli2 query account $MOREMONEY
{
  "height": 142,
  "data": {
    "pub_key": null,
    "sequence": 0,
    "coins": [
      {
        "denom": "mycoin",
        "amount": 9007199254740992
      }
    ]
  }
}
[kingnet@pdev3 ~]$ basecli2 query account $BROKE
ERROR: Account bytes are empty for address A65BE96A51C251537F481096AA3775B55EB0A596
[kingnet@pdev3 ~]$

九、连接链

两条链已经运行，每条链有不同的密钥，接下来启动一个中继将消息从一条链转发到另一条链上，从而进行IBC。

中继账户需要一些钱来支付IBC消息，所以在我们开始中继之前从富裕账户转账一些资金。

[kingnet@pdev3 ~]$ RELAY_KEY=$BCHOME1_SERVER/key.json
[kingnet@pdev3 ~]$ RELAY_ADDR=$(cat $RELAY_KEY | jq .address | tr -d \")
[kingnet@pdev3 ~]$ basecli1 tx send --amount=100000mycoin --sequence=1 --to=$RELAY_ADDR --name=money
Please enter passphrase for money:
{
  "check_tx": {
    "code": 0,
    "data": "",
    "log": ""
  },
  "deliver_tx": {
    "code": 0,
    "data": "B23167DF11932BEC3C5C2483AC18C8338B72240C",
    "log": ""
  },
  "hash": "2B83744A7A854E64D98E2F7299A27C4D13A971BB",
  "height": 1138
}
[kingnet@pdev3 ~]$ basecli1 query account $RELAY_ADDR
{
  "height": 1160,
  "data": {
    "pub_key": null,
    "sequence": 0,
    "coins": [
      {
        "denom": "mycoin",
        "amount": 100000
      }
    ]
  }
}
[kingnet@pdev3 ~]$ basecli2 tx send --amount=100000mycoin --sequence=1 --to=$RELAY_ADDR --name=moremoney
Please enter passphrase for moremoney:
{
  "check_tx": {
    "code": 0,
    "data": "",
    "log": ""
  },
  "deliver_tx": {
    "code": 0,
    "data": "9905BA121EE6650B277B1D2CDE6E993EF45AA097",
    "log": ""
  },
  "hash": "147AF3D21D67028661BEE9425EA062496C6D2842",
  "height": 646
}
[kingnet@pdev3 ~]$ basecli2 query account $RELAY_ADDR
{
  "height": 659,
  "data": {
    "pub_key": null,
    "sequence": 0,
    "coins": [
      {
        "denom": "mycoin",
        "amount": 100000
      }
    ]
  }
}
[kingnet@pdev3 ~]$

配置中继：

[kingnet@pdev3 ~]$ basecoin relay init --chain1-id=$CHAINID1 --chain2-id=$CHAINID2 --chain1-addr=tcp://localhost:${RPC_PORT1} --chain2-addr=tcp://localhost:${RPC_PORT2} --genesis1=${BCHOME1_SERVER}/genesis.json --genesis2=${BCHOME2_SERVER}/genesis.json --from=$RELAY_KEY
[kingnet@pdev3 ~]$

启动中继：

[kingnet@pdev3 ~]$ basecoin relay start --chain1-id=$CHAINID1 --chain2-id=$CHAINID2 --chain1-addr=tcp://localhost:${RPC_PORT1} --chain2-addr=tcp://localhost:${RPC_PORT2} --from=$RELAY_KEY &> relay.log &
[4] 197724
[kingnet@pdev3 ~]$

两条链已经通过IBC连接，接下来发送一个跨链的tx。

十、跨链转账

[kingnet@pdev3 ~]$ basecli2 query account $BROKE
ERROR: Account bytes are empty for address A65BE96A51C251537F481096AA3775B55EB0A596
[kingnet@pdev3 ~]$ basecli1 tx send --amount=12345mycoin --sequence=2 --to=test-chain-2/$BROKE --name=money
Please enter passphrase for money:
{
  "check_tx": {
    "code": 0,
    "data": "",
    "log": ""
  },
  "deliver_tx": {
    "code": 0,
    "data": "DF5745E4838C4F5B9A8E05D78EDA717B6D925DEC",
    "log": ""
  },
  "hash": "F7EB450C6326D0FC9FFF6F1F72AAB156D919469A",
  "height": 1896
}
[kingnet@pdev3 ~]$ basecli2 query account $BROKE
{
  "height": 1328,
  "data": {
    "pub_key": null,
    "sequence": 0,
    "coins": [
      {
        "denom": "mycoin",
        "amount": 12345
      }
    ]
  }
}
[kingnet@pdev3 ~]$

十一、结论

真可以跨链转账啊，价值传输网就来了！！！！！！