技術 | Cosmos跨鏈協議IBC的來龍去脈_MOS

導讀

Cosmos是由Tendermint團隊構建的開源社區項目，它是一個由獨立的稱為Zone的區塊鏈組成的支持跨鏈交互的異構多鏈系統，和Polkadot一樣，也由中繼技術實現。Cosmos提供一套能夠完整搭建區塊鏈的SDK，作為一個跨鏈系統，其中最為關鍵的就是跨鏈協議相關的設計，今天我們就來詳細分析一下IBC協議的具體內容。

IBC初探

IBC是屬于Cosmos-SDK中一個特殊的模塊。之所以特殊，主要體現在IBC提供了區塊鏈之間的跨鏈能力。

從總體的流程來說，IBC的技術并沒有很復雜，應該來說協議本身不應太過復雜，這對于協議的使用者來說約束更小，更加靈活。

現在比如說A鏈上的Alice上需要發送10個ATOM代幣到B鏈上的Bob上，會經過下面的四個步驟。

▲?Tracking

A鏈上的IBC模塊會不斷的同步B鏈上的區塊頭信息，B鏈上的IBC同理。通過這種方式，雙方能夠實現跟蹤對方區塊鏈上的驗證者集合的變化，本質上來說，就是A鏈、B鏈相互維護了一個對方的輕節點。

工信部：將面向區塊鏈等前沿技術 遴選一批新型信息消費示范項目:工業和信息化部辦公廳將組織開展2020年新型信息消費示范項目申報工作，通知中提到，以滿足人民日益增長的美好生活需要為根本目標，以供給側結構性改革為主線，面向5G、人工智能、區塊鏈等前沿技術，從提升產品服務供給、加快模式創新和優化消費環境等方面著力，遴選一批新型信息消費示范項目，總結形成可復制、可推廣的經驗做法，加快擴大和升級信息消費。（工信部官網）[2020/4/15]

▲?Bonding

當使用IBC初始化一筆跨鏈轉賬之后，A鏈上的10個ATOM事實上處于鎖定的狀態。

▲?Proof中繼

一份證明A鏈上已經鎖定10ATOM的“證據”會被路由到B鏈上的IBC模塊。

動態 | 浙江上虞與新華網融合區塊鏈等技術 推出長三角數字經濟總平臺:據新華網消息，新華網與上虞區委、區政府展開合作，共建溯源中國·長三角數字經濟總平臺，該平臺以“追蹤物聯網”技術為核心，聯合了國內權威機構及領先企業，并充分融合區塊鏈、移動互聯網、物聯網、大數據、人工智能等先進技術，以此保障產品品質可溯、品牌可信。當前，平臺已形成涵蓋“農資溯源、農產品溯源、畜產品溯源、食品快消品溯源、醫保藥品溯源及版權區塊鏈溯源”等六大行業解決方案。[2019/12/17]

▲?驗證

B鏈結合A鏈的輕節點信息，對這份“證據”驗證通過之后，B鏈上會“鑄造”10份ATOMVoucher，這些Voucher可以進行后續的流通使用。當然這些Voucher也可以通過同樣的跨鏈方式返回到A鏈，A鏈上的ATOM代幣相應執行解鎖的操作。

IBC握手流程

IBC協議是Cosmos中最核心的接口協議，能夠實現區塊鏈間跨鏈消息的可信、可靠轉發，并有效進行流量控制、多路復用等功能。

聲音 | Jimmy Nguyen：區塊鏈技術將改變互聯網技術 甚至比互聯網技術更強大:在2019 T-EDGE新金融峰會暨CHAINSIGHTS金融科技與區塊鏈中國峰會上，Bitcoin Association創始主席Jimmy Nguyen 發表主題演講表示，區塊鏈和比特幣將是引領我們這一代人的主要技術，它會改變互聯網技術，甚至比互聯網技術更加強大。他進一步解釋稱，比特幣把數據和貨幣價值通過一個網絡協議集合在一起，它給數據賦權，使數據有更大的力量。（鈦媒體）[2019/12/8]

在Cosmos中，每個功能都是高度模塊化的，每個功能通過加載不同的模塊來實現，IBC也是如此。在IBC設計時，借鑒了傳輸層的TCP協議，也是希望成為區塊鏈領域的“TCP協議”。不僅如此，在IBC的各個方面也能看到TCP的身影，首先我們來看IBC中的一些基本概念。CosmosIBC采用了有連接的、可靠的跨鏈消息傳輸。

在此基礎上提出了以下幾個關鍵定義：

Client

聲音 | 信通院院長劉多：理性看待區塊鏈技術 切實保障其健康有序發展:今日，中國信息通信研究院在2018國家網絡安全宣傳周上發布《中國網絡安全產業白皮書》《區塊鏈安全白皮書-技術應用篇》兩項最新研究成果，信通院院長劉多對白皮書進行了現場解讀。信通院院長劉多表示，區塊鏈安全白皮書探討了區塊鏈技術架構、安全風險和應對框架，旨在呼吁理性看待區塊鏈技術優勢，強化安全風險應對，切實保障區塊鏈技術的健康有序發展。[2018/9/19]

Connection

Channel

下圖是IBC協議和TCP相關概念的對比。

可以看到連接、端口都是TCP協議中的規范，但是其中的內涵發生了變化，為了適應跨鏈場景下的使用。同時增加了通道和客戶端等新的內容，能夠支持跨鏈中的有序發送和跨鏈交易的驗證。

NASA研究以太坊區塊鏈技術 將用于深空探測:據ccn消息，美國航天局（NASA）資助并共同運作的一個研究項目正在考慮利用以太坊區塊鏈的智能合約技術來實現航天器機動自動化，同時避免空間碎片。[2018/4/17]

接下來我們來看一下一次完整IBC協議的握手和通信流程。

一筆跨鏈交易的連接流程如上圖，和TCP協議類似，IBC的建立需要建立多次的握手過程，并增加了一步初始化客戶端的操作，這對于跨鏈來說很關鍵的一環。

▲?鏈內客戶端

跨鏈雙方需要在鏈上初始化一個對方鏈的輕客戶端，這個Client實質上是另一個區塊鏈的輕客戶端，而且必須滿足Cosmos規定的一套Client接口。之所以要在IBC建立之前初始化這個輕客戶端，是因為Cosmos需要保證在本鏈上能夠驗證來自來源鏈的跨鏈交易是能夠驗證的，否則無法保證在本鏈上執行該交易的有效性和合法性。

為了方便后續后續更多不同種類的區塊鏈接入，這個輕客戶端規定了一套通用的接口，不同類型的區塊鏈通過實現該Client來達到接入的效果。現階段Cosmos能夠支持TendermintClient和SoloClient，也就是同構鏈之間原生支持跨鏈。這也決定了不是使用Cosmos構建的區塊鏈想要接入CosmosHub進行跨鏈的話，必須通過一個額外的“轉接橋”，實現起來也更加復雜了。

▲?握手連接

在輕客戶端的基礎上建立握手連接，握手連接基本上分別為三個部分。

啟動跨鏈的用戶向鏈A發起OpenInit請求，等待Relayer接收到該請求。Relayer進行路由跨鏈消息包的工作，如果收到OpenInit的請求，Relayer會構造一個的OpenTry的請求發送到鏈B上。鏈B收到OpenTry請求之后，如果同意的話，會對該消息進行確認（生成OpenACK數據包，并按照之前的方式由?Relayer轉發給鏈A。鏈A通過OpenACK數據包判斷此次握手是否成功，如果成功，對此次握手發送最后的?OpenConfirm數據包返回鏈B。如果握手失敗，此次連接也就是建立失敗了。上面的步驟不僅是指Connection的建立過程，Channel的建立也是遵循同樣的流程，只是數據包的名稱和內容會有不同，像建立Connection的時候發送的便是ConnOpenInit請求，建立的Channel的時候便是ChanOpenInit請求，之后的請求依次類推。

需要說明的是，Connection和Channel在跨鏈扮演的角色和功能并不相同，按照Cosmos的設計，Connection和Client一起負責跨鏈交易的“合法性”——包括跨鏈交易確實在目的鏈上發生，以及跨鏈交易只提交了一次。而Channel用來保證跨鏈交易的有序性，每筆交易按照SequenceNumber來進行發送。

雖然在Cosmos設計中有提到可以實現無序的Channel，但是默認實現上是采用了有序的模式。如果按照TCP協議簇來類比的話，有序Channel和TCP類似，無序Channel類似于UDP，無序Channel按照UDP來講的話，在某些不太關注跨鏈消息包順序的場景下也是適用的。同時Cosmos設計中也考慮到Channel的消息發送能力，允許一條Connection上建立多個Channel，在不同的跨鏈應用場景中，可以使用不同的Channel發送消息，從而隔離不同業務。

▲?發送跨鏈數據包

完成上述的一系列握手之后，應用層便可以在Channel上發送自己的數據了。Cosmos規定了發送跨鏈交易的一些必要字段，如下圖：

其中Sequence和SourcePort字段都是承擔其字面意思的功能，也是必須指定的字段，而TimeoutHeight和TimeoutTimestamp是Cosmos提供的一種超時機制。如果某個區塊高度或者某個時間這筆跨鏈交易還沒有完成的話，用戶能夠指定將這筆交易回退。而Data字段是留給用戶進行自定義，以應對可能的各種復雜的跨鏈場景。

總結

通過上面對IBC的分析，我們可以看到IBC采用了建立連接的方式進行跨鏈，不同于Polkadot的XCMP協議，XCMP協議中平行鏈可以直接進行跨鏈消息的轉發。

而且Cosmos并沒有過分關注Zone作惡的情況，只是通過維護Zone的輕客戶端的方式驗證跨鏈交易的有效性，這種方式下是相信Zone不會出現集體作惡的情況，也就是Zone安全性由自身負責。不同于Polkadot設計上中繼鏈維護全局的安全性，CosmosIBC的設計上是減少了跨鏈系統的維護成本和降低了設計實現難度的。

作者簡介

陶勇星

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

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