將孤島連成大陸：跨鏈技術及應用形態全景圖_ELA

本篇為全篇的第一部分，約14000字，建議閱讀時間35分鐘；全篇共四部分，將陸續發布。

前言

跨鏈技術被認為是區塊鏈領域的圣杯，是實現萬鏈互通的關鍵技術。人們往往將其重要性和互聯網的TCP/IP進行類比。正是因為TCP/IP協議簇提供了點對點鏈接的機制，將資料應該如何封裝、尋址、傳輸、路由以及在目的地如何接收，都加以標準化，才使得全球的終端連成了一張網，演變成了我們今天所稱的互聯網。?

隨著區塊鏈行業的迅猛發展，各類公鏈，許可鏈不斷涌現，百花齊放。然而，絕大多數鏈與鏈之間由于技術、生態、競爭等原因無法連接互通，這帶來了用戶、資產、應用、數據的割裂，形成了「孤島效應」。從根本上講，形成這種局面的原因主要是：用戶需求的多樣化和區塊鏈擴展性的限制。

為了將孤島連成大陸，業界對跨鏈技術展開了積極的探索。本文將對當前跨鏈的主要技術形態進行闡述和分析，并對當前致力于解決跨鏈問題的典型區塊鏈項目進行舉例。關于跨鏈的研究報告已經有很多，但本文會在前人的研究基礎上，力求做到深入技術本質，辨析易混淆概念，把握脈絡框架，囊括最新進展。

跨鏈究竟要跨什么？

通證交換

每條區塊鏈上都有自己的原生通證。通證因其封裝了某種權益，而成為價值的載體。鏈內的通證可以進行可信的交換，然而鏈間的通證交換卻“隔鏈如隔山”。只有實現鏈間通證的可信交換，才能實現區塊鏈作為“價值互聯網”的重要作用。

目前通過中心化交易所可以實現跨鏈通證交換，例如將BTC充值到交易所，換成ETH之后，再提現到ETH錢包。但人們不滿足于中心化的方案，希望能夠直接在鏈上進行可信交換，例如用戶A想要用BTC，交換用戶B持有的ETH，這個過程會有個問題，如果兩人約定了交易，但A進行了轉賬后，B食言而肥怎么辦？這就需要用到跨鏈技術，通過系統的撮合，讓兩筆轉賬能夠同步進行。基于哈希時間鎖的原子交換，是實現這一場景的典型技術。

通證傳遞

通證傳遞是指，一條鏈上的原生資產，流通到另外的鏈上。這是無法直接實現的，任何通證都只能依附于其宿主鏈。一般而言，通證傳遞是靠在源鏈上鎖定原生資產，同時在目標鏈上發行等量模擬原生資產的錨定資產來實現的。如何保證這一過程的安全可靠，是跨鏈技術的一大挑戰。

通證傳遞和通證交換，都可以解決鏈間價值交換的問題，但這兩者不完全是一回事。如果A想用1個BTC交換B的10個ETH，這個過程只需實現通證交換，但如果A想要將這1個BTC拿到以太坊上使用，則需要通證傳遞。通證傳遞除了解決價值交換的問題，還有額外的效用。我們可以通過通證傳遞，實現鏈A上的資產參與鏈B上的DeFi應用，構建一個更普惠的開放金融，也可以將通證從一個昂貴的鏈，轉移到一個經濟鏈，節省交易費用，或者從一個緩慢的鏈轉移到快速的鏈，實現擴容，亦或者，從一個非隱私鏈，轉移到一個隱私鏈，實現交易隱私。可以說，通證傳遞能解決的問題，是通證交換所能解決的問題的超集。

信息傳遞

完全意義上的跨鏈其實應該能讓鏈間的任何消息進行可靠的傳遞。任何跨鏈事務本質上都是一連串跨鏈消息傳遞組合而成的，例如，通證傳遞作為一類跨鏈事務，是由兩次跨鏈消息傳遞組成的，先后是：

源鏈鎖倉通證，并將鎖倉的消息及其證明，傳遞給目標鏈；

目標鏈接收到信息，驗證其真實性之后鑄造映射通證，并將回執發送回源鏈。

因此，我們可以說，跨鏈信息傳遞包含了跨鏈通證傳遞。跨鏈信息傳遞所解決的問題是跨鏈通證傳遞的超集。

通過跨鏈信息傳遞，一條鏈可以讀取和驗證另外一條鏈的狀態和信息，一條鏈的智能合約可以將其他鏈的某個狀態和信息作為執行的觸發條件。因此，通過跨鏈信息傳遞，可以實現豐富的跨鏈功能，例如跨鏈借貸，跨鏈眾籌，跨鏈支付，跨鏈衍生品，跨鏈DAO等。如果區塊鏈間能夠靈活調用彼此功能，使用彼此的服務，那么鏈與鏈將組合成一個巨大的服務協同網絡，實現我們預期的萬鏈互聯的狀態。

跨鏈技術概覽

現在的跨鏈技術形態，有些只是實現了通證交換，例如哈希時間鎖和跨鏈DEX；有些則通過建立一組鏈上角色來轉發消息，驗證狀態，有些是提出了一套通信協議,實現區塊鏈間的通信；有些是提出了新的系統架構和造鏈協議，支持更多區塊鏈的接入。

由于鏈和鏈之間互相獨立，無法建立直接連接，鏈之間無法直接感知對方狀態變更。因此需要搭建通信橋梁。在通信橋梁選擇上，通常來說分為五大類技術形態，分別是基于哈希時間鎖的原子交換，見證人，輕節點側鏈，中繼鏈，共享驗證人，在3.1-3.5小節將展開敘述：

數據：Storj團隊在STORJ上漲后將250萬枚STORJ存入Binance:金色財經報道，據Lookonchain數據顯示，今天STORJ的價格上漲了近45%。請注意，Storj團隊在STORJ上漲后將250萬枚STORJ（約合122萬美元）存入Binance，目前持有1160萬枚STORJ（570萬美元）。[2023/7/5 22:18:44]

基于哈希時間鎖的原子交換

哈希時間鎖是一套密碼學方法，該方法可以實現去信任的跨鏈資產交易。比如我用的1個BTC和你的10個ETH交易，就可以通過哈希鎖來實現交易的原子性。其原理大致如下：

用戶A生成隨機密碼r,并計算出r的哈希值m=hash(r)，將m值發給用戶B；

與此同時，用戶A發起一筆交易，向用戶B轉1BTC，該交易的成功是有條件的，須用戶B出示密碼r才能成功，否則超過預設的時間，交易將自動失敗；

用戶B看到A發起的交易之后，也發起一筆交易，向用戶A轉移10個ETH,該交易的成功也是有條件的，需要用戶A出示r才能成功，超過預設時間，交易也將自動失敗。這里的關鍵是，用戶B創建這樣一個以出示r值為成功條件的交易，并不需要拿到密碼r的值，只需要知道m值即可創建，而我們知道，哈希運算是不可逆的，知道m無法推算出r；

用戶A看到B發起的交易之后，出示r值，使得B發起的交易成功，獲得B轉賬的10個ETH，r值被披露；

用戶B在上個步驟中也拿到了A出示的r值，使得A發起的交易成功，獲得A轉賬的1個BTC。

通過以上機制，在兩條不同鏈上的交易，被耦合為一個事件，只能整體成功，或者整體失敗，不會出現A給B的轉賬成功，而B給A的轉賬失敗的情況，反之亦然。

這種機制的實現，依賴于兩個技術，那就是「條件成功交易」和「條件失敗交易」，在以上案例中，交易成功的觸發條件是出示哈希原像r，交易失敗的條件則是超過預設時間未出示哈希原像r，我們也可以分別稱為哈希鎖和時間鎖。

在BTC中，可以通過CLTV操作碼或CSV操作碼來實現哈希時間鎖，在以太坊等圖靈完備的鏈上，則可以通過智能合約來實現哈希時間鎖。事實上，智能合約可以實現遠比哈希時間鎖更多元、更復雜的條件成功交易和條件失敗交易。

我們可以看到，哈希時間鎖實現了跨鏈雙方去中介的原子交易，無需任何信任假設。同時，我們也意識到，這種交易方式在用戶體驗上并不友好，主要體現為以下三方面：

交易雙方必須同時在線，嚴格執行參與流程，因此，交易發起方，如果無法找到一個在線的交易對手方，則必須等待。

對于BTC，創建帶有哈希時間鎖的交易，在底層是通過創建兩筆交易完成的，由于底層機制比較復雜，在前文所述的交易過程中被簡化表述為了一筆交易。如果交易成功，兩筆交易都要上鏈，需要多付手續費。

實際交易中，會存在匯率問題，交易對手方可以根據匯率是否有利于自己來選擇是否完成交易。尤其在金額較大時，交易對手方有很強的動力這么做，這導致原子交易可能不適用于大額交易。

另外，在跨鏈的實現程度上，哈希時間鎖有其局限性，只能實現跨鏈的通證原子交換，無法實現通證傳遞及更廣泛的跨鏈信息傳遞，因此在實際跨鏈應用中，往往和其他跨鏈技術組合使用。

見證人

見證人，英文為Notary，有時也被譯為公證人，是為傳遞跨鏈信息，托管跨鏈資產而設置的一個特殊角色。2012年Ripple發布了InterLedgeProtocol，首次通過第三方見證人的方式實現了跨鏈轉賬，在此之后，見證人機制陸續被應用在以BTC錨定資產為主的諸多跨鏈項目中。

不同的跨鏈項目對見證人有不同的設定：見證人可能是單個主體，但大多數情況下是多個主體；見證人的產生方式可能是許可式的，也可能是自由準入的；為了實現資產跨鏈，見證人將不得不管理一個托管賬戶，管理托管賬戶的方法可能是獨立控制或是多方控制；用戶對見證人的信任基礎，可能來源于見證人自身的信用，也可能來源于見證人做了超額抵押。

見證人產生方式

最簡單的方式是組建一個許可式的見證人組，成員基本固定，成員的加入與退出，則由當前成員審核表決。這種方式是相對中心化的，比較去中心化的方式是自由準入的方式，任何主體，只需符合既定的條件，例如抵押相應資產，即可成為見證人。自由準入帶來了額外的風險敞口，可能帶來惡意見證人，產生串通作惡的風險。因此，有的跨鏈協議選擇加入一個隨機抽取機制：每次的操作，不是由所有見證人簽名，而是從符合條件的見證人集中隨機抽取一組見證人，如此一來，可以增加見證人串通作惡的成本。

中國工程院院士陳純教授：香港可以勇當促進第三代互聯網發展的試驗田:金色財經報道，在香港 Web3.0 協會成立典禮上，中國工程院院士陳純教授發表致辭時表示，香港可以充分發揮一國兩制的優勢，大膽先行先試，探索數字金融的模式和業務的創新，勇當促進第三代互聯網發展的試驗田，推動數字經濟和實體經濟深度融合，以數字化驅動生產，生活和治理方式的變革，助力我國成為21世紀世界數字經濟發展的龍頭。相信香港也能在服務國家戰略的同時，尋找到一個新的發展方向并獲得更強勁的發展動力。[2023/4/11 13:56:46]

用戶對見證人的信任基礎

見證人可以通過超額抵押來獲取信任，這意味著見證人抵押的價值，必須大于托管的賬戶資產價值，如果托管的資產發生損失，用戶將從抵押金中獲得賠償。超額抵押使得用戶托管的資產具有極高的安全性，但是超額抵押給見證人帶來了資金成本，見證人的資金成本將轉化為高昂的跨鏈手續費用。

見證人也可以靠自己的商譽來背書，盡管含有信任假設，但其優勢是跨鏈費用低廉，甚至可以做到免費，因此還是吸引了大批用戶。

資產托管方式：獨立控制地址與多方控制地址

見證人可能各自控制一個獨立控制地址，形成托管地址矩陣，來承接用戶的托管委托。需要注意的是獨立控制地址不一定是單簽名地址，見證人出于安全考慮，可能會采用多簽和私鑰分片技術來管理獨立控制地址，例如，某個見證人在鏈下是一家人數眾多的公司，該見證人的地址有可能會由公司的多名高管或股東通過多簽和私鑰分片共同管理。然而，不管使用什么技術來管理地址，只要是由單個主體控制的地址，我們都稱為獨立控制地址。

更多的情況下，托管地址是由多方共同控制的地址。有可能是所有見證人共同管理一個地址，也有可能是將見證人分組，每個組共同管理一個地址。這種情況則必須用到多簽或者私鑰分片這樣的多方控制技術。

多簽

多簽，或稱多重簽名，英文為Muti-Sig，是由多個私鑰共同控制一個賬戶的技術，多簽技術可以實現一個地址必須由M-of-N個簽名人簽名才能轉賬，1≤M≤N。

在BTC中，多簽地址是P2SH類型的地址，普通BTC地址是由公鑰哈希后得到的，而多簽地址則是基于腳本哈希。該類地址對N值有一個限制，N≤15；在以太坊等具有圖靈完備性的區塊鏈中，則可以通過智能合約來實現多簽地址，N值也可以無限大。

私鑰分片

私鑰分片技術，也稱分布式密鑰技術，是一個具有更高理論安全度的多方控制技術，該技術脫胎于圖靈獎獲得者姚期智先生提出的安全多方計算，結合門限技術，也可以實現M-of-N簽名管理。該技術支持將一個賬戶的私鑰拆分成若干個碎片，分配給多個簽名人，當已簽名的碎片私鑰數達到閾值時，即可對賬戶資產進行操作。具體實現上，私鑰分片有多種技術實現方式，涉及到復雜的密碼學知識，本文不展開。

私鑰分片之所以更加安全，是因為分片是不斷刷新的，也就是每隔一段時間，分片會重新進行，給到每個人的碎片會產生變化。惡意者如果想要通過獲取所有人的分片來盜取資產，必須獲取到不同簽名人在同一個時間單元里的私鑰，否則驢唇不對馬嘴，無法合成完整私鑰。

簽名人組成員管理

無論是多簽還是私鑰分片，簽名人組都不可能是一個成員始終固定的群組，所以會涉及到簽名人組的成員增減。在私鑰分片技術中，只需要重新分片，把碎片分發給增減后產生的新簽名人組即可。在多簽技術中，則分為兩種情況：

在以太坊等圖靈完備的區塊鏈上，可以通過智能合約編程來設置簽名人組成員管理規則，例如超過2/3的現有簽名人簽名同意，即可批準新的簽名人的加入，或者批準剔除某個老的簽名人。

在BTC上，則無法對一個P2SH多簽地址的簽名人組成員進行編輯，如果某個簽名人的私鑰泄露或者需要退出，只能重新創建一個新的P2SH多簽地址，將資產轉到新的地址里。

向去中心化方向改進

整體上，見證人模式是一種相對容易實現，且通用性強，適配成本低的跨鏈方式。見證人模式的最初版本是相對中心化的，但人們不滿足于此，于是通過各種方法對其進行了改進，使其具有去中心化的特性，例如使用更加去中心化的見證人準入機制和分組機制，使用更加分布式的資產托管地址等。由此，產生了各種各樣的改進方案。這些改進方案在實現去中心化的同時，也帶來了一定的復雜性。

輕節點式側鏈

側鏈的產生，源于人們對于BTC擴容的努力。2014年10月，BlockStream團隊發布了《側鏈白皮書》，首次提出了“錨定”式跨鏈方案。錨定，有時被翻譯為“楔入”，表達的是被錨定鏈對錨定鏈的可讀狀態，這種狀態也被稱為“錨定鏈是被錨定鏈的側鏈”。

Swapix推出Pix Withdrawal功能，可將Tether轉換為巴西雷亞爾:3月3日消息，Smartpay旗下Swapix解決方案推出Pix Withdrawal功能，可用于使用Pix在Tether和巴西雷亞爾之間發送和轉換，該功能可在USDT.com.vc網站或Bitfinex支付應用FastPay上使用，并將適用于其他接受PiX提款的機構。

據悉，該功能日間可最多提取3000枚巴西雷亞爾，晚間可最多提取1000枚巴西雷亞爾，，該服務目前只提供到下午6點。[2023/3/3 12:40:41]

人們最早希望通過將BTC的交易從BTC主鏈，轉移到側鏈上，來降低BTC主鏈的壓力，2016年由RootStock團隊開發的RSK被認為是BTC最早的側鏈。側鏈技術的本質是通過在側鏈上融合主鏈輕節點來實現主鏈對側鏈可讀。該技術稍加轉化，即可被應用于跨鏈，我們只需在目標鏈上部署源鏈的輕節點合約，即可將目標鏈改造為源鏈的側鏈，實現由源鏈到目標鏈的單向跨鏈。

所謂輕節點，是指一個體積較小的，只存儲區塊頭信息的節點。輕節點并不存儲鏈上的全部交易，但是可以通過區塊頭信息，驗證某個交易是否存在于鏈上。輕節點合約則是包含了輕節點的智能合約。通過在目標鏈部署源鏈的輕節點合約，即可實現對源鏈來的消息進行真實性驗證。其過程大致如下：

當源鏈A有請求傳遞一筆跨鏈交易信息給目標鏈B時，交易發起者將該交易的明細內容、區塊高度、以及該交易SPV證明一并提交到B鏈；

部署在B鏈上的A鏈輕節點合約，通過SPV證明，重新計算該交易所在區塊的區塊頭哈希值；

得到的哈希值與輕節點中對應的區塊頭哈希值進行比較，如果一致，則表明該交易確實發生在該區塊中，若不一致，則說明該交易并不存在于該區塊。

盡管任何人都可以向目標鏈提交交易明細及其SPV證明，但實際跨鏈應用中，往往會有專門的角色來做這件事，而不是交易發起者來做。我們在本文中，我們稱該角色為Relayer。Relayer除了要負責幫助用戶傳遞跨鏈消息，還需要負責將源鏈的區塊頭傳遞到目標鏈，以建立輕節點合約。

Relayer和見證人一樣，都是為傳遞跨鏈消息而設的一個特定角色，但Relayer和見證人有兩點不同：

Relayer不負責托管資產，如果采用側鏈機制來實現跨鏈，跨鏈過程中鎖倉的通證會被托管到一個特定的托管合約中。

對于Relayer的信任假設，相比見證人而言更為寬松。我們必須相信大多數的見證人都是誠實的，但眾多的Relayers只要至少有一個是誠實的，我們就可以相信跨鏈消息傳遞是可靠的。這點我們將在3.3.3小節進一步論述。

不同跨鏈項目中對Relayer的稱呼不同。有些項目中，Realyer的角色被拆分，負責傳遞區塊頭的Relayer和負責傳遞交易消息的Relayer(MessageRelayer)被定義為兩種角色。有些項目中不存在一個專門的Relayer角色，Relayer的職能被合并入了其他角色，例如由源鏈的驗證人直接承擔Relayer的角色。不過，萬變不離其宗，輕節點式側鏈方案的技術本質始終是：Relayer將源鏈的區塊頭傳輸到目標鏈，建立輕節點，然后Relayer從源鏈搬運交易信息到目標鏈時，用輕節點上的區塊頭信息驗證交易信息的正確性。

雙向錨定

我們需要理解的是，主鏈和側鏈的關系是相對的，兩條鏈可以互為側鏈。我們在前文中提到的“源鏈”和“目標鏈”也是相對概念，在一個跨鏈消息傳遞事件中，消息的源起方往往被稱為源鏈，消息的接收方則被稱為目標鏈。

跨鏈雙方通過互埋對方輕節點，即可實現互相讀取對方鏈上的信息，互聯互通，這種形態被稱為雙向錨定，這種形態下，兩條鏈成為了彼此的側鏈。兩個方向都有Relayer組負責向對方傳遞信息，當然，兩組Relayer也有可能是同一批人，被合并為同一個角色，兼負責雙向的信息傳遞。

側鏈與子鏈

談到側鏈，有必要和另外一個容易混淆的概念做一下辨析，那就是子鏈。子鏈沒有自己的共識機制和原生通證，其安全性完全依托于主鏈，具有單向性。而側鏈本身是一條獨立運行的區塊鏈，側鏈與主鏈的關系，是相對概念，具有雙向性。

以太坊的擴容鏈，有些是側鏈形態，有些則是子鏈形態。采用Plasma方法和側鏈方法的擴容鏈是以太坊的側鏈，而采用狀態通道和Rollup方法的擴容鏈，則是以太坊的子鏈。

子鏈通過將交易從主鏈挪到子鏈進行，并定期向主鏈同步最終狀態來實現對主鏈性能的擴容，所以，子鏈也被稱為「提交鏈」，提交鏈的叫法比子鏈的叫法更貼近其技術本質。

野村證券前瞻美聯儲利率決議：料加息100個基點:7月24日消息，野村分析師Aichi Amemiya表示，預計美聯儲在7月份加息100個基點，6月份的CPI數據表明美聯儲需要更加激進地采取行動。6月CPI數據同比增長9.1%，總體和核心通脹都令人驚訝。無論是從預測的角度還是從最優貨幣政策的角度來看，加息100個基點都是正確選擇。（金十）[2022/7/24 2:34:10]

子鏈的目的是為了擴容，擴容的本質是節省主鏈的資源，因此主鏈不會花費計算資源對子鏈提交的交易進行驗證。子鏈自身需要一個機制在提交時證明其所提交內容的真實性。其中，狀態通道，OptimisticRollup，ArbitrumRollup采用欺詐證明的方式來證明，而ZkRollup，Validium則采用零知識證明的方式生成有效性證明。

子鏈和主鏈之間，這種單向的信息提交式互動，在有些文獻中，也被認為是跨鏈技術的一種形態，但PakaLabs認為，盡管側鏈和子鏈都誕生于對區塊鏈擴容的努力，但子鏈相關的技術只能用于創建擴容鏈，無法應用于兩條獨立區塊鏈之間的跨鏈，不應歸類為跨鏈技術。

輕節點側鏈的優越性

如果說見證人機制重在Trust，那么輕節點側鏈技術則重在Verify!通過區塊頭驗證交易信息，其可靠性是在密碼學上被保障的，交易是否存在，一驗即知，確定無疑。

Relayers傳遞的區塊頭也不可能造假，因為輕節點合約可以像全節點一樣，對區塊進行嚴格的驗證，虛假的區塊頭無法通過驗證。輕節點的驗證程序和源鏈網絡中的礦工節點驗證程序是完全相同的，以BTC為例，需要經過以下步驟驗證：

區塊的數據結構語法上有效；

驗證工作量證明，區塊頭的哈希值小于目標難度；

區塊時間戳早于驗證時刻未來兩個小時；

驗證區塊大小在長度限制之內，即看區塊大小是否在設定范圍之內；

第一個交易是coinbase交易，即一個區塊，礦工只能給自己獎勵一次；

驗證區塊內的交易并確保它們的有效性：驗證MerkleRoot是否是由區塊體中的交易得到的，即重構區塊Merkle樹得到的樹根，看是否和區塊頭中的hashMerkleRoot值相等。

惡意的Relayers如果串通作惡，唯一可行的方法是傳遞一個分叉鏈上的區塊的區塊頭，但對于一個健康的網絡，分叉鏈最終不會成為最長鏈，輕節點合約只需等待足夠多個區塊的確認即可。對于BFT類的鏈，輕節點合約只需驗證區塊的簽名數即可知區塊是否具備最終性。

只有源鏈或者目標鏈的本身出現重組，才會影響到輕節點合約的安全性。Relayer能夠給網絡造成的危害最多止于集體罷工，讓網絡停止服務。

此外，Relayer不負責管理托管資產，惡意的Relayer無法像惡意的見證人那樣，有盜取托管資產的可能。因跨鏈而鎖定的資產托管在合約中，合約中托管的資產，如果合約代碼沒有問題，其安全性就是合約所在鏈級別的。

由于Relayer作惡的條件苛刻，且危害性較小，輕節點式側鏈中的Relayer并不需要像見證人那樣做超額抵押。可以用更小的代價實現更多的跨鏈錨定資產發行。

由此可見，輕節點側鏈方案，在跨鏈的成本上和安全性上，比見證人方案更有優勢，是實現兩條鏈之間跨鏈優先要采用的技術方案。但是有的鏈不支持智能合約，無法部署輕節點合約和托管合約，這種情況，只能退而求其次，采用見證人方案。

輕節點技術的發展：“瘦身”與“減負”

我們知道BTC的區塊大小為1M，其區塊頭只有80byte，直到本文發布的時間，BTC的歷史區塊頭大小也尚未超過60M，但誕生較晚的以太坊的歷史區塊頭加起來已經超過了5個G(高度約1300萬)，隨著區塊鏈的多元化發展，部分新興區塊鏈更側重于高TPS，出塊速度極快，其歷史區塊頭的體積將可能很快超過以太坊。

這樣的趨勢，給輕節點式側鏈帶來了挑戰，主要體現在兩方面：

較大的區塊頭，將使得輕節點合約變得笨重，占用目標鏈的巨大存儲空間；

源鏈較快的出塊速度，將導致輕節點合約需要頻繁的同步和驗證新區塊。

這兩者，都將造成輕節點合約在目標鏈上巨大的Gas消耗，嚴重時會使得采用輕節點側鏈技術實現跨鏈變得不具備經濟可行性。

怎么辦？回到見證人方案嗎？但輕節點式側鏈技術的優越性如此誘人，我們還是希望繼續使用它。有沒有辦法讓輕節點合約在不喪失其SPV驗證能力的前提下，對其進行改造和擴容？

區塊鏈行業的研究者們在兩個方向上對輕節點側鏈技術做了改進。首先是對輕節點合約進行“瘦身”，使其體積變得更小，且不隨區塊增加而線性增長，其次是對輕節點合約進行“減負”，將區塊驗證環節挪到鏈下，讓輕節點合約只做交易的SPV驗證。

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輕節點合約的“瘦身”

我們需要了解一個新的協議，名為“FlyClient”，該協議由斯坦福大學的BenediktBunz等人在論文《FlyClient:Super-LightClientsforCryptocurrencies》中提出的一種新型輕節點協議。Flyclient輕節點不需要存儲所有的區塊頭，而是只需存儲最新的區塊頭。通過最新的區塊頭，即可隨時“恢復”所有的歷史區塊頭。該功能是通過一種叫“默克爾山脈”的密碼學算法實現的。

默克爾山脈簡稱MMR，是默克爾樹的一種變體，我們將一條區塊鏈的所有歷史區塊的哈希值作為葉子節點，通過MMR算法，生成一個MMR根值，并將該值寫入最新的區塊頭，即可用該值去驗證所有的歷史區塊頭。

FlyClient輕節點可以不斷刪除歷史區塊頭，只保留最新的區塊頭，保持“輕盈”。當需要恢復某個區塊頭時，可以通過Relayer重新從全節點獲取，并用最新區塊頭里的MMR根值，去驗證恢復過來的區塊頭是否正確。

如果源鏈是概率最終性鏈，Flyclient輕節點在接收Relayer傳遞的最新區塊頭時，會多一個驗證步驟，那就是要求Relayer隨機提供某個歷史區塊頭，以供抽查。這樣做是為了防止一種針對Flyclient輕節點的特有的新形式的欺詐。具體的欺詐方式和抽查算法比較復雜，本節先不做展開，在后續的案例介紹章節，將結合具體的跨鏈項目進行介紹。

Flyclient輕節點真正實現了“把大象壓縮成餅干”，讓部署在目標鏈的源鏈輕節點合約可以輕裝簡行，讓輕節點側鏈式的跨鏈具有更好的經濟可行性。但對于目前大部分的區塊鏈而言，MMR根值并不是區塊頭的固定部分，因此，Relayer必須自己運行全節點，計算MMR根值，將MMR值加入區塊頭一并傳遞到輕節點中。一些較新的區塊鏈已經將MMR根值作為區塊頭的固定部分了，現有的比較成熟的公鏈，也在有人提案軟分叉升級，將MMR根值加入區塊頭固定結構中。區塊頭中固有MMR值的區塊鏈，將對跨鏈開發更加友好。

輕節點合約的“減負”

對于輕節點合約，對最新區塊頭的驗證是消耗Gas最多的環節，該環節的消耗和用戶的跨鏈請求次數沒有關系，只與源鏈的出塊速度有關系。如果源鏈出塊速度快，該環節的Gas消耗量將可能大到不可接受。

研究者們想到了通過將Gas消耗最多的新區塊驗證環節挪到鏈下進行。參考以太坊layer2的擴容方案，zkRelayer和欺詐證明兩種方案先后被提出來。zkRelayer采用零知識證明的方法在鏈下生成區塊驗證證明，并提交到鏈上，欺詐證明則是通過一套經濟激勵機制來激勵Relayer提交正確的區塊：挑戰者時刻監督Relayer提交的區塊，如果發現有惡意Relayer提交了不正確的區塊，經輕節點驗證后，挑戰者可以獲得惡意Relayer的押金，如果Relayer提交的區塊沒有被挑戰，則默認為是正確的區塊，輕節點合約直接收錄，不再做驗證。

中繼鏈

為了建立更廣泛的跨鏈網絡，我們更多時候，需要連接的不止是兩條鏈，而是很多鏈，如果在每兩條鏈之間建立上述這種雙向楔入，互為側鏈的關系，其連接數和適配成本隨著鏈的數量的增加，將會呈指數級增加，因此中繼的思路被提出來：建立一條中繼鏈，其他所有鏈都與中繼鏈建立連接，就像家里的終端設備都和路由器連接一樣。如此一來，成本立即從n(n-1)/2下降到了n。

中繼方案是側鏈方案的變體，和側鏈歸為一類技術方案，也是合理的。中繼方案具有很高的擴展性，是當前最被廣泛應用的跨鏈方案，本文為了將中繼方案充分展開闡述，將其單獨列了出來。

有時候，在雙鏈跨鏈模型中，Relayers會作為一條獨立區塊鏈的驗證者而運行，該獨立鏈被視為一個整體承擔區塊頭搬運和跨鏈消息搬運的職能，Relayers則在其內部對搬運的信息達成共識。這類獨立區塊鏈往往被稱為橋接鏈，但它不是中繼鏈。例Polygon的PoS橋，Near的PoA彩虹橋，都只是橋接鏈，不是中繼鏈。

區分兩者的關鍵，在于其跨鏈通信路徑的不同：

可以把橋接鏈理解為只是Relayers的容器，其職能依舊是搬運區塊頭和跨鏈消息，而中繼鏈則是與各接入鏈都建立互為側鏈關系的消息中轉站。很多文獻并沒有對這兩個概念做嚴格的區分，但這兩者的實質是完全不同的。

連接現有區塊鏈

中繼模式中，往往由中繼鏈的驗證人，負責承擔Relayer職能，轉發鏈間消息。相比雙向錨定，中繼鏈模式具有更多的擴展性，與中繼鏈相連接的鏈，我們稱為接入鏈。

為了連接既已存在的區塊鏈，需要用中繼鏈去分別適配接入鏈。盡管中繼鏈模式已經大大節約了連接成本，但依舊面臨以下挑戰：

要根據不同的接入鏈的特性，制定不同的適配方案，做主動兼容，工作量較大；

不同的鏈安全性有差異，會涉及到不同接入鏈的跨鏈授信問題，以保護整個跨鏈網絡的安全；

新的區塊鏈層出不窮，如果出現新特性的接入鏈，則需要開發新的適配方案

通信協議簇+造鏈協議

與主動兼容相比，有更省事的辦法，是創造一個全新的區塊鏈造鏈標準，依據該標準開發的區塊鏈，具有相同的密碼原語、共識機制和通信架構，可以很輕易的接入中繼鏈，實現被動兼容。跨鏈雙雄Polkdot和Cosmos便實踐了這樣的思路，兩者都創建了一套造鏈標準，Polkadot創造了Substrate，Cosmos則創造了CosmosSDK。盡管如此，對于已存在的重要區塊鏈，還是需要主動兼容。Polkadot和Cosmos中都設計了異構跨鏈模塊，用來連接以太坊鏈和BTC鏈。

通信協議簇+造鏈協議類的跨鏈項目被看好，關鍵原因在于有望一勞永逸的解決跨鏈問題。或許我們所期待的萬鏈互聯愿景，最終不是一個網狀結構，而是樹狀結構，那就是讓某個中繼鏈成為區塊鏈世界的layer0，其他的鏈，包括占多數的同構鏈，和占少數的異構鏈，以layer1，layer2…的形式接入。

在以中繼鏈+接入鏈的多鏈架構中，中繼鏈已經不再只是一座橋梁，而是一個中樞，我們可以稱之為“鏈樞”。鏈樞在承擔跨鏈消息傳遞的任務的同時，還需處理好鏈間消息路由，消息時序等問題。

共享驗證人

同樣作為通信協議簇+造鏈協議的Cosmos和波卡，都蘊含了中繼的思想，但稍加留意我們便發現，兩者區別十分巨大。

Cosmos的Hub和Zone之間建立的是典型的“雙向錨定”關系，Cosmos的跨鏈消息傳遞協議IBC，依舊是靠內置在接收鏈上的輕節點合約來對跨鏈消息做SPV驗證，但波卡的跨鏈消息傳遞協議XCMP中，并沒有采取輕節點式的技術來驗證跨鏈消息的合法性，而是采用了另外一種方法，PakaLabs將其提煉出來，稱之為「共享驗證人」，列為跨鏈技術的一個單獨分類。

共享驗證人方案是指多個鏈共享同一組驗證人，并由這些共同的驗證人負責驗證跨鏈消息的方案。波卡將區塊的搜集和驗證解耦為兩個職能，由兩組角色負責，分別是收集者和驗證人，每條平行鏈都有自己的收集者，但平行鏈沒有自己的驗證者，區塊驗證由中繼鏈的驗證者負責。這相當于每條平行鏈都讓渡了共識過程的一部分給中繼鏈。因此，波卡的平行鏈間可以像同一個區塊鏈的不同分區一樣交互，不再需要額外的信任機制。

需要說明的是，波卡并沒有讓所有的驗證人驗證所有的鏈，而是采取了一個更經濟的做法。在一個具體的時刻，每條平行鏈的驗證人組是不一樣的，每條平行鏈的驗證人組由中繼鏈隨機分配，每隔一段時間都會重新分配，通過這樣隨機分配的機制，讓惡意的驗證人集難以聯合作惡。這種機制，可以拿中國古代宋朝的軍事制度來類比：兵無常將，將無常兵。

波卡的共享驗證人本質上是一種分片機制，與以太坊2.0，Harmony，Near等采用分片機制提高可擴展性的區塊鏈是類似的。但不同的是，分片鏈與信標鏈是終身一體的，而波卡的平行鏈可以和中繼鏈隨時解耦，隨時耦合，當解耦時，平行鏈是一條可獨立運行的區塊鏈。

跨鏈技術的認識框架

現今活躍的跨鏈項目有近百個，不同的跨鏈橋采用不同的跨鏈技術方案，采用相同類型技術方案的項目對系統角色有著不同的設計，和不同的叫法，有對角色職能進行拆分，創造更多角色的，也有對角色職能進行合并，省略部分角色的，還有些項目綜合使用了多個跨鏈技術，可以說是，眼花繚亂，但如果認識清楚了跨鏈技術的本質，則可以做到去偽存真，透徹理解。為此，我們需要一個理解跨鏈技術的認知框架。

我們可以從跨鏈要解決的難題說起：

如何保證跨鏈事務的原子性

這個問題指的是，一個完整的跨鏈事務，必須作為一個整體，執行成功，或者執行失敗，不能存在部分成功，部分失敗的情況，否則使用跨鏈功能的用戶將有可能面臨資產損失。有兩個思路可以實現這一點：一種就是通過密碼學手段對一個跨鏈事務中的多個子交易進行耦合，例如基于哈希時間鎖的原子交換方案；還有一種方法是讓跨鏈事務的多個子交易具有嚴格的時序性，時序性包含三層含義：

只有子交易1完全成功，才能進行子交易2，以此類推，只有子交易2完全成功，才能進行子交易3；

如果子交易3失敗，則保留子交易2的成功狀態，讓用戶可以反復重試子交易3；

如果子交易3始終失敗，用戶可以先后撤回子交易2和子交易1。

除了哈希時間鎖，其他跨鏈方案大多情況下都是靠后一種方法，來保障跨鏈事務的原子性的。這里涉及到一個問題，如何判斷一筆交易，已經形成最終確定性呢？區塊鏈的共識機制有很多種，但依據其最終確定性形成機制，可以分為可證明最終性和概率最終性兩種，BFT類的區塊鏈，通過驗證人投票來確定區塊，被確定的區塊具有最終性，無法被逆轉。但非BFT類的區塊鏈，則認為最長鏈即最終鏈，但最長鏈有可能因為分叉而改變，因此，已經打包的交易可能被逆轉，面對這種情況，普遍采取的方法是等待更多的區塊確認，直到該交易所在區塊被逆轉的可能性降到極低。

由此可見，具有可證明最終性的BFT類區塊鏈，對跨鏈是更加友好的，因此，無論是Cosmos的還是Polkadot，其造鏈標準都不約而同的采用了BFT類共識機制。需要說明的是，BFT只是最終性確認的一種方式，是共識機制的一部分，盡管BFT類區塊鏈一般都是PoS共識，而非BFT類區塊鏈則一般是PoW共識，但并沒有絕對的相關關系。

如何感知另一條鏈

一個區塊鏈系統，對于另外一個區塊鏈系統來說，是封閉的，獨立的，每條鏈都是一個“WalledGarden”，無法直接感知另外一條鏈中的交易及其狀態。一條鏈對于另外一條鏈而言，是一個鏈外系統，因此一條鏈對另外一條鏈的感知，其實是個預言機問題。

因此，任何跨鏈技術，無論如何演變，都繞不開一個“中間人”的角色，系統與系統間相互獨立，那發起跨鏈交易時，目標鏈在發行映射資產之前，如何才能確認源鏈的鎖倉交易已完成呢？兩條鏈之間會由可信的“中間人”來承擔跨鏈消息的傳遞和驗證的職能。這個中間人，在見證人方案中，體現為單主體或多主體組成的見證者集，在側鏈/中繼方案中，則體現為Relayer集，在共享驗證人方案中則是共享驗證人集，只有哈希時間鎖技術在原理上是無中介的，但需要交易發起方和交易對手方同時在線，為了提高體驗，我們需要有一個中間人充當一個公共的交易對手方，或者我們稱之為流動性提供商。

在交易驗證這個環節，見證人方案中，由見證人通過運行節點或者連接其他節點來驗證交易，側鏈/中繼方案中，則通過在目標鏈上部署源鏈輕節點，來實現對源鏈消息真實性的驗證，在共享驗證人方案中，則由共享的驗證人在源鏈共識過程中完成驗證，目標鏈可以無條件信任。

如何安全的托管留置資產

留置資產托管問題，存在于跨鏈資產傳遞的場景中。如前文所述，跨鏈資產傳遞的本質是，讓資產在源鏈鎖倉留置，并在目標鏈上生成模擬資產。那么留置資產的托管安全性就是跨鏈安全性的一個重要組成部分。

有四種類型的托管地址，分別是獨立控制賬戶，多方多簽賬戶，多方私鑰分片賬戶，合約賬戶，前三者和見證人機制組合使用，形成了不同子類型的見證人機制；側鏈/中繼式的跨鏈方案中，則采取合約賬戶來托管留置資產。事實上，側鏈/中繼方案，也可以和非合約賬戶的托管方案組合，但幾乎不會有項目這么設計，因為合約賬戶具有更高的安全性，即便有項目實際這么運行，更有可能是作為托管合約開發完成之前過渡方案。

實際上，跨鏈資產傳遞的場景中，還有一種方案是不需要托管資產的，即銷毀-鑄造方案，源鏈上的資產不再鎖定，而是直接銷毀，進而在目標鏈上發行錨定資產。這種方案僅適用于耦合度很高的鏈，否則燃燒的資產，無法再反向鑄造出來，資產跨鏈后再也回不去了，這顯然是無法被接受的。波卡的平行鏈間進行通證跨鏈，用的便是Burn-Mint機制。

如何進行多鏈適配

側鏈方案進行多鏈適配的解決方案，便是中繼方案，通過中繼鏈，與接入鏈一一建立互為側鏈的關系，比接入鏈之間建立這種關系，其適配成本要低很多。盡管如此，中繼鏈主動兼容多個異構的接入鏈，還是很麻煩，需要分別去適配，不如一勞永逸，自上而下建立一套通信標準和造鏈標準，讓更多的新鏈成為可直接被動兼容的同構鏈。

見證人方案和哈希時間鎖方案，相比側鏈/中繼鏈方案更通用，前者只要在新的接入鏈上設立一個托管賬戶，即可完成對新接入鏈的兼容，后者則只需接入鏈支持哈希鎖和時間鎖功能即可兼容。

共享驗證人方案則僅適用于同構跨鏈，無法對已存在的異構鏈進行主動兼容，如果需要兼容，還需采用其他跨鏈方案。

小結

通過上述跨鏈技術概覽5個分類：

基于哈希時間鎖的原子交換

見證人機制

輕節點式側鏈

中繼鏈

共享驗證人

以及跨鏈技術的認識的4個維度：

跨鏈事務原子性

跨鏈消息驗證

資產托管

多鏈適配

我們基本可以準確把握一個跨鏈方案的脈絡，形成框架性認識。在后面的章節中，我們將對目前的典型跨鏈項目，進行舉例介紹及技術分析。

撰文：MIDDLE.X，PakaLabs研究員

審閱：ShawnLin,1PARResearch創始人

鳴謝：

Bifrost系統架構師Buffalo

Darwinia技術教育專家RobinWei

ChainX技術負責人徐留成?

在本文寫作過程中提供了咨詢幫助

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