技術 | Cosmos跨鏈協議IBC的來龍去脈_IBC

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。

山東省人力資源和社會保障廳：利用區塊鏈技術 實現電子檔案材料的分散式存儲:山東省人力資源和社會保障廳探索實現退休審核由“現場面對面”到“掌上不見面”轉型，推動“掌上辦”“零跑腿”“不見面”“無紙化”變革，并運用區塊鏈技術實現電子檔案材料的分散式存儲，經技術識別后導入核心平臺，審核業務隨時可查詢、永久可回溯。(齊魯網)[2020/5/8]

▲?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。

聲音 | 李國慶：區塊鏈吸引我的不是技術 而是生產關系重構:12月30日下午消息，在2019新經濟年會上，早晚讀書總編輯、當當創始人李國慶演講時提到，區塊鏈對他的吸引不是技術，而是生產關系的重構。（新浪科技）[2019/12/30]

▲?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。

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。

公告 | 安永發布第三代零知識證明區塊鏈技術 可通過批量處理降低交易成本:據安永官網今日公告，安永已在以太坊公共區塊鏈上的公共領域發布第三代零知識證明（ZKP）區塊鏈技術。第三代ZKP區塊鏈技術可通過在一次交易中將多個私人轉讓批量處理來顯著降低交易成本，有助于使公共區塊鏈上的私人交易更具可擴展性。[2019/12/19]

在此基礎上提出了以下幾個關鍵定義：

Client

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。

接下來我們來看一下一次完整IBC協議的握手和通信流程。

動態 | GSA標準發展區塊鏈技術 2019年啟動項目試點:據中國水產養殖網報道，全球海洋保障（GSA）標準將國際多項標準基準進行重新組合，并發展區塊鏈技術，可追溯系統覆蓋全供應鏈，2019年啟動項目試點。“全球海鮮保障（Global Seafood Assurances，GSA）”是一家非盈利組織，由全球水產養殖聯盟（GAA）創建，旨在為海產品全供應鏈提供參考基準，包括水產養殖和海洋捕撈兩大板塊。[2018/11/17]

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。

省廣股份：具備區塊鏈相關技術 正在布局:省廣股份今日在互動平臺表示，公司目前在區塊鏈領域具備相關技術，通過自主研究及第三方合作的方式進行區塊鏈領域的布局。公司積極關注區塊鏈技術的應用與發展，根據行業領域特點圍繞自身業務進行相關的拓展和研究。[2018/1/16]

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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