跨链技术：解决区块链可扩展性的关键

跨链技术的首次系统提出源于以太坊创始人Vitalik Buterin于2016年9月为R3所撰写的一篇名为《Chain Interoperability》的研究论文。该论文首次系统性阐述了三种基本的跨链技术方案：

（一）公证人机制

公证人机制是指链A和链B互不信任，共同选择相信第三方的公证人，通过公证人充当可信中介的方式完成两条链之间事件信息的交换和确认。这种方式虽然结构简单，易于实现，但存在难以避免的中心化环节（即公证人），因此显得与区块链的去中心化信仰相悖。后来，为了减弱公证人环节的中心化程度，部分项目将其发展成一个由公证人组成的节点网络来充当可信中介。

（二）侧链或中继器机制

侧链和中继器机制原理非常类似，都是指假设链A向链B发送交易，链B在拿到链A的链数据后可根据一定规则自行验证，但验证规则根据区块链的数据结构不同而有所不同。以BTC-Relay为例，假设链A和链B具有相似的线性区块结构，链B通过获取链A的交易区块头Header，进而通过梅克尔树（SPV）来验证交易或事件是否确实无误的技术。而侧链的区别主要在于表达两条链之间的关系，即侧链可以感知到主链的存在并进行事件验证，但主链无法感知到侧链的存在。侧链所代表的是区块链之间的关系，而非指代一种单独的跨链技术。一般而言，侧链与主链之间存在三种锚定关系。单向锚定、对称性双向锚定和不对称性双向锚定，基本逻辑是当链A向链B转移资产时，链A首先冻结相应的资产，而链B在确认链A的资产被有效冻结后在链B释放出同等的代币即完成资产在两条链之间的转移。显然，侧链模式下，资产只能在有限的两条链之间发生转移，因此主侧链架构经常被用于公链平台的系统架构设计中，以实现功能剥离（如主链负责安全，侧链负责优化可扩展性），从而在整体上提升公链平台的dApp使用体验。

相比而言，采用中继器模式的跨链方案不局限于两条链之间的资产转移，能够灵活的增加区块链数量，实现多区块链之间的资产和数据转移，为构造基于区块链的应用互联生态提供了可能性。基于链中继技术的典型案例是Cosmos与Polkadot，下面对其作简要介绍。

1.Cosmos

Cosmos是基于Tendermint BFT共识机制的跨链平台项目，可快速创建模块化的Cosmos同构链（Zone），也可通过Bridge连接其他异构链，其整体系统架构是由众多hub中心以及与每个hub相连的多个zone构成，Zone之间不能直接通信，必须通过hub为中转环节。所有zone与hub、hub与hub之间按照IBC协议（Inter Blockchain Communication Protocol）进行数据和资产流转，共同构成了“星型拓扑结构”，其中，zone为同构的区块链，hub则是专为连接zone而设计的区块链。（图4-3-4）

图4-3-4　Cosmos系统架构示意图

（数据来源：Cosmos项目资料）

2.Polkadot

Polkadot是一个基于substrate技术，为下一代web打造的高可扩展性、互操作性好且安全的网络协议和异构多链交互架构。其系统架构主要由平行链（Parachain）、中继链（Relaychain）和转接桥（Bridge）三种关键结构，和验证者（Validators）、搜集者（Collators）、提名者（Nominators）和渔夫（Fishermen）四种系统角色组成，其中平行链主要是由用户进行创建的应用定制链，可以根据应用需求进行全方位的自定义，其进一步与中继链相连并由中继链保障安全性；中继链负责连接平行链，并为平行链提供交易验证、消息传输（交易或任意数据）的服务；转接桥主要为polkadot接入外部的独立区块链，如比特币和以太坊网络。而四种系统角色分别承担：验证者（Validators）由抵押全节点组成，负责验证平行链的交易数据，并将平行链区块头打包进中继链区块中；搜集者（Collators）主要负责搜集、打包平行链上的交易数据并将区块证明发送给验证者，此外，搜集者还可以承担渔夫的角色；提名者（Nominators）负责提出抵押并选择验证者代表他们的利益，即其所选择的验证者获得奖励与惩罚都会同样的反馈到对应的提名者；渔夫（Fishermen）监督网络中的作恶行为并获得对应的奖惩制度，可由搜集者承担，其系统架构图4-3-5所示。

图4-3-5　Polkadot系统架构图

（数据来源：Polkadot项目资料）(www.xing528.com)

（三）哈希锁定机制

哈希锁定技术源于比特币闪电网路，后被用于跨链技术中。假设A和B处于不同链上，A需要给链B进行跨链转账，将执行如下步骤（图4-3-6）：

（1）A产生一个随机密钥s并通过哈希运算得到其哈希值Hash（s）=h，将h发送给B。

（2）A和B都按照以下规则将资产锁定到一个智能合约中（支付发起方A首先锁定资产，B确认A成功锁定资产后再锁定自己的资产）：在交易发起方A而言，如果密钥s在规定的2X时间内提供给智能合约，则资产会转移给B，否则资产退回给A；在交易接收方B而言，如果在X时间内得到正确的密钥（通过哈希函数运算Hash（s）可以进行验证），则资产被转移给A，否则资产将被退回给B。

图4-3-6　哈希时间锁技术原理图

（数据来源：Bitcoin Magazine）

（3）A为了从B的智能合约中获得资产需要在X时间内将密钥s透露给B，而B则可以通过得到的密钥从A的智能合约中获取资产。

综合而言，跨链技术所解决的问题并非是简单的资产和数据跨链转移，其最终目标仍然是期望通过基础设施的完善打破区块链的可扩展性瓶颈，同时降低区块链的开发成本。跨链技术将为区块链带来以下两个维度的可扩展性升级：

（1）垂直可扩展性。垂直可扩展性是指在由众多平行链组成的跨链网络中，每一个区块链本身可以基于应用链的思想进行定制和优化（如采用更高效的共识机制和对其他组件进行优化），实现区块链本身即为应用本身，从而更加契合应用程序的性能要求，有利于减少对应用程序优化设计的限制（如Cosmos的Zone和Polkadot的平行链设计）。在这种定制化的应用链中，最大的性能瓶颈将来自应用设计本身。

（2）水平可扩展性。即使对共识算法和其他组件进行优化，区块链的垂直扩展性仍然存在性能上限，即区块链本身的性能极限。与链上分片技术类似，成熟的跨链技术将有可能允许多链共同维护和支持同一个应用程序，整个应用程序的性能上限将与所部署的区块链单链个数成正比，从而突破单链对应用程序的性能限制。