深入理解三種跨鏈技術：HTLC、共識跨鏈和中繼跨鏈_區塊鏈

來源：星想法

作者：StarLi

原標題：《跨鏈-技術分類總結》

最近看了看跨鏈相關的項目，總結一下跨鏈的相關技術。所謂“跨鏈”，一條鏈上的“跨鏈”語義能在另外鏈上正確執行。目前跨鏈項目主要實現在一個鏈上的資產映射到另外一條鏈上。從技術角度看，個人認為目前跨鏈技術主要有三種：HTLC，跨鏈橋和跨鏈橋。相關的技術以及項目總結如下圖：

01HTLC

HTLC原理比較簡單：

GameStop董事會成員Larry Cheng計劃深入研究加密貨幣:金色財經報道，6月初被選為GameStop董事會成員的Larry Cheng在推特上宣布，本月他將休兩天假，以加深對加密貨幣的了解。這位企業家正在向他的粉絲征求有關如何打發這些時間的建議。據悉，Cheng已宣布持有GameStop 13%的股份。[2021/11/13 6:49:48]

如果Alice和Tom之間想交換資產，Alice先創建HTLC，Tom接著創建具有同樣Hash的HTLC。簡單的說，Tom和Alice創建了具有同樣秘鑰的“鎖”，鎖住各自資產。當Alice用秘鑰打開Tom的資產時，Tom用同樣的秘鑰可以打開Alice的資產。當然，Tom和Alice都需要確認資產和鎖的時間。

通過HTLC實現跨鏈，簡單并且保證了交易雙方的原子操作，但是要求兩條鏈都支持智能合約，限定了兩個交易方并且交換的資產不可分割。事實上，為了保證交易雙方有效交易，交易雙方需要額外的溝通渠道預先達成共識。

聲音 | 中國互金協會副秘書長：我國區塊鏈在金融領域應用總體處于早期嘗試向深入探索轉變的過渡階段:金色財經報道，11月20日，“金融進化論：2019新京報金融科技論壇”上，中國互金協會副秘書長楊農表示，當前，我國區塊鏈在金融領域應用，已在供應鏈金融、金融數據共享和金融信息存證等場景中形成了一些落地案例，總體處于早期嘗試向深入探索轉變的過渡階段，且呈現出探索性應用數量較多、參與主體較為多元、底層技術原創有待加強等特點。同時，區塊鏈在我國金融領域的應用探索也面臨著如下幾個方面的挑戰：技術層面仍難以兼顧部分金融應用場景對安全、功能和性能的要求；研發層面自主創新有待加強，對國外開源程序的廣泛應用可能導致技術依賴風險；業務層面部分金融應用環節尚存在模糊地帶，部分機構在開展區塊鏈應用創新時缺少權威的第三方評估意見作為參考；治理層面存在法律規制困難，如鏈上資產和智能合約等方面的法律有效性界定不清晰。[2019/11/22]

02跨鏈橋-基于共識

聲音 | 天津市委常委：區塊鏈等科技同經濟等深入協同，城市建設步入城市化3.0的時代:據環球網報道，以“科技賦能城市與區域治理創新”為主題的天津論壇2019于19日在天津拉開帷幕。天津市委常委、教委工委書記于立軍表示，智慧是城市的靈魂，是城市的精氣神，當前新一輪科技革命和產業變革不斷推進，特別是人工智能、區塊鏈和云科技同經濟、社會、文化、生態深入協同，城市建設步入了城市化3.0的時代。[2019/10/20]

基于其他共識的跨鏈橋邏輯上比較好實現，由共識確認一個鏈上的事件，并在另外一條鏈上執行。整個橋的安全性取決于共識的強弱。共識，除了傳統意義的共識機制外，還包括多方計算和多簽。

03跨鏈橋-基于輕客戶端

為了在一條鏈上能驗證另外一條鏈上的信息，在這條鏈上“運行”另外一條鏈的輕客戶端。通常輕客戶端都是基于SPV協議。SPV源自BTC，主要用在PoW共識的鏈中。Celo和Harmony也針對自己鏈的共識算法實現了輕客戶端。純粹的PoS共識的鏈比較難實現輕客戶端，因為共識依賴Staking，而Staking由交易組成。為了實現輕客戶端，窮舉Staking交易不現實。

政策 | 人民銀行副行長范一飛：要深入推進央行數字貨幣研發:據中國人民銀行消息，人民銀行黨委委員、副行長范一飛強調，要加大改革創新力度，深入推進央行數字貨幣研發，進一步完善紀念幣發行機制，探索多元化發行基金倉儲模式，推動鈔票處理業務轉型。四是著力維護現金流通秩序，繼續推動大額現金管理先行先試，建立整治拒收現金長效機制，健全現金機具管理機制，進一步推進反假貨幣工作重心前移，加強虛擬貨幣監測監管。[2019/2/22]

跨鏈橋的兩個鏈互相通過輕客戶端驗證對方鏈的狀態。這種跨鏈橋依賴Relay，及時同步鏈的區塊頭信息。因為要同步區塊頭，需要如下的一些因素：

1/同步頻次和費用：在另外一條鏈上存儲區塊頭信息需要費用。特別是tps比較高的鏈，區塊比較多。

動態 | 人民日報：深入實施國家大數據戰略 應突破區塊鏈等十大技術瓶頸:9月14日訊，人民日報發文表示，深入實施國家大數據戰略，應集中力量協同攻關，突破大數據的十大技術瓶頸，包括數據供給層面的區塊鏈技術、數據交換技術，數據處理層面的大數據存儲管理技術、分布式計算技術、編程語言技術，數據分析層面的大數據基礎算法、機器學習、數據智能技術，大數據應用層面的大數據可視化、真偽判定技術。[2018/9/14]

2/確認主鏈以及區塊確認：根據鏈的共識，通過區塊頭信息確定主鏈。以PoW的鏈為例，區塊確認一般通過后續區塊個數確認。

優化同步費用有幾種思路：1/隨機挑戰2/zk-SNARK。選一些典型介紹：

BTCRelay采用傳統的SPV輕客戶端的實現方式實現從BTC到ETH的跨鏈。顯然為了同步BTC的區塊頭，在ETH消耗Gas。在以太坊Gasprice比較高的情況下，同步費用比較高。

FlyClientFlyClient采用隨機挑戰和MMR（MerkleMountainRange)的技術，降低輕客戶端同步區塊的個數。隨機挑戰的目的是在一定范圍的區塊并不需要全部同步到鏈上，隨機抽取一些區塊同步。為了在鏈上能驗證沒有抽取到的區塊，所有的區塊信息通過MMR組織在一起。MMR是一種變種的Merkle樹，適用于追加節點的場景。MMR，相對于普通二叉的Merkle樹，具有更新葉子結點代價小的特點。

zkRelayzkRelay也嘗試降低鏈上輕客戶端同步區塊的費用。和FlyClient不同，zkRelay采用的是zk-SNARK證明。將一段范圍內的區塊有效性，通過將鏈下證明提交到鏈上，鏈上只需要檢查證明是否有效。

CeloCelo是個有意思的項目。Celo項目本身和跨鏈沒有什么關系，但是給輕客戶端提供了一些新思路。為了實現更輕客戶端，Celo采用遞歸零知識證明技術，將區塊頭的連接信息進行遞歸證明。一個證明就能證明從創世區塊到當前區塊的合法性。一個輕結點，只需要同步最新的證明就能確定所有區塊的有效性。

Summa(StatelessSPV)上述的項目，還都是在降低輕客戶端鏈上同步代價方面做優化。Summa提供了一個全新的思路：

摘抄自Summa介紹的PPT。Summa項目觀察到一個有趣的事實：一條鏈的區塊頭在另外一條鏈上同步了，但是很多區塊有可能是浪費的。原因是并沒有需要證明的交易在這些區塊中。Summa假設了一種“Ecnomic“安全的做法：證明一個交易在一個區塊中，并且區塊后有若干區塊確認。Summa認為在偽造的區塊后連續出塊是一個非常不經濟的做法，有這樣的算力應該去計算真正的區塊。使用這種方式，在鏈上不需要存儲輕結點信息，只需要在一個交易需要證明時提供相應區塊以及確認區塊的證明即可。這樣的方式也稱為StatelessSPV。當然這種經濟安全假設需要推敲，特別是在難度較低的情況下，偽造區塊以及確認區塊相對比較容易。

Xclaim針對傳統的沒有鏈上計算能力的鏈，不可能在鏈上實現其他鏈的輕客戶端。也就是說，如果只是通過鏈上輕客戶端的方式，在這些鏈上只能實現單向的跨鏈。為了在這些鏈上也實現雙向跨鏈，Xclaim在引入抵押角色的情況下實現資產雙向映射。Xclaim在論文中提出了三種操作：issue，swap，redeem。以issue和redeem為例，看看抵押角色的作用：

大部分鏈都支持轉賬功能。抵押者作為中間人，在另外一條鏈有抵押的情況下，接受其他人的資金的轉賬。轉賬發起者，可以通過輕客戶端驗證的方式在另外鏈上證明交易合法。在另外一條鏈上，驗證合法的跨鏈交易后，進行轉賬。

在一條鏈上提出burn操作后，抵押者觀察到后，主動先發起轉賬。并在轉賬成功后，向另外一條鏈上的智能合約提供交易證明“贖回”資金。簡單的說，在兩條鏈只要有一條支持智能合約的基礎上，通過抵押者角色，可以完成雙向跨鏈的操作。根本原因就是鏈上的轉賬交易能夠被確認驗證。

總結：

跨鏈是個復雜的話題。通過其他共識實現跨鏈相對簡單現實。HTLC能實現交易雙方的原子操作，但是限定交易為兩方，而且為了提供交易的效率需要交易雙方預先溝通。通過在鏈上實現輕客戶端驗證其他鏈的狀態是一直探索的方向。對于PoW鏈，鏈上實現輕客戶端需要考慮區塊頭同步成本以及主鏈確認邏輯。

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