區塊鏈:深入理解三種跨鏈技術：HTLC、共識跨鏈和中繼跨鏈

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：

高鴻股份：公司正在深入研究可信計算在區塊鏈的應用:高鴻股份在互動平臺表示，公司正在深入研究可信計算在區塊鏈的應用，可信計算可以有效提高區塊鏈節點設備的安全，并保護底層軟件不被滲透和篡改。公司計劃為區塊鏈產業提供以可信計算為核心的安全加固技術支持。（財聯社）[2021/4/19 20:36:09]

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。

國務院辦公廳盧向東：區塊鏈等新技術與政府業務深入融合:10月12日，第三屆數字中國建設峰會數字政府分論壇在福州召開。國務院辦公廳電子政務辦公室主任盧向東表示，黨中央、國務院作出推進數字政府建設的重要決策部署，意義重大，影響深遠。目前推進數字政府建設已經具備良好的支撐條件。當前，5G網絡覆蓋范圍不斷拓展，云計算統籌優化基礎設施資源，物聯網、大數據、人工智能、區塊鏈等新技術與政府業務深入融合，新一代信息技術為數字政府建設提供了強有力的技術保障。（經濟參考報）[2020/10/15]

02跨鏈橋-基于共識

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。

外匯局山西省分局深入推進跨境金融區塊鏈服務平臺試點工作:疫情期間，外匯局山西省分局深入推進國家外匯管理局推出的跨境金融區塊鏈服務平臺的試點工作，專題調研全省中小微外貿企業融資現狀；深入宣傳，促進更多中小微外貿企業了解區塊鏈平臺融資的便利性；加強推動，鼓勵銀行對中小微外貿企業建立專營服務機制；及時引導，推進銀行主動對接中小微外貿企業，開展出口應收賬款融資；“點對點”輔導，加快推進地方法人銀行上線區塊鏈平臺，挖掘中小微外貿企業融資需求。通過外匯局的有效措施，銀行對中小企業融資的積極性有了明顯提高，企業對區塊鏈融資的便利性也越來越了解，銀行擴大了對中小微企業的融資規模，企業獲得了便捷的融資，實現了“一項政策、多方共贏”。截至今年3月底，16家銀行加入了區塊鏈平臺，全省通過區塊鏈平臺累計放款7.65億美元。山西省涉外中小微外貿企業復工復產1458戶，復工率達91%。（金融時報）[2020/4/9]

聲音 | 王天宇：打造銀企協同平臺 深入拓展人工智能、區塊鏈等的應用:據證券日報消息，10月19日，2019第四屆中國物流與供應鏈金融峰會暨第三屆中國商貿物流銀行聯盟峰會在鄭州舉行。中國商貿物流銀行聯盟主席王天宇表示：“我們聯盟有銀行、有電商平臺，有行業的龍頭，匯聚了金融商貿的領軍企業，今后共同打造銀企的協同平臺，免費為聯盟平臺提供金融服務科技，深入拓展人工智能、區塊鏈、大數據、物聯網等的應用，加速金融科技賦能，創新商業模式和業態，發揮聯盟成員互補優勢，加快信息流、商流、物流、資金流的四流合一，融合發展互利共贏。”[2019/10/20]

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。

中國科技大學原黨委書記郭傳杰：要促進區塊鏈等技術在教育領域的深入應用:5月30日，第四屆“互聯網+教育”創新周在北京閉幕。中國科技大學原黨委書記郭傳杰表示，要促進人工智能、云計算、大數據、區塊鏈、物聯網等技術在基礎教育研究領域的深入應用，提升互聯網和教育的深度融合及創新。[2018/6/2]

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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