MSG:科普 | 走進Cosmos之入門

作者簡介

江哲

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

導讀

跨鏈作為近兩年來區塊鏈技術一個炙手可熱的方向，吸引了許多人的目光。

從技術層面看，Cosmos無疑可以與Polkadot并稱“跨鏈雙雄”，兩者的技術路線并無明顯的優劣之分，只是開發理念各有千秋。

Cosmos最初是由Tendermint團隊構建的開源社區項目，它將自己定義為“一個由多條獨立平行區塊鏈組成的去中心化網絡”，和Polkadot一樣，也由中繼技術實現。

Cosmos到底是如何解決跨鏈過程中遇到的各項問題的，本文通過對其架構和跨鏈交易流程的解讀，帶我們進一步了解Cosmos。

什么是Cosmos

Cosmos作為跨鏈雙雄之一，定位為一個可擴展、易用、互操作的區塊鏈互聯網。

首先介紹Cosmos的三個重要組成部分

Hub：本質上是一條中繼鏈，由官方進行維護，被當作跨鏈消息的信任中心；

Zone：參與到Cosmos網絡中的應用鏈，允許不同類型的區塊鏈加入進來；

IBC：鏈間通信協議。

他們三者的關系我們從上面的簡圖中看到，位于中心的是Hub。

Hub管理著許多被稱為“Zone”的應用鏈，在Ｃosmos網絡中，由Hub來追蹤記錄各個Zone的狀態，而每一個Zone有義務不停地把自身產出的新區塊反向匯報給Hub。

Hub與Zone直接通信，而Zone與Zone之間通過IBC間接通信。

歐科云鏈集團正式啟動區塊鏈科普行動“星途計劃”:歐科云鏈集團于4月26日，正式宣布啟動了區塊鏈科普行動——“星途計劃”，行動包括將在全國范圍展開系列沙龍，加大力度推進區塊鏈科普進機關、進國企、進校園等，聯合政府部門、行業協會等共同構建起更加完善和有效的區塊鏈科普教育生態，與此同時，直擊區塊鏈科普現存痛點，推出簡單易懂的“秒懂區塊鏈”公益短視頻課。

該計劃旨在全維度推動社會建立對產業更清晰的認知，與“鯤鵬計劃”一道助力數字經濟及區塊鏈產業本身健康發展夯實“人才”和“產業認知”兩大基礎。[2021/4/26 20:59:37]

當Zone對Hub建立起一個IBC連接，它可以自動訪問其他連接到該Hub上的Zone，這意味著Zone無需與其他Zone連接，而僅僅連接到Hub上即可。

當一個Zone通過Hub收到來自其他Zone的代幣時，它只需要信任Hub，而不需要信任網絡中所有其它的Zone。

為什么Cosmos不直接利用IBC建立Zone與Zone之間的連接？

事實上，隨著接入到網絡中Zone的數量上升，以直連方式實現通信會導致鏈路數量呈平方級上升，如此快速的增長顯然會令網絡不堪重負。

Cosmos架構

Cosmos作為一個多鏈互操作的跨鏈平臺，支持不同種類應用鏈接入到Cosmos的網絡，如圖所示：

一般來說，應用鏈可以分成兩種類型：概率鏈和確定性鏈。

概率鏈是指只能根據區塊鏈網絡參與者在不同分叉鏈上的比例，而以一定概率認為某條鏈是主鏈。一般來說比特幣通過6個區塊以上來達到確認，而以太坊通過15個區塊以上來達到確認。

人大附中物理老師李永樂科普拜占庭將軍問題和區塊鏈:5月14日，人大附中物理老師、科普視頻網紅李永樂在其公眾號發布視頻《拜占庭將軍問題是什么？區塊鏈如何防范惡意節點？》。李永樂老師在視頻中對拜占庭將軍問題和區塊鏈進行了講解，他表示，拜占庭將軍問題本質上指的是，在分布式計算機網絡中，如果存在故障和惡意節點，是否能夠保持正常節點的網絡一致性問題。在近40年的時間里，人們提出了許多方案解決這一問題，稱為拜占庭容錯法。例如蘭波特自己提出了口頭協議、書面協議法，后來有人提出了實用拜占庭容錯PBFT算法，在2008年，中本聰發明比特幣后，人們又設想了通過區塊鏈的方法解決這一問題。區塊鏈通過算力證明來保持賬本的一致性，也就是必須計算數學題，才能得到記賬的權力，其他人對這個記賬結果進行驗證，如果是對的，就認可你的結果。與拜占庭問題比起來，就增加了叛徒的成本。[2020/5/14]

確定性鏈指的是每個區塊的狀態都是確定的，在未來的任意時刻你都可以從創始塊開始復現推演每個區塊的狀態。

Cosmos中的Hub理論上可以接入上述兩者，只不過對于概率鏈的支持在實踐中要相對麻煩一些。這是因為從底層設計來講，IBC跨鏈通信協議發揮作用的前提在于區塊鏈的不可逆。?

所以Cosoms試圖通過“PegZone”橋接鏈來實現概率鏈的互操作性。PegZone是追蹤記錄另一條區塊鏈狀態的區塊鏈，它要將自己橋接的某條概率鏈上的狀態確定為不可逆的，使得這些狀態得以與IBC兼容。

其中這里的ABCI是應用層的區塊鏈如何與共識層交互的接口，共識層和網絡層是由CosmosSDK底層實現，只需實現相關的ABCI接口即可自行搭建一條鏈。

ABCI接口和CosmosSDK會在接下來的Cosmos系列中會詳細介紹。

聲音 | CNBC主持人：加密貨幣最大的缺點之一就是難以向外行快速科普:CNBC主持人Ran NeuNer近期發推稱，加密貨幣最大的缺點之一就是很難向外行快速解釋。當人們要求我向他們解釋比特幣時，我知道他們至少需要一個小時才能真正理解。[2019/9/10]

交易流程

接下來介紹Cosmos的交易流程，Cosmos的交易分為普通交易和跨鏈交易，普通交易通過應用鏈內的共識上鏈，跨鏈交易通過IBC跨鏈協議進行交易。

▲?普通交易

Cosmos的普通交易和以太坊類似，也是一個帳戶模型，有著From，To和Amount關鍵字段。

普通交易Msg：

typeMsgSendstruct{FromAddressgithub_com_cosmos_cosmos_sdk_types.AccAddressToAddressgithub_com_cosmos_cosmos_sdk_types.AccAddressAmountgithub_com_cosmos_cosmos_sdk_types.Coins}交易流程

接下來介紹一筆普通交易的流程，例如Alice轉給Bob100atom代幣。

1.Tendermint收到該筆交易，調用BaseApp的CheckTx校驗該筆交易的有效性；

2.Tendermint出塊，調用BaseApp的BeginBlock，檢查區塊的高度、Gas消耗情況和節點投票情況；

3.Tendermint調用BaseApp的DeliverTx，執行區塊中的交易；

4.減少Alice100atom，增加Bob100atom，存儲Alice和Bob的賬本。

動態 | 央行官微舊文重發“再科普”：范一飛詳解數字貨幣:據中國經濟網消息，今日，央行官微公眾號頭條重新發布央行副行長范一飛在2018年1月25日題為《關于央行數字貨幣的幾點考慮》的文章，對央行數字貨幣再次進行科普。同時，微信公眾號第二條發布支付司副司長穆長春8月10日在第三屆中國金融四十人伊春論壇上的演講。近年來，各主要國家和地區央行及貨幣當局均在對發行央行數字貨幣開展研究，新加坡央行和瑞典央行等已經開始進行相關試驗，人民銀行也在組織進行積極探索和研究。[2019/8/21]

5.區塊內交易全部執行完成后，Tendermint調用BaseApp的EndBlock收尾，包含執行完成后的事件和相關的驗證者集合等等；

6.Tendermint調用BaseApp的Commit，IavlStore構建MerkleTree；

7.通過返回的MerkleTreeRoot生成區塊哈希，進行一下輪出塊。

▲?跨鏈交易

交易結構

IBC協議中包含了三個主要的交易類型：

MsgPacket：定義了IBC協議的跨鏈交易數據包，包含跨鏈交易、目的鏈的超時高度和時間戳。

/IBC數據包typeMsgPacketstruct{PacketProofcommitmentexported.ProofProofHeightuint64Signersdk.AccAddress}//數據包定義了一種通過IBC跨不同鏈傳輸數據的類型typePacketstruct{//跨鏈交易數據Databyte//number對應于發送和接收的順序，必須按序發送和接收Sequenceuint64//標識來源鏈上的端口SourcePortstring//標識來源鏈上的通道SourceChannelstring//標識目的鏈上的端口DestinationPortstring//標識目的鏈上的通道DestinationChannelstring//標記數據包超時的區塊高度TimeoutHeightuint64//數據包超時的區塊時間戳TimeoutTimestampuint64}MsgAcknowledgement：定義IBC協議的響應數據包，包含跨鏈交易執行成功或者失敗的狀態。

財政部副部長朱光耀：數字經濟還處在發展的過程中，要以科普、推動的態度來推進數字經濟發展:今日，在中國發展高層論壇2018年會上，財政部副部長朱光耀表示：“數字經濟還處在發展的過程中，要以科普、推動的態度來推進數字經濟發展。也要關注數字經濟的其他影響，包括稅收征管、反洗錢監管措施等要跟上。”[2018/3/25]

/IBC響應數據包typeMsgAcknowledgementstruct{PacketAcknowledgementbyteProofcommitmentexported.ProofProofHeightuint64Signersdk.AccAddress}MsgTimeout：定義IBC協議的超時數據包，包含下一個接收包的序列號。

//IBC超時數據包typeMsgTimeoutstruct{PacketNextSequenceRecvuint64Proofcommitmentexported.ProofProofHeightuint64Signersdk.AccAddress}當應用鏈雙方在Hub注冊后，彼此發現就可以通過路由進行跨鏈交易。

IBC跨鏈流程

我們通過一個例子來介紹IBC的跨鏈交易，ChainA和ChainB都是基于CosmosSDK搭建的應用鏈，Relayer作為一個鏈下中繼負責輪詢和路由IBC的數據包，這里的大致流程如下所示：

ChainA->relayer->hub->relayer->ChainB為了更加清晰的描述ChainA的跨鏈交易是如何到達ChainB的，relayer和hub之間只是負責路由，這里簡化了relayer到hub之間的過程。

ChainA的Alice轉給ChainB的Bob100atom

1.ChainA的Tendermint收到該筆交易，調用BaseApp的BeginBlock，檢查區塊的高度、Gas消耗情況和節點投票情況；

2.執行區塊中的交易，減少Alice100atom，增加托管賬戶Escrow100atom，存儲Alice和Escrow的賬本。

3.構建跨鏈交易MsgPackage數據包，根據DestinationChannel和DestinationPort定位Outgoing隊列，將MsgPackage存入該隊列；

4.區塊內交易全部執行完成后，Tendermint調用BaseApp的EndBlock收尾，包含執行完成后的事件等等，?再調用BaseApp的Commit，調用IavlStore持久化等操作；

5.IavlStore通過當前所有的IavlTreeRoot構建MerkleTree；

6.ChainA的Tendermint通過Treeroot生成區塊哈希；

7.ChainA的Tendermint準備進行下一輪出塊；

8.中繼器Relayer輪詢ChainA的Out隊列，發現Outgoing隊列存在MsgPackag；

9.中繼器Relayer解析MsgPackage數據包來源和目的；如果發現ChainB的區塊高度大于超時高度，移除ChainA的MsgPackage，向ChainA的inComming隊列發送MsgTimeout數據包；

10.中繼器Relayer向ChainB的Incomming隊列發送包含MsgPackage數據包，ChainB隨后解析MsgPackage，驗證MsgPackage的有效性；

11.托管賬戶Escrowmint100atom，然后向Bob發送100atom；

12.ChainB構建MsgAcknowledgement數據包，中繼器Relayer輪詢ChainB的Incomming隊列，將其放入ChainB的Outgoing隊列；

13.ChainA收到ChainB的MsgAcknowledgement或者MsgTimeout數據包，如果MsgAcknowledgement包含執行失敗的狀態或者存在MsgTimeout數據包，則根據數據包內的信息進行向托管賬戶贖回對應的金額。

跨鏈難題

▲?Relayer作惡問題

場景描述：Relayer是鏈下的一個傳遞跨鏈消息的組件，任何人可以啟動Relayer來傳遞消息。

方案：所有驗證在鏈上進行，Ｒelayer只做消息傳遞。

效果：可多個Ｒelayer同時工作，跨鏈消息的有效性和有序性的保證和Ｒelayer無關，至少一個不作惡Ｒelayer即可工作

▲?跨鏈存在性證明

我們可以看到，在每個IBC數據包的結構中都包含：

struct{Proofcommitmentexported.ProofProofHeightuint64Signersdk.AccAddress}其中ProofHeight是對應的區塊高度，Proof是MerkleProof，Signer是發送者的地址，跨鏈雙方維護對方的輕節點，提供類似SPV證明的機制。

▲?跨鏈交易事務

IBC跨鏈協議中定義了兩種關于包含狀態的跨鏈交易數據包：

MsgAcknowledgement：定義IBC協議的響應數據包，包含跨鏈交易執行成功或者失敗的狀態。

//MsgAcknowledgementreceivesincomingIBCacknowledgementtypeMsgAcknowledgementstruct{PacketAcknowledgementbyteProofcommitmentexported.ProofProofHeightuint64Signersdk.AccAddress}MsgTimeout：定義IBC協議的超時數據包，包含下一個接收包的序列號。

//MsgTimeoutreceivestimed-outpackettypeMsgTimeoutstruct{PacketNextSequenceRecvuint64Proofcommitmentexported.ProofProofHeightuint64Signersdk.AccAddress}來源鏈通過MsgAcknowledgement數據包，可以判斷跨鏈交易是否執行成功，如果執行失敗來源鏈做出相對的回滾。

來源鏈通過MsgTimeout數據包，可以判斷一個跨鏈交易的數據包是否超時，如果超時來源鏈做出相對的回滾。

結論

總體來說，Cosmos作為與Polkadot齊名的跨鏈雙雄之一，在架構設計和IBC跨鏈協議上有許多值得我們學習借鑒的地方。

接下來的Cosmos系列文中會詳細介紹IBC協議和Tendermint共識詳解，敬請期待！

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