區塊鏈:技術 | Cosmos跨鏈協議IBC的來龍去脈

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。

現場丨西安市大數據資源管理局副局長：西安將充分利用區塊鏈技術 打造數字經濟名城:金色財經現場報道，10月15日，在由西安市大數據資源管理局主辦，西安市區塊鏈技術應用協會等單位承辦，金色財經和IPFS100.COM等聯合承辦的首屆中國（西安）區塊鏈產業發展論壇上，西安市大數據資源管理局副局長張偉明發表致辭指出：“西安在2019年制定了在重點領域應用區塊鏈技術大發展的相關計劃與目標。未來，西安將充分利用數字化技術和智能化設施，積極探索城市全新治理模式，開展數據的動態采集、實時監測和智能分析，為城市治理提供科學依據；也將充分利用區塊鏈技術，強化網絡技術基礎設施建設，推動5G技術在城市社區的普及應用，著力提高社區管理的能力和水平。尤其是應推動數字化技術在交通、環境、市政等民生領域的應用，加快推進城市傳統基礎設施的數字化改造和升級，不斷提升城市公共服務的精細化、智能化、智慧化水平。”[2020/10/15]

▲?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。

聲音 | 大連港：將繼續開拓區塊鏈技術 深入開展創新工作:金色財經報道，大連港(601880)被提問“除了區塊鏈電子放貨平臺之外，接下來還有什么區塊鏈項目落地”時表示，目前，大連港利用區塊鏈的去中心化、不可篡改、共享賬本等特征所建立的區塊鏈信任機制，使業務信息公開透明公正，借助區塊鏈的數據加密作用強化數據信息安全功能，確保數據的安全性、完整性和一致性，使船、輪駁公司、智慧港口平臺各方都能實時、安全、無縫地傳遞拖輪作業信息，實現全程留痕和全程可追溯，滿足輪駁業務的安全性和準確性要求。未來大連港還將繼續開拓區塊鏈技術業務實現場景，深入開展創新工作，在全港口領域推行區塊鏈技術應用落地。（上證e互動）[2019/10/30]

▲?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 | 中國工程院院士：區塊鏈產業化需克服技術 應用場景 標準的挑戰:深圳商報報道，中國工程院院士柴洪峰表示，區塊鏈作為一項新技術從最初的萌芽到熱炒，再到實現大規模的產業應用，一般需要五到十年的成熟發展周期。區塊鏈在金融行業應用尚處早期階段，并不成熟，需要努力克服一系列的技術、應用場景、標準的挑戰，方能實際發揮作用。[2018/8/23]

▲?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。

銀行助力雄安新區：投放最先進技術 種樹也用區塊鏈:“千年秀林”在雄安新區規劃公布之前已開始實施，2018年要再造10萬畝苗景兼用林，未來新區森林面積達百萬畝。這個項目就是運用區塊鏈技術來管理財務。通過銀企直聯，將植樹造林資金支付鏈條延伸至付款末端，工程款、勞務工作的支付均在鏈上完成，確保專款專用。農行是支付合作銀行之一，中標企業開立農行賬戶后，利用文件證書形式將賬戶導入到區塊鏈平臺，并完成平臺注冊和登錄，之后資金支付就在平臺上發起。[2018/4/16]

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。

在此基礎上提出了以下幾個關鍵定義：

Client

Connection

衛士通表示正在研發區塊鏈技術 股價上漲5%:衛士通(002268)11日午間在互動平臺表示，公司在區塊鏈領域有專門人員進行技術研究。衛士通股價午后大漲，截至發稿上漲近5%。[2018/1/11]

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。

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。

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

Tags：區塊鏈IBCOSMCOSM區塊鏈運用的技術不包括iBCHCosmic Chain

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