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區塊鏈:技術 | Cosmos跨鏈協議IBC的來龍去脈

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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。

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▲?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。

▲?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。

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▲?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。

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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

Channel

下圖是IBC協議和TCP相關概念的對比。

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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。

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▲?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IBCCOSOSMO為什么要有區塊鏈IBCoincosmos幣官網

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