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独家 | 跨链通信:区块链技术发展的新趋势

本文作者:温晓桦 2017-02-15 11:48
导语:在区块链面临的诸多问题中,网络孤立性阻碍了不同区块链之间的协同操作,近年来区块链间协同操作的需求越发强烈,解决区块链网络互通问题成为了区块链技术发展的的新趋势。

雷锋网(公众号:雷锋网)按:本文作者是众安科技安链云团队,雷锋网独家约稿。

区块链技术是一种分布式账本技术,可以被应用在金融、健康医疗、供应链、资产管理等诸多领域,但是受吞吐量、网络孤立性、监管、伸缩性等因素的制约,目前的区块链项目并不能很好的服务于商业应用。在区块链所面临的诸多问题中,网络孤立性阻碍了不同区块链之间的协同操作,极大程度的限制了区块链的发挥空间。

关于不同区块链协同操作的探讨早已有之,我们对此也并不陌生,如以BTC-Relay、元素链为代表的侧链、Factom等的一些探索。不过,受制于区块链自身发展阶段和大众认知的影响,这些项目所引起的关注远远不够。近年来,随着区块链技术的逐渐发展,打破不同区块链间通信壁垒的需求呼之欲出,区块链间协同操作的需求越发强烈,使解决区块链网络互通问题成为了区块链技术发展的的新趋势。

打破网络孤岛

对于区块链通信的孤岛状态,目前已经出现了一些大胆的概念验证并取得了实质性的进展。

早期跨链技术包括以Blockstream为代表的侧链技术(Sidechain)和以BTC-Relay为代表的中继技术(Relay)。早期的跨链技术更多关注的是资产转移,现有项目更多关注的是链状态的转移。

Ethereum

以太坊可扩展性计划经常被提到,它更多的是建立在一套以太坊网络协议之上,形成多个片区,即分片,严格来讲这还不是跨链技术。此计划要在Casper1.0之后才会实施,通过实现一种称为超二次分片的方法指数级地提高每秒的网络吞吐量,但指数级的增长势必会带来一些网络不稳定的因素,需要进行大量测试。

但以太坊的分片理念也受到一些群体的诟病,因为分片技术需要几次甚至多次的硬分叉才能完成,这给已有应用和用户带来很多不便。此外理论上讲随着分片数的增加吞吐量最多线性增加,超二次分片的方法也有待证明。

Interledger

早在2012年,Ripple Labs就提出了一种偏离比特币共识的替代性账本,并创造了他们自己的代币瑞波币(XRP)。Ripple的初衷是建立一套适用于所有记账系统,能够包容所有记账系统的差异性协议,从而建立一个全球统一的支付标准。这一倡议从一开始就得到了微软(Microsoft)和万维网(World Wide Web)的支持。毕竟,人们已经为这个目标奋斗了长达十几年,我们称之为“an Internet for money”(“一个可以发送钱的互联网”)。

然而银行不喜欢用别人的机器来验证他们的交易,简单来说就是不喜欢公开的处理方式,而半公开的处理方式,他们也不喜欢。因为这两种方式都可能会给外人窥视他们内部数据的机会。因此,目前为止仍然没有主流银行接受Ripple协议。于是Ripple 开发了“InterLedger”协议,可以说这是一个更实际的办法——将所有我们目前正在使用的记账系统连接在一起。

Interledger协议创建了一个这样的系统,在这个系统中,两个不同的记账系统可以通过第三方“连接器”或“验证”机器来互相自由地传输货币。记账系统无需去信任“连接器”,因为该协议采用密码算法为这两个记账系统和连接器创建资金托管,当所有参与方对资金量达成共识时,便可相互交易。并且只有参与交易的记账系统才可以跟踪交易,交易的详情可隐藏起来,“验证器”是通过加密算法来运行,因此不会直接看到交易的详情。

理论上,Interledger可以兼容任何在线记账系统,而银行现有的记账系统只需小小的改变就能使用该协议。

Polkadot

如果你熟悉以太坊,就一定知道以太坊客户端的开发者Ethcore,Polkadot项目便是Ethcore公司在跨链通信领域的一个崭新尝试。它被称为第三代公开无需授权的区块链科技,设计核心理念为解决当今两大阻止区块链技术传播和接受的难题:即时拓展性和延伸性。

Polkadot目前还是以以太坊为主,实现其与私链的互连,并以其他公有链网络为升级目标,最终让以太坊直接与任何链进行通讯。

Melonport 开发的软件Melon将是运行于多链网络(multi-chain network)Polkadot之上的第一款Dapp。Melon的定位是成为跨链框架上的数字资产管理平台,现有数字代币或资产达700 多种,分布于多个互不相连的平台,其数字资产市场价值约150亿美元,并在持续增长中。

Aeternity

计算机科学家Yanislav Malahov和风险资本家Andreas Kohl于去年创建了一家名为Aeternity的软件公司,Malahov 称自己为以太坊的“教父”。 Aternity项目是一种以太坊智能合约在侧链运行的一种实现,致力于重塑当今智能合约的基础。Aeternity的白皮书发布于2016年12月。

以太坊的智能合约刚问世的时候,的确给人以一种焕然一新的感觉。然而,随着各方试图将以太坊运用到实际商业应用中,智能合约诸如效率低下、功能缺失,特别是过于封闭不易与外部世界通信的弊端渐渐显露。

Aeternity呈现了一个高度可扩容的区块链架构,以及一个可以被用来检视预言机(oracle)的共识机制。这将使得预言机变得非常高效且廉价,因为它将避免共识机制重叠使用的情况。状态通道将得到整合,从而提升隐私性和可扩容性。通道中的代币可以用完全可靠的、可以访问预言机答案的智能合约来进行传输。合约代码或状态将不会在链上储存,使智能合约更容易分析,处理速度加快,而实际功能性并不会遭受显著损失,由此可以高效地在全球规模上进行部署自创资产和预测市场这样的应用。

AnLink

众安科技同样看到了单一区块链在许多应用场景中无法解决复杂问题以及在性能上相对于传统中心化系统所呈现的瓶颈,由此提出并发展了称为“安链-链路由”的区块链网络拓扑结构。

在AnLink区块链网络中,“母链”构成了信息主干道,不同的母链之间通过链路由协议交换信息。同时,一个母链上承载着不同的子链,这些子链可以是以太坊,可以是比特币,事实上也可以是任何一种分布式账本实现,子链间的通信则由跨链通信协议(CBCP)负责。这种类互联网的分层协议实现,借鉴了已有的技术实现,以解决区块链系统的扩展性问题。

跨链架构具体实现和细节

面对区块链技术本身存在的局限性,我们需要打破常规思维推动区块链的改进与创新。早期使用到的跨链技术如比特币中的双向锚定和以太链中的跨链智能合约,在现有项目中仍然有被使用到。而当下跨链技术除了沿用早期类质押的思想外,还丰富了区块链里节点角色的分工、状态通道、信任传递等新的思想。

角色分工

Polkadot的设计中通过建立明确的角色,如下图所示,完成不同的职能分工,再结合一套巧妙的奖惩机制,协同完成跨链通信。这个设想参考了现实社会的社会分工和权力制约体系,实现了其在保证信任、安全的前提下做到系统的水平扩展。

在此分工中还有很多开发性的话题留给大家去思考,如当惩罚的力度小于奖励的力度时,赏金猎人和验证者就有可能联合串通做违规行为。这种情况下,可以采用另外一种经济网络,赏金猎人以工作量证明的共识方式组成赏金网络,激励赏金猎人做正确的行为,维护Polkadot整套体系的健全性。 

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链网络

安链链路由引入了链网络的概念,如果将链通信比作局域网的话,安链链网络的目标就是打通各个局域网形成一个连接所有区块链/非区块链系统的广域去中心化的信任网络。其母链-子链的拓扑结构以及一系列的通信协议,保证了这个设计目标的实现。

状态通道

Aeternity提出不应把智能合约部署在区块链上,而是通过利用状态通道上的智能合约来提高区块链的速度、可靠性和可扩展性。在当前实际的应用中,区块链系统不可能完全替代已有的系统,也多多少少需要传统中心化模块的引入。状态通道的引入,算得上为封闭的区块链系统架构做出了一个极其有意义的尝试。

信任的转移

无论是原有的Ripple网络还是现在的Interledger,都在强调其是作为一个基于信任转移的价值网络。这与传统区块链系统设计是很不相同的。类似的还有R3的Corda项目,自称为非区块链的区块链项目。正如前文所述,这与这两个项目都专注于银行业务,而银行本身是个封闭的系统的有关。

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各有千秋

在区块链跨链通信方面有显著进展的几个项目中,它们创新性地引入了概念模型来重构区块链的价值交换网络,给区块链技术带来了新的生命力,而同时这几个项目又在功能上存在着很大的差异。

事务类别

从几种系统处理的事务类别上来看,除了Interledger专注于实现不同账本间的资产转移之外,其余系统都可用来处理一般事务,当然,其中也包括了资产的转移。相比之下,虽然可以处理一般事务的几个系统实现的逻辑更为复杂,但是Interledger则更容易保证其事务处理(转账)的原子性。

在处理事务的过程中,无论是一般资产还是数字资产,都可以通过抵押的方式保证其原子性。但是,对涉及了跨链协同操作,特别是通过智能合约来实现的事务,若在等待另一条链返回处理结果的过程中,将智能合约的状态封存,也就意味着在等待的过程中,该智能合约被一并封存,无法执行其他请求,这也是保证区块链上一般事务原子性的难点所在。目前来说,几个跨链通信的项目都没有很好的解决这个问题,给出的方案一般也是在与应用中间加一层中间件,由其来担当统一协调事务的职责。

跨异构系统

无论是同构还是异构的区块链系统,Polkadot可以为其跨链通信提供支持;相比之下,Interledger作为针对账本间资产转移的协议,其支持通信的对象不仅包括了区块链,还包括了各类账本(通常为各个银行的内部账本系统);Aeternity使用了状态通道技术,其本质是将人与人之间的事务执行结果记录在区块链上,并不涉及跨链通信。

通信手段

从通信手段来分析,Polkadot和安链链路由都使用了区块链自身作为消息传递的媒介;不同于前两者,Interledger不依赖区块链,而是基于信任的转移,通过账本间的“连接者”传递通信消息;Aeternity则使用了状态通道及状态通道路由来支持通信者之间的通信。几种方法各有优势及不足,用区块链传递消息,则可以不必基于信任来通信,但是由于共识机制的存在,这样的通信速度一般会很慢;Interledger不对消息本身进行共识,而是基于一个个的彼此相邻信任的连接者来直接进行消息互换,这样的做法拥有较快的传递速度。而使用状态通道,则可以减少链上的计算压力,并有效提高链的吞吐量。

并行

说到事务的并行处理,无论是Polkadot、Interledger还是安链链路由,由于其对事务的处理都是基于状态的,并行处理与状态机在本质上是相违背的。并行处理会造成状态的混乱,无法达到一致。例如,对于资产转移来说,并行处理很容易导致双花泛滥。但是,Aeternity则可以支持事务的并行处理,状态通道吞吐量极大,其中的绝大多数交易永远不会在区块链上执行,甚至不会被记录在区块链上。此外,通道也不会在链上写入任何共享的状态,所以所有确实在区块链上记录的交易可以得到并行处理。

共识

Interledger的共识具有了两种模式,分别是原子模式(Atomic)以及环球模式(Universal),前者使用了选定的一组“公证人”来批准资金的转移,而后者则是一种激励机制,可以让无需受信的机构来填补这个角色。

Polkadot和安链链路由则使用了权益证明结合拜占庭容错的共识方式。验证人的投票力度与其所绑定的权益相关联,因此,可以通过明确的赏罚制度督促验证人对自己的投票负责。

在Aeternity中,除了就新的区块进行共识,共识机制还负责对预言机答案和系统参数的值达成共识。 Aeternity的共识机制可以自我改变,使用一种更新的权益证明算法,再加上一小部分工作量证明机制作为补充,并尽量权衡而取其二者的精华。

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性能

这几项技术提出目的之一就是为了解决性能问题,比特币网络每秒7笔左右的峰值,以太坊每秒20笔左右的峰值,远达不到应用的需求。Interleger协议实现了一笔跨境支付或跨账本支付的只需3-5秒,远远提升了传统跨境支付时间。Aeternity状态吞吐量极大,其中绝大多数交易不会再区块链上执行,此外通道不会在链上写入任何共享的状态,支持交易的并发处理,但此项目还处在验证阶段。众安科技提出的链路由结构1.0版本中得到性能指标图显示,实验室环境下链路由的性能指标将随着子链数的增加成类线性增加。

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挑战与机遇并存

人类文明的发展史就是不断地战胜困难、打破生存状态中存在的种种局限,对于区块链技术目前遇到的可扩展性、承载性、网络孤立性等问题,我们还在不断探索它们的解决渠道。通过在跨链通信方面的探索,打破区块链的信息孤岛,构建互联、互通、互信的通信网络,让区块链技术的潜能得到更大的释放。

目前跨链技术还面临如下一些困难与挑战:跨链交易的延迟性问题,随着网络拓扑结构的发展,链路由上可能链接成百上千条子链,跨链交易延迟也会成指数增长;分布式网络里节点之间连接状态的强健性会直接接影响交易路径选取的条数,也会影响交易的延迟性;跨链之间发起的DoS攻击问题;跨链交易中目的链的死循环问题;母链出现分叉的问题;网络拓扑结构里激励制度的优化;网络拓扑结构中链与链连接处的安全问题,等等。

但是,挑战与机遇并存,区块链的发展同时将为云计算和物联网的发展带来更多的想象空间。区块链对数据天然的谨慎和分布式流动,让数据更贴近计算点,让网络更通畅,让计算更及时,对传统的云进行瘦身,从而为云计算装上动力引擎,促进新一代云计算架构的发展;区块链诞生于互联网,却为物联网而生。网络属性是区块链的遗传基因,基于跨链机制,与云计算合体的区块链,通过区块链网络里对数据的加密及共识,解决物联网里数据和价值交换的安全和可信性问题,将进一步推动人类社会迈向万物互联的新时代。

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