跨链技术:区块链互操作性的未来

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本文将全面介绍当前主要跨链技术的形态。

原文作者:harichen

原文来源:mirror

随着数字经济的迅勐增长,区块链基础设施也在快速演变。各种公链、联盟链、许可链如雨后春笋般涌现,展现了技术的多样性和创新。然而,一个突出的问题是,各链之间由于技术、生态和竞争等因素,无法实现连接和互通。这导致了不同区块链生态中的用户、资产、应用和数据的分割,形成了所谓的“孤岛效应”。

从根本上讲,形成“孤岛效应”的主要原因有两个:一是用户需求的多样化,二是区块链的扩展性限制。这些因素共同阻碍了不同区块链生态之间的有机融合。为了打破“孤岛效应”,促进区块链项目的业务和价值的高效流通,跨链技术应运而生。

跨链(Inter-Blockchain)技术,能够有效地解决账本之间在同步数据过程中容易造成价值丢失和双重支付的问题。它不仅提高了不同区块链之间的互操作性和可扩展性,还实现了资产和价值的流通。本文将为您全面介绍当前主要跨链技术的形态。

跨链的技术实现

对于两个相互独立且相对封闭的区块链系统,实现跨链交互涉及几个关键问题。首先,我们需要验证原链上的交易状态,确保其准确无误。其次,我们必须设计一种信息传递机制,确保信息在跨链过程中准确及时地传递。接下来,我们需要解决如何在另一条链上确认交易,以及如何防止双重支付的问题。

目前,根据锁定验证方式的不同,跨链技术主要可以分为以下四类:

  • 公证人机制(Notary Schemes):通过第三方公证人来验证和确认交易;
  • 侧链/中继(Sidechains / Relays):通过侧链或中继链来实现不同主链之间的交互;
  • 哈希锁定(Hash-Locking):通过特定的哈希锁定技术来确保交易的安全性;
  • 分布式私钥控制(Distributed Private Key Control):通过分布式的私钥管理来控制交易的访问和验证。

这些技术各有优势和特点,为实现不同区块链系统之间的互操作提供了多样化的选择和灵活性。下面为大家逐一展开介绍:

公证人机制

公证人机制是在交易双方不能互相信任的情况下,选取双方共同信任的且相对独立的一个或一组节点来充当公证人作为中介来验证并确保交易的合法性。公证人作为双方的连接者,在链与链之间进行资产兑换或转移时,需要同时追踪两条链的数据状态并告知交易双方,而交易双方完全依赖于公证人传递的信息进行判断并实现交易。

跨链技术

根据公证人的选取情况,可分为单签名公证人机制、多重签名公证人机制以及分布式签名公证人机制:

  • 单签公证人机制,即选取单一制定的独立节点或机构作为公证人,此为最简单的模式。
  • 多重签名公证人机制,即需要由多个公证人在各自的账本上共同签名达成共识后方可以实现跨链交易。该机制改善了单签名公证人机制中心化的问题,提高公证人的可信度,但该机制要求交易链需同时具备支持多重签名的功能。
  • 分布式签名公证人机制,即基于密码学生成密钥,并拆分成多个部分分发给随机抽取的公证人,允许一定比例的公证人共同签名后即可拼凑出完整的密钥。该机制的实现较为复杂,但也相对较为安全,降低了单点故障风险。

公证人机制是实现区块链之间互操作性中较易实现的一种,无需进行复杂的工作量证明或权益证明,易于对接现有的区块链系统。此外,该机制是较为中心化的跨链处理方案,其运行处理效率相对较高。但是,公证人机制存在中心化风险,即一旦公证人遭受攻击不可信,整体公证系统将停滞或处于较大的安全风险中,存在严重的单点故障风险。虽然业界提出了多重签名和分布式签名公证人机制弱化中心化风险,但仍有潜在的作恶风险,仅作为目前的一种权衡方案。

侧链/中继

侧链主要针对的是两条同构链,即一个区块链系统能够理解另一条区块链的系统构架,实现在获得其他区块链系统提供的锁定交易证明之后,自动释放代币,一般是通过双向锚定机制实现资产转移。但其实资产也并未真正实现转移,只是当资产在原链上锁定时,等量等价资产在另一条链上被释放,而资产在另一条链上被锁定后,原链上的资产将被释放。

跨链技术

侧链技术是相对于主链的概念,侧链需要一份实现主链网络数据获取的智能合约,其中包含侧链数据和主链数据切换机制的方法,通过智能合约使主链和其它侧链进行交互。 中继技术则一般适用于链接两个异构或同构区块链,是更为直接的实现互操作性的方式,即不完全依赖于可信第三方的验证判断,仅通过中间人收集两条链的数据状态进行链内读取并进行自我验证,其验证方式依据自身结构不同存在显着差异。而这里的中间人仅仅充当中继桥梁的作用,负责数据收集工作。

无论是侧链还是中继,最基本的需求就是需要采集原链的信息。侧链与中继的区别在于:从属关系上侧链锚定从属于主链,是主链与附属链之间去信任交互的方案,且被限定在主链与侧链之间,更多着眼于可拓展性而非可伸缩性,而中继采用了中心辐射设计,不从属于某条主链,更像是“调度中心”,只负责数据传递,不负责链维护;执行过程看,侧链需要同步所有的区块头,验证网络是否认可该项交易,中继不需要下载所有的区块头,因此拥有更优越的速度;此外,安全性方面,侧链的安全性是建立在侧链能有效激励矿工进行一致性验证交易,主链的安全性无法在侧链上起作用,而中继是由主链自行验证,安全性有一定保证。

总体而言,侧链/中继模式的成本较高,效率较低,这是由于该模式下需要等待信息上链,确定不会发生回滚后方可确认。

哈希锁定

哈希锁定全称为哈希时间锁定合约(Hash timelock contract),是在无需可信公证人的情况下, 通过哈希锁和时间锁共同完成链间资产兑换的一种跨链技术方案。

哈希锁定最早出现在 Bitcoin 的闪电网络中,其通过资产锁定,并设置相应的时间、解锁条件实现公平交易。哈希锁定可以构建多个不同的链下支付通道,让这些通道一起形成一个网络。交易双方的数目比较小的微支付可以通过一系列的链下协议完成,从而拓展主链的性能,同时实现跨链的目的。

跨链技术

哈希锁定是系统之间进行原子交易的基本框架,保障跨链交易的原子性,即要么成功,要么失败,不存在任何第三种状态,可拓展应用于中心化账本或去中心化账本的系统之间。然而,哈希锁定只能实现跨链的资产互换,即各链资产总量保持不变的情况下,资产的持有人变化,而无法真正将资产转移至另一条链上,为此对于资产转移,还需要配合其他跨链技术方可实现。另一方面,要形成有规模的网络还需要更为完善的协议。

分布式私钥控制

分布式私钥控制是基于密码学中的多方计算和门限密钥的一种技术,通过采用分布式节点来控制区块链系统中各种资产的私钥,将数字资产的使用权和所有权进行分离,使得链上资产的控制权能够安全地转移到非中心化系统中,同时将原链上的资产映射到跨链中,实现不同区块链系统间的资产流通和价值转移。

分布式私钥控制的实现过程是利用一个基于区块链协议的内置资产模板,根据跨链交易信息部署新的智能合约来创建出新的加密货币资产。当一种已注册资产由原链转移到目标链时,跨链节点会为用户在已有合约中发放相应等值代币,确保了原有链资产在跨链上仍然可以相互交易流通。

2017 年,Fusion 提出通过利用分布式私钥控制模式进行跨链交易处理,以支持多平台跨链资产转移,从而构建加密金融应用运行的基础平台。即通过将各数字资产的私钥置于分布式节点的控制之下,实现所有权和使用权分离,通过 Lock-in 和 Lock-out 让 fusion 成为所有现有区块链的侧链,将现有区块链的代币映射到 fusion 公链之上,使得所有的代币在同一条链上具有互通性。

跨链技术

分布式私钥控制类似于公证人机制,但用户始终拥有对资产的控制权,只是在存储数字资产的密钥上采用了分布式存储的方式,这在一定程度上避免了公证人模式下中心化风险。此外,账户锁定机制不需要采用双向锚定方式,所有的交易是在验证节点重构后传入原链网络,不改变原链特性,为此各链均可自由低门槛接入链中,降低跨链接入成本。但由于不改变原链,跨链则需要根据原链的特性适配开发,且跨链速度也将受原链交易确认时间等因素的影响。

跨链技术总结

简而言之,跨链技术是为了实现区块链之间的信息传递和联动。在早期,跨链技术主要集中在资产转移方面,例如公证人机制和侧链/中继技术。这些技术需要用户或第三方在链外进行更多的约定和操作,但能提高原链的交易效率,实现底层扩容。

随着时间的推移,后期的项目开始更加关注底层跨链基础设施,从区块链底层结构开始构造链结构的跨链技术。下表简要总结了四种不同跨链技术的优劣势:

跨链技术

随着跨链技术的不断发展,市场上的解决方案通常会综合应用多种跨链技术,以提高跨链交互的性能、安全性和互操作性。例如,结合了公证人机制和侧链的混合技术(notary scheme+ sidechains mixing technology)充分利用了两者的优势,提高了区块链系统间的通信效率,支持了跨链资产交互和资产抵押,实现了分布式节点的公众化,避免了中心化控制。

总体来说,区块链跨链技术是一项充满活力和潜力的技术,正在改变我们对区块链的理解和使用方式。从侧链到公证人机制,从哈希时间锁到分布式私钥控制,跨链技术的多样化为金融、法律、医疗等领域提供了新的机遇和解决方案。

然而,尽管区块链的互操作性是可预见的未来,但跨链系统或解决方案还面临着一些挑战,如“信任差异”和“交易速率瓶颈”。未来的跨链技术研究和发展将需要更多的创新、合作和法规支持。

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