跨链的技术实现研究

DengShizhi

2020-02-28 (Updated: 2020-02-28)

区块链

区块链, 跨链

跨链的技术实现研究

创建时间：2020年2月28日
更新时间：2020年2月28日
作者：ShizhiDeng
更新内容：

2020-02-28

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1. 总结区块链扩容的三种方法：代议制、分层和分片，分片的四个难题和解决方案
2. 区块链领域待解决的问题 Scalability Isolatability Developability  Governance  Applicability
3. 区块链领域待解决问题的解决方案：一致性(canonicality)和有效性(validity)的分离

区块链的扩容方案^ 1

问题描述：区块链扩容问题，指的是能不能把 DApp 和中心化互联网应用的成本差距，从 100 万倍拉近到 10 万倍，1 万倍，甚至 1 千倍。同时仍然保持去信任、无许可和抗审查这三大好处。
答案：方法有三类，也就是区块链扩容的三个思路——代议制、分层和分片
- 第一个扩容思路——代议制
  - 原理：代议制是人民选出代表，再由代表来议定法律或者重大决议。代议制提升决策效率有两个原因，第一是参与共识的人数大为减少，第二是代表通常是专职政治家，他们有更多的资源和知识来议定国家大事。
  - 采用代议制的区块链：用代议制的方式来做区块链扩容，最典型的是采用 DPoS 共识的 EOS。EOS 通证的持有者选出超级节点，21 个超级节点轮流出块。跟以太坊相比，参与共识的计算机数量下降了 3 个数量级。
  - 如果把是大部分身家都用加密货币来做长期价值存储，我首选比特币。如果是小额支付，或者打麻将、掷骰子，用 EOS 当然也没问题。在区块链世界，从去中心化程度最高的比特币和以太坊，到中心化程度最低的 EOS 和波场。
- 第二种扩容思路 —— 分层
  - 原理：分层也称为二层扩容或者链下扩容，就是把一部分交易放到在区块链以外执行，同时仍然保障交易安全。
  - 技术划分：分层有状态通道和侧链（实现层面很类似）两类技术。还有一类二层技术，是把计算密集型任务转移到链下执行。
  - 侧链技术
    - SPV 是 Simplified Payment Verification 简单支付验证的缩写。为了让计算和存储能力有限的设备能够使用比特币的问题，才有了 SPV，或者叫轻客户端或者轻节点。（比如：手机钱包就是轻节点，使用了Merkle树）
    - 侧链方案就是把主链资产通证锁定，在侧链上对应地创造出通证承兑汇票，汇票交易在侧链执行，在侧链上得到汇票的人可以兑换主链通证。
    - 举例：以太坊 Plasma MVP 侧链方案，注意侧链本也是区块链，它有自己的共识协议和矿工，侧链采用的共识是 PoA 权威证明，就是一个 Operator 说了算，由它记账出块。PoA 当然不是唯一选择，Loom 的 Plasma 侧链采用的 DPoS 共识。侧链区块的区块头，都会由 Operator 提交给主链的 Plasma 合约。不论侧链一个区块含有多少笔交易，是 1 千笔还是 1 万笔，主链只发生了记录区块头一笔交易。所以主链上的 Plasma 合约，相当于是侧链的 SPV 轻节点，它存储了区块头，从而可以验证侧链交易是否存在。
- 第三种扩容思路 —— 分片
  - 原理：别让所有的节点都执行所有的交易。把节点分成很多组，或者说分成很多片。多个分片可以并行处理交易，总体的处理能力就提高了。当然还需要一条特殊的链来看管所有的分片，这条一般称之为主链。
  - 分片扩容的基本思路非常简单，但实际做起来则面临很多复杂难题。
    - 难题1:验证人选择。
    - 难题1的解决方案：验证人随机动态分组。
      - 解决的方法是，分片的验证人分组不是固定的，而是随机选取，而且每隔一段时间就重新分组。这样恶意的验证人不能事先知道自己被分到哪个组，而贸然发送攻击会受到惩罚，因此系统的安全性就不会随着分片数量上升线性的下降。
      - 验证者随机动态分组的关键，是要有可靠的随机数，随机数一直是计算机科学中复杂而有趣的问题。去中心化地拜占庭容错地产生可靠随机数难度非常大，也是区块链研究的热点问题。
    - 难题2:跨片交易完整性。
    - 难题2的解决方案：概率最终性==>明确最终性。
      - 分布式交易的完整性或者原子性：一个跨链交易要引起两条链乃至多条链的状态改变，而且这些改变要么都成功，要么都不成功，不存在中间状态。这跟企业计算里分布式交易的概念上非常类似。比如：从建行转账1万到农行，建行减去1万，农行增加1万，同时成功或者同时失败。
      - 这个问题在区块链中的复杂性：没有明确最终性（finality），就是交易打包到区块，有可能回滚，就是撤销。
      - 解决方法：要有机制让区块具有明确的最终性，不能含糊。
    - 难题3：最终性 VS 活性
    - 难题3的解决方案：混合共识：出块和敲定（finalize）分开。
      - finalize 就是使区块具有最终性；liveness：出块停止了，或者说区块链丧失了活性 liveness。
      - 例如：Cosmos 的 Tentermint 共识，以太坊 2.0 和 Polkadot。
      - 解决方法：混合共识。节点可以继续出块，但没有足够的验证人，不能敲定，等达到条件再敲定。混合共识可以让个别节点轮番速度出块，敲定过程可以慢点。
    - 难题4:交易有效性
      - 交易有效性问题就是防止无效交易进入区块，成为区块链维护的历史真相的一部分。
    - 难题4的解决方案：举报奖励。
      例如：分片1上的诚实节点举报分片1上的区块B是恶意的。系统接受了举报，就会惩罚分片 1 里的恶意验证人，没收他们质押的通证，并向举报者提供奖励。所以为什么有的区块链，验证人要收回质押的通证，都需要等几个月。主要的原因就是给举报和证实举报留出足够的时间。
三个扩容思路，每个都有多种实现，代表性项目如下。
- 代议制扩容的代表是 EOS 和波场。
- 分层扩容分为状态通道和侧链两个分支，状态通道的方案有 Celer Network、Counterfactual 等，侧链有 Loom、OmiseGo 等。
- 分片的三个典型方案：Serenity、Polkadot 和 Cosmos 。

区块链领域待解决的问题[^ 2 ]

伸缩性(Scalability):全球范围内花费了多少计算、带宽和存储的资源，来处理单个交易?峰值情况下能处理多少交易? Polkadot
隔离性(Isolatability):多参与方对于应用的差异化需求，能否在同一个框架下接近最优程度地满足? Polkadot
开发性(Developability):工具的工作效果有多好?APIs是否已满足开发者的需求?教程资料是否可用?是否集成权力?
治理性(Governance):网络是否保留了能够随着时间进化和适应的灵活性?制定决策能否高度地包容、合理和透明，来提供去中心化系统的高效领导力。
应用性(Applicability):技术是否真的解决了用户的刚性需求?是否需要其他的中间件来嫁接真实的应用?

区块链领域待解决问题的解决方案[^ 2 ]

波卡链的工作：针对上述问题1和问题2做了很多工作。扩展性 (extensibilty)和伸缩性(scalability)
波卡认为针对一致性(canonicality)和有效性(validity)绑定的太紧密了。波卡的工作是提出了异构的多链架构，能从本质上把两者拆开。
工作1:解耦底层的共识。
- 目标：分离一致性(canonicality)和有效性(validity)，同时保证基本功能（安全性和传输性）。或者说：从状态转换中解耦底层的共识。
- 方法：原生的支持内核可扩展(core extensibilty)的可行性方法。Polkadot的方法。
- 前人方法1：更复杂的可伸缩方案：Chain fibers(by 以太坊的Max Kaye)。创造了：单个中继链(relay-chain)和多个同构链，可以透明地跨链执行的先例。退相干性(Decoherence)通过交易延迟(latency)来实现，这就使需要更长时间，来处理需要协调系统多个部分的交易。
- 前人方法2:其他人的方法，功能性的解决而非本质层面的解决。归结为：丢弃或减少状态机全局相关性的系统、试图通过同构分片提供全局相关性的单例状态机系统、目标仅是异构性 (heterogeneity)的系统。
- 前人工作3（没有全局状态的系统：Factom）:公证通(Factom)演示了个没有有效性的一致性系统，能够高效地记载数据。可以被看做是一个可伸缩的方案，严格上来说它只解决了很少的问题。
- 前人工作4（没有全局状态的系统：Tangle）:Tangle 是个关于共识系统的概念性尝试。不把交易排序再打包到区块中，而是通过串联的共识得出一个全局的一致性状态改变排序，它在很大程度上抛弃了高度结构化的排序想法，而是推出一个有向无环图
工作2：
- 目标：可伸缩性(scalability)问题
- 思路：对这两个问题分而治之
- 方法：通过非信任节点的激励机制，弱化他们的内生绑定关系。

[^ 2 ]:POLKADOT: VISION FOR A HETEROGENEOUS MULTI-CHAIN FRAMEWORK