跨链技术分类和总结简明解析

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最近我查看了一些与跨链相关的项目,并总结了一下跨链的相关技术。所谓“跨链”,是指一条链上的“跨链”语义能够在另外一条链上正确执行。目前,跨链项目主要实现的是将一条链上的资产映射到另外一条链上。从技术角度来看,我认为目前跨链技术主要有三种:HTLC,跨链桥(基于共识)和跨链桥(基于轻客户端)。下面是相关技术以及项目总结的图表:

1. HTLC(HashTimeLockContract)HTLC的原理比较简单:如果Alice和Tom想要交换资产,Alice首先创建HTLC,然后Tom创建具有相同哈希的HTLC。简单来说,Tom和Alice创建了具有相同秘钥的“锁”,用于锁住各自的资产。当Alice使用秘钥打开Tom的资产时,Tom可以使用相同的秘钥打开Alice的资产。当然,Tom和Alice都需要确认资产和锁的时间。通过HTLC实现跨链交易简单且保证了交易双方的原子操作,但要求两条链都支持智能合约,并且交换的资产不可分割。事实上,为了确保交易双方有效交易,交易双方需要额外的沟通渠道预先达成共识。

2. 跨链桥:基于共识基于其他共识的跨链桥在逻辑上比较容易实现,通过共识机制确认一条链上的事件,并在另外一条链上执行。整个桥的安全性取决于共识机制的强弱。共识机制不仅包括传统意义上的共识(如BFT、PoS等),还包括多方计算(MPC)和多签。

3. 跨链桥:基于轻客户端为了在一条链上能够验证另外一条链上的信息,在这条链上“运行”另外一条链的轻客户端。通常,轻客户端都是基于SPV(Simple Payment Verification)协议的。SPV协议源于比特币,主要用于PoW共识机制的链中。Celo和Harmony也针对自身链的共识算法实现了轻客户端。纯粹的PoS共识机制的链相对较难实现轻客户端,因为共识机制依赖于Staking,而Staking由交易组成。为了实现轻客户端,遍历所有Staking交易是不现实的。

跨链桥的两个链通过轻客户端验证彼此链的状态。这种跨链桥依赖中继(Relay),及时同步链的区块头信息。由于需要同步区块头,需要考虑以下几个因素:

1. 同步频率和费用:在另外一条链上存储区块头信息是需要费用的,尤其是对于TPS较高的链来说,区块数较多。2. 确认主链以及区块确认:根据链的共识机制,通过区块头信息确定主链。以PoW链为例,区块确认一般通过后续区块的数量来确定。

优化同步费用有几种思路:1. 随机挑战(NiPoPOW、FlyClient);2. zk-SNARK(包括递归zk-SNARK)。

BTCRelay采用传统的SPV轻客户端的实现方式来实现从比特币(BTC)到以太坊(ETH)的跨链。显然,在以太坊上同步比特币的区块头需要消耗Gas。在以太坊的Gas价格较高的情况下,同步费用较高。

FlyClientFlyClient采用随机挑战和MMR(Merkle Mountain Range)技术,降低轻客户端同步区块的数量。随机挑战的目的是在一定范围内,并不需要将所有区块同步到链上,而是随机抽取一些区块进行同步。为了在链上能够验证未被抽取的区块,所有区块的信息通过MMR进行组织。MMR是一种变种的Merkle树,适用于追加节点的场景。与普通二叉的Merkle树相比,MMR具有更新叶子节点代价小的特点。

zkRelayzkRelay也尝试降低链上轻客户端同步区块的费用。与FlyClient不同,zkRelay采用的是zk-SNARK证明。将一段范围内的区块的有效性通过将链下证明提交到链上,链上只需要检查证明的有效性。

CeloCelo是一个有趣的项目。尽管Celo项目本身与跨链没有直接关系,但它为轻客户端提供了一些新思路。为了实现更轻的客户端,Celo采用了递归零知识证明技术来证明区块头的连接性。一个证明就可以证明从创世区块到当前区块的合法性。一个轻节点只需要同步最新的证明即可确定所有区块的有效性。

Summa(StatelessSPV)

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