《软件学报》：区块链跨链技术进展研究（中国科学院合肥物质科学研究院：李芳、李卓然、赵赫）

软件学报ISSN10009825, CODEN RUXUEW E-mail: jos @iscasaccn Journal ofSofnware, 2019, 30(6): 1649-1660 [doi: 10. 13328/j cnki. jos.0057411 http://www.jos.org.cn ◎中国科学院软件研究所版权所有 el:+86-10-6256256 区块链跨链技术进展研究 李芳,李卓然,赵赫 中国科学院合肥物质科学研究院安徽合肥230031) 通讯作者:赵赫,E-mal.: zhaohahfcas.ac.c 摘要:随着区块链技术的发展,各种具有不同特点、适用于不同应用场景的区块链如比特币、以太坊等公有链 以及私有链、联盟链大量共存由于区块链的相互独立性,现存各区抉链之间的欻据通信、价值转移仍面临挑战,价 值孤岛现象逐渐昰现区块链的跨链技术是区块链实现互联互通、提升可扩展性的重要技术手段.对跨链技术领域 的成果进行了系统总结:首先,分析了跨链技术的需求及面临的技术难点;其次,总结了正在发展的跨链技术,并介绍 了24种主流跨链技术的原理与实现思路然后,综合分析了跨链技术存在的安全性风险,并列举了12项主要问题; 最后,总结探讨了跨链技术的未来发展趋势. 关键词:区块链跨链协议;共识算法,价值转移,数据转移 中图法分类号:TP309 中文引用格式:李芳,李卓然,赵赫区块链跨链技术进展研究软件学报,2019,30(6):1649-1660.htp;/ www-Jos.org.cn/1000 9825/574lhtm 英文引用格式:LiF,LiZR, Zhao h. Research on the progress in cross-chain technology of blockchains. Ruan jian Xue bao/ JournalofSoftware2019,30(6:1649-1660(inChinese).http://www.jos.orgcn/1000-9825/5741.htm Research on the Progress in Cross-chain Technology of Blockchains LI Fang. LI Zhuo-Ran. ZHAO He (Hefei Institutes of Physical Science, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China) Abstract: With the development of blockchain technology, various blockchains with different characteristics and applications such as Bitcoin, Ethereum, other public chains, as well as private and consortium chains coexist in large numbers. Due to the independence of blockchains, the data communication and value transfer between existing blockchains are still facing challenges, and the problem of value isolation gradually emerges. The cross-chain technology is an important technical means for blockchains to realize interoperability and enhance scalability. This article systematically summarizes the achievements in the cross-chain technology field. Firstly, the requirements of cross-chain technologies and t s they face are analyzed. Secondly, the cross-chain technologies those are under development are summarized and the mechanisms and implementations of 24 mainstream cross-chain technologies are introduced. Then, the security risks of cross-chain technology are analyzed, and 12 major issues are listed. Finally, the trend of future development of oss-chain technology is summarized and discussed Key words: blockchain; cross-chain protocol; consensus algorithm; value transfer; data transfer 区块链( blockchain)是一种去中心化( decentralized)、无需信任( trustless的分布式数据账本,它通过密码学 方法让网络中的所有节点共同拥有、管理和监督数据,系统的运转不接受任何单一节点的控制,从而具有不可 基金项目:国家自然科学基金(61602435)安徽省自然科学基金(17080850F153) oundation item: National Natural Science Foundation of China(61602435); Natural Science Foundation of Anhui Province 本文由区块链与数字货币技术专题特约编辑斯雪明教授和陈文光教授推荐 收稿时间:201806-25;修改时间:2018-10-12,采用时间:2018-12-18,jos在线出版时间:2019-03-2 CNKI网络优先出版:2019-03-2716:40:31,htp/ kns. cnkinet/ kcms/detail/1.2560.TP20190327.1640.007html

软件学报 ISSN 1000-9825, CODEN RUXUEW E-mail: jos@iscas.ac.cn Journal of Software,2019,30(6):1649−1660 [doi: 10.13328/j.cnki.jos.005741] http://www.jos.org.cn ©中国科学院软件研究所版权所有. Tel: +86-10-62562563 区块链跨链技术进展研究∗ 李 芳, 李卓然, 赵 赫 (中国科学院 合肥物质科学研究院,安徽 合肥 230031) 通讯作者: 赵赫, E-mail: zhaoh@hfcas.ac.cn 摘 要: 随着区块链技术的发展,各种具有不同特点、适用于不同应用场景的区块链如比特币、以太坊等公有链 以及私有链、联盟链大量共存.由于区块链的相互独立性,现存各区块链之间的数据通信、价值转移仍面临挑战,价 值孤岛现象逐渐显现.区块链的跨链技术是区块链实现互联互通、提升可扩展性的重要技术手段.对跨链技术领域 的成果进行了系统总结:首先,分析了跨链技术的需求及面临的技术难点;其次,总结了正在发展的跨链技术,并介绍 了 24 种主流跨链技术的原理与实现思路;然后,综合分析了跨链技术存在的安全性风险,并列举了 12 项主要问题; 最后,总结探讨了跨链技术的未来发展趋势. 关键词: 区块链;跨链协议;共识算法;价值转移;数据转移 中图法分类号: TP309 中文引用格式: 李芳,李卓然,赵赫.区块链跨链技术进展研究.软件学报,2019,30(6):1649−1660. http://www.jos.org.cn/1000- 9825/5741.htm 英文引用格式: Li F, Li ZR, Zhao H. Research on the progress in cross-chain technology of blockchains. Ruan Jian Xue Bao/ Journal of Software, 2019,30(6):1649−1660 (in Chinese). http://www.jos.org.cn/1000-9825/5741.htm Research on the Progress in Cross-chain Technology of Blockchains LI Fang, LI Zhuo-Ran, ZHAO He (Hefei Institutes of Physical Science, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China) Abstract: With the development of blockchain technology, various blockchains with different characteristics and applications such as Bitcoin, Ethereum, other public chains, as well as private and consortium chains coexist in large numbers. Due to the independence of blockchains, the data communication and value transfer between existing blockchains are still facing challenges, and the problem of value isolation gradually emerges. The cross-chain technology is an important technical means for blockchains to realize interoperability and enhance scalability. This article systematically summarizes the achievements in the cross-chain technology field. Firstly, the requirements of cross-chain technologies and the technical difficulties they face are analyzed. Secondly, the cross-chain technologies those are under development are summarized and the mechanisms and implementations of 24 mainstream cross-chain technologies are introduced. Then, the security risks of cross-chain technology are analyzed, and 12 major issues are listed. Finally, the trend of future development of cross-chain technology is summarized and discussed. Key words: blockchain; cross-chain protocol; consensus algorithm; value transfer; data transfer 区块链(blockchain)[1]是一种去中心化(decentralized)、无需信任(trustless)的分布式数据账本,它通过密码学 方法让网络中的所有节点共同拥有、管理和监督数据,系统的运转不接受任何单一节点的控制,从而具有不可 ∗ 基金项目: 国家自然科学基金(61602435); 安徽省自然科学基金(1708085QF153) Foundation item: National Natural Science Foundation of China (61602435); Natural Science Foundation of Anhui Province (1708085QF153) 本文由区块链与数字货币技术专题特约编辑斯雪明教授和陈文光教授推荐. 收稿时间: 2018-06-25; 修改时间: 2018-10-12; 采用时间: 2018-12-18; jos 在线出版时间: 2019-03-27 CNKI 网络优先出版: 2019-03-27 16:40:31, http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2560.TP.20190327.1640.007.html

Journal of software软件学报Vo.30,No.6, June2019 伪造、不可篡改、可追溯等特点区块链通过技术构造全新的信任体系,具有改变人类社会价值传递方式的潜 力,并支持与行业应用深度融合引起信息技术、金融、保险等多个领域的广泛关注 以比特币 Bitcoin,简称BTC白皮书发布作为区块链技术发展的起始点在近10年期间,世界各国出现 众多区块链项目,它们有些是基于比特币代码集成了一些局部优化,有些是为适应特定应用场景而做出了功能 改进,亦或为提升区块链性能与开发友好性等提出了重大创新比特币设计中融合的非对称加密、工作量证明 ( proof- of-work)、链式结构( chain)、时间戳( timestamps)、 Merkle树( Merkle Tree)等相关算法、协议、机制构成 了区块链技术架构的基础但由于比特币的初衷是实现一种基于点对点技术的电子现金系统并没有过多地考 虑区块链在更广泛范围应用时所需的图灵完备、可扩展性、安全性等要求,其区块容量、区块分叉、二次开发 等也面临一定的问题人们意识到单个区块链无法解决所有技术问题,也并不能覆盖所有应用场景,各类区块链 项目应运而生 通过在共识算法、区块结构、扩展协议等方面的不断创新区块链领域目前己形成多类项目共存的景象 以太坊( ethereum,简称ETH2致力于将区块链拓展应用于数字货币以外的领域并为开发者提供一个能够快速 创建智能合约以及开发去中心化应用的成熟开发平台瑞波( Ripple).用了一种新的共识算法,通过网络中有 限数量的可信任节点实现共识以减少交易确认时间;比特现金( bitcoin cash)将区块大小的限制提升至8MB 甚至更大容量的区块在一定程度上实现了链上扩容EOS提出一种支持分布式应用开发的区块链底层平台 并计划采用并行链和委任权益证明( delegated proof of stake,简称DPOS)实现高系统性能OTA和 Bytebal 等采用非线性链式结构的有向无环图 directed acyclic graph,简称DAG实现分布式账本提高系统的交易效 率据德勤于2017年11月出具的报告咧显示, Github上区块链代码项目总数约9万个,并呈现逐年增加的趋势, 足见区块链领域的创新发展态势 区块链项目的蓬勃发展,不可避免地引出了一个问题:链与链之间如何实现互联互通?链联网( Internet of blockchains)能否成为继互联网、物联网的下一个基础网络架构?随着区块链项目数量越来越多,价值孤岛现象 也更加严重区块链资产是否能够实现无需第三方参与的原子交换 atomic swap)?基于跨链的区块链下(of chain扩容技术方案存在哪些争议?区块链智能合约的应用过程中,区块链又如何与传统互联网系统实现可信 任的数据交换?等等上述问题引发了业界对跨链技术的探索实验 本课题组在国内较早启动了区块链技术相关研究,并长期关注跨链技术研究通过本文的系统性梳理, 期望对跨链技术的创新发展提供参考本文第1节对区块链跨链存在的问题、需求以及技术难点进行分析概述 第2节介绍区块链发展不同阶段的跨链技术演进.第3节重点分析跨链技术设计与应用将面对的安全性问题 最后,在第4节总结跨链技术的发展和研究趋势. 1区块链的跨链需求及技术难点 区块链技术自比特币区块链于2008年山诞生以来已逐步发展出上千种区块链项目根据区块链的应用场 景、节点准入条件及去中心化程度,区块链被分为公有链( public blockchain)、私有链 private blockchain)以及联 盟链( consortium blockchain)这3大类2其中,公有链具有高度去中心化特点,节点可自由加入或退出,并拥有读 取数据、竞争记账权、实施交易等平等权限,以比特币山、以太坊P等为代表;私有链由第三方控制系统的各项 权限,节点的加入、数据的读写均有一定条件限制如摩根大通的 Quorum1等联盟链由多个机构或组织共同 管理各节点通常对应不同的实体机构或组织通过准入机制加入、退出网络,如 cordal1 yperledger1等 区块链的跨链技术是区块链实现互联互通( interoperability)、提升可扩展性( scalability)的重要技术手段在 网络形态上,区块链不同于互联网,后者支持一张网接入全球的节点,前者则形成了多个相互隔绝的平行网络 除了公有链的广泛共存,私有链和联盟链则支持让不同组织拥有各自的区块链,甚至让同一个组织内部同时运 行多个区块链全球区块链的数量在不断增多,而不同区块链网络的相互隔绝,导致链之间无法有效进行数字资 产转移、跨链通信等操作近年来随着区块链应用场景的不断丰富和复杂化,越来越多的区块链项目提岀跨链 的需求与解决方案,跨链技术逐步得到发展

1650 Journal of Software 软件学报 Vol.30, No.6, June 2019 伪造、不可篡改、可追溯等特点.区块链通过技术构造全新的信任体系,具有改变人类社会价值传递方式的潜 力,并支持与行业应用深度融合,引起信息技术、金融、保险等多个领域的广泛关注. 以比特币(Bitcoin,简称 BTC)[1]白皮书发布作为区块链技术发展的起始点,在近 10 年期间,世界各国出现了 众多区块链项目,它们有些是基于比特币代码集成了一些局部优化,有些是为适应特定应用场景而做出了功能 改进,亦或为提升区块链性能与开发友好性等提出了重大创新.比特币设计中融合的非对称加密、工作量证明 (proof-of-work)、链式结构(chain)、时间戳(timestamps)、Merkle 树(Merkle Tree)等相关算法、协议、机制构成 了区块链技术架构的基础.但由于比特币的初衷是实现一种基于点对点技术的电子现金系统,并没有过多地考 虑区块链在更广泛范围应用时所需的图灵完备、可扩展性、安全性等要求,其区块容量、区块分叉、二次开发 等也面临一定的问题.人们意识到单个区块链无法解决所有技术问题,也并不能覆盖所有应用场景,各类区块链 项目应运而生. 通过在共识算法、区块结构、扩展协议等方面的不断创新,区块链领域目前已形成多类项目共存的景象. 以太坊(Ethereum,简称 ETH)[2]致力于将区块链拓展应用于数字货币以外的领域,并为开发者提供一个能够快速 创建智能合约以及开发去中心化应用的成熟开发平台;瑞波(Ripple)[3]采用了一种新的共识算法,通过网络中有 限数量的可信任节点实现共识,以减少交易确认时间;比特现金(bitcoin cash)[4]将区块大小的限制提升至 8MB 甚至更大容量的区块,在一定程度上实现了链上扩容;EOS[5]提出一种支持分布式应用开发的区块链底层平台, 并计划采用并行链和委任权益证明(delegated proof of stake,简称 DPOS)实现高系统性能;IOTA[6]和 Byteball[7] 等采用非线性链式结构的有向无环图(directed acyclic graph,简称 DAG)[8]实现分布式账本,提高系统的交易效 率.据德勤于 2017 年 11 月出具的报告[9]显示,Github 上区块链代码项目总数约 9 万个,并呈现逐年增加的趋势, 足见区块链领域的创新发展态势. 区块链项目的蓬勃发展,不可避免地引出了一个问题:链与链之间如何实现互联互通?链联网(Internet of blockchains)能否成为继互联网、物联网的下一个基础网络架构?随着区块链项目数量越来越多,价值孤岛现象 也更加严重.区块链资产是否能够实现无需第三方参与的原子交换(atomic swap)?基于跨链的区块链下(off￾chain)扩容技术方案存在哪些争议?区块链智能合约的应用过程中,区块链又如何与传统互联网系统实现可信 任的数据交换?等等.上述问题引发了业界对跨链技术的探索实验. 本课题组在国内较早启动了区块链技术相关研究[10,11],并长期关注跨链技术研究,通过本文的系统性梳理, 期望对跨链技术的创新发展提供参考.本文第 1 节对区块链跨链存在的问题、需求以及技术难点进行分析概述. 第 2 节介绍区块链发展不同阶段的跨链技术演进.第 3 节重点分析跨链技术设计与应用将面对的安全性问题. 最后,在第 4 节总结跨链技术的发展和研究趋势. 1 区块链的跨链需求及技术难点 区块链技术自比特币区块链于 2008 年[1]诞生以来,已逐步发展出上千种区块链项目.根据区块链的应用场 景、节点准入条件及去中心化程度,区块链被分为公有链(public blockchain)、私有链(private blockchain)以及联 盟链(consortium blockchain)这 3 大类[12].其中,公有链具有高度去中心化特点,节点可自由加入或退出,并拥有读 取数据、竞争记账权、实施交易等平等权限,以比特币[1]、以太坊[2]等为代表;私有链由第三方控制系统的各项 权限,节点的加入、数据的读写均有一定条件限制,如摩根大通的 Quorum[13]等;联盟链由多个机构或组织共同 管理,各节点通常对应不同的实体机构或组织,通过准入机制加入、退出网络,如 Corda[14],Hyperledger[15]等. 区块链的跨链技术是区块链实现互联互通(interoperability)、提升可扩展性(scalability)的重要技术手段.在 网络形态上,区块链不同于互联网,后者支持一张网接入全球的节点,前者则形成了多个相互隔绝的平行网络. 除了公有链的广泛共存,私有链和联盟链则支持让不同组织拥有各自的区块链,甚至让同一个组织内部同时运 行多个区块链.全球区块链的数量在不断增多,而不同区块链网络的相互隔绝,导致链之间无法有效进行数字资 产转移、跨链通信等操作.近年来,随着区块链应用场景的不断丰富和复杂化,越来越多的区块链项目提出跨链 的需求与解决方案,跨链技术逐步得到发展

李芳等:区块链跨链技术进展研究 51 根据目前主流跨链技术的设计研发,跨链的目的以及要解决的问题主要包括以下几点 (1)不同区块链之间的资产转移尽管第三方交易平台能够提供不同区块链项目资产的转移与交换,但第 三方交易平台的引入带来了新的中心化节点不可避免地存在资产安全性、可信任性等问题跨链确 保了是用技术而非机构或人来提供安全、可靠、高效的链上资产转移途径; (2)实现区块链资产的留置类似于金融和法律领域的财产留置,区块链资产能够实现链上锁定冻结 并设定某个区块链上的资产锁定条件、解锁条件还可以与其他链的特定事件/行为进行关联 (3)读取和验证其他链的状态或事件自以太坊区块链凹问世以来基于区块链的智能合约得到快速发 展在某个区块链上部署的智能合约,触发其执行的条件可能需要依赖于其他链的信息和数据,跨链 数据访问在该应用场景中具有关键作用 (4)提升区块链交易处理能力区块链的可扩展性三难题基本法则18表明,区块链只能兼顾去中心性、可 扩展性和安全性中的两项区块链的吞吐量和可扩展性一直被认为是重要的瓶颈尽管诸如EOS等 区块链项目声称其TPS(每秒处理事务数)可达百万量级但均以设立少量验证节点为前提,降低了系 统的去中心化特性跨链通信是提供更高扩展性的技术路线之 区块链应用场景的不断拓展以及区块链互联互通的潜在需求促进了跨链技术的持续创新和进步根据跨 链技术的演进和实现方式,以太坊的创始人 Buterin曾经总结了3类跨链技术1-一公证人机制( notary schemes)、侧链/中继( sidechains/relays)、哈希锁定( Hash-locking) (1)公证人机制通过选举一个或多个组织作为公证人,对链A的事件进行自动或请求式监听,并在指定事 件发生后在链B执行相应动作,实现对事件的响应公证人群体通过特定的共识算法对事件是否发 生达成共识公证人机制又分为中心化公证人机制( centralized notary schemes)和多重签名公证人机 制 multisig notary schemes,区别在于后者利用密码学技术,在每次交易验证时从公证人群体中随机 选出一部分公证人,共同完成签名的签发,从而降低对公证人可靠性的依赖程度; (2)侧链/中继侧链/中继以轻客户端验证技术为基础,即在链B上执行类似区块链轻客户端功能的智能 合约通过验证链A的加密哈希树( cryptographic hash tree以及区块头( block header)来验证链A的某 项特定交易、事件或状态信息是否发生; (3)哈希锁定通过在两条链上运行特定的智能合约实现跨链交易与信息交互用户A生成随机数s并计 算出该随机数的哈希值h=hash(s)发送给用户B;A和B通过智能合约先后锁定各自的资产;如果B在 X时间内收到正确的s智能合约自动执行将B的资产将转移给A,否则退回给B如果A在2X时间内 收到随机数sA的资产将自动转移给B,否则退回给A. 跨链可以分为区块链内部各个子链/主链之间以及不同区块链系统之间的互操作从更广义的概念层面跨 链进一步涉及区块链与传统系统和协议的交互目前跨链技术尚未实现广泛应用,表明了跨链面临的问题复杂 性鉴于大多数区块链系统在诞生之初就缺乏互操作特性,跨链技术在设计与实现时需要重点解决如何适配各 类区块链并确保跨链操作的高效率和高安全性 2跨链关键技术 区块链技术自诞生以来一直具有较强的金融色彩在早期的绝大部分时间里,比特币长期占有全球区块链 项目总市值80%以上的市场份额,处于一枝独秀的状态.随着区块链技术逐渐进入更广泛的学术界和产业界视 野越来越多的人才参与到区块链行业的创新研发2017年5月17日,比特币市值占比首次低于50%192017年 8月14日,以太坊交易量首次超过比特币0公有链、私有链、联盟链的数量不断增多,区块链的应用场景愈加 丰富行业对跨链的需求也更加明显本文以2017年5月为分界线,分为比特币区块链时代与后比特币区块链时 代两个时期,对跨链技术的发展情况分别进行介绍 2.1比特币区块链时代的跨链技术 013年5月 Nolan在 Bitcoin Talk论坛提出了原子转移( atomic transfers思路2,构成了实现原子式跨链数

李芳 等:区块链跨链技术进展研究 1651 根据目前主流跨链技术的设计研发,跨链的目的以及要解决的问题主要包括以下几点. (1) 不同区块链之间的资产转移.尽管第三方交易平台能够提供不同区块链项目资产的转移与交换,但第 三方交易平台的引入带来了新的中心化节点,不可避免地存在资产安全性、可信任性等问题.跨链确 保了是用技术而非机构或人来提供安全、可靠、高效的链上资产转移途径; (2) 实现区块链资产的留置[16].类似于金融和法律领域的财产留置,区块链资产能够实现链上锁定冻结, 并设定某个区块链上的资产锁定条件、解锁条件,还可以与其他链的特定事件/行为进行关联; (3) 读取和验证其他链的状态或事件.自以太坊区块链[2]问世以来,基于区块链的智能合约[17]得到快速发 展.在某个区块链上部署的智能合约,触发其执行的条件可能需要依赖于其他链的信息和数据,跨链 数据访问在该应用场景中具有关键作用; (4) 提升区块链交易处理能力.区块链的可扩展性三难题基本法则[18]表明,区块链只能兼顾去中心性、可 扩展性和安全性中的两项.区块链的吞吐量和可扩展性一直被认为是重要的瓶颈,尽管诸如 EOS[5]等 区块链项目声称其 TPS(每秒处理事务数)可达百万量级,但均以设立少量验证节点为前提,降低了系 统的去中心化特性.跨链通信是提供更高扩展性的技术路线之一. 区块链应用场景的不断拓展以及区块链互联互通的潜在需求,促进了跨链技术的持续创新和进步.根据跨 链技术的演进和实现方式,以太坊的创始人 Buterin 曾经总结了 3 类跨链技术[16]——公证人机制(notary schemes)、侧链/中继(sidechains/relays)、哈希锁定(Hash-locking). (1) 公证人机制.通过选举一个或多个组织作为公证人,对链 A 的事件进行自动或请求式监听,并在指定事 件发生后,在链 B 执行相应动作,实现对事件的响应.公证人群体通过特定的共识算法,对事件是否发 生达成共识.公证人机制又分为中心化公证人机制(centralized notary schemes)和多重签名公证人机 制(multisig notary schemes),区别在于后者利用密码学技术,在每次交易验证时从公证人群体中随机 选出一部分公证人,共同完成签名的签发,从而降低对公证人可靠性的依赖程度; (2) 侧链/中继.侧链/中继以轻客户端验证技术为基础,即:在链 B 上执行类似区块链轻客户端功能的智能 合约,通过验证链 A 的加密哈希树(cryptographic hash tree)以及区块头(block header)来验证链 A 的某 项特定交易、事件或状态信息是否发生; (3) 哈希锁定.通过在两条链上运行特定的智能合约,实现跨链交易与信息交互.用户 A 生成随机数 s,并计 算出该随机数的哈希值 h=hash(s)发送给用户 B;A 和 B 通过智能合约先后锁定各自的资产;如果 B 在 X 时间内收到正确的 s,智能合约自动执行将 B 的资产将转移给 A,否则退回给 B;如果 A 在 2X 时间内 收到随机数 s,A 的资产将自动转移给 B,否则退回给 A. 跨链可以分为区块链内部各个子链/主链之间以及不同区块链系统之间的互操作.从更广义的概念层面,跨 链进一步涉及区块链与传统系统和协议的交互.目前,跨链技术尚未实现广泛应用,表明了跨链面临的问题复杂 性.鉴于大多数区块链系统在诞生之初就缺乏互操作特性,跨链技术在设计与实现时需要重点解决如何适配各 类区块链,并确保跨链操作的高效率和高安全性. 2 跨链关键技术 区块链技术自诞生以来一直具有较强的金融色彩,在早期的绝大部分时间里,比特币长期占有全球区块链 项目总市值 80%以上的市场份额,处于一枝独秀的状态.随着区块链技术逐渐进入更广泛的学术界和产业界视 野,越来越多的人才参与到区块链行业的创新研发.2017 年 5 月 17 日,比特币市值占比首次低于 50%[19];2017 年 8 月 14 日,以太坊交易量首次超过比特币[20].公有链、私有链、联盟链的数量不断增多,区块链的应用场景愈加 丰富,行业对跨链的需求也更加明显.本文以 2017 年 5 月为分界线,分为比特币区块链时代与后比特币区块链时 代两个时期,对跨链技术的发展情况分别进行介绍. 2.1 比特币区块链时代的跨链技术 2013 年 5 月,Nolan 在 BitcoinTalk 论坛提出了原子转移(atomic transfers)思路[21],构成了实现原子式跨链数

652 Journal of software软件学报Vo.30,No.6, June2019 字资产交易的最初基础技术方案原子转移也称原子交换( atomIc swap),其概念类似于传统证券结算系统的货 银对付( delivery versus payment,简称DVP)或外汇交易系统的交易同步交收( payment versus payment,简称PvP), 在区块链领域即指双方交易同时发生或同时不发生,二者不可分割该方案通过让交易双方分别在比特币区块 链和其他数字货币区块链上设定合约脚本,并利用是否获知某个哈希值的原像( preimage)作为合约触发条件该 原像由交易一方在交易之前随机产生,并结合方案设计的一系列合约锁定、解锁流程,实现跨链交易的原子性 Nolan的技术方案经过改进升级后被称为哈希锁定,并成为跨链的一种主要技术手段在用于BTC链下交易扩 容方案的闪电网络 lightning network)中也运用了类似的哈希时间锁定合约( Hashed timelock contrac,简称 HTLC) 侧链则是首个产生较大影响力的跨链技术比特币核心开发者加入的 Blockstream公司在2014年10月发 布的白皮书中提出了楔入式侧链( pegged sidechains)2的概念,其目的是实现不同区块链资产的跨链转移,以及 可以在不影响主链的情况下,实施更多的技术创新与金融创新双向楔入(two- way peg)作为侧链的核心技术基 础,定义为不同链资产的等值转换机制并分为对称式双向楔入与非对称式双向楔入2016年12月, Blockstream 公司进 强联邦侧链( sidechains with strong federations)的概念2在资产交换中引入由多方控制的多重 签名地址,以减少延迟并提升互操作性 业界在探索区块链间的跨链同时,针对BTC本身的扩容问题发展出链下交易技术Poon于2015年2月发 布了闪电网络( lightning network)白皮书该技术是通过设计一种新的支付渠道网络实现可扩展的连锁即时 支付闪电网络利用链下支付提高交易处理效率,可以被认为是区块链内部的跨链操作随着闪电网络的实现及 升级,2017年11月,闪电网络在链下首次实现了测试网中BTC和LTC的跨链原子交易 Ripple公司在2015年11月发布的 nterledger白皮书中提出了一种用于不同支付网络或账本系统交互 的协议并计划覆盖至区块链账本及各类传统支付系统 Interledger通过连接者( connector)传递跨系统的交易,在 最终接收者收到资金前,传递线路上各个支持 Interledger协议的系统会对各环节发送者的资金进行托管锁定 Interledger协议的交易托管与执行分为两种方式,其中,原子模式是由参与者选出一组公证人来协调交易;通用 模式无需公证人,通过参与者给予激励以及反向执行指令来确保安全支付 Interledger最初作为公证人机制的 跨链代表,在协议发展过程中,也开始逐步融入哈希锁定的理念 2016年5月美国区块链软件技术公司 ConsenSus设计了 btCRelay2,实现了以太坊对比特币区块链数据 的跨链访问 BTCRelay实质是在以太坊网络上实现的一个智能合约,通过不断接收网络中各个 Relayer节点推 送的BTC区块头,实现BTC区块头在智能合约里的存储和实时更新由于BTC区块链的交易信息主要以 Merkle tree形式存储在区块头中,在不依赖第三方中介的情况下, BTCRelay以一种去中心化的方式实现了以 太坊智能合约对BTC区块链的数据访问尽管 BTCRelay的原理和实现并不是非常复杂,但该系统使得用户能 够创建各种触发条件依赖于BTC区块链事件或信息的以太坊智能合约,提高了智能合约的可用性.不过 BTCRelay仅支持ETH和BTC之间的跨链,而且并不能让BTC同时也能读取ETH区块链的信息,在这种跨链 方式下,通信是单向的,具有一定局限性 2016年6月Kwon提出了一种支持各种区块链接入与互操作的网络架构 Cosmo2基于建立区块链的互 联网构想 Cosmos网络设计为由枢纽(hub)和分区( zones组成,其中,分区由 Tendermint2经典拜占庭容错共识 算法引擎支持运行,可接入不同区块链,并支持分区数量的扩展分区载入区块链后各分区之间通信必须经由 枢纽并且遵照链间通信技术规范 (inter blockchain communication protocol简称 IBC) 27.Cosmos架构的关键在 于 Tendermint共识引擎和BC协议 Tendermint是2014年 Castro和 Liskov基于实用拜占庭容错(PBFT)29算 法提出的权益证明PoS( proof-of- stake)共识算法改编版通过验证者( validator)对交易区块进行多轮投票达到 共识;IBC协议则定义了区块链注册、数据包格式、交易类型、数据包交付确认流程等内容 2016年11月,Wood在 Polkadot白皮书中介绍了一种异构的多链架构,支持不同共识系统去中心化、去 信任( trustless)地进行交互操作、访问 Polkadot通过解耦共识机制和状态转移机制两种组件来解决伸缩性问题, 并将容纳的不同区块链定义为平行链 Polkadot的参与方包括收集者( collator)、渔夫( fisherman)、提名者

1652 Journal of Software 软件学报 Vol.30, No.6, June 2019 字资产交易的最初基础技术方案.原子转移也称原子交换(atomic swap),其概念类似于传统证券结算系统的货 银对付(delivery versus payment,简称 DVP)或外汇交易系统的交易同步交收(payment versus payment,简称 PvP), 在区块链领域,即指双方交易同时发生或同时不发生,二者不可分割.该方案通过让交易双方分别在比特币区块 链和其他数字货币区块链上设定合约脚本,并利用是否获知某个哈希值的原像(preimage)作为合约触发条件.该 原像由交易一方在交易之前随机产生,并结合方案设计的一系列合约锁定、解锁流程,实现跨链交易的原子性. Nolan 的技术方案经过改进升级后被称为哈希锁定,并成为跨链的一种主要技术手段.在用于 BTC 链下交易扩 容方案的闪电网络(lightning network)中也运用了类似的哈希时间锁定合约(Hashed timelock contract,简称 HTLC). 侧链则是首个产生较大影响力的跨链技术.比特币核心开发者加入的 Blockstream 公司在 2014 年 10 月发 布的白皮书中提出了楔入式侧链(pegged sidechains)[22]的概念,其目的是实现不同区块链资产的跨链转移,以及 可以在不影响主链的情况下,实施更多的技术创新与金融创新.双向楔入(two-way peg)作为侧链的核心技术基 础,定义为不同链资产的等值转换机制,并分为对称式双向楔入与非对称式双向楔入.2016 年 12 月,Blockstream 公司进一步提出强联邦侧链(sidechains with strong federations)的概念[23],在资产交换中引入由多方控制的多重 签名地址,以减少延迟并提升互操作性. 业界在探索区块链间的跨链同时,针对 BTC 本身的扩容问题发展出链下交易技术.Poon 于 2015 年 2 月发 布了闪电网络(lightning network)白皮书[24],该技术是通过设计一种新的支付渠道网络实现可扩展的连锁即时 支付.闪电网络利用链下支付提高交易处理效率,可以被认为是区块链内部的跨链操作.随着闪电网络的实现及 升级,2017 年 11 月,闪电网络在链下首次实现了测试网中 BTC 和 LTC 的跨链原子交易. Ripple 公司在 2015 年 11 月发布的 Interledger 白皮书[25]中提出了一种用于不同支付网络或账本系统交互 的协议,并计划覆盖至区块链账本及各类传统支付系统.Interledger 通过连接者(connector)传递跨系统的交易,在 最终接收者收到资金前,传递线路上各个支持 Interledger 协议的系统会对各环节发送者的资金进行托管锁定. Interledger 协议的交易托管与执行分为两种方式,其中,原子模式是由参与者选出一组公证人来协调交易;通用 模式无需公证人,通过参与者给予激励以及反向执行指令来确保安全支付.Interledger 最初作为公证人机制的 跨链代表,在协议发展过程中,也开始逐步融入哈希锁定的理念. 2016 年 5 月,美国区块链软件技术公司 ConsenSys 设计了 BTCRelay[26],实现了以太坊对比特币区块链数据 的跨链访问.BTCRelay 实质是在以太坊网络上实现的一个智能合约,通过不断接收网络中各个 Relayer 节点推 送的 BTC 区块头,实现 BTC 区块头在智能合约里的存储和实时更新.由于 BTC 区块链的交易信息主要以 Merkle tree 的形式存储在区块头中,在不依赖第三方中介的情况下,BTCRelay 以一种去中心化的方式实现了以 太坊智能合约对 BTC 区块链的数据访问.尽管 BTCRelay 的原理和实现并不是非常复杂,但该系统使得用户能 够创建各种触发条件依赖于 BTC 区块链事件或信息的以太坊智能合约,提高了智能合约的可用性.不过, BTCRelay 仅支持 ETH 和 BTC 之间的跨链,而且并不能让 BTC 同时也能读取 ETH 区块链的信息,在这种跨链 方式下,通信是单向的,具有一定局限性. 2016 年 6 月,Kwon 提出了一种支持各种区块链接入与互操作的网络架构 Cosmos[27].基于建立区块链的互 联网构想,Cosmos 网络设计为由枢纽(hub)和分区(zones)组成,其中,分区由 Tendermint[28]经典拜占庭容错共识 算法引擎支持运行,可接入不同区块链,并支持分区数量的扩展.分区载入区块链后,各分区之间通信必须经由 枢纽,并且遵照链间通信技术规范(inter blockchain communication protocol,简称 IBC)[27].Cosmos 架构的关键在 于 Tendermint 共识引擎和 IBC 协议:Tendermint 是 2014 年 Castro 和 Liskov 基于实用拜占庭容错(PBFT)[29]算 法提出的权益证明 PoS(proof-of-stake)[30]共识算法改编版,通过验证者(validator)对交易区块进行多轮投票达到 共识;IBC 协议则定义了区块链注册、数据包格式、交易类型、数据包交付确认流程等内容. 2016 年 11 月,Wood 在 Polkadot 白皮书[31]中介绍了一种异构的多链架构,支持不同共识系统去中心化、去 信任(trustless)地进行交互操作、访问.Polkadot 通过解耦共识机制和状态转移机制两种组件来解决伸缩性问题, 并将容纳的不同区块链定义为平行链.Polkadot 的参与方包括收集者(collator)、渔夫(fisherman)、提名者

李芳等:区块链跨链技术进展研究 653 ( nominator)和验证者( validator)这4种角色,分别承担运行平行链全节点、举报及证明非法行为、拥有权益并委 托资产、区块封装等工作在跨链通信方面, Polkadot采用中继链的方式转发各平行链的交易,同时,平行链的区 块头也会被包含进中继链的区块中,以避免双花的发生通过设计参与方角色、激励模型 Polkadot成为可自发 扩展、兼容已有区块链的异构多链网络 以太坊的链上扩容分片技术 Shadings8也备受关注2016年11月发布的 Sharding技术文档中计划在以太 坊转为权益证明( proof of stake,简称POS)后,以太坊区块链升级为由主链 main chain)和分片链( shard chain) 成的网络结构方案中,以太坊将首先形成约100个分片链,账户和交易信息均存储在分片链上,每个分片链再与 主链进行通信连接分片链主要处理交易以及存储账户与合约的状态,并支持跨分片链的消息交互;主链主要是 维护验证节点的状态以及跟踪分片链区块状态通过分片技术实现交易的并行确认,将直接提高以太坊的交易 吞吐量 除了以上介绍的几种跨链技术以外, RootStock32在比特币区块链上构建智能合约系统作为比特币区块链 的侧链实现功能增强, Elements通过双向锚定,提供与BTC的互转以及智能合约、私密交易证据分离等功能; Lisk构建的分布式应用开发平台为每个应用提供一个单独的Lsk侧链 Factom3通过整合比特币和以太坊 区块链提供不可变更的数据存证功能 Corda36通过交易双方选择出的共同公证人作为交叉验证人,对交易数 据进行验证 22后比特币区块链时代的跨链技术 以太坊创始人 Buterin与闪电网络发明人Poon于2017年8月11日提出了 Plasma3区块链扩展设计模 式 Plasma设计了一种区块链树形框架,将主链作为树根、不同区块链作为主链的独立树形分支,并通过构建智 能合约激励执行与强制执行框架,实现区块链的扩容计算 Plasma包括激励层、树形链组织结构、 MapReduce 计算框架、依赖于根链的共识机制和bmap-UTXO结构这5个组件协作实现合约持续计算、创建状态转移 的欺诈证明、网络形态组织等功能通过借鉴大数据并行计算模型 Mapreduce以及构建持续运作机制, Plasma 预期可使区块链扩容至支持每秒10亿量级的状态更新 2018年1月, Vitali在 Plasma基础上提出了最小可行的 Plasma实现( minimal viable plasma,简称MVP) MVP3在处罚欺诈、子链依赖以及处理无效交易等方面进行了限定2018年3月, Vitali又提出修改版 Plasma Cash9,在 Plasma基础上进行了以下变更:区块链资产基本单位无法分割及合并,交易不再按照 lindex顺序存 储于 Merkle树中,而是存储在稀疏简单的 Merkle树或 Patricia树中 Plasma的跨链框架得到业界广泛关注,如 OmGO计划使用 Plasma支持可扩展的去中心化交易与支付平台、 Lucidity4用 Plasma构建数字广告 区块链协议等 尽管以太坊因其开发友好性以及智能合约的高应用性,开发者与用户数量、市场份额均不断提升,但仍面 临区块链扩展性问题,并曾因承载一款引发流行的 CryptoKitties区块链游戏出现交易严重阻塞1在此背景 下,2017年1月,Loom项目基于以太坊构建了一套支持开发、运行大型去中心化应用DAp的基础设施平 台,并计划采用 Plasma与以太坊实现资产转移在保障资产安全的同时提升系统吞吐量Loom为开发者提供了 可快速构建区块链的SDK并让开发的分布式应用DApp都单独运行在以太坊的不同侧链上,称为 DApp Chain 该设计的特点在于每条 DAppChain均可以由开发者根据需求用不同的共识规则,具有一定的灵活性 2017年8月Aion项目定义了一种多层次的区块链网络结构,为不同区块链系统的接入提供通信协议和 标准在Aion网络中,定义了“桥梁”实现区块链之间的连接和通信,桥梁也有自己独特的验证者网络Aon通过 采用基于轻量级BFT的算法达成共识并具有注册、竞争、交易奖励分配等功能Aon规定了包括发起网络、 的网络、路由信息、路由费用、 Merkle证明等在内的跨链交易格式,还设计了Aion虚拟机(AVM)提供对区 块连逻辑的抽象以及提供运行应用程序的环境 017年8月29日, Eykholt等人在 Chain白皮书中设计提出了一种并行的区块链多链网络期望实现具 有高扩展性的企业级区块链平台 Chain采用 Rho vm虚拟机作为智能合约并发执行引擎并通过定义命名空间 ( namespace),使 ShoVE每个实例可以在命名空间中的独立区块链上并发执行智能合约 Chain的每个命名空

李芳 等:区块链跨链技术进展研究 1653 (nominator)和验证者(validator)这 4 种角色,分别承担运行平行链全节点、举报及证明非法行为、拥有权益并委 托资产、区块封装等工作.在跨链通信方面,Polkadot 采用中继链的方式转发各平行链的交易,同时,平行链的区 块头也会被包含进中继链的区块中,以避免双花的发生.通过设计参与方角色、激励模型,Polkadot 成为可自发 扩展、兼容已有区块链的异构多链网络. 以太坊的链上扩容分片技术 Sharding[18]也备受关注.2016 年 11 月发布的 Sharding 技术文档中,计划在以太 坊转为权益证明(proof of stake,简称 POS)后,以太坊区块链升级为由主链(main chain)和分片链(shard chain)构 成的网络结构.方案中,以太坊将首先形成约 100 个分片链,账户和交易信息均存储在分片链上,每个分片链再与 主链进行通信连接.分片链主要处理交易以及存储账户与合约的状态,并支持跨分片链的消息交互;主链主要是 维护验证节点的状态以及跟踪分片链区块状态.通过分片技术实现交易的并行确认,将直接提高以太坊的交易 吞吐量. 除了以上介绍的几种跨链技术以外,RootStock[32]在比特币区块链上构建智能合约系统,作为比特币区块链 的侧链实现功能增强;Elements[33]通过双向锚定,提供与 BTC 的互转以及智能合约、私密交易证据分离等功能; Lisk[34]构建的分布式应用开发平台为每个应用提供一个单独的 Lisk 侧链;Factom[35]通过整合比特币和以太坊 区块链,提供不可变更的数据存证功能;Corda[36]通过交易双方选择出的共同公证人作为交叉验证人,对交易数 据进行验证. 2.2 后比特币区块链时代的跨链技术 以太坊创始人 Buterin 与闪电网络发明人 Poon 于 2017 年 8 月 11 日提出了 Plasma[37]区块链扩展设计模 式.Plasma 设计了一种区块链树形框架,将主链作为树根、不同区块链作为主链的独立树形分支,并通过构建智 能合约激励执行与强制执行框架,实现区块链的扩容计算.Plasma 包括激励层、树形链组织结构、MapReduce 计算框架、依赖于根链的共识机制和 bitmap-UTXO 结构这 5 个组件,协作实现合约持续计算、创建状态转移 的欺诈证明、网络形态组织等功能.通过借鉴大数据并行计算模型 MapReduce 以及构建持续运作机制,Plasma 预期可使区块链扩容至支持每秒 10 亿量级的状态更新. 2018 年 1 月,Vitalik 在 Plasma 基础上提出了最小可行的 Plasma 实现(minimal viable plasma,简称 MVP). MVP[38]在处罚欺诈、子链依赖以及处理无效交易等方面进行了限定.2018 年 3 月,Vitalik 又提出修改版 Plasma Cash[39],在 Plasma 基础上进行了以下变更:区块链资产基本单位无法分割及合并;交易不再按照 txindex 顺序存 储于 Merkle 树中,而是存储在稀疏简单的 Merkle 树或 Patricia 树中.Plasma 的跨链框架得到业界广泛关注,如 OmiseGO[40]计划使用 Plasma 支持可扩展的去中心化交易与支付平台、Lucidity[41]利用 Plasma 构建数字广告 区块链协议等. 尽管以太坊因其开发友好性以及智能合约的高应用性,开发者与用户数量、市场份额均不断提升,但仍面 临区块链扩展性问题,并曾因承载一款引发流行的 CryptoKitties 区块链游戏[42]出现交易严重阻塞[43].在此背景 下,2017 年 11 月,Loom 项目[44]基于以太坊构建了一套支持开发、运行大型去中心化应用 DApp 的基础设施平 台,并计划采用 Plasma 与以太坊实现资产转移,在保障资产安全的同时提升系统吞吐量.Loom 为开发者提供了 可快速构建区块链的 SDK,并让开发的分布式应用 DApp 都单独运行在以太坊的不同侧链上,称为 DAppChain. 该设计的特点在于每条 DAppChain 均可以由开发者根据需求采用不同的共识规则,具有一定的灵活性. 2017 年 8 月,Aion 项目[45]定义了一种多层次的区块链网络结构,为不同区块链系统的接入提供通信协议和 标准.在 Aion 网络中,定义了“桥梁”实现区块链之间的连接和通信,桥梁也有自己独特的验证者网络.Aion 通过 采用基于轻量级 BFT[46]的算法达成共识,并具有注册、竞争、交易奖励分配等功能.Aion 规定了包括发起网络、 目的网络、路由信息、路由费用、Merkle 证明等在内的跨链交易格式,还设计了 Aion 虚拟机(AVM)提供对区 块连逻辑的抽象以及提供运行应用程序的环境. 2017 年 8 月 29 日,Eykholt 等人在 Rchain 白皮书中[47]设计提出了一种并行的区块链多链网络,期望实现具 有高扩展性的企业级区块链平台.Rchain采用 RhoVM虚拟机作为智能合约并发执行引擎,并通过定义命名空间 (namespace),使 RhoVM 每个实例可以在命名空间中的独立区块链上并发执行智能合约.Rchain 的每个命名空

Journal of software软件学报Vo.30,No.6, June2019 间相互独立并可相互通信,实现多链网络结构 2017年11月, Block Collider项目构建了基于多个不同区块链的分布式账本在区块生成上, Block Collider的区块由所接入的各个区块链的区块头组合而成并基于中本聪共识设计了一种 Proof of distance的 共识算法来提高计算效率通过对不同区块链的集成, Block Collider可提供跨链交易、跨链智能合约、交易加 速等特性 Block collider发布时计划首先支持BTC,ETH等6种区块链的接入,并预留了扩展性,其他区块链的 项目将通过投票的形式确定是否接入 2017年11月24日,Nano技术白皮书介绍了一种基于区块晶格( block-lattice结构的加密货币,其特色在 于每个账户都有自己的区块链(账户链)来记录本账户的交易与余额历史从而构成多链网络结构Nano的技术 架构可认为是区块链的内部跨链,账户链之间通过收发交易以及异步确认形成网状区块晶格形态.与传统区块 链采用线性增长的区块链式结构不同Nano实现了交易的异步更新,具有较小的数据库账本容量以及较高的交 易吞吐量 B2cash(ZEC)团队开发出XCAT(交叉链原子交易)工具,实现了ZEC和BTC之间的跨链原子交易; 3基于智能合约构建了一套跨链的去中心化流动性( liquidity)网络,实现没有对手方的区块链资产的自 动估值和兑换 Oneledgerl3提供一套企业系统与区块链系统联通的解决方案通过侧链接入各类私有链、联盟 链和公有链并通过中间协议层与企业级系统通信 23跨链技术的总结 总体而言,跨链技术还处于发展过程中,部分跨链技术目前仅公布了技术思路构想并正在研发或在区块链 测试网中开展局部实验阶段还没有完全实现方案中所列出的各项功能指标和技术特性因此对跨链技术的安 全性、效率、性能、资源消耗等方面开展橫向评估较困难.从公开的白皮书或技术报告来看,上述跨链技术有 些为基础协议型,有些为开发设计模式,有些是某区块链的侧链,或仅用于有限个区块链之间互联等各跨链技 术不适于通过同一维度进行分类表1汇总了各跨链技术的提出时间,并从该跨链技术是“基于BTC区块链 /TH区块链/自有链”、跨链机制“公证人机制侧链(中继》哈希锁定/通信协议簇”、跨链范围“系统内部跨链/ 系统间跨链”这3个维度对跨链技术进行总结 基于BTC区块链是指该跨链技术在BTC基础上提出或开发(如 pegged sidechains)、或属于BTC区块链 的侧链(如 rootstock. elements)、或是BTC区块链特性的一部分(如 lightning network,.基于ETH区块链与之类 似自有链指该跨链技术基于或属于非BTC/ETH的其他区块链基于BTC区块链和ETH区块链的跨链项目数 量相当,表明公有链中这二者具有更广泛的应用基础以及更迫切的跨链需求以自有链形式构建的跨链项目,主 要以构建具有跨链特性的区块链作为项目特色并致力于寻求实现通用的、标准化的区块链接入模型 公证人机制侧链(中继y哈希锁定根据 Vitali Buterin的分类定义1;通信协议簇指该跨链技术主要通过规 定一系列通信数据格式与协议规范等实现区块链接入基于公证人机制的项目中, Interledger早期版本以公证 人机制为主实现不同类型账本的连接 Corda的特色在于提供更安全的公证人选择(交易参与方共同指定)和操 作模式(运行共识机制)基于侧链(中继)的项目占比较高,其中 Pegged Sidechains是侧链最初的技术原型,提出 了双向楔入的概念; Rootstock. Elements基于BTC侧链提供增强式智能合约功能 BTCRelay与Loom均为基于 ETH区块链的侧链,前者提供跨BTC与ETH的资产交换及智能合约应用后者侧重构建基于ETH的分布式应 用DApp开发部署环境;Lisk则是通过搭建自有链提供DApp开发平台; Plasma及其变种 Minimal viable Plasma, Plasma cash设计了集成主链与侧链的树形分层网络框架, Polkadot和 Cosmos则分别设计了 Relay chain- Bridges- Parachains结构和Hub-Zone结构的跨链网络基础平台基于哈希锁定机制的项目中 nolan's atomic transfers为哈希锁定的技术原型 Cash XCAT已成功演示了ZEC和BTC的跨链交易 Lightning Network 致力于成为BTC主流链下扩容方案,上线版本已运行上千个主网节点和上万个通道验证了技术的可行性通信 协议簇类跨链技术由于以定义系统结构、通信协议、数据格式、工作流程等各类标准规范为主,未来能否成为 主流的跨链方案,主要取决于区块链产业界各方对该协议规范的接受度以及在协议实现层面能够获得多大范 围的支持

1654 Journal of Software 软件学报 Vol.30, No.6, June 2019 间相互独立并可相互通信,实现多链网络结构. 2017 年 11 月,Block Collider 项目[48]构建了基于多个不同区块链的分布式账本.在区块生成上,Block Collider 的区块由所接入的各个区块链的区块头组合而成,并基于中本聪共识设计了一种 Proof of Distance 的 共识算法来提高计算效率.通过对不同区块链的集成,Block Collider 可提供跨链交易、跨链智能合约、交易加 速等特性.Block Collider 发布时计划首先支持 BTC,ETH 等 6 种区块链的接入,并预留了扩展性,其他区块链的 项目将通过投票的形式确定是否接入. 2017 年 11 月 24 日,Nano[49]技术白皮书介绍了一种基于区块晶格(block-lattice)结构的加密货币,其特色在 于每个账户都有自己的区块链(账户链)来记录本账户的交易与余额历史,从而构成多链网络结构.Nano 的技术 架构可认为是区块链的内部跨链,账户链之间通过收发交易以及异步确认形成网状区块晶格形态.与传统区块 链采用线性增长的区块链式结构不同,Nano 实现了交易的异步更新,具有较小的数据库账本容量以及较高的交 易吞吐量. Zcash(ZEC)团队开发出 XCAT(交叉链原子交易)工具[50],实现了 ZEC 和 BTC 之间的跨链原子交易; Bancor[51]基于智能合约构建了一套跨链的去中心化流动性(liquidity)网络,实现没有对手方的区块链资产的自 动估值和兑换;OneLedger[52]提供一套企业系统与区块链系统联通的解决方案,通过侧链接入各类私有链、联盟 链和公有链,并通过中间协议层与企业级系统通信. 2.3 跨链技术的总结 总体而言,跨链技术还处于发展过程中,部分跨链技术目前仅公布了技术思路构想,并正在研发或在区块链 测试网中开展局部实验阶段,还没有完全实现方案中所列出的各项功能指标和技术特性,因此对跨链技术的安 全性、效率、性能、资源消耗等方面开展横向评估较困难.从公开的白皮书或技术报告来看,上述跨链技术有 些为基础协议型,有些为开发设计模式,有些是某区块链的侧链,或仅用于有限个区块链之间互联等,各跨链技 术不适于通过同一维度进行分类.表 1 汇总了各跨链技术的提出时间,并从该跨链技术是“基于 BTC 区块链 /ETH 区块链/自有链”、跨链机制“公证人机制/侧链(中继)/哈希锁定/通信协议簇”、跨链范围“系统内部跨链/ 系统间跨链”这 3 个维度对跨链技术进行总结. 基于 BTC 区块链是指该跨链技术在 BTC 基础上提出或开发(如 pegged sidechains)、或属于 BTC 区块链 的侧链(如 rootstock,elements)、或是 BTC 区块链特性的一部分(如 lightning network);基于 ETH 区块链与之类 似;自有链指该跨链技术基于或属于非 BTC/ETH 的其他区块链.基于 BTC 区块链和 ETH 区块链的跨链项目数 量相当,表明公有链中这二者具有更广泛的应用基础以及更迫切的跨链需求.以自有链形式构建的跨链项目,主 要以构建具有跨链特性的区块链作为项目特色,并致力于寻求实现通用的、标准化的区块链接入模型. 公证人机制/侧链(中继)/哈希锁定根据 Vitalik Buterin 的分类定义[16];通信协议簇指该跨链技术主要通过规 定一系列通信数据格式与协议规范等实现区块链接入.基于公证人机制的项目中,Interledger 早期版本以公证 人机制为主实现不同类型账本的连接;Corda 的特色在于提供更安全的公证人选择(交易参与方共同指定)和操 作模式(运行共识机制).基于侧链(中继)的项目占比较高,其中,Pegged Sidechains 是侧链最初的技术原型,提出 了双向楔入的概念;RootStock,Elements 基于 BTC 侧链提供增强式智能合约功能;BTCRelay 与 Loom 均为基于 ETH 区块链的侧链,前者提供跨 BTC 与 ETH 的资产交换及智能合约应用,后者侧重构建基于 ETH 的分布式应 用 DApp 开发部署环境;Lisk 则是通过搭建自有链提供 DApp 开发平台;Plasma 及其变种 Minimal Viable Plasma,Plasma Cash 设计了集成主链与侧链的树形分层网络框架;Polkadot 和 Cosmos 则分别设计了 Relay chain-Bridges-Parachains 结构和 Hub-Zone 结构的跨链网络基础平台.基于哈希锁定机制的项目中,Nolan’s atomic transfers 为哈希锁定的技术原型;Zcash XCAT 已成功演示了 ZEC 和 BTC 的跨链交易;Lightning Network 致力于成为 BTC 主流链下扩容方案,上线版本已运行上千个主网节点和上万个通道,验证了技术的可行性.通信 协议簇类跨链技术由于以定义系统结构、通信协议、数据格式、工作流程等各类标准规范为主,未来能否成为 主流的跨链方案,主要取决于区块链产业界各方对该协议规范的接受度以及在协议实现层面能够获得多大范 围的支持

李芳等:区块链跨链技术进展研究 55 Table 1 Summary of cross-chain technology 表1跨链技术汇总表 名称 基于BTC区块链/基于公证人机制/侧链(中继y跨链作用 时间EIH区块链/自有链哈希锁定/通信协议簇范围 nolan’s" atomic transfers”2013基于BTC区块链 2014基于BTC区块链 Lightning Network 2015 基于BTC区块链 哈希锁定 系统间 自有链 公证人机制、哈希锁定系统间 BTCRelay 基于EIH区块链 系统间 2016 自有链 中继、通信协议簇 系统间 自有链 系统间 基于EIH区块链 系统内部 基于BTC区块链 侧链 系统间 016基于BTC区块链 系统间 基于BTC区块链 系统间 自有链 公证人机制 系统间 2017基于EIH区块链 系统间 Minimal viable plasma 2018 基于EIH区块链 Plasma Cash 2018基于EIH区块链 系统间 基于EIH区块链 系统间 Aion 通信协议簇 系统间 自有链 系统内部 Block Collider 自有链 通信协议簇 系统间 系统内部 自有链 哈希锁定 系统间 基于EIH区块链 系统间 系统内部跨链指跨链技术支持在区块链系统内部的子链(如nano区块链内部的账户链、ETH区块链内部 的 sharding链、 chain中在不同命名空间运行的独立区块链)跨链;系统间跨链指支持不同区块链项目之间的跨 链(如 BTCRelay实现ETH与BTC的跨链、 cosmos原则上支持所有符合 cosmos协议的区块链互联等)跨链作 用范围目前以区块链内部以及不同区块链之间为主提供区块链与传统系统或协议之间交互的跨链项目较少 ( interledger支持分布式和传统中心化账本互联) 跨链技术在不同时期也呈现出各自的特点比特币区块链时代期间,主要提出了跨链的几种技术原型,并重 点针对BTC区块链容量限制及交易手续费高等问题发展出闪电网络、 Pegged Sidechains等项目或技术;后比 特币区块链时代时期侧重于面向更多种应用场景,例如实现链上资产互换(去中心化交易所)、增强区块链系统 的互操作性和可升级性、提供小型区块链系统(包括私有链、联盟链)的安全保障和价值传递等,探索具有更强 扩展性的通用跨链技术 3跨链安全性分析 跨链技术的重要性已被业界认可,尽管近几年跨链技术得到较迅速的发展但目前现有的跨链技术还没有 得到大规模应用跨链的重要应用之一原子交换尚局限在个别区块链资产之间,或处于在测试链上试用的阶段 如BTC与LTC、LTC与DCR、ZEC与BTC等的原子交换实验区块链资产的跨类别交易仍以中心化 形态为主,去中心化交易平台 Bitshares, Ether Delta等承载的交易量相对占比极低小于总区块链资产交易量的 千分之一1,支持跨链数据通信的各类跨链协议大部分处于研发状态暂未获得广泛的认可和共识跨链技术面 临的问题在于:一方面,区块链技术本身日新月异的发展速度,使得区块链种类、技术复杂性、应用场景多样性 都在不断提升,造成对跨链技术的更新迭代提出更高的要求;另一方面,由于区块链的某些固有特性跨链技术 目前还存在一些安全性层面的难点有待攻克从来源与影响因素方面分析,跨链技术的安全性可以包括以下两 个类别

李芳 等:区块链跨链技术进展研究 1655 Table 1 Summary of cross-chain technology 表 1 跨链技术汇总表 名称 时间 基于 BTC 区块链/基于 ETH 区块链/自有链 公证人机制/侧链(中继)/ 哈希锁定/通信协议簇 跨链作用 范围 Nolan’s “atomic transfers” 2013 基于 BTC 区块链 哈希锁定 系统间 Pegged Sidechains 2014 基于 BTC 区块链 侧链 系统间 Lightning Network 2015 基于 BTC 区块链 哈希锁定 系统间 Interledger 2015 自有链 公证人机制、哈希锁定 系统间 BTCRelay 2016 基于 ETH 区块链 侧链 系统间 Cosmos 2016 自有链 中继、通信协议簇 系统间 Polkadot 2016 自有链 中继 系统间 Sharding 2016 基于 ETH 区块链 − 系统内部 RootStock 2015 基于 BTC 区块链 侧链 系统间 Elements 2016 基于 BTC 区块链 侧链 系统间 Lisk 2017 自有链 侧链 系统间 Factom 2014 基于 BTC 区块链 − 系统间 Corda 2016 自有链 公证人机制 系统间 Plasma 2017 基于 ETH 区块链 侧链 系统间 Minimal Viable Plasma 2018 基于 ETH 区块链 侧链 系统间 Plasma Cash 2018 基于 ETH 区块链 侧链 系统间 Loom 2017 基于 ETH 区块链 侧链 系统间 Aion 2017 自有链 通信协议簇 系统间 Rchain 2017 自有链 − 系统内部 Block Collider 2017 自有链 通信协议簇 系统间 Nano 2017 自有链 − 系统内部 Zcash XCAT 2017 自有链 哈希锁定 系统间 Bancor 2018 基于 ETH 区块链 − 系统间 OneLedger 2018 自有链 通信协议簇 系统间 系统内部跨链指跨链技术支持在区块链系统内部的子链(如 nano 区块链内部的账户链、ETH 区块链内部 的 sharding 链、rchain 中在不同命名空间运行的独立区块链)跨链;系统间跨链指支持不同区块链项目之间的跨 链(如 BTCRelay 实现 ETH 与 BTC 的跨链、cosmos 原则上支持所有符合 cosmos 协议的区块链互联等).跨链作 用范围目前以区块链内部以及不同区块链之间为主,提供区块链与传统系统或协议之间交互的跨链项目较少 (interledger 支持分布式和传统中心化账本互联). 跨链技术在不同时期也呈现出各自的特点.比特币区块链时代期间,主要提出了跨链的几种技术原型,并重 点针对 BTC 区块链容量限制及交易手续费高等问题,发展出闪电网络、Pegged Sidechains 等项目或技术;后比 特币区块链时代时期,侧重于面向更多种应用场景,例如实现链上资产互换(去中心化交易所)、增强区块链系统 的互操作性和可升级性、提供小型区块链系统(包括私有链、联盟链)的安全保障和价值传递等,探索具有更强 扩展性的通用跨链技术. 3 跨链安全性分析 跨链技术的重要性已被业界认可,尽管近几年跨链技术得到较迅速的发展,但目前,现有的跨链技术还没有 得到大规模应用.跨链的重要应用之一原子交换尚局限在个别区块链资产之间,或处于在测试链上试用的阶段, 如 BTC 与 LTC[53]、LTC 与 DCR[54]、ZEC 与 BTC[55]等的原子交换实验;区块链资产的跨类别交易仍以中心化 形态为主,去中心化交易平台 Bitshares,EtherDelta 等承载的交易量相对占比极低,小于总区块链资产交易量的 千分之一[56];支持跨链数据通信的各类跨链协议大部分处于研发状态,暂未获得广泛的认可和共识.跨链技术面 临的问题在于:一方面,区块链技术本身日新月异的发展速度,使得区块链种类、技术复杂性、应用场景多样性 都在不断提升,造成对跨链技术的更新迭代提出更高的要求;另一方面,由于区块链的某些固有特性,跨链技术 目前还存在一些安全性层面的难点有待攻克.从来源与影响因素方面分析,跨链技术的安全性可以包括以下两 个类别

Journal of software软件学报Vo.30,No.6, June2019 (1)跨链的技术原理与实现机制本身存在的安全性缺陷伴随着区块链技术的快速发展,跨链技术仍处于 演进过程中,在设计与实现上还存在信任依赖、恶意交易等安全性问题 (2)区块链系统的结构及特点对跨链安全性造成的影响由于区块链的分布式账本架构与传统软件系统 具有显著差异,相比于一般信息系统之间的互联互通,现有各类跨链技术还将面临一些共性的安全性 挑战 以下分析总结了12种主要的跨链安全性问题(其中,1~3项属于第1类别,4~12项属于第2类别),以期为相 领域学者研究现有跨链技术以及设计新的跨链技术提供一些参考 (1)公证人信任问题公证人机制由于引入了第三方机构或组织,尽管有成熟的选举策略,但价值转移或 信息交换主要依赖于公证人的诚实性,因此中心化程度较高公证人多重签名通过随机选择在一定程 度上增强了安全性但并未完全消除相关依赖,仍然存在共谋风险基于公证人机制的一些跨链项目 也在寻求与其他技术的结合如公证人机制的代表— Interledger项目,在其最新协议中融合了哈希 锁定机制以提供更完备的安全保障 (2)侧链/中继的安全性问题由于侧链/中继机制主要通过读取区块头来实现对事件或支付的验证,无法 像主链全节点获知网络上所有交易的全貌,因此难以实现交易的全面验证,如追溯所有历史交易的 UTXO(unspent transaction output)数据、判断是否存在双重支付等侧链中继机制依赖于矿工的诚实 性,在链失效( chain fail或51%攻击情况下,将导致跨链系统无法正常工作 (3)哈希锁定的安全性问题根据哈希锁定的设计原理,其技术安全性主要与资金锁定机制以及锁定时间 超时相关例如,基于哈希锁定的闪电网络在系统设计时就预见到如下安全风险恶意参与者创建 大量交易通道并让所有通道同时超时,导致垃圾交易信息在网络中广播并造成阻塞,从而影响正常交 易;交易通道开启阶段必须保证定量的资金处于锁定状态,即用户需要采用“热钱包”保持较长时间连 接到区块链网络以便能签名交易,而非“冷钱包”或离线存储等更安全的方式,因而将增加黑客盗取用 户私钥的风险;交易一方如果发生数据丢失或者没有在正确的时间内广播交易将可能存在被另一方 盗取资金的风险 (4)孤块( orphan block问题在采用工作量证明(PoW为共识算法的区块链网络中不同矿工可能在相 近时间内挖出了两个或多个区块,它们均符合区块链基础协议且工作量足够,因此都属于合法区块 但由于网络传输等问题网络中的各个节点可能会以不同的顺序接受这些区块并在最早接收的区块 基础上继续计算下一个区块最终,这些区块中只有一个存在于最长链中,其他区块则被丢弃成为孤 块因此,当跨链网络读取所接入区块链的最新区块信息后,会出现包含相关交易数据的区块先被确 认有效,随后又成为孤块的情况,从而导致跨链网络实际传递了错误的区块信息(该区块内的交易和 相关数据均已被原始区块链丢弃) (5)长距离攻击( long range attack)在采用权益证明(Pos)共识算法的区块链网络中,恶意的节点可能会 预先计算出大量区块再一次性放出,导致对应的原始区块链出现重组( block reorganization).基于替换 前的区块完成的跨链交易将均被撤销,跨链网络中的交易因此会被双花( double- spend,智能合约则可 能出现满足触发条件并执行结束但随后触发条件被回滚的情况.应对此类攻击较好的方法之一是设 立确定性检查点1 (6)阻塞超时问题某些跨链技术通过设置延迟时间以确保跨链交易或交互数据得到区块链的确认,这在 定程度上可以避免孤块和长距离攻击问题鉴于区块链目前有限的交易处理速度垃圾交易(spam transactions)或短期内过多的交易数量会导致区块链网络阻塞在当前影响力最大的公有链系统比特 币和以太坊中,均出现过多次交易阻塞超过数小时甚至几天未被确认的情况跨链形成的链联网,可 能会因为跨链网络一侧的区块链阻塞而导致跨链交易超时且无法及时取消,甚至存在大面积跨链交 互阻塞的风险; (7)竞争条件攻击( race condition attack.在原子交换类的跨链系统中,尤其容易遭受此类攻击1举例来

1656 Journal of Software 软件学报 Vol.30, No.6, June 2019 (1) 跨链的技术原理与实现机制本身存在的安全性缺陷.伴随着区块链技术的快速发展,跨链技术仍处于 演进过程中,在设计与实现上还存在信任依赖、恶意交易等安全性问题; (2) 区块链系统的结构及特点对跨链安全性造成的影响.由于区块链的分布式账本架构与传统软件系统 具有显著差异,相比于一般信息系统之间的互联互通,现有各类跨链技术还将面临一些共性的安全性 挑战. 以下分析总结了 12 种主要的跨链安全性问题(其中,1~3 项属于第 1 类别,4~12 项属于第 2 类别),以期为相 关领域学者研究现有跨链技术以及设计新的跨链技术提供一些参考. (1) 公证人信任问题.公证人机制由于引入了第三方机构或组织,尽管有成熟的选举策略,但价值转移或 信息交换主要依赖于公证人的诚实性,因此中心化程度较高.公证人多重签名通过随机选择在一定程 度上增强了安全性,但并未完全消除相关依赖,仍然存在共谋风险.基于公证人机制的一些跨链项目 也在寻求与其他技术的结合,如公证人机制的代表——Interledger 项目,在其最新协议中融合了哈希 锁定机制,以提供更完备的安全保障; (2) 侧链/中继的安全性问题.由于侧链/中继机制主要通过读取区块头来实现对事件或支付的验证,无法 像主链全节点获知网络上所有交易的全貌,因此难以实现交易的全面验证,如追溯所有历史交易的 UTXO(unspent transaction output)数据、判断是否存在双重支付等.侧链/中继机制依赖于矿工的诚实 性,在链失效(chain fail)或 51%攻击情况下,将导致跨链系统无法正常工作; (3) 哈希锁定的安全性问题.根据哈希锁定的设计原理,其技术安全性主要与资金锁定机制以及锁定时间 超时相关.例如,基于哈希锁定的闪电网络在系统设计时就预见到如下安全风险[24]:恶意参与者创建 大量交易通道并让所有通道同时超时,导致垃圾交易信息在网络中广播并造成阻塞,从而影响正常交 易;交易通道开启阶段必须保证定量的资金处于锁定状态,即用户需要采用“热钱包”保持较长时间连 接到区块链网络以便能签名交易,而非“冷钱包”或离线存储等更安全的方式,因而将增加黑客盗取用 户私钥的风险;交易一方如果发生数据丢失或者没有在正确的时间内广播交易,将可能存在被另一方 盗取资金的风险; (4) 孤块(orphan block)问题.在采用工作量证明(PoW)[1]为共识算法的区块链网络中,不同矿工可能在相 近时间内挖出了两个或多个区块,它们均符合区块链基础协议且工作量足够,因此都属于合法区块. 但由于网络传输等问题,网络中的各个节点可能会以不同的顺序接受这些区块,并在最早接收的区块 基础上继续计算下一个区块.最终,这些区块中只有一个存在于最长链中,其他区块则被丢弃成为孤 块.因此,当跨链网络读取所接入区块链的最新区块信息后,会出现包含相关交易数据的区块先被确 认有效,随后又成为孤块的情况,从而导致跨链网络实际传递了错误的区块信息(该区块内的交易和 相关数据均已被原始区块链丢弃); (5) 长距离攻击(long range attack).在采用权益证明(PoS)[30]共识算法的区块链网络中,恶意的节点可能会 预先计算出大量区块再一次性放出,导致对应的原始区块链出现重组(block reorganization).基于替换 前的区块完成的跨链交易将均被撤销,跨链网络中的交易因此会被双花(double-spend),智能合约则可 能出现满足触发条件并执行结束,但随后触发条件被回滚的情况.应对此类攻击较好的方法之一是设 立确定性检查点[57]; (6) 阻塞超时问题.某些跨链技术通过设置延迟时间以确保跨链交易或交互数据得到区块链的确认,这在 一定程度上可以避免孤块和长距离攻击问题.鉴于区块链目前有限的交易处理速度,垃圾交易(spam transactions)或短期内过多的交易数量会导致区块链网络阻塞.在当前影响力最大的公有链系统比特 币和以太坊中,均出现过多次交易阻塞超过数小时甚至几天未被确认的情况.跨链形成的链联网,可 能会因为跨链网络一侧的区块链阻塞而导致跨链交易超时且无法及时取消,甚至存在大面积跨链交 互阻塞的风险; (7) 竞争条件攻击(race condition attack).在原子交换类的跨链系统中,尤其容易遭受此类攻击[16].举例来

李芳等:区块链跨链技术进展研究 657 说A,B双方通过跨链系统提供的智能合约尝试交换A的1个BTC和B的10个ETH资产A发送1 个BTC给合约规定的地址,B此时也发送同样数量的BTC到相同地址,并且试图取回自己的10个 ETH这两笔交易均有一定概率被先确认,从而导致B同时得到A的BTC并取回自己的ETH而A 无所获的情况 (8)日蚀攻击( eclipse attack区块链以及跨链网络均是以P2P网络为基础,由于P2P网络单个节点连接至 其他节点数量受TCP连接限制,攻击者通过控制足够多的地址,可以屏蔽受害节点的所有输入和输 链网络组成跨链网络的节点数相对更少更易遭受类似的日蚀攻法妻 节点,从而使受害节点无法获得真实的网络信息相较于节点全球分散、数量庞大的大型公有链区块 (9)区块肿胀( block bloat)问題通过存储跨链交易相关区块链的区块头实现数据访问是跨链技术的一种 主流做法,由于区块链交易记录的不断累积,截至本文撰写时(2018年10月,比特币区块链大小已达 20GB,以太坊区块链为l08 GB(fast sync模式),并在继续快速增长中尽管区块头的容量占比较低,但 跨链接入的区块链越多需要存储的容量也会相应增多,使得跨链也会面临相同的区块膨胀问题; (10)失效蔓延问题 成的链联网结构中,如果其中一部分区块链因共识失败或51%攻击成功等,使 这些区块链被恶意势力掌控或完全无法正常运转,链联网中错综复杂的跨链通信则会因为部分死链 导致连锁式的交互失败从而使跨链失效在链联网中大面积蔓延.2018年以来有 BTG Verge等多种区 块链遭受了51%攻击,造成重大的区块链资产双花问题如跨链系统连接了这类区块链网络且未采 取相应的安全防护措施可能导致与它们相联的其他区块链网络受到影响并造成经济损失等后果 (11)跨链重放攻击( cross-chain replay attacks).区块链网络发生硬分叉( hard fork)后,由于原始链和分叉链 的交易地址、交易格式、密钥算法等均可能完全相同,其中一条链上的交易被恶意传送到另外一条 或多条链重新广播该交易也可能得到确认,即重放攻击( replay attacks)硬分叉是区块链中并不少见, 般出现在区块链系统升级、共识失败,或开发人员将代码进行一定程度修改后另行启动新的区块 链系统跨链重放攻击会导致跨链交易在分叉的区块链同时成立,造成用户区块链资产的损失 (12)升级兼容性问题大多数区块链项目在上线后均会通过持续升级更新特性特别是大版本升级时会影 响一些关键特性如区块大小、共识算法切换、新增功能等当跨链接入众多区块链时,各链版本升级 后对跨链协议、跨链机制的兼容以及跨链如何应对与自适应,都是需要关注的问题 综上,当多个区块链系统通过跨链系统相互连接后系统的整体复杂度将大幅增加,特别是跨链系统所对接 的多条区块链在设计之初一般并未考虑跨链应用的场景,并缺乏对应的保护机制,由此引入的安全性问题需要 跨链系统的设计者谨慎分析和应对 4总结与展望 跨链技术被认为是区块链领域发展的圣杯5是实现链联网的核心关键技术本文对目前主流的跨链技术 进行了系统性的介绍和对比由于区块链领域的发展日新月异,一些新的跨链技术也在不断涌现现有的跨链技 术从形态上来看,有些是在已有区块链项目基础上的改进,实现有限的数据互联;有些是提出了一套通信协议, 实现区块链间的通信有些是提出了新的系统架构和运行模式,支持不同区块链的接入总的来看,跨链技术仍 处于初期发展过程中,跨链的推广应用需要达成更广泛的共识 基于区块链的分布式账本技术通过区块封装、共识算法、时间戳等机制提供了去中心化、不可篡改、无 需信任等优秀特性,并结合行业需求逐步开展了各类应用开发,同时,系统容量、资源消耗、运行效率等技术 指标也在不断提升6过,为实现无处不在的价值流通与交换提供了可能跨链是实现无界价值互联的关键,其技 术突破将有助于推动跨链资产转移/{抵押、跨链数据共享、中心化资产交易平台、分布式应用DAp的跨平台 开发/部署/配置、跨链智能合约应用、垂直行业私有链价值交互等应用领域的发展开放的公有链与访问受限 的私有链、联盟链之间,区块链与传统软件系统之间,也存在价值拓展和交换的应用需求未来跨链技术有可能 演变为支撑更广泛应用的网络基础设施

李芳 等:区块链跨链技术进展研究 1657 说,A,B 双方通过跨链系统提供的智能合约,尝试交换 A 的 1 个 BTC 和 B 的 10 个 ETH 资产.A 发送 1 个 BTC 给合约规定的地址,B 此时也发送同样数量的 BTC 到相同地址,并且试图取回自己的 10 个 ETH.这两笔交易均有一定概率被先确认,从而导致 B 同时得到 A 的 BTC 并取回自己的 ETH 而 A 一 无所获的情况; (8) 日蚀攻击(eclipse attack).区块链以及跨链网络均是以 P2P 网络为基础,由于 P2P 网络单个节点连接至 其他节点数量受 TCP 连接限制,攻击者通过控制足够多的地址,可以屏蔽受害节点的所有输入和输出 节点,从而使受害节点无法获得真实的网络信息.相较于节点全球分散、数量庞大的大型公有链区块 链网络,组成跨链网络的节点数相对更少,更易遭受类似的日蚀攻击; (9) 区块肿胀(block bloat)问题.通过存储跨链交易相关区块链的区块头实现数据访问是跨链技术的一种 主流做法,由于区块链交易记录的不断累积,截至本文撰写时(2018 年 10 月),比特币区块链大小已达 220GB,以太坊区块链为 108GB(fast sync 模式),并在继续快速增长中.尽管区块头的容量占比较低,但 跨链接入的区块链越多,需要存储的容量也会相应增多,使得跨链也会面临相同的区块膨胀问题; (10) 失效蔓延问题.跨链形成的链联网结构中,如果其中一部分区块链因共识失败或 51%攻击[1]成功等,使 这些区块链被恶意势力掌控或完全无法正常运转,链联网中错综复杂的跨链通信则会因为部分死链 导致连锁式的交互失败,从而使跨链失效在链联网中大面积蔓延.2018 年以来,有 BTG,Verge 等多种区 块链遭受了 51%攻击[58],造成重大的区块链资产双花问题,如跨链系统连接了这类区块链网络且未采 取相应的安全防护措施,可能导致与它们相联的其他区块链网络受到影响,并造成经济损失等后果; (11) 跨链重放攻击(cross-chain replay attacks).区块链网络发生硬分叉(hard fork)后,由于原始链和分叉链 的交易地址、交易格式、密钥算法等均可能完全相同,其中一条链上的交易被恶意传送到另外一条 或多条链重新广播,该交易也可能得到确认,即重放攻击(replay attacks).硬分叉是区块链中并不少见, 一般出现在区块链系统升级、共识失败,或开发人员将代码进行一定程度修改后另行启动新的区块 链系统.跨链重放攻击会导致跨链交易在分叉的区块链同时成立,造成用户区块链资产的损失; (12) 升级兼容性问题.大多数区块链项目在上线后均会通过持续升级更新特性,特别是大版本升级时会影 响一些关键特性,如区块大小、共识算法切换、新增功能等.当跨链接入众多区块链时,各链版本升级 后对跨链协议、跨链机制的兼容,以及跨链如何应对与自适应,都是需要关注的问题. 综上,当多个区块链系统通过跨链系统相互连接后,系统的整体复杂度将大幅增加,特别是跨链系统所对接 的多条区块链,在设计之初一般并未考虑跨链应用的场景,并缺乏对应的保护机制,由此引入的安全性问题需要 跨链系统的设计者谨慎分析和应对. 4 总结与展望 跨链技术被认为是区块链领域发展的圣杯[59],是实现链联网的核心关键技术.本文对目前主流的跨链技术 进行了系统性的介绍和对比.由于区块链领域的发展日新月异,一些新的跨链技术也在不断涌现.现有的跨链技 术从形态上来看,有些是在已有区块链项目基础上的改进,实现有限的数据互联;有些是提出了一套通信协议, 实现区块链间的通信;有些是提出了新的系统架构和运行模式,支持不同区块链的接入.总的来看,跨链技术仍 处于初期发展过程中,跨链的推广应用需要达成更广泛的共识. 基于区块链的分布式账本技术通过区块封装、共识算法、时间戳等机制,提供了去中心化、不可篡改、无 需信任等优秀特性,并结合行业需求逐步开展了各类应用开发[60];同时,系统容量、资源消耗、运行效率等技术 指标也在不断提升[61,62],为实现无处不在的价值流通与交换提供了可能.跨链是实现无界价值互联的关键,其技 术突破将有助于推动跨链资产转移/抵押、跨链数据共享、中心化资产交易平台、分布式应用 DApp 的跨平台 开发/部署/配置、跨链智能合约应用、垂直行业私有链价值交互等应用领域的发展.开放的公有链与访问受限 的私有链、联盟链之间,区块链与传统软件系统之间,也存在价值拓展和交换的应用需求,未来跨链技术有可能 演变为支撑更广泛应用的网络基础设施

Journal of Sofware软件学报ol.30,No.6,June2019 跨链的初衷在于构建链联网、实现各个区块链的无缝互联,但基于区块链的本质特性以及面对愈加丰富的 应用形态时,未来也可能并不会统一成一种通用的跨链技术来满足各类需求可以预见随着跨链技术研究的深 入和应用的普及,将发展出类似当前互联网中标准化的数据接口通讯技术各种不同的区块链系统将尽可能地 提供出多种标准跨链通信接口,并抽象出典型的互操作服务供其他系统调用在区块链系统的内部,不同的分 片、子链,或支链之间,也将通过系统内部高速跨链机制实现局部信息与全局信息之间的同步与更新除了各类 线性链式区块结构,业界还发展出有向无环图 (directed acyclic graph简称DAG)、哈希图 Hashgraph)6等结 构的分布式账本系统,跨链技术面临的场景更加复杂跨链技术最终能否形成链联网的TCPP协议、实现全球 区块链的广泛互联亦或成为多种跨链技术长期共存、实现不同层次的数据连接将与区块链自身的技术形态、 应用模式发展密切相关,也有待跨链技术研究者持续探索实践 References [1]naKamotos,Bitcoin:Apeer-to-peerelectroniccashsystemhttps://bitcoin.org/bitcoin.pd [2]buTerinV.Anext-generationsmartcontractanddecentralizedapplicationplatformhttps://github.com/ethereum/wiki/wiki/ White-Paper [3]SchwartzD,YoungsN,BrittoA.TheRippleprotocolconsensusalgorithmhttps://ripple.com/files/rippleconsensuswhitepaper [4]BitcoincashFaq.https://www.bitcoincash.org/faq.html [5]LarimerD.Eos.i0technicalwhitepaperhttps://github.com/eosio/docUmenTatiOn/bLoB/masteR/technicalwhitepaper.md 16poPovS.thetanglehttps://iotatoken.com/iotaWhitepaper.pdf [7]churyumovA.Byteball:Adecentralizedsystemforstorageandtransferofvaluehttps://byteball.org/bytebalL-pdf [8] Arumugam S, Brandstadt A, Nishizeki T. Handbook of Graph Theory, Combinatorial Optimization, and Algorithms. Ist ed. New York: Chapman and Hall, 2016 19]TrujilloJL,FromhartS,SrinivasV.Evolutionofblockchaintechnologyhttps://www2.deloitte.com/insights/us/en/industry/ [10 Li XF, Zhao H, Li F, Tan HB, Sun YN, Liu B Electronic document anti-tampering method. Chinese Patent ZL201410436231.7, 014-08-29(in Chinese ). [11] Zhao H, Li XF, Zhan LQ, Wu ZC. Data integrity protection method for microorganism sampling robots based on blockchain technology. Journal of Huazhong University of Science and Technology(Natural Science Edition), 2015, 43(s1): 216-219(in [12ButerinV.Onpublicandprivateblockchains.https://blog.ethereum.org/2015/08/07/on-public-and-private-blockchains [13]JpmOrgAnChase&Co.Quorumwhitepaperhttps://github.com/jpmorganchase/quorum-docs/blob/master/quorum%20white [14]BrownRg,CarlyleJ,GriggI,Hearn,M.coRda:Anintroductionhttps://docs.cordanetstatic/corda-introductory-whitepaper.pdf [15] Cachin C. Architecture of the hyperledger blockchain fabric. In: Proc. of the Workshop on Distributed Cryptocurrencies and Consensus Ledgers. 2016 [16]ButerinV.Chaininteroperabilityhttps://www.r3.com/download/chain-interoperability [7]SzaboN.SmartcontractsBuildingblocksfordigitalmarketshttp://www.truevaluemetrics.org/dbpdfs/blockChain/nick-szabo- Smart-Contracts-Building-Blocks-for-Digital-Markets-1996-14591.pdf [18ButerinV.ShardingFaq.https://github.com/ethereum/wiki/wiki/sharding-faqs [19coinmarketcap.pErcentageoftotalmarketcapitalization(dominance).https://coinmarketcap.com/charts [20]BjoroyTv.EthereumsetsnewtransactionrecordoutperformingBitcoinhttps://venturebeat.com/2017/08/15/ethereum-sets-new [21]NolanT.Altchainsandatomictransfershttps://bitcointalk.org/index.php?topic=193281.0 [22] Back A, Corallo M, Dashjr L, Friedenbach M, Maxwell G, Miller A, Poelstra A, Timon J, Wuille P. Enabling blockchair innovationswithpeggedsidechains.https://blockstream.com/sidechains.pdf

1658 Journal of Software 软件学报 Vol.30, No.6, June 2019 跨链的初衷在于构建链联网、实现各个区块链的无缝互联,但基于区块链的本质特性以及面对愈加丰富的 应用形态时,未来也可能并不会统一成一种通用的跨链技术来满足各类需求.可以预见:随着跨链技术研究的深 入和应用的普及,将发展出类似当前互联网中标准化的数据接口通讯技术,各种不同的区块链系统将尽可能地 提供出多种标准跨链通信接口,并抽象出典型的互操作服务供其他系统调用.在区块链系统的内部,不同的分 片、子链,或支链之间,也将通过系统内部高速跨链机制实现局部信息与全局信息之间的同步与更新.除了各类 线性链式区块结构,业界还发展出有向无环图(directed acyclic graph,简称 DAG)[6−8]、哈希图(Hashgraph)[63]等结 构的分布式账本系统,跨链技术面临的场景更加复杂.跨链技术最终能否形成链联网的 TCP/IP 协议、实现全球 区块链的广泛互联,亦或成为多种跨链技术长期共存、实现不同层次的数据连接,将与区块链自身的技术形态、 应用模式发展密切相关,也有待跨链技术研究者持续探索实践. References: [1] Nakamoto S. Bitcoin: A peer-to-peer electronic cash system. https://bitcoin.org/bitcoin.pdf [2] Buterin V. A next-generation smart contract and decentralized application platform. https://github.com/ethereum/wiki/wiki/ White-Paper [3] Schwartz D, Youngs N, Britto A. The Ripple protocol consensus algorithm. https://ripple.com/files/ripple_consensus_whitepaper. pdf [4] Bitcoin cash FAQ. https://www.bitcoincash.org/faq.html [5] Larimer D. EOS.IO technical white paper. https://github.com/EOSIO/Documentation/blob/master/TechnicalWhitePaper.md [6] Popov S. The tangle. https://iotatoken.com/IOTA_Whitepaper.pdf [7] Churyumov A. Byteball: A decentralized system for storage and transfer of value. https://byteball.org/Byteball.pdf [8] Arumugam S, Brandstadt A, Nishizeki T. Handbook of Graph Theory, Combinatorial Optimization, and Algorithms. 1st ed. New York: Chapman and Hall, 2016. [9] Trujillo JL, Fromhart S, Srinivas V. Evolution of blockchain technology. https://www2.deloitte.com/insights/us/en/industry/ financial-services/evolution-of-blockchain-github-platform.html [10] Li XF, Zhao H, Li F, Tan HB, Sun YN, Liu B. Electronic document anti-tampering method. Chinese Patent ZL201410436231.7, 2014-08-29 (in Chinese). [11] Zhao H, Li XF, Zhan LQ, Wu ZC. Data integrity protection method for microorganism sampling robots based on blockchain technology. Journal of Huazhong University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2015,43(s1):216−219 (in Chinese with English abstract). [doi: 10.13245/j.hust.15S1052] [12] Buterin V. On public and private blockchains. https://blog.ethereum.org/2015/08/07/on-public-and-private-blockchains [13] JPMorgan Chase & Co. Quorum whitepaper. https://github.com/jpmorganchase/quorum-docs/blob/master/Quorum%20White paper%20v0.2.pdf [14] Brown RG, Carlyle J, Grigg I, Hearn, M. Corda: An introduction. https://docs.corda.net/_static/corda-introductory-whitepaper.pdf [15] Cachin C. Architecture of the hyperledger blockchain fabric. In: Proc. of the Workshop on Distributed Cryptocurrencies and Consensus Ledgers. 2016. [16] Buterin V. Chain interoperability. https://www.r3.com/download/chain-interoperability [17] Szabo N. Smart contracts: Building blocks for digital markets. http://www.truevaluemetrics.org/DBpdfs/BlockChain/Nick-Szabo￾Smart-Contracts-Building-Blocks-for-Digital-Markets-1996-14591.pdf [18] Buterin V. Sharding FAQ. https://github.com/ethereum/wiki/wiki/Sharding-FAQs [19] CoinMarketCap. Percentage of total market capitalization (dominance). https://coinmarketcap.com/charts [20] Bjoroy TV. Ethereum sets new transaction record, outperforming Bitcoin. https://venturebeat.com/2017/08/15/ethereum-sets-new￾transaction-record-outperforms-bitcoin [21] Nolan T. Alt chains and atomic transfers. https://bitcointalk.org/index.php?topic=193281.0 [22] Back A, Corallo M, Dashjr L, Friedenbach M, Maxwell G, Miller A, Poelstra A, Timón J, Wuille P. Enabling blockchain innovations with pegged sidechains. https://blockstream.com/sidechains.pdf