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中文名：区块链跨链

外文名：Blockchain Cross-Chain

学科：区块链

实质：区块链在跨链互操作中的价值与信息传递，是区块链向外拓展和连接的桥梁。

研究背景：

      区块链技术^[1]作为综合了多种基础技术的分布式共享总账技术，可理解为一种网络中全部参与方共同使用、共同维护的分布式数据库，具有不易篡改、可追溯、可验证等特性。但是，区块链与原有传统数据库不同的是，各参与方均获得了链上的全部数据，提高了参与方的查询效率和系统的数据安全的同时，减少了原有数据库维护方的维护成本^[2]。

      随着区块链技术的日益发展，产生了大量区块链项目以及各项目独有的链结构和代币(token)，这些区块链在结构上彼此并不互通，没有任何连接接口，从而导致区块链技术应用和发展遇到了极大的阻碍。这些“货币”和链上应用数据有可能形成区块链的数据孤岛效应，因此不同的区块链需要一个统一的方法进行相互间的数据和价值传递。为此，研究者们提出了“跨链”（Cross-Chain）这一概念，以打破不同区块链项目间的孤岛效应，并实现了链间的互操作。区块链跨链技术将进一步提升区块链相关技术发展，促进区块链技术在各领域应用中的落地实现。

区块链跨链研究概况：

      区块链跨链技术可分为异构链跨链和同构链跨链两种方式。异构跨链具体可分为不直接交互、第三方协作交互和区块监听三种方式。同构跨链中双方的区块生成及验证、共识机制等底层算法完全一致。

1. 哈希锁定技术(Hash locking)

      哈希锁定技术^[3]使用哈希算法^[4]和时间锁^[5]技术实现跨链资产兑换，常应用于不同链上的token兑换，如在以太坊上实现以太币与比特币之间的兑换，但资产转移、信息发送等需求无法独立实现。哈希锁定技术为双方提供了交互资产的时间延迟，并保证了交易的原子性，即双方的操作是一个整体，只能全部完成或全部撤销，对发送资产进行优先加密避免了双花等问题的出现，是一种轻量级且较为安全的跨链资产交互技术。

2. 公证人认证机制(Notary)

      公证人^[6]认证机制中，假设发送链A和目标链B是不能互相信任的状态，此时需要一个第三方公证人作为中介介入双方交易，如果系统对于安全性有更高要求，则需要更多第三方公证人介入。目标链B不需要直接验证发送链A的秘钥信息来确认跨链请求是否合法，这一方法解耦了两条链，两条链只需要设定好协议统一的公证人认证合约接口即可满足第三方公证人的介入条件。在应用层面上，公证人可以是中心化交易所^[7]或去中心化交易所^[8]，单一公证人可监视多个链。在技术层面上，公证人认证技术实现起来较为简单，通过使用双向跨链方式，降低了双方的信任成本，进行资产及信息的交换和转移，但是公证人认证机制过分依赖第三方中心，削弱了区块链技术的去中心化特质。公证人认证机制可以进一步分为中心化公证人、多重签名公证人和分布式签名公证人。

3. 分布式私钥控制

      分布式私钥控制^[9]技术使用大量分布式节点，并使用私钥控制相关资产，且主链资产可被映射至其他各链，在跨链情景下主链资产仍然可以交易。分布式私钥技术在分布式签名公证人的基础上实现了进一步去中心化，并增加了资产的锁定与解锁功能。分布式私钥技术使用去中心化网络节点实现分布式控制权管理，将链上资产的所有权与使用权分管。去中心化网络的每个参与者各自掌握一部分用户的私钥，从而保证系统的安全性与可靠性，用户也掌握去中心化网络的部分私钥，从而避免了第三方节点参与控制，实现了系统去中心化的特性。

4. 侧链/中继

      侧链是将两个现有区块链互操作^[10]、拓展^[11]或升级^[12]的机制，通常由一条区块链(侧链)锚定另一条目标区块链(主链)。侧链作为一个独立系统通过跨链协议附加至主链^[13]，是一条主链的平行链，可以帮助主链实现性能提升和功能拓展^[14]，其中包括部分简单的支付验证以提高主链的交易速度。应用侧链技术最广泛的区块链系统为以太坊。如果一条侧链链接了多个主链，并能提供沟通各主链的功能，可称该链为中继链。因此，中继链可看作对多条主链锚定的侧链，为多条链提供代币中继交换服务。目前，中继链在跨链应用被广泛使用，Cosmos和Polkadot等系统都是较为成熟的中继链技术。

区块链跨链技术的挑战性问题：

      区块链跨链技术当前仍处于起步阶段，未来区块链技术深入各大行业后，跨链技术将提供各行业链间的价值与信息交互。跨链技术的深入发展将会持续推动各产业融合，推动数字资产繁荣的同时帮助传统产业革新，使实体经济在互联网激励下蓬勃发展。然而，区块链跨链技术仍需要考虑系统可靠性、可交互性、事务并发控制、查询优化和安全性等挑战性技术问题。

技术问题一：跨链处理可靠性

     跨链处理可靠性指跨链交易对交易双方的影响、交易成功率以及跨链交易失败后的事务处理能力，而绝大部分区块链跨链项目在跨链失败条件下使用消极方式处理，这并不利于链间跨链交易的可靠性。因此，需要在找到一个可靠的方法来解决链间通信，以避免节点失效等突发情况。其次，跨链操作受到如第三方公证人机制的第三方节点或闪电网络链下状态交易通道的限制，一旦遇到第三方公证人网络拥塞或链下状态通道失效，将极大地影响跨链交易的成功率。例如Cosmos使用的SPV双向锚定技术，需要锁定双方资产，如果某一方资产发生变化，就会为防止恶意双花攻击而放弃该笔交易，这就导致可能因网络拥塞导致交易双方长时等待或交易失效。即使跨链资产交易的原子性机制可保证资产安全，但涉及跨链数据流转的原子性机制无法保证其有效性，因此需要提出高度可靠且高效的跨链综合解决方案以应对突发情况，保证跨链处理的可靠性。

技术问题二：跨链可交互性

      当前绝大部分跨链项目仍针对于链间资产交换，缺少实用的数据通信研究，因此，实现不同区块链间的可交互性，保证信息的高可靠、高效共享将是未来的研究问题，解决在保证不破坏区块链原有数据隐私性以及区块链生态体系内安全性基础上实现高效通信传输的问题。跨链可交互性在公有链与联盟链上具有一定的差异。公有链间传输信息需要考虑链上共识机制导致的瓶颈效应对通信效率的影响，且还要配合未来公有链可能的扩容方案实现公有链信息传输的高效和可信。而联盟链需要考虑在监管条件下信息传输的权限控制机制，对于链间的无权限节点如何加密传输，以及联盟链上跨链传输的中间可信节点是否需要审核传输信息等问题。此外，联盟链与公有链间跨链信息传输的问题，也是跨链技术有待解决的交互性问题。

技术问题三：跨链事务并发控制

      提高区块链性能以及减轻主链负担实现功能多样化，需要实现跨链事务并发控制。在跨链事务并发控制中，良好的子事务划分和侧链事务并发执行是提高链上系统可拓展性的关键。子事务划分是指由链上系统将提交的多个交易分发至多个链中并发执行。并发执行要解决研究事务隔离和并行结果冲突性问题，以确保交易的最终一致性。而侧链/中继方案的跨链事务并发依赖于链间智能合约，随着交易量的增多可能会引发交易处理拥塞，最终导致链上系统宕机。此外，链间事务并发还受制于系统间可能存在不同的共识协议和跨链协议，导致事务并发开发难度大，实现方式复杂。

技术问题四：跨链查询优化

      在跨链环境下，查询处理多基于不可信环境，且查询处理难以溯源，涉及到可信、效率、开销等多种问题，大规模的查询处理产生的大量智能合约可能造成网络拥塞甚至系统崩溃。因此，查询优化是区块链跨链面临的挑战问题之一，其目的是提高查询处理效率，且降低查询和验证的开销。跨链查询优化可通过建立链内以及链间索引提高查询和验证的效率，同时可研究区块链跨链查询语句，以实现在跨链中对区块链关系型表的建表、插入、选择等操作，以提高跨链查询的效率。

技术问题五：跨链安全性

      现有区块链跨链技术仍未得到大规模应用，其重要原因是当前跨链安全性问题仍未得到保证，安全性问题包括^[16]信任依赖、恶意交易、链结构影响等。例如，在侧链/中继方案中，数据依赖于区块头进行验证，无法如单链或主链通过获取网络全部交易数据全面验证交易，易受到双花等恶意攻击。公证人方案依赖于第三方组织或机构，即便使用分布式公证人机制以及良好的选举策略，但信息及资产的跨链交互仍需要第三方公证人的诚实性，存在共谋风险，该方案放弃了区块链技术的去中心化性质，造成跨链交易的中心化依赖。哈希锁定方案依赖于时间锁技术，在闪电网络系统中恶意攻击可通过在系统中创建大量交易通道和交易，并使通道超时造成大规模的系统拥塞，增加用户资金被盗取的风险。此外，若区块链系统发生硬分叉，相同的密钥、交易地址、链结构可能会导致跨链重放攻击，即某链的交易被广播至多条链，且该交易得到了多次确认。跨链重放攻击可能导致用户资产和信息大量流失。若跨链交易存在较长时延或拥塞也可能会导致竞争条件攻击^[17]，导致某跨链参与方损失资产。以上跨链的安全性都需要在应用中加以解决。

总结与展望：

      当前区块链技术发展迅猛，区块链跨链技术作为未来区块链系统整合与发展的关键技术，具有互操作性等特点。随着区块链技术的发展，区块链跨链技术将适用于更多的不同区块链结构和应用场景，提高区块链的访问速度和查询效率，减少错误的发生，提升区块链系统应用的安全性。区块链跨链技术需要学术界和工业界不断探索、创新与实践，尽管面临着各种挑战，但其发展必将为区块链世界产生革命性的影响。

参考文献：

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[17]  Buterin V. Chain interoperability. https://www.r3.com/download/chain-interoperability

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