在未來的世界中,跨鏈技術將承擔起互聯互通打破「信息孤島」的責任,但其也面臨着諸如信息真實性、交易原子性、事務一致性等難點。

撰文:Dove

區塊鏈技術發展至今,交易量呈現出指數級別的增長,網絡上的擁堵現象也愈發嚴重。從近些年開始,擴容已成爲了社區熱議的話題和各家公鏈考慮的重點。在第一層(Layer 1)擴容技術上,存在共識機制、分片、DAG、隔離見證和擴大區塊容量等解決方案;而在第二層(Layer 2)擴容技術上,也發展出狀態通道、Plasma、側鏈 / 跨鏈等。

此外,今年跨鏈龍頭波卡的爆熱也引發了市場對側鏈與跨鏈技術的進一步期待,但很多人也發現,儘管跨鏈已不再是鏡中水月,但如何雙重滿足跨鏈和高性能的依舊是難點。本文將對側鏈 / 跨鏈技術的起源進行闡述,同時針對側鏈的技術實現方式及優缺點進行分析,並結合市場中採用側鏈 / 跨鏈的代表項目(諸如 Polkadot、aelf、Dfinity 等),以此探尋在當前發展背景下,還有哪些被低估的項目值得關注。

解析側鏈特性與發展前景,誰會成爲跨鏈賽道的獨角獸?

側鏈 / 跨鏈的發展及技術特性對比

側鏈是首個產生較大影響力的跨鏈技術。側鏈旨在實現雙向錨定,讓某種加密貨幣在主鏈以及側鏈之間互相「轉移」。最初主鏈通常指的是比特幣區塊鏈,而現在主鏈可以是任何區塊鏈。是實現側鏈的技術基礎,雙向錨定技術可以暫時將數字資產在主鏈中鎖定的同時將等價的數字資產在側鏈中釋放,反之亦然。但協議改造需兼容現有主鏈,也就是不能對現有主鏈的工作造成影響是雙向錨定技術的難點。

從本質上講,跨鏈是指原本存儲在特定區塊鏈上的資產可以轉換成爲另一條鏈上的資產,從而實現價值的流通。側鏈則是相對主鏈而言的概念,主要服務於主鏈,爲主鏈提供資產和功能的轉移。二者的區別可歸爲服務主體和範圍的不同,但在技術上大致相同。

目前主流的跨鏈技術主要可以分爲幾類特性:1、公證人機制(Notary schemes);2、側鏈 / 中繼(Sidechains/relays);3、哈希鎖定(Hash-locking);4、分佈式私鑰控制(Distributedprivate key control)。

公證人機制:通過選舉一個或多個組織作爲公證人,對鏈 A 的事件進行自動或請求式監聽,並在指定事件發生後,在鏈 B 執行相應動作,實現對事件的響應。公證人羣體通過特定的共識算法,對事件是否發生達成共識;

側鏈 / 中繼:側鏈 / 中繼以輕客戶端驗證技術爲基礎 ,,即:在鏈 B 上執行類似區塊鏈輕客戶端功能的智能合約,通過驗證鏈 A 的加密哈希樹(Cryptographic Hash Tree)以及區塊頭(Block Header)來驗證鏈 A 的某項特定交易、事件或狀態信息是否發生;

哈希鎖定:通過在兩條鏈上運行特定的智能合約,實現跨鏈交易與信息交互。用戶 A 生成隨機數 s,並計算出該隨機數的哈希值 h=hash(s) 發送給用戶 B;A 和 B 通過智能合約先後鎖定各自的資產;如果 B 在 X 時間內收到正確的 s,智能合約自動執行將 B 的資產將轉移給 A,否則退回給 B;如果 A 在 2X 時間內收到隨機數 s,A 的資產將自動轉移給 B,否則退回給 A。

分佈式私鑰控制:基於密碼學多方計算和門限密鑰的共享技術,將私鑰分爲 N 份,同時分給 N 個參與者,只有收集了 K 個私鑰的分配,才能夠恢復出一個完整的私鑰,纔可對私鑰中資產進行解鎖。通過私鑰生成與控制技術,把加密貨幣資產映射到基於區塊鏈協議的內置資產模板的鏈上,根據跨鏈交易信息部署新的智能合約,創建出新的加密貨幣資產。

總體而言,跨鏈技術在過去幾年間得到了迅速發展。現有的跨鏈相關項目中,基於側鏈 / 中繼模式的項目佔比最高;基於哈希鎖定的閃電網絡自主網上線以來節點數量、通道數量和網絡容量不斷增長,技術可行性也得到了較好的驗證。在 DeFi 爆火後,由以太坊引申的跨鏈項目更是層出不窮,但跨鏈技術目前還面臨着許多複雜問題,鑑於大多數區塊鏈系統在誕生之初就缺乏互操作特性,跨鏈技術在設計與實現時需要重點解決如何適配各類區塊鏈,並確保跨鏈操作的高效率和高安全性。

主流側鏈 / 跨鏈方案對比

在當前的主流側鏈 / 跨鏈方案中,可大致分爲比特幣側鏈和非比特幣側鏈,比較知名的比特幣側鏈有 BTC Relay、RSK 和 BlockStream 的 Elements,非比特幣的側鏈如 Polkadot、aelf、Dfinity 等。由於比特幣側鏈的項目適用範圍較小,本文將主要針對非比特幣側鏈的幾大主流項目根據跨鏈邏輯、性能、經濟模型和開發者支持四大方面進行對比梳理。

跨鏈方案:中繼鏈模式和去中心化跨鏈模式

當前諸如 Polkadot 等公鏈在技術都屬於側鏈 / 中繼的範疇,Polkadot 通過中繼和平行鏈的機制來實現跨鏈,並將容納的不同區塊鏈定義爲平行鏈;但也有如 aelf 等部分項目創新引入了更加去中心化的方式完成跨鏈。aelf 的節點根據類型行劃分,專業化記賬節點(全節點)能夠運行在服務器集羣之上,提高整個區塊鏈網絡性能。aelf 還採用「主鏈+多側鏈」結構,有效實現資源隔離、「一鏈一場景」。

Polkadot 主要由中繼鏈、平行鏈和轉接橋三種角色鏈構成。中繼鏈主要爲整個系統提供統一的共識和安全性保障;平行鏈負責具體的業務場景,平行鏈之間可以通過 ICMP 進行彼此通信,同時它們還會由分配給它的驗證人進行區塊驗證;轉接橋則負責連接不同體系的區塊鏈。Polkadot 本身基於 Substrate 構建,Substrate 是 Polkadot 運行環境的實現。新的區塊鏈如果基於 Substrate 框架構建,可直接連接到 Polkadot 網絡,成爲 Parachain。連接 Polkadot 的鏈需要符合 2 個標準:(1)能夠證明其交易有效性,比如通過輕客戶端證明出塊狀態的最終確認、包含比特幣的 UTXO 或以太坊的日誌信息;(2)必須有授權交易的方式,如門限簽名方案或能針對多簽名條件構造邏輯的智能合約。Parachain 接入 RelayChain 後,Parachain 可與 RelayChain 共享安全,由轉接橋連接的鏈需要⾃⾏確保安全。

Polkadot 的平行鏈之間的跨鏈交換的安全性保障主要來自共享安全性這個特點,共享安全性使得跨鏈交易和普通交易同步發生也就不存在其他跨鏈場景中的雙花等跨鏈數據不一致問題。其次 Polkadot 中的引入的特殊狀態驗證方法方便中繼鏈進行跨鏈等消息的有效性驗證。

老牌公鏈 aelf 採取的是偏向於去中心化的跨鏈模式。2020 年 12 月 10 日,aelf 主網正式上線,首條側鏈也在 12 月 25 日在 aelf 主網上部署完成。在跨鏈過程中,aelf 使用「索引」的方式來實現鏈間通信,索引是指按照定義好的結構從某條鏈將數據傳遞給其他鏈,跨鏈索引是實現任何跨鏈功能的前提。aelf 通過兩步索引來實現跨鏈:1、主鏈索引側鏈,即主鏈先向需要索引的側鏈請求數據,側鏈向主鏈傳輸數據信息;2、側鏈索引主鏈,主鏈將信息驗證處理完成,側鏈再從主鏈請求數據索引主鏈,主鏈將數據傳輸給側鏈。並不是只有主鏈和側鏈互相索引,側鏈的多級子鏈之間也可以互相索引。

在數據驗證上,aelf 採用了默克爾樹的數據結構,利用默克爾樹結構可以高效完成數據存在性證明,從而實現跨鏈驗證。aelf 中父鏈與子鏈之間可以相互驗證、同級子鏈(兄弟鏈)之間可以相互驗證、其他關係的鏈之間不可以相互驗證。

此外,aelf 還將其側鏈分爲內部側鏈和外部側鏈。內部側鏈即基於 aelf 通過聯合挖礦形式創建的側鏈,外部側鏈則是其他區塊鏈系統能夠以此形式加入 aelf,例如比特幣、以太坊等公鏈。

性能

在主打跨鏈的主流公鏈中,Dfinity、 aelf 是公認的兩大性能王者,Dfinity 使用閾值中繼技術(threshold relay technology)、 aelf 則選擇 AEDPOS 共識機制。

相比於以太坊,旨在提供無限擴展性 Dfinity 主要着力於性能及擴展性。性能方面,DIFINITY 使用閾值中繼技術,可以做到快速生成區塊,大幅提升交易的吞吐量。擴展性方面,Dfinity 通過將共識、驗證和存儲分爲不同層次的架構「近乎無限」地擴展網絡。共識層不設交易區塊,而存儲層會被分成多個鏈,驗證層將所有的分片的哈希組合,使全局狀態哈希在頂級鏈的區塊中存儲。

aelf 則採用「鏈的並行+鏈內交易並行」的處理。每條鏈有獨立的計算資源,不同場景可適用於不同的側鏈,並通過父鏈進行交互。此外,aelf 還將不衝突的交易放到一個組內,保證組之間的交易可以並行執行。aelf 的歷史 TPS 數據最高曾達到每秒 14968 筆,是以太坊 EVM 的 149 倍。目前,aelf 的跨鏈解決方案運行效率可與中央服務器性能相媲美。通過其獨特的並行處理、可擴展的集羣節點和數據庫分離技術,爲企業級別的商業應用提供適合的性能支持。

aelf 主鏈採用 AEDPOS 共識,相較於 PoW 和 PoS 機制,該共識減少了哈希碰撞的環節,而多出了諸如選舉、生產節點調度、換屆等環節。選舉也就是持幣人需要能夠對自己信賴的節點進行投票;生產節點調度即這些被選舉出來的生產節點按如何的次序進行出塊,以及這種次序是怎麼決定的;由於被選舉出來的區塊生產節點的票數是不斷變動的,一定有一個時間節點,當前的區塊生產節點可能會被其他節點替換。基於獨創的 AEDPos 共識機制及競選機制,aelf 創世階段價格設置 17 個生產節點(任期 7 天)通過競選產生,社區用戶參與投票。生產節點在承擔區塊生產責任的同時需參與網絡參數設置調整、網絡資源費用調整等事務。

經濟模型

接下來,我們來看下各大公鏈代幣分配方式以及經濟模型。

根據波卡最初計劃,DOT 初始總髮行量爲 1000 萬枚,但其總供應量不是固定不變的,且沒有上限,DOT 最大發行量爲「1000 萬初始發行量+通貨膨脹」。根據波卡 Wiki 的 描述,DOT 採用通貨膨脹模型對驗證人和提名人發行新代幣用於獎勵。該模型設想 DOT 的供應量每年都會逐步增加,以合理引導代幣質押數量,實現共識安全性和代幣流動性。

具體來看,DOT 的提名權益證明(NPoS)共識算法是波卡基於 PoS 算法設計的共識算法,驗證人運行節點參與生產和確認區塊,提名人可質押代幣獲得提名權,並提名自己信任的驗證人,獲得獎勵。而此部分獎勵來源於 DOT 代幣的增發,這就是 DOT 主要的通脹來源。第一年的通貨膨脹率爲 10%。驗證者節點代幣生成通脹率與所質押率有關,其餘部分將流向財政部(Treasury)。Web 3 基金會最初的目標是將約 50%的 DOT 代幣質押至提名權益證明 NPoS 共識系統。

財政部資金的使用最終由 DOT 持有者通過全民公投來控制。財政部籌集資金的方式是通過轉移一些驗證人獎勵(來自通脹增發的部分),一小部分交易費用和 slash 懲罰(由惡意或不稱職的驗證人支付的罰款)。這些資金用於系統和更廣泛的生態系統(市場營銷、社區活動和合作)的順利運行。

在 aelf 的設計中,Token 共分爲 4 大類 。一是主網幣 ELF,發行總量 10 億枚。主要用於交易費、側鏈索引費、申請生產節點的押金以及生產節點的出塊獎勵等。二是資源 Token,主要用於開發者支付鏈或 DApp 運行時對資源的消耗。包括 CPU 資源、RAM 資源、DISK 資源、NET 資源、READ 資源、WRITE 資源、STORAGE 資源、TRAFFIC 資源,發行總量各 5 億枚。三是開發者創建的 Token,開發者可以在 aelf 平臺上創建 Token,構建自己的 Token 模型及激勵機制。四是節點競選投票憑證,即用戶通過爲生產節點投票時會獲得投票收益,投票後將給用戶返還等額的投票憑證,投票憑證可用於贖回投票。

aelf 引入了多元銷燬機制,根據鏈上行爲的不同,執行不同的銷燬策略。在用戶進行鏈上交易時,鏈上交易⼿續費的 10% 執⾏銷燬;購買資源 Token⼿續費的 50% 進⾏銷燬;若⽣產節點在本屆中累計有 72⼩時未⽣產區塊,其抵押的 ELF 將被銷燬;當所有的節點未發⽣連任時,10% 的連任分紅池執⾏銷燬。由於 ELF 發行後不再增發,aelf 的多元銷燬機制保障了 ELF 能處於長期的通縮經濟模型中。

ICP 是 Dfinity 的原生治理代幣,目前尚未進行代幣分發。據官方消息,Dfinity 預計在今年一季度向持有人釋放 ICP 代幣。一旦 「Genesis」的運行條件被觸發,2021 年第一季度內,將有超過 5 萬名 ICP 代幣持有人開始參與到網絡治理當中。此外,Dfinity 創始人兼首席科學家 Dominic Williams 和社區運營總監 Michael Hunte 在 2020 年 10 月曾表示,Dfinity 戰略輪投資將有不少於 1 年鎖倉期,而種子輪代幣投資沒有鎖倉期,出於市場健康考慮,可能會在 ICP 上線後開始逐步解鎖。

總結與展望

綜上來看,主打跨鏈的主流公鏈中,Polkadot 可做跨鏈資產轉移,專注於跨鏈基礎設施,aelf 着力於性能和跨鏈驗證;Dfinity 的主網 Alpha 階段已正式發佈,將通過「無限擴容」的形式更新現有網絡,可以說,各家有各家的亮點和專攻方向。在未來的世界中,跨鏈技術將承擔起互聯互通打破「信息孤島」的責任,但其也面臨着諸如信息真實性、交易原子性、事務一致性等難點。

此外,同樣專注於跨鏈的兩條公鏈,在市值這個維度的對比中能看到較爲懸殊的差距,目前 DOT 的市值已接近 150 億美元,而 ELF 的市值則小於 1 億美元,由此可見,ELF 的發展還處在遠遠被低估的階段。

跨鏈技術面臨的場景複雜,最終能否實現全球區塊鏈的廣泛互聯,有待交給各大項目方持續探索和實踐。但可以預見的是,隨着跨鏈技術研究的深入和應用的普及,這幾大主流的跨鏈公鏈發展非常值得我們期待。