关于互操作性的看法

介绍

在 2021 年，随着以太坊对扩展性（分片、第二层等）愿景的延误，各种替代Layer1（L1）智能合约平台相继出现。这些“替代 L1”提出了区块链未来的新愿景（如 Solana、Near、Avalanche 等）。随着加密牛市的火热，越来越多的资本涌入这些新网络；部分是为了利用投机热潮，同时也使用新产品并建立新社区。结果是，以太坊的总锁仓价值（TVL）占据主导地位，从 2020 年底的 ~95.0% 市场份额，降至目前（2022 年 5 月）的 ~55.0% 市场份额。

替代 L1 的快速扩展创造了在不同区块链之间移动资产的需求。随着新多链世界的兴起，区块链桥变得越来越重要；桥的 TVL 急剧增长（桥需要流动性以便进行转账），桥的交易量也大幅增加。

桥的 TVL 在 2021 年中期至下期爆炸式增长

从技术层面来看，有不同的桥架构，关于它们如何运作的各种思维模型也出现了。桥的第一次迭代主要以“对偶”方式运作。在这种架构下，每个桥必须吸引各资产的流动性池，以支持他们想要支持的每个区块链的转账。因此，如果一个桥想连接链 A 与链 B 和链 C，同时为用户提供在区块链之间转移 ETH、USDC 和 USDT 的能力，桥必须为每个区块链上的这些资产（以及每个资产的合成表示）激励流动性池。

在市场经过实战检验后，这种桥架构的第一次迭代存在一些问题：

• 用户体验：如果用户想从链 A 上的代币 X 转移到链 B 上的代币 Z，通常需要 20 次点击和 15 分钟的时间。
• 安全性：许多桥被黑客攻击，导致数亿资金被盗。
• 成本：更安全的选项，如运行链上节点（称为轻客户端），成本高（且操作复杂）。
• 资本低效：桥的泛滥导致流动性分散；不仅在链之间，资产间也同样分散。

该行业正处于从这第一次迭代的桥向真正的跨链通用消息协议的范式转变早期阶段。这些协议旨在使每个区块链上的每个应用能够互相通信。

为什么跨链通用消息重要？

跨链通用消息代表了一种新框架，改变了应用程序的架构方式。开发者不再需要将其应用部署在 10 个区块链上才能成功。相反，一个应用可以以独立区块链运行，并与其他区块链进行交互以实现相同的预期结果。开发者将能够通过跨链通用消息传递，充分利用不同区块链架构的优势。未来，跨链通用消息不仅会促进新形式的应用构建，已经有一些明确的用例：

• 治理：通用消息允许用户在链 A 上对治理模块存在于链 B 上的去中心化应用（“dApp”）投票。
• DeFi 使能的 NFT：想象一下，在链 A 上将 NFT 作为抵押品，并在链 B 上借贷，所有操作仅需一次点击。
• 通用 DeFi 流动性：与资产跨越不同区块链生态系统（导致流动性分散）不同，流动性可以保持在其本土区块链上。
• 游戏：能够在不同区块链和游戏间转移并确认游戏中的 NFT 所有权。

本研究将首先提供有用的框架，以思考互操作性，然后概述一些最突出的互操作性协议的架构，并以对未来的展望结束。

框架

互操作性三难问题

与区块链 L1 的三难问题（去中心化、安全性和可扩展性）类似，互操作性也存在核心三难问题：无信任、通用性和可扩展性。

• 无信任：协议不引入额外的安全假设
• 通用性：协议可以处理任意的跨链数据转移
• 可扩展性：协议可以扩展到其他领域（即其他区块链）

要实现无信任和通用性，必须有一个代表另一个区块链的轻客户端（为了链 A 和链 B 能够通信，链 A 必须有一个代表/更新链 B 状态的轻客户端，反之亦然）。这些协议是原生验证，并且扩展到其他区块链的成本较高。

原生验证：所有底层区块链的验证者完全验证在区块链之间传递的数据。这通常是通过在一个区块链内运行一个“轻客户端”来完成的（反之亦然），通过链间的消息发送来更新交易。

如果一个协议是可扩展的和通用的，那么该协议可以跨多个区块链生态系统扩展，同时仍然可以发送通用消息。这是因为这些协议依赖于消息之间的外部验证；因此，引入了新的信任假设。

外部验证：使用外部（链下）验证者集来在区块链之间转发数据。这个验证者集可以是一个多签或一个独立的区块链验证者集。验证者的任务是验证区块链之间的消息。

信任和可扩展的协议属于“流动性网络”的类别。这些协议通常依赖于每个区块链的安全性，并且在每个区块链（例如链 A 和链 B）上都有资产流动性。这种模型是可扩展的（可以在不同区块链上、用于不同资产）但不支持通用消息传递。

本地验证：仅参与给定跨链交互的各方验证交易。网络中的每个验证者节点在每个区块链上持有资产作为库存。每个单节点然后作为路由器，利用他们的担保资本（流动性池）。

互操作性协议在消息验证方面需要做出权衡。

以下是一些最重要的互操作性协议如何验证通信的示意图。

需要注意的是，Nomad，如下所述，不适合这三种类型之一（它是一个乐观系统）。

编辑说明：LayerZero 在技术上并不算作原生验证。关于这个问题的精彩讨论，请参见这个。

模块化互操作性

加密领域的首批真正互操作性协议（如 IBC）受到 TCP/IP 的启发，这是互联网用于将信息从一台计算机上的应用程序移动到另一台计算机上的应用程序的核心协议。

TCP/IP 堆栈被分为基础设施（或传输）层和应用层。TCP/IP 使得任意数据可以在互联网的计算机间传递。特定的应用层协议可以使用传输层（TCP/IP）。例如，SMTP 用于电子邮件，HTTP 用于万维网。

将原始的网络 1.0 互联网协议与新兴的区块链互操作性协议进行比较（IBC 至今是最好的例子）将有助于直观地展示相似点。

IBC 是一个处理在 Cosmos 生态系统中跨区块链的数据的传输、认证和排序的协议。与 TCP/IP 一样，IBC 是一个通用消息协议（意味着任何应用程序和/或区块链都可以利用 IBC 协议），它被分为 应用层和基础设施层（对于 IBC，有 TAO 层 — 传输、认证和排序 — 和应用层）。IBC 并不使得计算机间的通信成为可能，而是使得区块链之间的通信成为可能；具体来说，迄今为止 Cosmos 生态系统的区块链之间。

TCP/IP 与 IBC 的比较

迄今为止，IBC 作为生态系统的通用消息协议在 Cosmos 生态系统中取得了一定成功；这意味着，IBC 已经促进了 Cosmos 特定应用区块链之间的通信（但不包括 Cosmos 链和像以太坊或 Avalanche 这样的 EVM 链之间）。用于 Polkadot 生态系统的通用消息协议 XCMP（XCMP 是“Polkadot 的 IBC”）最近启动，使得 Polkadot 平行链之间的互操作性成为可能。IBC 和 XCMP 都是生态系统特定的通用消息协议。

区块链互操作性的下一个演变核心是一种跨链（或“跨生态系统”）的通用消息协议，使得不同区块链（如以太坊、Solana、Avalanche 等）上的应用能够彼此通信。Axelar 和 LayerZero 是突出的例子。

像 Axelar、LayerZero 和 Nomad 这样的互操作性协议在不同的区块链间发送消息。

一个开始显现出的有趣趋势是对互操作性堆栈进行模块化的尝试。

IBC 与 LayerZero 合作：IBC 拥有一个处理 IBC 消息的传输、认证和组织的基础设施层。IBC 的传输层需要在每个相关链上使用轻客户端（这对进一步扩展 IBC 来说是高成本的）。作为一种链无关的通用消息协议，LayerZero 可以通过将 LayerZero 协议用作传输层来补充 IBC，同时保持 IBC 其他方面。事实上，LayerZero 可以传输 IBC 消息；主要区别在于验证模型。在 IBC 中，验证依赖于每个区块链的验证者；而在 IBC 加上 LayerZero 中，验证依赖于 LayerZero 网络中的 Oracle（后面将展开讨论）。

互操作性协议堆栈的模块化

Composable Finance 正在努力利用他们的 跨链通用消息协议 将 IBC 引入 Near 区块链。如何实现的视觉与上述示例相似。IBC 将作为消息层，而 Composable Finance 将作为传输层。Polymer 是另一个试图利用 IBC 消息层来促进跨链通用消息的项目。

协议

本节将提供对一些突出的互操作性协议的高层次概述：IBC、LayerZero、Axelar 和 Nomad。

IBC

IBC 首次于 2021 年 4 月实施，连接了 Cosmos Hub 与 IRISnet。在 2021 年的过程中，Cosmos 生态系统的区块链进行了升级以启用 IBC。这帮助引发了 Cosmos 生态系统的增长（同时也得益于 Terra TVL 的扩张以及 Osmosis/Juno 的名声）。

迄今为止，IBC 是最成功的互操作性协议，从 2021 年 6 月的 218,000 次交易增长到了 2022 年 5 月的 370 万次交易；并连接了 Cosmos 生态系统中的 47 个区块链。

如上所述，IBC 使用轻客户端模型来维护状态并在两个区块链之间转发消息（它是原生验证的）。当链 A 想要与链 B 建立通信时，这两条链会达成一个“握手”协议以建立一个可以传递消息的通道。链 A 在链 B 上的状态通过轻客户端维护，并由中继器更新（它们负责在区块链之间传递消息）。

示例：用户想要将代币——代币 X——从链 A 桥接到链 B，使用 IBC：

• 用户在链 A 的智能合约中锁定代币 X。
• 该交易作为块头的一部分被包含，中继器将其从链 A 传递到链 B（如上例所示）。
• 链 B 验证来自链 A 的证明。具体地说，链 B 验证并确认该消息发生在链 A 以及交易细节。重要的是，链 B 假设来自链 A 的消息 (及包含在其中的区块) 是有效的（在这一点上，Tendermint 共识的瞬时最终性使其成为可能）。
• 如果证明有效，链 B 上的代币 X 被解锁。

IBC 已经展示了通用消息互操作性的强大。启用的 Cosmos 生态系统中的区块链将能够利用其他区块链的验证者（因此包括安全性）。共享安全性将允许一个新的、更小的特定应用区块链利用 Cosmos Hub 的经济安全性（ATOM）。

链间账户（ICA）是一个应用层协议，允许用户通过使用 IBC 通用消息执行跨链复杂交易。

LayerZero

LayerZero 曾在合同内运作，直到 2021 年 9 月才公开。该项目因其展示跨链通用消息的强大能力的 演示视频 而赢得了知名度。LayerZero 在 LayerZero 协议上构建了 Stargate。Stargate 是一个桥梁，LayerZero 宣称 解决了互操作性三难问题。其他协议也开始基于 LayerZero 建设。最值得注意的是一个无桥跨链交换协议 Hashflow。

LayerZero 是一个跨链互操作性协议，旨在连接每个链上的每个智能合约。LayerZero 引入的关键创新之一是“超轻”节点的概念。超轻节点模型的想法是尝试维持轻客户端模型的安全性（IBC 是最佳示例），同时降低交易成本。

超轻节点是每个区块链上的 LayerZero 端点智能合约。这些智能合约具有可扩展和易于实现至新区块链的独立模块。其中一个模块是“库”，该库负责验证来自其他区块链的证明。

它如何工作？

有两部分的信息——块头和交易证明。Oracle 和中继器负责独立地将这些信息转发到目标链。

从链 A 向链 B 发送消息的应用程序示例：

• 消息通过链 A 的端点路由
• 链 A 的端点通知特定应用的 Oracle 和中继器以处理该消息
• Oracle 将块头转发至链 B 的端点，而中继器提交交易证明
• 链 B （目标链）验证交易证明
• 消息被转发到目标地址（特定应用）

https://learnblockchain.cn/article/12597?s=r

这一模型的独特之处在于，超轻节点（LayerZero 端点）并未存储其他区块链的状态（如用 灵种子链所引入的轻客户端模型）。相反，Oracle 负责报告每个区块链的状态，中继器负责通用消息传递和证明。

安全性

重要的是，最坏的安全结果发生在中继器和 Oracle 是同一实体的情况下。在这种情况下，LayerZero 继承了 Oracle 的安全性（Chainlink 是主要的 Oracle）。中继器和 Oracle 都是无权限的，因此协议可以运行自己的（并做出保障）。

这一模型的有趣之处在于风险的隔离性质。要破坏系统，需要同时控制中继器和 Oracle；然后因为无权限的性质，各种应用有不同的中继器/Oracle。这意味着，如果特定的中继器/Oracle 被攻击，只有使用这些特定方的应用会遇到问题。通过这种方式，风险得以隔离。

来源：LayerZero

需要说明的是，目前 Stargate（在 LayerZero 上构建的第一个桥）使用一个三方多签来作为 Oracle，而 LayerZero 作为中继器。随着网络的发展，这种情况计划进行变更。

Axelar

Axelar 在 2021 年 1 月首次发布了他们的白皮书，自此一直在努力建设协议。在 2022 年初， Satellite 作为 Axelar 网络的首个应用之一上线。Axelar 是一个通用消息协议，它利用自身的验证者集进行安全性。Axelar 区块链是使用 Cosmos 技术堆栈构建的；在过去几个月中，Axelar 已成长为 Cosmos 生态系统中最突出区块链之一（根据过去 30 天的 IBC 交易量计算）。

来源：Map of Zones

Axelar 是一个通用消息互操作性协议，提供了一种“协议堆栈”解决方案，使 dApp 能够轻松利用 Axelar 的 API 进行跨链通信。Axelar 网络由两个主要协议组成：

• 跨链网关协议（CGP）：连接多个区块链生态系统并路由消息。
• 跨链转移协议（CTP）：在 CGP 之上的应用层协议堆栈。允许开发者连接跨链的 dApp。

这类似于上述提到的应用层协议和基础设施/传输层协议之间的框架。虽然 Axelar 在功能上类似于 LayerZero，但提供一个完整的协议堆栈是 Axelar 的独特之处。

它如何工作？

Axelar 协议堆栈分层运行。在最上面，dApp 利用特定协议来连接不同的区块链生态系统。这使得开发者能够在最适合其应用案例的平台上构建 dApp，同时也允许 dApp 与其他生态系统及其用户连接。

在每个 Axelar 连接的区块链上都有一个网关智能合约。Axelar 验证者监控每个区块链上的网关智能合约，并负责确认交易在来源链上是有效的，然后将交易传递到相应的（目标）区块链。

来源：https://axelar.network/an-introduction-to-the-axelar-network

安全性

从根本上说，Axelar 是作为 Cosmos SDK 区块链构建的；这意味着它在具有委托权益证明（PoS）安全的 Tendermint 共识上运行。因此，Axelar 依靠外部验证，使其具备可扩展性和通用性（Axelar 能够在任何区块链上发送通用消息）但不具无信任性（Axelar 引入了新的信任假设，即验证者集）。Tendermint PoS 区块链依赖于区块链代币的经济价值来保证安全性。网络的主要风险将是代币价格快速下降，导致网络容易受到攻击（如 Terra 死循环所发生的情况）。

Nomad

Nomad 是一个通用消息互操作性协议，运用来自欺诈证明 rollup（如 Optimism 和 Arbitrum）的安全概念。Nomad 使用其通用消息协议构建了 Nomad 桥；该桥是 Evmos 和 Moonbeam 生态系统的官方桥。

它如何工作？

Nomad 在上线区块链时部署一个“主”智能合约。Nomad 主智能合约维护一个 Merkle 树，其中包含在该主智能合约上发送和接收的 Nomad 消息的历史记录。消息在主智能合约上排队并提交到 Merkle 树。该树的 Merkle 根由更新者公证并转发到目标区块链。

这就是“欺诈证明”概念的体现。提交至 Merkle 树的消息与正式确认之间存在 30 分钟的延迟。在这段期间，任何网络观察者都可以声称欺诈，系统依赖于至少存在一个诚实的观察者。为了抑制欺诈，公证消息的更新者还需向主智能合约绑定资本。如果更新者存在欺诈行为，其保证金将被砍掉。

安全性

如上所述，Nomad 依赖于一种乐观系统，其中只有一个诚实的行为者需要标记欺诈行为。没有引入新的信任假设。

Nomad + Connext

尽管 Nomad 提供了廉价和安全的交易，但缺点是等待期。在构建他们的桥接应用时，Nomad 与 Connext 合作以解决此问题。Connext 是一个跨链流动性网络，在区块链上持有流动性池（提供短交易延迟）。因此，使用 Nomad 桥的用户如果不想等待 30 分钟即可通过 Connext 流动性在目标区块链上立即获得流动性（完成后，Connext 将获得 Nomad 支付）。

来源：https://blog.connext.network/connext-has-partnered-with-nomad-e20cd8e62e31

通过这样做，Nomad 和 Connext 合作形成了一个模块化的互操作性堆栈，解决了上述提到的互操作性三难问题。

未来可能的样子

可编程互操作性

区块链之间的通信和互操作性是重要的，但为了让区块链作为一种新的计算范例充分发挥其潜力，它们还需要与互联网进行互操作。迄今为止，Chainlink 和 Band 等 Oracle 通过提供资产价格等信息扩展了区块链应用的范围。然而，随着区块链 dApp 的发展，越来越多的、复杂的数据在区块链上的需求（即，更高级的 Oracle 将会存在并需要）。互操作性将不仅包括区块链间的通信，还应包括区块链与互联网的通信。

Nexus Protocol 是一个早期项目，旨在实现这种互操作的未来。

像以太坊这样的区块链通常被称为“世界计算机”，然而，以太坊（及其他智能合约平台）提供的是一种孤立且计算受限的执行环境。区块链无法执行昂贵的计算任务（运行机器学习算法）并与外部系统进行互操作（如连接到互联网）。

Nexus 是一个通用的去中心化云计算网络，使区块链能够外包计算并与外部系统进行互操作；因此，解决了区块链计算环境的局限性。

为此，Nexus 利用多方计算（MPC）技术引入了第一个无状态的、通用的去中心化云计算平台，允许开发者编程自己的区块链 Oracle。这个系统创建了区块链与每个区块链外部世界之间的“可编程互操作性”。

来源：https://mirror.xyz/zerum.eth/F5Vp64AUQ2bR73njZmoedniwBg0DQa-z6V-Zx14bPnE

Zk-桥？

零知识证明技术非常令人兴奋，已经开始以 rollup（如 StarkNet、zkSync、Aztec、Scroll 等）的形式推出市场。许多人宣称基于零知识证明的桥是最终的桥接解决方案。创建 zk-桥的困难在于创建基于 zk 的轻客户端的问题。实现这一点需要将区块链的共识过程更新至 zk-证明。目前，这非常困难。

尽管在 zk-证明基础链中继 上已经取得了一些有希望的工作，但 zk-桥似乎仍处于遥远的未来。

• 原文链接： medium.com/stateless-ven...
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