0 相关报 告 1. 火 币区 块链 产业 专题 报告： 区块链 技术 可扩 展方 案分 层模 型2018 年 9 月 2. 火 币区 块链 产业 专题 报告： 钱包篇 2018 年 8 月 3. 火 币区 块链 产业 专题 报告： 游戏篇 “ 新 的财 富金 矿？游 戏 产业的 割裂 与重 构” 2018 年 7 月 4. 全球 区块 链数字 资产 行业专 题报告- 公 链平 台篇 2018 年 6 月 作者 袁煜明 李 慧 钟 维 火币区块链应用研究院 huobiresearchhuobi 火币区块链产业专题报告 跨链 篇 2018 年 10 月 15 日 摘要 跨链狭义上指的是相对 独 立的 区块链账本间进行资产互操 作的 过程 。 火币研究院 本次主要在狭义范畴内剖析了跨链的设 计原则、技术难点及其解决方案；并辅以8 类应用场景介绍、 10 个项目的跨链原理阐述以及 22 个项目整体概况、技术开发 和社群建设等维度数据分析，深度刻画了跨链产业全景图。 跨链的实现形态主要表现为资产互换和资产转移， 业界已有 落地应用， 且多种跨链应用场景均可以由此演变。 本文将重点 阐述两者的跨链原理， 从问题出发， 提出了5 大技术难点并介 绍了其对应的解决方案和思路。 1 ） 如 何 保障跨 链交 易的原 子性 ： 介绍了原子互换和哈希时间 锁协议原理。2） 如 何 完成 对另 一条链 的交 易确认 ： 介绍了公证 人、 中继以及榫卯式三大类模式异同。3） 如 何保 障两 条链的 资 产 总量 不变 ： 从正常和 异常两种情况分别阐述了应对方案。4） 如 何保 障两条 链的 独立安 全性 ： 主要从隔离机制和安全检测机 制分析了应对思路。5） 如 何实 现多条 链之 间的跨 链互 联：介 绍 了主动兼容和被动兼容两种跨链网络建设方案。 最后对于跨链产业现状和未来， 我们认为：1） 跨链项目总体 处于探索阶段， 未有大规模应用；2） 跨链技术 成熟度较低 ，仍 有较大发展空间； 3） 跨链的推动依赖于区块链应用的实质性落 地；4） 跨链网络将推动数字资产金融的繁荣；5） 跨链标准的 建立将会是区块链行业发展的强劲引擎。 火币区块链产业专题报告跨链篇 1 目录 第一章 跨链概述 .2 1.1 何为“ 跨链” .2 1.2 跨链 意义 何在 .2 1.3 跨链 进化 史 .3 第二章 初识跨链 .5 2.1 跨链 的实 现形 态 .5 2.2 实现 跨链 要解 决的 问题.6 2.3 跨链 协议 设计 原则 .8 第三章 跨链难点解决 方案 剖析 . 10 3.1 难 点一 ：如 何保 障跨 链交易 的原 子性 . 10 3.1.1 原子 互换. 10 3.1.2 HTLC ，哈 希时 间锁 协议 . 14 3.1.3 HTLA ，哈 希时 间锁 协定 . 16 3.2 难 点二 ：如 何完 成对 另一条 链的 交易 确认 . 19 3.2.1 公 证人 机制 . 22 3.2.2 中继 . 26 3.2.3 榫 卯式 . 31 3.3 难 点三 ：如 何保 障两 条链的 资产 总量 不变 . 33 3.4 难点 四： 如何 保障 两条 链 的独 立安 全性 . 37 3.5 难 点五 ：如 何实 现多 条链之 间的 跨链 互联 . 37 3.5.1 主动 兼容. 38 3.5.2 被动 兼容. 39 3.6 小结 . 40 第四章 案例剖析 . 41 4.1 链下 通道 . 41 4.1.1 闪电 网络 . 41 4.1.2 雷电 网络 . 43 4.2 跨账 本多 跳协 议 . 44 4.2.1 Ripple . 44 4.3 侧链 . 47 4.3.1 单向/双向 锚定 侧链 . 48 4.3.2 Liquid . 52 4.3.3 Elastos . 53 4.4 跨链 平台 （主 动兼 容型 ） . 54 4.4.1 Wanchain . 55 4.5 跨链 平台 （被 动兼 容型 ） . 58 4.5.1 Cosmos . 58 4.5.2 Polkadot . 71 4.6 典型 跨链 项目 简介 . 75 第五章 项目市场及应 用场 景分析 . 79 5.1 跨链 项目 市场 分析 . 79 5.2 跨链 应用 场景 分析 . 82 第六章 现状及未来 . 86 参考文献 . 88 第一章 跨链概述 1.1 何为“跨链” 跨链， 狭义 上来 说 是 两个相对 独立 1 的区块链账 本间 进行 资 产互操 作（Interoperability ）的过程 ； 广义 上来说是 两个独 立 的账本 2 间 进行资产、 数据互 操作的过 程。 本文 主要是从 狭义上 来 阐述区块 链体 系之间的 跨链互 操 作问题。 传统信息 领域对 于 互操作的 定义为 ： “ 不同系统 或模块 之 间进行信 息交互和使 用 的能力” 19。 而Vitalik 在 Chain Interoperability 2 的论 文中提 到，区 块链的 互操 作主要 指的是 两条 区块链 之间进 行 资产转移、 支付或 者信息交 互的能 力 ， 而这些通过 引入 第三方并且 在 不改变原 生链的 前 提下是可 以做 到的。 单 一的 区块链 网络是 一个 相对封 闭的体 系， 不会主 动与外 界发 生 交互， 每 条链 的资 产也都是 一个独 立 的价值体 系而存 在 。 若是能打 通 链于链之 间的孤 岛 ， 让价值在 更广大 的世界中 流通， 那 必然能从 更广 阔 的范围 中增加 通证 资产的 价值， 从而 推动区 块链产 业的 快速发 展。 跨链技术 正是致 力 于搭建链 与链之 间 的信任桥 梁， 打 破一 链一孤岛 的 局面，实 现链与 链 之间的资 产互 操作，以期实 现真正 的 共赢。 1.2 跨链意义 何在 在 阐述 跨链意 义之前 ，不 妨先回 顾一下 计算 机网络 的发展 历程 ，1指两个区块链账本间相互独立，没有在某方统一进行清/结算的情况（交易都在母链账本进行清算的母子 链结构不存在本文所述的跨链操作） 2此处所指的账本不仅指的是区块链账本，也指中心化账本或者其他形式的分布式账本（如 DAG 账本） 。 火币区块链产业专题报告跨链篇 3 也 许会 对我们 有重要 启示 。1969 年 投入 运行 的阿帕 网是计 算机 网络 的鼻祖， 当时由 于 大部分计 算机互 不 兼容， 且 传输速 度 极慢，计 算 机 网络多以 局域网 的 形式存在， 彼此难 以连通。 直到80 年代 TCP/IP 协 议（ 一种 可支持 多 种底层协 议以及 异 构网络互连 协议 ） 逐渐成熟 ， 计 算机网络 才逐渐 被 建立起来 。到 90 年 代，互联 网面向 公 众开放， 以 及网络浏 览器的 出 现，才带来 了现在 互联网的 繁荣。 从 计算 机网络 的发展 历程 ，我们 仿佛也 看到 了区块 链跨链 网络 的 未来。目 前的区 块 链世界就 好比 60 年 代的单机 时代， 链 与链之间 高 度异构化， 彼此难 以互通， 所 有的数 据和服务 都局限 于 孤岛式的 区块 链中。 若是 未来， 所 有的区块 链系统 能 通过某一 标准化 跨 链协议链 接 起来， 那 众多的 区 块链系统 就能协 同 工作， 为 更多的 用 户、 更多 的服 务提供支 撑。 跨链 技术的成 熟与普 及 或将引爆 区块链 网 络的繁荣。 不 同的是： 互 联网是 信息自由 流通的 网 络， 而区块 链跨链 网络则是 价值 自由流通 的网络 。 1.3 跨链进化史 如 下 图所 示， 自 2009 年比特 币网 络问 世后的 很长 一段 时 间， 到 2012 年Ripple 才发布 了跨账 本互操 作 协议Interledger Protocol (ILP) ， 通 过第三 方公证人 的方式 实现 了跨账本 转账， 在区块链 领域 首次提出 了跨账 本 互操作方 案。 2014 年， 由比 特币核 心开 发人员组成 立的BlockStream 团队首次 提出锚定 式侧链（Pegged Sidechains） 跨链交互 方案， 引 入一条与 主链双 向 锚定（Two-way peg）的侧链 ，可实现跨链 资产 转移 。 2015 年比特币 闪 电网络 （Lightning Network） 采用哈希 时间锁 （Hashed Timelock）机制，实现 了 比特币 链 下 快速 交易通 道。2016 年BTCRelay 方案发表 ， 基于中 继跨链 方 案实现了 比 特币到以 太坊的 单 向跨链连 通。 同年 Vitalik Buterin 发表的 Chain Interoperability 对区块链互操作问题做了全面和深度的分析。 2017 年， Polkadot 和Cosmos 第一次提 出了建设 跨链网 络 基础平台 的 方案，目 前这两 个 项目还在 开发过 程 中。 图 1.1 跨链进化史 火币区块链产业专题报告跨链篇 5 第二章 初识跨链 2.1 跨链的实现 形态 我 们知 道，目前 的区 块链 公链是 一个自 适应 分布式 系统， 也是 一 个 相对封 闭的自 循环 系统， 虽然可 以允 许新节 点加入 、旧 节点退 出， 也可容忍 一小部 分 错误， 但却 难以兼容 外部其它 系统。 链和链之 间的 信息交互 ， 尤其 是 以通证为 载体的 价 值交互， 可谓困 难 重重，这 对 区 块链网络 来说是 一 大发展瓶 颈。 总体来说 ， 链和 链之 间的价值/数据 交互 主要有以 下两种 实现 形式 ： 1 ） 链间资 产互换 ： 通常 指两条链 上的不 同 用户之间 进行资 产 互 换， 但每条 链上的 资产总量 并无增 减 ， 只是资产 所有权 发生 了变化， 且 这个所有 权 改变 的过程 需 在两条链 同 步 发生。 如 Alice 想用比特币 上的 10 个 BTC 换 Bob 在以太坊 的 100 个 ETH， 最终 交易成 功 的结果是Bob 在以太坊的100 个 ETH 转 移到了 Alice 在以 太坊的地 址，而 Alice 在比特币上的 10 个BTC 转移到了Bob 在比特币的地 址。 比特币和 以太坊 资产 总数并无 增加或者减 少 。 比特币 以太坊 address(Alice) 10BTC>Address(Bob) address(Bob) 100ETH>Address(Alice)图 2.1 跨链资产互 换示意图 2 ） 链间资 产转移 （单向/ 双向 ） ： 资 产转 移和资产 互换虽 看起 来 相似， 却有 本质的 不同。 上文 所述资 产互换中 各链的 资产 总 数是不变 的， 但资 产转移， 是 资产价 值的转移， 各链中 可用 的资产总 量将相 应 增加或者 减少。 如Alice 想将链A 的 资产 转移100 枚到链B ， 最终交易 成功的 结 果是链A 的可用 资产 将减少 100 枚（减 少的 100 枚被冻结 在链 A 的特定 地址）， B 链上将新生成 相应 的等价资 产。 链A 链B A ：A=1 : 1 address(Alice) A 资产> 锁定地址 生成A 资产的地址A 资产>Adress(Bob)图 2.2 跨链资产转 移示意图 目 前对 跨链的 研究和 应用 落地主 要是集 中在 资产互 换和资 产转 移 这两种方 式。 有些 项目提出 了跨链 智 能合约的 概念， 多指 一条链 上的 智能合约 能确认 原链 跨链交 易的场 景， 这从技术 实现上 来 说和实 现跨 链资产转 移是相 似 的， 都需要 对原链 交易进行 确认和 验 证， 因此本 文 不再做单 独讨论 ， 而 主要针对 资产互 换 和资产转 移这两 类 问题进行 技 术方案分 析。 2.2 实现跨链 要解决的问 题 我 们知 道，区 块链的 特点 之一就 是账本 的不 可篡改 性，因此 写入火币区块链产业专题报告跨链篇 7 账 本的信 息需要 是准 确无误 的，特 别是 资产信 息，一 定要 精确无 误。 两个区块 链系统 进 行资产信 息互换 ， 也 需要保证 在交换 的 过程中 资产 和信息数 据要精 确 记录在彼 此的账 本 上， 要做 到这一 点是 非常不容 易 的。 要实现 跨链， 我们需要 解决的 问 题很多， 但 是总结 起来看， 以 下 几个问题 是最核 心 的： 1 ） 如何保 障跨链交易的原 子性。 即跨 链交易要 么发生 ， 要么不发 生， 否则 两条链 的不 一致和不 同步状 态 将成为跨 链交易 最 大的系统 漏 洞， 两个系 统的安 全性都将 受到威 胁 。 这一点是 实现跨 链交易的 基本 要求，也 是跨链 交 易必须要 解决的 难 点。 2 ） 如何完成对 另一条链的 交易 确认。 对交易的 确认， 包 含了两个 层次的问 题， 一 是 确认交易 已经发 生 并且上链 ， 写入 了 区块账本；二 是该交易 已经获 得 了系统足 够多区 块 的确认， 这样由 于系 统发生重 构 而导致交 易无效 的 概率将非 常低。 区块 链系统本 身是较 为 封闭的系 统， 缺乏主动 获取外 部 信息的机 制， 因此 要 确认另外 一条链 的 交易状态 并 非一件容 易的事 ， 可以说是 跨链交 易 的核心难 点之一 。 3 ） 如何保障两条 链的资产 总量不变。 在资产互 换的场 景下 ，两 条 链的资产 并未发 生 实质性的 交换， 因此 该类情况 不会改 变 各链的资 产 总 量。但 是在资 产转 移的场 景下， 每条 链的可 用资产 数量 是变化 的， 只有保障 跨链交 易 精确记账， 且两条 链的账本 记账完 全 同步， 才可 实 现， 换种 说法就 是 两条链的 记账必 须 是原子性 的， 要 么 都同时记 ， 要 么都不记 。 除 此之外 ， 问 题的 关 键是当 某条链 发生重 构 时， 是否 依然 能保持两 条链的 资 产总量不 变。 4 ） 如何保障 两条链的独立 安全性 。 当 两个系统 发生交 互 时， 难免 会对彼此 系统产 生 影响， 如 何在跨 链交 易的过程 中保障 自 己系统和 对 方系统的 安全性 是 个值得考 虑的问 题 。 若是安全 性问题 无法隔离， 那 一条链受 到攻击 ， 将影响整 个跨链 网 络。 5 ） 如何实 现 多条链之间的 跨链 互联 。 参 照计算机 网络的发展 历程 ， 独立的区 块链网 络 终究要走 上互联 互 通的未来 ， 那如 何将 这些已有 的 和 未来 将要 开发 的区 块链 网络 都联 系起 来成 为统 一的 整体 将是 未来 跨链网络 最重要 的 问题之一 。 2.3 跨链协议设计原则 基于 上文 对实 现跨链 网络 难点的 分析， 在设 计一个 支持跨 链的 体 系 时，可以 参 考以下 原则1 ， 若是以下 几点无 法实 现，则 该跨链 系 统的安全 性和稳 定 性是难以 保障的 。 1. 资产在 链之间 的 转移是自 由的， 既 可从A 链到B 链， 也可从B 链到A 链，且与 谁 拥有这些 资产无 关 。 2. 资 产 转移不 能有对 手方 风险， 没有第 三方 能阻止 资产的 转移。 3. 转移交 易必须 是 原子性的 ， 要么 发 生， 要么 不发生 。 不能存在 凭空损失 或者创 造 资产，也 不能有 欺 骗交易的 发生。 4. 跨链协 议或系 统 应该具备 防火墙 的 功能， 一 个链发 生的 资产丢 失和创造 不会影 响 另外一个 链。 5. 一条链 的重构 不 能影响另 外一条 链， 要么在重 构概率 非 常低时火币区块链产业专题报告跨链篇 9 再 完成资 产交易 ，要 么在重 构发生 时能 同步修 改/ 作废 之前 发生的 跨 链交易，或 至少 做 一些补偿 性的操 作 。 第三章 跨链难点 解决方案剖析 3.1 难点一：如何保障跨 链交易的原子性 3.1.1 原 子互换 原 子互换1 是 保障跨 链交易 原子性的基 础理论 框架。原子 互换， 即原子性 的互 相交 换。 原子性 是计算 机领域非 常重要 的 设计理念， 如 原 子交易 ，原子 操作 等，通 常指最 小单 位的操 作，该 操作 要么成 功， 要么失败 ，不存 在 第三种中 间状态 。 为更直观 的介绍 原 子互换协议 ， 我们假 设 一个 交换场 景, 通过例子 来理解原 子互换 协 议的原理 。 1) Alice 在链A 上有1 个BTC，Bob 在链B 上有20 个 ETH，Alice 想 用 1 个 BTC 换 Bob 的 20 个 ETH。Alice 和 Bob 同时在链 A 和链 B 上都有钱 包地址 。 图 3.1 原子互换示意 图 1 2) 首先 Alice 随机生 成一个密钥 K ，该 密钥只有 Alice 知道，然后 在链A 上发起一 笔 给Bob 1 个BTC 的转账交易 （ 交易 ） ， 该 交易 只有在获得Bob 的 签名以及 提供密钥K 之后才能完成 。 3) 在交易 广 播 之前，Alice 会先在链 A 上广播一个回 撤 交易（交火币区块链产业专题报告跨链篇 11 易） ，若交 易 在 48 小时内未 获得 正确的密钥 和签 名 ，那么交 易 支付的金额 将 退回给Alice。交 易 广播出去后需 获 得Alice 和Bob 的共同签 名 ， 该交易才 会生效。 同时，Alice 只有在 交易 成功生效 的情况 下 才会向网 络广播 交 易 。 图 3.2 原子互换示意 图 2 4) Bob 此时看 到 Alice 发来的交易 ，若 Bob 愿意进行这 次交易， 则 Bob 会对交 易 签名，当 然 Alice 也会完成 签名， 这 样回撤交 易就能生 效，Alice 此时将交 易 向全 网广播。 图 3.3 原子互换示意 图 3 5) Bob 此时无 法得知 密钥 K ，只能 通过 向 Alice 支付 20 个 ETH 后才 能获得密钥K，因 此 ，Bob 在链B 上发起 交易，向 Alice 支付20 个 ETH，只有当 Alice 输入密钥 K 成功解 密 ，并 附上 Alice 签名 才可获得这20 个ETH。 为防止Alice 抵赖， 保障 自己能 成 功拿到 密钥K ， Bob 也在广 播交易 之前先 发 布一个需要Alice 和Bob 共同签名的回 撤 交易 ，当 Alice 在24 小时内未 提供正 确 的密钥K 并附上签 名，就 激 活回撤交 易 ，20ETH 退回给Bob。 图 3.4 原子互换示意 图 4 6) Alice 看到Bob 发 起的 回撤交易 ， Alice 和 Bob 为了继 续交 易将 会给该交 易附上 自 己的签名 ，回撤 交 易 生效。此 时 Bob 也会将 交易 广播给全 网 。 图 3.5 原子互换示意 图 5 7) Alice 为了获得20ETH， 将会对 交易 附上自己 的签名， 并且输入 正确的密钥 K ，此 时交易 成功，Alice 获得 20ETH，Bob 获得密 钥K 。 火币区块链产业专题报告跨链篇 13 图 3.6 原子互换示意 图 6 8) Bob 拿到密钥K 后， 回到链A，输 入 密钥 和自己的 签名， 最 终拿到 Alice 的1 个BTC。 图 3.7 原子互换示意 图 7 由上过程 可知， 原 子互换协 议并未 将 链A 的资产转移 到 链B ，而 只是同时 交换了链A 和链 B 资产的 所有 权，链A 的资产 总 量和链B 的资产总 量并未 改 变，因此 原子互 换 协议只能 实现链 间 的资产互 换，无法 实现资 产 转移。 原子互换 是系统 之 间进行价 值原 子交易 的基本 框架， 不仅 可应用 于区块链 去中心 化 账本系统 之间， 还 可扩展到 中心化 账 本的系统 之 间，只要 两个系统能 提 供 回 撤交易 、 时间锁定 和密钥 锁定 的功能 即 可。 3.1.2 HTLC ， 哈希 时间锁 协议 哈希时间 锁协议，即 HTLC （Hashed Time-Lock Contract）, 是原 子互换协 议的具 体 实现， 通 过哈希 锁和 时间锁机 制保障 了 交易的原 子 性。 在不 同的系 统 里， 不管 是区块 链 系统还是 中心化 的 账本系统 ， 其 实现哈希 锁和时 间 锁的方式 都不尽 相 同， 但原理 是一样 的， 即只有 满 足一定的 哈希条 件 或者时间 条件后 才 允许交易 生效。 若只使用 哈希时 间 锁， 只能实 现跨链 的资产互 换， 而非 跨链资产 转移， 各 链的资 产 总量不变 ， 只是 资 产的持有 者发生 了 变化而已 。 如 果要 实现 资产的 跨链 转移， 除了需 要哈 希时间 锁保障 交易 的原子 性， 还需配合 其他跨 链 技术， 确保 跨链交 易的真实 性，即 2.2 小节所述的 需完成对 其它链 的 交易确认 。 哈希锁 在2.1.1 小节介 绍 的例子中 ，Bob 要如 何验证Alice 提 供的 密钥 K 是正确呢? 这里最 通常的做 法是用 哈 希函数来 实现。 Alice 在最开始 的时候产 生一个 随 机数K （即密钥K ） ， 用一个哈 希函数 对 该随机数 做 计算得到M,即H(K)=M，Alice 会将函 数H 和 M 告诉Bob， 我们知道 哈 希函数的 计算是 不 可逆的， 几乎无 法 通过H 和M 反向计 算得到K。所 以Bob 只能让Alice 主动披露一 个密钥K， 并用H 和M 来验证Alice 提供的 K是否 能通 过 哈希 函数 H 计 算得到 M ，若 验证 通过，则 证明 Alice 提供的 K 就是真 实的 密钥 K 。这种哈希 函 数锁定 的方式 就是 我们所说 的哈希 锁 ， 只有密钥K 才能 打开的锁。 在比特 币系统中 通常 用OP_HASH256 操作符来进行 哈希计 算 操作。 火币区块链产业专题报告跨链篇 15 时间锁 在2.2 小节介绍 的 原子互换 协议中 ， 需 要交易在 某个时 间 范围内 不生效， 如 回撤交 易需要在 超时以 后 再被触发。 时间锁 在比特币 系统 中有两种 实现方 式3。 1) CheckLockTimeVerify（CLTV） 比特币 2015 年 BIP65 的软分叉 版本中 提出了 CLTV 操作码 ，允许 交易的输 出在一 段 时间内被 阻塞 （交易 的其它部 分不受 影 响） 。 当CLTV 操作码被调用的时候，会检测交易中的 nLockTime 参数，只有当 nLockTime 的时间 大于或者 等于 CLTV 参数指定的时 间 时，交易 才会 被完整执 行，否 则 交易会被 阻塞在memory pool 中。