区块链:深入理解三种跨链技术：HTLC、共识跨链和中继跨链_BAN

来源：星想法

作者：StarLi

原标题：《跨链-技术分类总结》

最近看了看跨链相关的项目，总结一下跨链的相关技术。所谓“跨链”，一条链上的“跨链”语义能在另外链上正确执行。目前跨链项目主要实现在一个链上的资产映射到另外一条链上。从技术角度看，个人认为目前跨链技术主要有三种：HTLC，跨链桥和跨链桥。相关的技术以及项目总结如下图：

01HTLC

HTLC原理比较简单：

上海：深入应用区块链提升在线跨境结算功能:金色财经报道，上海市人民政府今日印发《关于本市加快发展外贸新业态新模式的实施意见》，其中指出将探索区块链技术在贸易细分领域中的应用，建设数字贸易交易促进平台，深入应用区块链、大数据技术，提升在线跨境结算功能。[2021/10/15 20:32:30]

如果Alice和Tom之间想交换资产，Alice先创建HTLC，Tom接着创建具有同样Hash的HTLC。简单的说，Tom和Alice创建了具有同样秘钥的“锁”，锁住各自资产。当Alice用秘钥打开Tom的资产时，Tom用同样的秘钥可以打开Alice的资产。当然，Tom和Alice都需要确认资产和锁的时间。

通过HTLC实现跨链，简单并且保证了交易双方的原子操作，但是要求两条链都支持智能合约，限定了两个交易方并且交换的资产不可分割。事实上，为了保证交易双方有效交易，交易双方需要额外的沟通渠道预先达成共识。

姚前：区块链技术值得数据跨境流动及其监管各方深入研究:《中国金融》2020年第22期，中国证监会科技监管局局长姚前刊文《数据跨境流动的制度建设与技术支撑》表示，支付标记化技术将个人数据的“匿名化”交由可信第三方负责，而区块链技术则创造了用户完全自主可控的数据隐私保护新思路。用户的私钥可以本地生成，通过公钥计算发布有效的账户地址，从而隔断账户地址和账户持有人真实身份的关联。通过控制私钥，用户可以在区块链上自主完成交易，虽然在区块链网络上能够看到每一笔交易的细节，但无法对应到现实世界中的具体某个人。区块链技术从根本上打破中心化模式下数据控制者对数据的天然垄断，赋予用户真正的数据隐私保护权。区块链技术还可与先进密码学技术结合，发展出各类隐私保护方案。比如，利用基于环签名、群签名等密码学方案保护签名方身份；采用高效的同态加密方案实现密文的多方处理，隐藏用户交易金额等敏感信息；采用零知识证明方案，使交易数据能被审查和验证，但又不能被真实探知。区块链技术这一自主可控的隐私保护新思路，值得数据跨境流动及其监管各方深入研究。[2020/11/24 21:56:04]

02跨链桥-基于共识

声音 | 东华软件：未来将持续推动区块链在医疗健康领域的深入应用:金色财经报道，东华软件股份公司在其关于投资者交流会召开情况的公告中表示，公司医疗行业未来发展方向之一为，持续推动区块链技术在医疗健康领域的深入应用，帮助用户建立全生命周期的健康档案，实现健康数据的记录和安全共享。[2020/2/12]

基于其他共识的跨链桥逻辑上比较好实现，由共识确认一个链上的事件，并在另外一条链上执行。整个桥的安全性取决于共识的强弱。共识，除了传统意义的共识机制外，还包括多方计算和多签。

03跨链桥-基于轻客户端

为了在一条链上能验证另外一条链上的信息，在这条链上“运行”另外一条链的轻客户端。通常轻客户端都是基于SPV协议。SPV源自BTC，主要用在PoW共识的链中。Celo和Harmony也针对自己链的共识算法实现了轻客户端。纯粹的PoS共识的链比较难实现轻客户端，因为共识依赖Staking，而Staking由交易组成。为了实现轻客户端，穷举Staking交易不现实。

声音 | 陈思劼：区块链等技术不断深入应用，推动产业发生深刻变革:12月13日下午，第一财经2019杰出商界领军者高峰论坛在上海举行。上海第一财经传媒有限公司总经理陈思劼在会上致辞。陈思劼表示：新一轮的科技革命正在悄然到来，众多产业被新科技激发活力，比如人工智能、大数据、区块链和云计算等技术，在行业不断深入应用，推动产业发生深刻变革。新技术的发展在新经济时代势不可挡，企业的创新升级势在必行。[2019/12/13]

跨链桥的两个链互相通过轻客户端验证对方链的状态。这种跨链桥依赖Relay，及时同步链的区块头信息。因为要同步区块头，需要如下的一些因素：

1/同步频次和费用：在另外一条链上存储区块头信息需要费用。特别是tps比较高的链，区块比较多。

动态 | 国家信息中心党委书记与中国移动副总裁就区块链服务网络研究与合作进行深入交流:9月25日上午，国家信息中心党委书记、主任程晓波会见中国移动通信集团副总裁李慧镝一行，双方就区块链服务网络研究与合作进行了深入交流。（新浪财经）[2019/9/27]

2/确认主链以及区块确认：根据链的共识，通过区块头信息确定主链。以PoW的链为例，区块确认一般通过后续区块个数确认。

优化同步费用有几种思路：1/随机挑战2/zk-SNARK。选一些典型介绍：

BTCRelay采用传统的SPV轻客户端的实现方式实现从BTC到ETH的跨链。显然为了同步BTC的区块头，在ETH消耗Gas。在以太坊Gasprice比较高的情况下，同步费用比较高。

FlyClientFlyClient采用随机挑战和MMR（MerkleMountainRange)的技术，降低轻客户端同步区块的个数。随机挑战的目的是在一定范围的区块并不需要全部同步到链上，随机抽取一些区块同步。为了在链上能验证没有抽取到的区块，所有的区块信息通过MMR组织在一起。MMR是一种变种的Merkle树，适用于追加节点的场景。MMR，相对于普通二叉的Merkle树，具有更新叶子结点代价小的特点。

zkRelayzkRelay也尝试降低链上轻客户端同步区块的费用。和FlyClient不同，zkRelay采用的是zk-SNARK证明。将一段范围内的区块有效性，通过将链下证明提交到链上，链上只需要检查证明是否有效。

CeloCelo是个有意思的项目。Celo项目本身和跨链没有什么关系，但是给轻客户端提供了一些新思路。为了实现更轻客户端，Celo采用递归零知识证明技术，将区块头的连接信息进行递归证明。一个证明就能证明从创世区块到当前区块的合法性。一个轻结点，只需要同步最新的证明就能确定所有区块的有效性。

Summa(StatelessSPV)上述的项目，还都是在降低轻客户端链上同步代价方面做优化。Summa提供了一个全新的思路：

摘抄自Summa介绍的PPT。Summa项目观察到一个有趣的事实：一条链的区块头在另外一条链上同步了，但是很多区块有可能是浪费的。原因是并没有需要证明的交易在这些区块中。Summa假设了一种“Ecnomic“安全的做法：证明一个交易在一个区块中，并且区块后有若干区块确认。Summa认为在伪造的区块后连续出块是一个非常不经济的做法，有这样的算力应该去计算真正的区块。使用这种方式，在链上不需要存储轻结点信息，只需要在一个交易需要证明时提供相应区块以及确认区块的证明即可。这样的方式也称为StatelessSPV。当然这种经济安全假设需要推敲，特别是在难度较低的情况下，伪造区块以及确认区块相对比较容易。

Xclaim针对传统的没有链上计算能力的链，不可能在链上实现其他链的轻客户端。也就是说，如果只是通过链上轻客户端的方式，在这些链上只能实现单向的跨链。为了在这些链上也实现双向跨链，Xclaim在引入抵押角色的情况下实现资产双向映射。Xclaim在论文中提出了三种操作：issue，swap，redeem。以issue和redeem为例，看看抵押角色的作用：

大部分链都支持转账功能。抵押者作为中间人，在另外一条链有抵押的情况下，接受其他人的资金的转账。转账发起者，可以通过轻客户端验证的方式在另外链上证明交易合法。在另外一条链上，验证合法的跨链交易后，进行转账。

在一条链上提出burn操作后，抵押者观察到后，主动先发起转账。并在转账成功后，向另外一条链上的智能合约提供交易证明“赎回”资金。简单的说，在两条链只要有一条支持智能合约的基础上，通过抵押者角色，可以完成双向跨链的操作。根本原因就是链上的转账交易能够被确认验证。

总结：

跨链是个复杂的话题。通过其他共识实现跨链相对简单现实。HTLC能实现交易双方的原子操作，但是限定交易为两方，而且为了提供交易的效率需要交易双方预先沟通。通过在链上实现轻客户端验证其他链的状态是一直探索的方向。对于PoW链，链上实现轻客户端需要考虑区块头同步成本以及主链确认逻辑。

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