区块链:科普 | 走进Cosmos之入门_ACK

作者简介

江哲

来自数据网格实验室BitXHub团队主要负责区块链账本互操作技术相关研究工作

导读

跨链作为近两年来区块链技术一个炙手可热的方向，吸引了许多人的目光。

从技术层面看，Cosmos无疑可以与Polkadot并称“跨链双雄”，两者的技术路线并无明显的优劣之分，只是开发理念各有千秋。

Cosmos最初是由Tendermint团队构建的开源社区项目，它将自己定义为“一个由多条独立平行区块链组成的去中心化网络”，和Polkadot一样，也由中继技术实现。

Cosmos到底是如何解决跨链过程中遇到的各项问题的，本文通过对其架构和跨链交易流程的解读，带我们进一步了解Cosmos。

什么是Cosmos

Cosmos作为跨链双雄之一，定位为一个可扩展、易用、互操作的区块链互联网。

首先介绍Cosmos的三个重要组成部分

Hub：本质上是一条中继链，由官方进行维护，被当作跨链消息的信任中心；

Zone：参与到Cosmos网络中的应用链，允许不同类型的区块链加入进来；

IBC：链间通信协议。

他们三者的关系我们从上面的简图中看到，位于中心的是Hub。

Hub管理着许多被称为“Zone”的应用链，在Ｃosmos网络中，由Hub来追踪记录各个Zone的状态，而每一个Zone有义务不停地把自身产出的新区块反向汇报给Hub。

Hub与Zone直接通信，而Zone与Zone之间通过IBC间接通信。

IMF今日发布的加密货币科普视频实为两年前旧闻，且存在诸多疏漏:国际货币基金组织IMF今日在推特上发布了一条关于加密货币的科普视频，这段时长两分钟的视频最初发布于2018年6月。该视频称加密货币是“货币进化的下一步”，但没有特别提到DLT、区块链，甚至是代币名称等术语。BTC、XRP和ETH只出现在说明加密交易的图形中。尽管这段视频到目前为止已经获得了超过13.7万的点击量和2900个赞，但来自加密社区的许多反应都是批评的，他们指出了信息中的漏洞和似乎具有误导性的措辞。

Reddit用户nanooverbtc称：“他们犯了很多错误，比如把私钥称为密码。”该视频也没有讨论挖矿或加密货币供应。Kraken策略师Pierre Rochard等知名人士表示：“可证明的稀缺性是比特币有趣的原因，你忘了提这一点。”（Cointelegraph）[2020/8/24]

当Zone对Hub建立起一个IBC连接，它可以自动访问其他连接到该Hub上的Zone，这意味着Zone无需与其他Zone连接，而仅仅连接到Hub上即可。

当一个Zone通过Hub收到来自其他Zone的代币时，它只需要信任Hub，而不需要信任网络中所有其它的Zone。

为什么Cosmos不直接利用IBC建立Zone与Zone之间的连接？

事实上，随着接入到网络中Zone的数量上升，以直连方式实现通信会导致链路数量呈平方级上升，如此快速的增长显然会令网络不堪重负。

Cosmos架构

Cosmos作为一个多链互操作的跨链平台，支持不同种类应用链接入到Cosmos的网络，如图所示：

一般来说，应用链可以分成两种类型：概率链和确定性链。

人大附中物理老师李永乐科普拜占庭将军问题和区块链:5月14日，人大附中物理老师、科普视频网红李永乐在其公众号发布视频《拜占庭将军问题是什么？区块链如何防范恶意节点？》。李永乐老师在视频中对拜占庭将军问题和区块链进行了讲解，他表示，拜占庭将军问题本质上指的是，在分布式计算机网络中，如果存在故障和恶意节点，是否能够保持正常节点的网络一致性问题。在近40年的时间里，人们提出了许多方案解决这一问题，称为拜占庭容错法。例如兰波特自己提出了口头协议、书面协议法，后来有人提出了实用拜占庭容错PBFT算法，在2008年，中本聪发明比特币后，人们又设想了通过区块链的方法解决这一问题。区块链通过算力证明来保持账本的一致性，也就是必须计算数学题，才能得到记账的权力，其他人对这个记账结果进行验证，如果是对的，就认可你的结果。与拜占庭问题比起来，就增加了叛徒的成本。[2020/5/14]

概率链是指只能根据区块链网络参与者在不同分叉链上的比例，而以一定概率认为某条链是主链。一般来说比特币通过6个区块以上来达到确认，而以太坊通过15个区块以上来达到确认。

确定性链指的是每个区块的状态都是确定的，在未来的任意时刻你都可以从创始块开始复现推演每个区块的状态。

Cosmos中的Hub理论上可以接入上述两者，只不过对于概率链的支持在实践中要相对麻烦一些。这是因为从底层设计来讲，IBC跨链通信协议发挥作用的前提在于区块链的不可逆。?

所以Cosoms试图通过“PegZone”桥接链来实现概率链的互操作性。PegZone是追踪记录另一条区块链状态的区块链，它要将自己桥接的某条概率链上的状态确定为不可逆的，使得这些状态得以与IBC兼容。

其中这里的ABCI是应用层的区块链如何与共识层交互的接口，共识层和网络层是由CosmosSDK底层实现，只需实现相关的ABCI接口即可自行搭建一条链。

现场 | 火币中国推出数字经济及区块链产业科普新书:金色财经现场报道，12月6日，由海南省工业和信息化厅主办，南南合作金融中心协办，海南生态软件园、火币中国承办的“海南自贸港数字经济和区块链国际合作论坛”在海口举行，这是全球首次区块链部长级论坛。

在本次论坛上，火币中国举行了“数字经济及区块链产业科普系列新书发布”仪式，希望通过教材、专业教育、培训等多种方式，帮助从业者、高校、研究机构深入了解区块链，从而建立起区块链全局性知识模型，真正推动区块链应用落地。火币中国CEO袁煜明介绍，将联合机械工业出版社面向普通高等教育推出《区块链导论》、《区块链系统设计与应用》和《区块链新商业模式分析》系列教材，这是国内最早推动的区块链教材之一；火币中国还积极参与数字经济的研究，由中信出版社出版的新书《读懂Libra》已经上市；由火币中国负责编写的区块链技术科普读物《区块链技术进阶指南》将于12月面世；首本行业内最全的区块链应用案例集《区块链产业应用100例》在本次论坛进行了首次刊印。[2019/12/6]

ABCI接口和CosmosSDK会在接下来的Cosmos系列中会详细介绍。

交易流程

接下来介绍Cosmos的交易流程，Cosmos的交易分为普通交易和跨链交易，普通交易通过应用链内的共识上链，跨链交易通过IBC跨链协议进行交易。

▲?普通交易

Cosmos的普通交易和以太坊类似，也是一个帐户模型，有着From，To和Amount关键字段。

普通交易Msg：

typeMsgSendstruct{FromAddressgithub_com_cosmos_cosmos_sdk_types.AccAddressToAddressgithub_com_cosmos_cosmos_sdk_types.AccAddressAmountgithub_com_cosmos_cosmos_sdk_types.Coins}交易流程

声音 | ETC Labs主管：科普教育是未来几年公链面临的巨大挑战:ETCLabs主管Darin Kotalik认为，科普教育是未来几年公链面临的巨大挑战，人们必须要对区块链有基本的认识，分清楚公链和私链的区别。[2019/8/25]

接下来介绍一笔普通交易的流程，例如Alice转给Bob100atom代币。

1.Tendermint收到该笔交易，调用BaseApp的CheckTx校验该笔交易的有效性；

2.Tendermint出块，调用BaseApp的BeginBlock，检查区块的高度、Gas消耗情况和节点投票情况；

3.Tendermint调用BaseApp的DeliverTx，执行区块中的交易；

4.减少Alice100atom，增加Bob100atom，存储Alice和Bob的账本。

5.区块内交易全部执行完成后，Tendermint调用BaseApp的EndBlock收尾，包含执行完成后的事件和相关的验证者集合等等；

6.Tendermint调用BaseApp的Commit，IavlStore构建MerkleTree；

7.通过返回的MerkleTreeRoot生成区块哈希，进行一下轮出块。

▲?跨链交易

交易结构

IBC协议中包含了三个主要的交易类型：

MsgPacket：定义了IBC协议的跨链交易数据包，包含跨链交易、目的链的超时高度和时间戳。

/IBC数据包typeMsgPacketstruct{PacketProofcommitmentexported.ProofProofHeightuint64Signersdk.AccAddress}//数据包定义了一种通过IBC跨不同链传输数据的类型typePacketstruct{//跨链交易数据Databyte//number对应于发送和接收的顺序，必须按序发送和接收Sequenceuint64//标识来源链上的端口SourcePortstring//标识来源链上的通道SourceChannelstring//标识目的链上的端口DestinationPortstring//标识目的链上的通道DestinationChannelstring//标记数据包超时的区块高度TimeoutHeightuint64//数据包超时的区块时间戳TimeoutTimestampuint64}MsgAcknowledgement：定义IBC协议的响应数据包，包含跨链交易执行成功或者失败的状态。

声音 | 中科院姚建铨：要加快推进区块链与物联网融合的科普 培训:据新华网消息，日前，在区块链与物联网融合发展峰会上，中国科学院院士姚建铨说，关注区块链技术里面的大数据，跟区块链技术结合起来进行测量和检测，能更好地提升激光清洗技术。姚建铨建议，无锡今后要加快推进区块链与物联网融合的科普、培训，正确引导广大人民群众对技术的认知；同时，建立专业、权威，但又普适、成套的理论体系和标准，以此切入区块链的实际应用。[2018/9/18]

/IBC响应数据包typeMsgAcknowledgementstruct{PacketAcknowledgementbyteProofcommitmentexported.ProofProofHeightuint64Signersdk.AccAddress}MsgTimeout：定义IBC协议的超时数据包，包含下一个接收包的序列号。

//IBC超时数据包typeMsgTimeoutstruct{PacketNextSequenceRecvuint64Proofcommitmentexported.ProofProofHeightuint64Signersdk.AccAddress}当应用链双方在Hub注册后，彼此发现就可以通过路由进行跨链交易。

IBC跨链流程

我们通过一个例子来介绍IBC的跨链交易，ChainA和ChainB都是基于CosmosSDK搭建的应用链，Relayer作为一个链下中继负责轮询和路由IBC的数据包，这里的大致流程如下所示：

ChainA->relayer->hub->relayer->ChainB为了更加清晰的描述ChainA的跨链交易是如何到达ChainB的，relayer和hub之间只是负责路由，这里简化了relayer到hub之间的过程。

ChainA的Alice转给ChainB的Bob100atom

1.ChainA的Tendermint收到该笔交易，调用BaseApp的BeginBlock，检查区块的高度、Gas消耗情况和节点投票情况；

2.执行区块中的交易，减少Alice100atom，增加托管账户Escrow100atom，存储Alice和Escrow的账本。

3.构建跨链交易MsgPackage数据包，根据DestinationChannel和DestinationPort定位Outgoing队列，将MsgPackage存入该队列；

4.区块内交易全部执行完成后，Tendermint调用BaseApp的EndBlock收尾，包含执行完成后的事件等等，?再调用BaseApp的Commit，调用IavlStore持久化等操作；

5.IavlStore通过当前所有的IavlTreeRoot构建MerkleTree；

6.ChainA的Tendermint通过Treeroot生成区块哈希；

7.ChainA的Tendermint准备进行下一轮出块；

8.中继器Relayer轮询ChainA的Out队列，发现Outgoing队列存在MsgPackag；

9.中继器Relayer解析MsgPackage数据包来源和目的；如果发现ChainB的区块高度大于超时高度，移除ChainA的MsgPackage，向ChainA的inComming队列发送MsgTimeout数据包；

10.中继器Relayer向ChainB的Incomming队列发送包含MsgPackage数据包，ChainB随后解析MsgPackage，验证MsgPackage的有效性；

11.托管账户Escrowmint100atom，然后向Bob发送100atom；

12.ChainB构建MsgAcknowledgement数据包，中继器Relayer轮询ChainB的Incomming队列，将其放入ChainB的Outgoing队列；

13.ChainA收到ChainB的MsgAcknowledgement或者MsgTimeout数据包，如果MsgAcknowledgement包含执行失败的状态或者存在MsgTimeout数据包，则根据数据包内的信息进行向托管账户赎回对应的金额。

跨链难题

▲?Relayer作恶问题

场景描述：Relayer是链下的一个传递跨链消息的组件，任何人可以启动Relayer来传递消息。

方案：所有验证在链上进行，Ｒelayer只做消息传递。

效果：可多个Ｒelayer同时工作，跨链消息的有效性和有序性的保证和Ｒelayer无关，至少一个不作恶Ｒelayer即可工作

▲?跨链存在性证明

我们可以看到，在每个IBC数据包的结构中都包含：

struct{Proofcommitmentexported.ProofProofHeightuint64Signersdk.AccAddress}其中ProofHeight是对应的区块高度，Proof是MerkleProof，Signer是发送者的地址，跨链双方维护对方的轻节点，提供类似SPV证明的机制。

▲?跨链交易事务

IBC跨链协议中定义了两种关于包含状态的跨链交易数据包：

MsgAcknowledgement：定义IBC协议的响应数据包，包含跨链交易执行成功或者失败的状态。

//MsgAcknowledgementreceivesincomingIBCacknowledgementtypeMsgAcknowledgementstruct{PacketAcknowledgementbyteProofcommitmentexported.ProofProofHeightuint64Signersdk.AccAddress}MsgTimeout：定义IBC协议的超时数据包，包含下一个接收包的序列号。

//MsgTimeoutreceivestimed-outpackettypeMsgTimeoutstruct{PacketNextSequenceRecvuint64Proofcommitmentexported.ProofProofHeightuint64Signersdk.AccAddress}来源链通过MsgAcknowledgement数据包，可以判断跨链交易是否执行成功，如果执行失败来源链做出相对的回滚。

来源链通过MsgTimeout数据包，可以判断一个跨链交易的数据包是否超时，如果超时来源链做出相对的回滚。

结论

总体来说，Cosmos作为与Polkadot齐名的跨链双雄之一，在架构设计和IBC跨链协议上有许多值得我们学习借鉴的地方。

接下来的Cosmos系列文中会详细介绍IBC协议和Tendermint共识详解，敬请期待！

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