本帖最后由 中国计算机学会 于 2024-4-19 14:12 编辑
摘要—本文对跨链进行了重新定义，探讨了跨链系统架构和协议的深层次结构，并在信创测试和数据流通等方面提出了创新技术。基于相关技术，本文提出了高性能自适应的跨链互通平台H2Cross，提供了一种高效、安全自适应的跨链互通解决方案，为构建更开放、高效的数字经济体系奠定坚实的基础。
刘秀龙（天津大学）
胡登铖（天津大学）
马立原（天津大学）等
关键词 ：跨链 信创 查询 应用 跨链背景与定义 区块链技术作为最具颠覆性的创新之一，已经被提升至国家战略层面[1]，成为数字经济的信任基础设施。然而，区块链应用场景的多样化和各类区块链系统的涌现，带来了数据孤岛问题。跨链技术能够实现不同区块链间的互通和互操作，使得数据和应用程序能够自由流动，进一步推动区块链技术的融合和发展。自2012年以来，跨链协议层出不穷，多链方案呈现出汇聚态势，跨链技术已经步入应用实践阶段。跨链技术的发展，不仅能够连接孤立的链，满足用户多样化的需求，突破区块链扩展性的限制，更为区块链技术在社会各领域的应用和推广提供了可能性[2]。 跨链交互指不同区块链系统间实现信息交换与操作交互的技术手段，其核心功能主要表现在两个方面：一方面是信息的传递，用于实现异构区块链间的消息流转；一方面是信息的验证，用于保障整个跨链系统交易的原子性与安全性。现有跨链平台主要支持通证交换和传递，目前已经有一些跨链平台[3]在研究任意信息的跨链交互，主要方案是设计通用的跨链通信协议。为了保证消息传递和验证的正确执行，跨链通信协议至少需要保证[4]：（1）可以在源链读取到正确的交易最新状态；（2）可以证明在信息的传输过程中未被篡改；（3）可以保障只有通过协议传输的状态信息才能被目的链验证通过。从总体上看，区块链系统消息传递存在非通用性（non-generalization）的问题，即当前缺少能够解决数据孤岛消息传递难、共享难问题的跨链平台或范式。从发送方的角度，需要满足非竞争性（non-competition）的条件，即参与跨链的多方必须无明显竞争关系，可以是平级合作或是上下游、上下级关系。从接收方的角度，传递的信息必须是客观、公认的内容，只要验证通过，数据接收方就必须承认该数据可行，即不可否认性（non-repudiation）。除此之外，跨链系统消息传递还需要满足低开销性（non-costliness）等条件，相比传统消息传递方式效率更高。 国内外发展现状与挑战 本文从跨链架构协议、信创测试以及数据应用三个方面介绍当前区块链跨链互通的主流解决方案。 架构协议 跨链技术的不断发展为异构区块链系统之间的互通提供了新的可能性，其架构主要分为直连和中继两种模式。在直连模式下，BTCRelay[5]开创了跨链先河，RSK[6]在此基础上实现了比特币与以太坊的双向跨链，然而其原子性无法得到完全保障。HTLC[7]虽然保障了跨链原子性，但容易受到审查攻击和泛洪攻击的威胁。微众银行的跨链平台WeCross[8]部署架构灵活，但目前仅支持接入FISCO BCOS和Hyperledger Fabric。在中继模式下，Polkadot[9]采用中继链模型，通过转接桥连接其他异构链，但其基于代币的治理方案存在联合作恶的可能性。Cosmos[10]平台基于Tendermint共识，支持公有链与私有链的交互，然而接入私有链需要开发者自行编写共识协议。BitXhub[11]的架构由中继链、跨链网关和应用链组成，目前仅支持基于以太坊的区块链与Fabric系统的交互。Ripple公司提出的Interledger[12]协议可解决多区块链跨链交互问题，通过多连接者在区块链之间的“多跳”实现跨链交互。 尽管跨链技术取得了一些进展，但仍然面临多项挑战。首先，跨链架构难以统一。不同的跨链架构有各自的特性，难以找到通用、能统一接入异构区块链的架构。其次，异构跨链通用性受限，这是因为各区块链系统的接口、存储结构、共识协议、准入机制和合约执行存在差异。目前的跨链架构仅适用于部分区块链跨链交互。再次，差异需求难以满足。不同的跨链架构在隐私、监管、安全等方面有不同特性，选择完全匹配需求的跨链架构存在困难。最后，跨链技术的扩展性问题也不可忽视，传输验证开销高、事务处理效率低是主要问题。虽然整体解决方案采用模块化思路，但各基本逻辑功能的分层解耦未能实现，限制了关键技术的横向扩展性与配置灵活性，导致跨链交互机制僵化。 信创测试 跨链系统通过实现不同区块链系统之间的互联互通，打破数据孤岛，促进数据资源的高效流通和共享，是推动信创产业融合创新、释放数字价值的重要技术支撑。针对信创产业，国家提出了“2+8+N”国产化体系。“2”指党、政，“8”指关于国计民生的八大行业，即金融、电力、电信、石油、交通、教育、医疗、航空航天。因此，基于信创环境开展多维度、分层次的区块链系统性能评测架构研究，分析影响跨链系统性能的制约因素，为跨链应用场景提出可能的系统性能提升方案十分重要。目前主流的区块链性能基准测试框架如Blockbench[13]，设计实现了SmallBank和kv-store等测试负载，通过一定程度的负载封装测试了若干种区块链系统，并针对吞吐量、交易时延以及CPU和内存开销等指标进行了测试；Caliper[14]的Caliper Blockchain NBI是现有最主流的区块链API抽象参考，相比于Blockbench在Macro层插入、删除、更新等基本的数据库层面抽象，提供了更多针对区块链系统的测试接口；Diablo[15]实现了一系列Web2应用工作负载，如游戏、移动服务和视频分享；Zheng等人提出了区块链系统的整体性能指标和详细性能指标[16]，并提出了一个基于系统日志的性能监控框架，具有低开销、细粒度、高可扩展等优点。 然而，上述区块链性能测试框架仍存在问题。首先，由于区块链系统环境部署方式各异，现有测评框架的接入流程复杂，测评标准化不足。其次，当前测评框架的测评侧重点各不相同，分层性能测评十分粗略，宏观测试和微观测试的设计相对割裂，各个区块链系统的性能难以互相比较。最后，面向新型国产区块链，尤其是不支持Json RPC的区块链系统缺乏测评接口，测评框架的通用性和灵活性较差。 数据流通 数据、应用作为跨链交互的实体，承担着价值流转的重要功能。跨链应用的实现过程一般是通过多种智能合约语言编写合约功能，例如Solidity、JavaScript、Go等，实现所需接口，并对合约功能进行归纳总结，在应用中进行合理复用，提高开发效率，完成整个跨链事务。使用智能合约编写的应用需要在相应的智能合约引擎中运行，例如EVM、WASM和Docker等，其执行结果将被写入区块链内，成为不可篡改的执行记录。 针对链上信息的可靠检索，现有工作提出了一系列数据结构与查询技术，在保证查询结果可验证的基础上提高查询效率。vChain[17]开创了在区块链数据库上构建可验证查询方案的先河，提出了基于累加器的可验证的数据结构（Authenticated Data Structures，ADS）以及基于跳表的块间索引机制，实现了可验证的布尔范围查询。LineageChain[18]基于智能合约技术，实现了细粒度的区块链数据溯源，设计了基于Merkle DAG的来源信息存储技术和基于确定性只可追加跳表的高效溯源。VQL[19]是一个可验证查询方案，在底层区块链中同步数据并利用密码指纹重组技术为区块链系统节点提供高效可验证的云上查询服务。FalconDB[20]为分布式用户提供了低成本的数据协作平台，通过统一ADS接口，可以实现对服务查询、更新结果的验证。 然而，以上述工作为代表的数据流通方案仍面临挑战。首先，在应用方面，由于区块链系统内资源隔离，导致合约无法复用，开发效率降低。其次，由于各个区块链的合约开发语言各不相同，导致合约部署过程复杂，不利于多链合约统一、高效的实现。最后，现有工作支持的查询功能尚不全面，查询效率需要进一步提升，仍须研究适合区块链原生结构的可验证查询方案，以实现更多查询功能和更高的查询效率。 H2Cross：高性能自适应跨链互通平台 笔者团队提出了高性能自适应的跨链互通平台H2Cross，包括分片并行的可扩展自适应新型跨链架构与分层解耦的跨链交互协议栈、国产化信创融合性能测评系统、高效灵活跨链应用实现-部署-发现框架。 架构协议 随着区块链应用的多样化，不同区块链之间的互通难问题日益凸显。现有的跨链技术面临着架构难以统一、异构跨链难以通用、差异化需求难以满足等问题。这些问题导致大规模异构跨链互通的自适应性难以实现，限制了区块链技术的进一步扩展和应用。为了克服这些瓶颈，需要设计一种高可扩展的跨链互通架构，以适应不同区块链平台之间的差异，支持大规模的跨链事务处理，并能够根据不同的应用需求进行自适应配置。H2Cross整体架构如图1所示。
在跨链架构方面，笔者团队提出了一种结合分片技术的高可扩展分片并行跨链架构，以弹性共识为核心，实现多片并行自适应迭代。首先，通过“链关+中继分片链”的架构模型和分片规则库等中继链模块化组件，实现异构链与中继链的统一连接规范，基于多片并行的原则设计基本交易流程，提升中继系统的整体吞吐量和可扩展性能。其次，设计了一个基于弹性共识验证的自适应配置交易跨链模型，该模型面向异构链的通用全局状态，能够解决异构链间区块结构和共识机制的差异问题，实现同步、半同步及异步网络下的区块链共识切换，保障异构链跨链交易的原子性和不同链域间合约状态的一致性。此外，笔者团队提出了需求定义的跨链资源匹配机制，基于多级反馈队列和竞争协议设计负载均衡的分片节点自适应调度机制，基于余弦相似度和K-means++聚类技术，提出区块链分片节点负载均衡算法，在降低跨片交易数量的同时尽量平衡系统负载，从而提高复杂跨链事务下的执行效率，并设计了细粒度需求分解机制及需求组件库，以实现交易处理的负载均衡和需求组件的可插拔适配。 在跨链交互协议方面，笔者团队提出了分层解耦的跨链交互协议栈。首先，设计模组化、可插拔的分层跨链交互协议栈，该协议栈遵循平行链最小侵入原则，抽象出基于链上智能合约的协议分层，提出支持横向扩展与纵向更新的层内协议管理机制，统一聚合器入口，迭代调用各层协议，实现包括轻客户端验证、公证人信息跟踪和零知识证明协议的安全参数同步在内的信任根同步。链下网关构建编解码适配器负责对协议栈内合约进行自适应编解码。其次，建立通用跨链系统评估模型，进一步研发高效的跨链传输与超轻量数据验证优化技术，实现评估-传输-验证的大规模区块链互联场景下的性能优化迭代。最后提出了应用解耦的跨链事务处理关键技术，包括跨链事务管理机制，实现跨链事务状态管理和事务组件调度，以及安全的跨链事务一致性保障机制和高效的跨链事务执行技术，以在安全层面和性能层面优化跨链事务处理机制。 信创测试 笔者团队提出了国产化的信创融合方案，从云服务器、操作系统、芯片三个维度进行国产化适配，通过修改关键代码、提供多元个性化部署及配置方案，目前已经能支持华为云、阿里云、紫光云等国产云服务器厂商，以及银河麒麟国产操作系统以及海光、兆芯、华为鲲鹏等国产化芯片多元异构适配，从而为区块链测试提供了标准化环境。国产化信创融合性能测评系统结合动态代理和智能合约的通用区块链性能评测方法，能够解决现有区块链性能评测架构可信度低、通用性差、指标单一等问题，为当前各种类型的跨链系统平台提供高效、灵活、易于部署的应用链及中继链分层性能评测，分析系统的性能瓶颈和固有设计缺陷，为系统的性能提升和设计优化提供指导，同时为今后区块链系统的标准化发展提出合理化建议。
图2是国产化信创融合性能测评系统整体架构的示意图。本文以H2Cross跨链平台已经实现信创适配接入的以太坊、长安链和海河智链为例，它们都是支持智能合约的区块链系统。虽然三者在共识算法、存储逻辑以及合约执行方面的内在原理不尽相同，但都支持基本的区块链功能。在链交互方面，以太坊支持Json RPC，长安链和海河智链支持Protobuf RPC，可以方便地与链系统进行交互。通过公共抽象待测链系统环境部署的参数设置等各个环节，设计自动化配置项脚本，实现待测链系统的一键部署和运行，大大降低了待测链系统部署的复杂程度。通过动态代理技术实现与待测链的统一交互，同时适配器测试引擎的动态库提供了区块链系统中常用的函数操作，大大降低了代理服务器端的实现难度以及接口的复杂程度，提升系统通用性的同时，兼顾测试逻辑的可定制性以及待测链接入的便捷性。通过智能合约技术实现负载设计的标准化，提高测试负载的可重用性，进而实现不同系统性能的横向比较。客户端使用的Lua脚本语言与C/C++等语言具有良好的结合性，显著提升了测试框架的执行性能。上述测试过程基于国产适配的信创环境开展，从底层硬件角度实现了规范化、细粒度的可信评测。与此同时，团队构建私有NuGet和Maven仓库实现依赖源替换，并提供轻量化的信创工具包，实现对全流程工具链的优化，并开发了区块链浏览器和小程序，实现了信创测试平台的长期运维测试。 数据流通 随着区块链应用领域的不断扩展，链上数据的异构性日趋显著。市面上众多区块链系统进一步加剧了链上数据的异构性问题。因此，打通区块链数据孤岛，实现跨链数据的可靠、高效流通成为了挑战。为了实现异构区块链系统间数据全周期的价值流转，笔者团队提出了高效灵活跨链应用实现-部署-发现框架，如图3所示。
在应用实现部署方面，针对合约无法复用的问题，笔者团队提出了基于应用组件库的跨链应用实现技术。通过模块化应用组件库构建技术，实现跨链应用的低耦合功能划分，并经过形式化的安全验证，将划分后的多级元操作以组件形式传递到组件库中。为解决异构区块链合约难以部署的问题，笔者团队设计了适用于不同区块链的一键化合约部署脚本，方便组件库在各区块链上批量部署，同时提升用户和开发人员的合约部署体验。这一技术创新为跨链应用的实现和合约部署提供了更为灵活和便捷的解决方案。 在应用资源发现方面，关键事务频次查询是一类典型的跨链应用查询类型，在数据实时性高、业务流量大的区块链应用场景发挥着重要的作用，例如跨链业务态势感知、统计、分析等。然而现有区块链数据库查询技术在面临链上数据激增、查询请求复杂的情况时，难以保证关键事务频次查询的实时性。为此，笔者团队率先实现关键事务频次查询从精确到估计的升级，提出了准确高效的跨链事务频次估计方法，牺牲有限的精度从而大幅提升查询效率。首先为数据构建估计参数，进而导入估计算法得出事务的估计量级，最后构建区块链频次估计器，使估计值同时满足精度和效率要求。一方面，通过构建可信数据结构，把估计的所需位串与区块事务关联，同时保持默克尔树（Merkle tree）的批量验证特性。另一方面，提出了服务质量（Quality of Service，QoS）可调的估计技术，设计符合区块链结构的单轮估计方案，并且针对不断变化的QoS设计动态采样机制，以实时判断最佳采样数量，进而在保障估计精度的前提下尽可能提高估计效率。通过事务频次查询方案，实现了对跨链事务的高效可靠数量估计，提升了跨链信息同步效率。 应用落地 随着跨链技术的不断发展，跨链应用在去中心化金融（Decentralized Finance，DeFi）和民生领域逐渐多样化和成熟。在去中心化金融方面，国外平台（如Polkadot和Cosmos）通过跨链转移实现数字资产的流动性和使用效率提升。跨链协议使用户能够在不同区块链上执行智能合约，推动了去中心化应用的发展。在民生领域，跨链技术有望解决区块链网络之间的数据交换和协同问题。笔者团队聚焦供应链和司法存证场景，提出了相关解决方案。这表明跨链技术在多个领域具有潜在的应用前景。 供应链 供应链是产品从生产者到最终用户的全过程，包括原材料采购、生产、运输、存储和销售等。传统的供应链管理主要依赖中心化的企业资源规划（Enterprise Resource Planning，ERP）系统和一些区块链解决方案。然而，在多企业合作的供应链中，ERP系统存在信息孤岛和不透明的问题，导致信息延误和纰漏。近年来，区块链技术为供应链提供了更为透明、可追溯和安全的管理解决方案。尽管如此，不同业务间的区块链数据流转难、互通验证复杂等问题仍未得到根本解决。 笔者团队利用自开发的跨链互通平台给出了初步解决方案。目前，区块链技术越来越广泛地应用在供应链上下游各个企业中，支持异构多元区块链接入跨链平台，共同形成开放包容的供应链互联生态圈；针对供应链场景复杂、智能合约开发难等问题，提供了功能丰富且可灵活组装的跨链合约组件库，不同的业务可以进行区块链合约及功能的定制化开发；为解决不同区块链数据的流转、验证、追溯全过程痛点问题，提出了一整套供应链解决方案，打破供应链各环节区块链信息交互壁垒，真正实现数据自动化跨链传递、高效化跨链验证、准确化跨链溯源。 司法存证 随着数字化浪潮的兴起，司法存证在法律体系中崭露头角，旨在应对电子数据易遭篡改和虚构的挑战。电子数据在法律程序中的广泛运用使确保其完整性和真实性成为当务之急。传统方法如数字签名、时间戳等被用于维护电子数据的可信度，然而，随着信息传递和存储的复杂化，这些方案逐渐显现出局限性。近年来，区块链因其不可篡改的特性提供了安全、透明和高效的司法存证解决方案，但不同的司法链无法在保证数据隐私的前提下高效互通。 笔者团队专注于司法存证领域，提供了一套完整的司法数据跨链互通平台，使不同存证平台和链上数据可以进行跨链互联。这意味着司法系统中的相关各方能够获得更全面和准确的存证信息，从而提高了司法决策的准确性和公正性。该平台利用跨链技术实现存证数据的自动化跨链传递和高效跨链验证。存证的过程变得更加简洁和高效，存证机构的工作效率得到提升，能够更快速地处理存证需求和案件，提升了数据的安全性和可信度，实现了存证数据的共享和透明，扩展了存证范围。这将推动司法存证领域的发展，为司法决策提供更可靠的依据。 未来展望 未来，区块链跨链互通研究可从以下几个方面发展。 在架构协议方面，未来研究将专注于开发更加通用、安全、易集成的区块链跨链互通协议。这些协议旨在简化不同区块链平台之间的互操作，提高交易原子性，降低潜在的安全风险。预计会有更多基于开放标准的解决方案，促进区块链之间的无缝连接。此外，跨链技术的治理和合规性也将成为研究关注的焦点，以确保跨链活动符合全球监管要求，推动区块链技术的广泛应用和成熟发展。 在信创测试方面，未来研究将聚焦于提高系统在国产化环境下运行的性能。通过算法优化，平衡算法复杂度与硬件运行能力的差异，努力突破应用链和中继链系统性能瓶颈，同时降低测试框架本身的负载计算开销。笔者团队计划细化跨链系统各模块、各层级的测试指标，全面刻画跨链系统性能，为建立基于信创环境的跨链生态提供基准测试平台。 在数据流通方面，未来研究将专注于开发更灵活便捷的跨链应用部署方法，提出细粒度多级通用安全元操作库，降低应用组件库之间的耦合程度，并统一合约部署方法，减少“造轮子”行为，降低开发成本。针对多个异构链上的数据索引，预计设计通用的跨链数据查询范式，适配异构数据源与更多的查询功能，完善与提高区块链数据查询服务的功能与效率，同时保障跨链数据查询结果的安全性。 ■
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发表于 2024-4-18 13:51:39