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随着数字经济的迅猛增长，区块链基础设施也在快速演变。各种公链、联盟链、许可链如雨后春笋般涌现，展现了技术的多样性和创新。然而，一个突出的问题是，各链之间由于技术、生态和竞争等因素，无法实现连接和互通。这导致了不同区块链生态中的用户、资产、应用和数据的分割，形成了所谓的“孤岛效应”。

从根本上讲，形成“孤岛效应”的主要原因有两个：一是用户需求的多样化，二是区块链的扩展性限制。这些因素共同阻碍了不同区块链生态之间的有机融合。为了打破“孤岛效应”，促进区块链项目的业务和价值的高效流通，跨链技术应运而生。

跨链（Inter-Blockchain）技术，能够有效地解决账本之间在同步数据过程中容易造成价值丢失和双重支付的问题。它不仅提高了不同区块链之间的互操作性和可扩展性，还实现了资产和价值的流通。本文将为您全面介绍当前主要跨链技术的形态。

跨链的技术实现

对于两个相互独立且相对封闭的区块链系统，实现跨链交互涉及几个关键问题。首先，我们需要验证原链上的交易状态，确保其准确无误。其次，我们必须设计一种信息传递机制，确保信息在跨链过程中准确及时地传递。接下来，我们需要解决如何在另一条链上确认交易，以及如何防止双重支付的问题。

目前，根据锁定验证方式的不同，跨链技术主要可以分为以下四类：

公证人机制（Notary Schemes）：通过第三方公证人来验证和确认交易；

侧链/中继（Sidechains / Relays）：通过侧链或中继链来实现不同主链之间的交互；

哈希锁定（Hash-Locking）：通过特定的哈希锁定技术来确保交易的安全性；

分布式私钥控制（Distributed Private Key Control）：通过分布式的私钥管理来控制交易的访问和验证。

这些技术各有优势和特点，为实现不同区块链系统之间的互操作提供了多样化的选择和灵活性。下面为大家逐一展开介绍：

公证人机制

公证人机制是在交易双方不能互相信任的情况下，选取双方共同信任的且相对独立的一个或一组节点来充当公证人作为中介来验证并确保交易的合法性。公证人作为双方的连接者，在链与链之间进行资产兑换或转移时，需要同时追踪两条链的数据状态并告知交易双方，而交易双方完全依赖于公证人传递的信息进行判断并实现交易。

（图 1： 公证人机制示意图）

根据公证人的选取情况，可分为单签名公证人机制、多重签名公证人机制以及分布式签名公证人机制：

单签公证人机制，即选取单一制定的独立节点或机构作为公证人，此为最简单的模式。

多重签名公证人机制，即需要由多个公证人在各自的账本上共同签名达成共识后方可以实现跨链交易。该机制改善了单签名公证人机制中心化的问题，提高公证人的可信度，但该机制要求交易链需同时具备支持多重签名的功能。

分布式签名公证人机制，即基于密码学生成密钥，并拆分成多个部分分发给随机抽取的公证人，允许一定比例的公证人共同签名后即可拼凑出完整的密钥。该机制的实现较为复杂，但也相对较为安全，降低了单点故障风险。

公证人机制是实现区块链之间互操作性中较易实现的一种，无需进行复杂的工作量证明或权益证明，易于对接现有的区块链系统。此外，该机制是较为中心化的跨链处理方案，其运行处理效率相对较高。但是，公证人机制存在中心化风险，即一旦公证人遭受攻击不可信，整体公证系统将停滞或处于较大的安全风险中，存在严重的单点故障风险。虽然业界提出了多重签名和分布式签名公证人机制弱化中心化风险，但仍有潜在的作恶风险，仅作为目前的一种权衡方案。

侧链/中继

侧链主要针对的是两条同构链，即一个区块链系统能够理解另一条区块链的系统构架，实现在获得其他区块链系统提供的锁定交易证明之后，自动释放代币，一般是通过双向锚定机制实现资产转移。但其实资产也并未真正实现转移，只是当资产在原链上锁定时，等量等价资产在另一条链上被释放，而资产在另一条链上被锁定后，原链上的资产将被释放。

（图 2：双向锚定示意图，来源：《Enabling Blockchain Innovations with Pegged Sidechains》）

侧链技术是相对于主链的概念，侧链需要一份实现主链网络数据获取的智能合约，其中包含侧链数据和主链数据切换机制的方法，通过智能合约使主链和其它侧链进行交互。 中继技术则一般适用于链接两个异构或同构区块链，是更为直接的实现互操作性的方式，即不完全依赖于可信第三方的验证判断，仅通过中间人收集两条链的数据状态进行链内读取并进行自我验证，其验证方式依据自身结构不同存在显著差异。而这里的中间人仅仅充当中继桥梁的作用，负责数据收集工作。

无论是侧链还是中继，最基本的需求就是需要采集原链的信息。侧链与中继的区别在于：从属关系上侧链锚定从属于主链，是主链与附属链之间去信任交互的方案，且被限定在主链与侧链之间，更多着眼于可拓展性而非可伸缩性，而中继采用了中心辐射设计，不从属于某条主链，更像是“调度中心”，只负责数据传递，不负责链维护；执行过程看，侧链需要同步所有的区块头，验证网络是否认可该项交易，中继不需要下载所有的区块头，因此拥有更优越的速度；此外，安全性方面，侧链的安全性是建立在侧链能有效激励矿工进行一致性验证交易，主链的安全性无法在侧链上起作用，而中继是由主链自行验证，安全性有一定保证。

总体而言，侧链/中继模式的成本较高，效率较低，这是由于该模式下需要等待信息上链，确定不会发生回滚后方可确认。

哈希锁定

哈希锁定全称为哈希时间锁定合约(Hash timelock contract)，是在无需可信公证人的情况下， 通过哈希锁和时间锁共同完成链间资产兑换的一种跨链技术方案。

哈希锁定最早出现在 Bitcoin 的闪电网络中，其通过资产锁定，并设置相应的时间、解锁条件实现公平交易。哈希锁定可以构建多个不同的链下支付通道，让这些通道一起形成一个网络。交易双方的数目比较小的微支付可以通过一系列的链下协议完成，从而拓展主链的性能，同时实现跨链的目的。

（图 3：哈希时间锁示意图）

哈希锁定是系统之间进行原子交易的基本框架，保障跨链交易的原子性，即要么成功，要么失败，不存在任何第三种状态，可拓展应用于中心化账本或去中心化账本的系统之间。然而，哈希锁定只能实现跨链的资产互换，即各链资产总量保持不变的情况下，资产的持有人变化，而无法真正将资产转移至另一条链上，为此对于资产转移，还需要配合其他跨链技术方可实现。另一方面，要形成有规模的网络还需要更为完善的协议。

分布式私钥控制

分布式私钥控制是基于密码学中的多方计算和门限密钥的一种技术，通过采用分布式节点来控制区块链系统中各种资产的私钥，将数字资产的使用权和所有权进行分离，使得链上资产的控制权能够安全地转移到非中心化系统中，同时将原链上的资产映射到跨链中，实现不同区块链系统间的资产流通和价值转移。

分布式私钥控制的实现过程是利用一个基于区块链协议的内置资产模板，根据跨链交易信息部署新的智能合约来创建出新的加密货币资产。当一种已注册资产由原链转移到目标链时，跨链节点会为用户在已有合约中发放相应等值代币，确保了原有链资产在跨链上仍然可以相互交易流通。

2017 年，Fusion 提出通过利用分布式私钥控制模式进行跨链交易处理，以支持多平台跨链资产转移，从而构建加密金融应用运行的基础平台。即通过将各数字资产的私钥置于分布式节点的控制之下，实现所有权和使用权分离，通过 Lock-in 和 Lock-out 让 fusion 成为所有现有区块链的侧链，将现有区块链的代币映射到 fusion 公链之上，使得所有的代币在同一条链上具有互通性。

（图 4：Fusion Lock-in 示意图，来源：Fusion 白皮书）

分布式私钥控制类似于公证人机制，但用户始终拥有对资产的控制权，只是在存储数字资产的密钥上采用了分布式存储的方式，这在一定程度上避免了公证人模式下中心化风险。此外，账户锁定机制不需要采用双向锚定方式，所有的交易是在验证节点重构后传入原链网络，不改变原链特性，为此各链均可自由低门槛接入链中，降低跨链接入成本。但由于不改变原链，跨链则需要根据原链的特性适配开发，且跨链速度也将受原链交易确认时间等因素的影响。

跨链技术总结

简而言之，跨链技术是为了实现区块链之间的信息传递和联动。在早期，跨链技术主要集中在资产转移方面，例如公证人机制和侧链/中继技术。这些技术需要用户或第三方在链外进行更多的约定和操作，但能提高原链的交易效率，实现底层扩容。

随着时间的推移，后期的项目开始更加关注底层跨链基础设施，从区块链底层结构开始构造链结构的跨链技术。下表简要总结了四种不同跨链技术的优劣势：

（图 5：主流跨链技术优劣势对比表）

随着跨链技术的不断发展，市场上的解决方案通常会综合应用多种跨链技术，以提高跨链交互的性能、安全性和互操作性。例如，结合了公证人机制和侧链的混合技术（notary scheme+ sidechains mixing technology）充分利用了两者的优势，提高了区块链系统间的通信效率，支持了跨链资产交互和资产抵押，实现了分布式节点的公众化，避免了中心化控制。

总体来说，区块链跨链技术是一项充满活力和潜力的技术，正在改变我们对区块链的理解和使用方式。从侧链到公证人机制，从哈希时间锁到分布式私钥控制，跨链技术的多样化为金融、法律、医疗等领域提供了新的机遇和解决方案。

然而，尽管区块链的互操作性是可预见的未来，但跨链系统或解决方案还面临着一些挑战，如“信任差异”和“交易速率瓶颈”。未来的跨链技术研究和发展将需要更多的创新、合作和法规支持。

随着越来越多的区块链以不同的设计、编程语言和共识机制被开发出来，区块链互操作性已成为生态系统中不可或缺的一部分。如果没有互操作性，不同区块链之间的价值交换将变得复杂，资产的流动性也会被分割。互操作性对于实现区块链技术的全部潜力至关重要，因为它允许数据和资产在不同区块链之间无缝移动，增加了互联性并提高了资产的流动性。

跨链互操作性是指不同区块链之间相互通信和交换价值的能力。它涉及在其他区块链之间建立跨链桥，以允许资产和数据在它们之间无缝移动。这些跨链桥作为基于规则的协议，是扩展解决方案的基础，并使用消息基础设施确保不同区块链之间的安全通信。

有几种方法可以实现区块链的互操作性：

互操作协议。这些协议旨在促进不同区块链之间的通信和价值转移。例如，Polkadot、Cosmos和Aion。

侧链。这些是连接到主区块链的独立区块链，使得可以在具有相同资产的独立链上进行交易。例如，RSK是比特币的侧链，而Plasma是以太坊的侧链。

原子交换。这使得在没有中介的情况下交换一种加密货币换另一种成为可能，从而实现跨链交易。例如，闪电网络用于比特币的原子交换。

跨链桥。这些跨链桥建立在不同的区块链之间，使得资产和数据可以在它们之间传输。例如Wormhole，被Uniswap选为以太坊和币安智能链之间的跨链治理消息传递。

跨链桥

在区块链技术的背景下，跨链桥是建立在消息协议之上的应用程序，它促进了不同区块链之间的互操作性。它是连接两个或多个区块链网络的接口，允许在它们之间传输资产和数据。随着我们逐渐进入一个多链的世界，跨链桥已经成为跨链交互不可或缺的基础设施。 Connext 创始人 Arjun Bhuptani 根据验证者的不同，将所有跨链桥分为三种基本类型：原生验证、外部验证和本地验证。

原生验证（Natively Verified）

原生验证是指所有底层链的验证器都完全验证链间传递的数据。通常的做法是在目标链虚拟机中部署源链的轻节点，对源链的信息进行验证。

图1：原生验证（Natively Verified）

所谓轻节点，是指一个体积较小的，只存储区块头信息的节点。轻节点并不存储链上的全部交易，但是可以通过区块头信息，验证某个交易是否存在于链上。轻节点合约则是包含了轻节点的智能合约，用于验证源链的信息。通过在目标链部署源链的轻节点合约，即可实现对源链的信息进行真实性验证。

当源链A有请求传递一笔跨链交易信息给目标链B时，交易发起者将该交易的明细内容、区块高度、以及该交易SPV证明一并提交到B链；

部署在B链上的A链轻节点合约，通过SPV证明，重新计算该交易所在区块的区块头哈希值；

得到的哈希值与轻节点中对应的区块头哈希值进行比较，如果一致，则表明该交易确实发生在该区块中，若不一致，则说明该交易并不存在于该区块。

尽管任何人都可以向目标链提交交易明细及其SPV证明，但实际跨链应用中，往往会有专门的角色来做这件事，也就是中继者（Relayer）。中继者将源链的区块头传输到目标链，建立轻节点，然后中继者从源链搬运交易信息到目标链时，用轻节点上的区块头信息验证交易信息的正确性。

原生验证需要至少有一个诚实的中继者，或者用户必须自己传输交易。原生验证是信任最小化程度最高的一种跨链通信方式，但是它成本也很高，开发灵活性较低，而且更适合状态机相似度较高的区块链，比如以太坊和L2网络之间，或者基于Cosmos SDK开发的区块链之间。例如 Cosmos IBC 和 Near RainbowBridge，Rollup 的入口和出口也是这种特殊形式。此外，基于零知识证明（ZK）的互操作性协议也使用轻客户端和中继来验证跨链转移。

外部验证（Externally Verified）

外部验证是指使用外部验证器集合来在链之间传递数据。通常的做法是引入一组外部的验证者来负责验证跨链信息，用户必须相信这些验证者是可信的，验证者内部可能有某种机制来达成共识。

图2：外部验证（Externally Verified）

外部验证者有许多不同的实现方法，比如多方计算系统、预言机网络以及门限多重签名合约等，但这些方案都需要验证节点进行信任最小化的链下计算，并在链上进行验证。

我们需要意识到，在引入外部验证者的同时，引入了新的安全假设。外部验证通常要假设一半以上的节点是诚实的，这样才能维持跨链交互的可靠性。不过，要提升信任最小化水平，还需要采用其他技术，比如加密经济质押、反欺诈网络以及乐观的通证桥验证（optimistic bridge validation）等。采用外部验证的互操作性协议有： Thorchain、Multichain、PolyNetwork等。

本地验证（Locally Verified）

本地验证是指仅涉及跨链交互的各方验证该交互。本地验证协议将复杂的n方验证问题转化为一组更简单的2方交互，其中每个参与方仅验证其对等方。只要双方在经济上是对抗性的，即双方没有办法勾结起来从更广泛的链中获取数据，这种模型就可以运作。

图3：本地验证（Locally Verified）

在本地验证的系统中，利用底层区块链的验证者集合进行跨链交换。与两个链上的整个验证者集合都验证一笔交易不同，两个验证者（分别代表己方链）会验证对方链上的交易对手。 这两个验证者在流动性网络中充当“路由器”的角色：

在每个链上持有流动性池；

相互验证（交易对手）；

促进原子交换。

这种系统通常使用锁定/解锁机制和争议解决过程来确保用户数据的安全，并有效地消除了每个链上的验证者勾结窃取数据的可能性。本地验证系统实际上是无需信任的，如 Connext、Hop和其他简单的原子交换系统。

互操作性不可能三角

Arjun Bhuptani 在他的文章中，提出了著名的互操作性不可能三角（The Interoperability Trilemma ），即任何跨链方案最多只能满足以下三者当中的两者：

● 无需信任（Trustless）：具有与底层区块链相同的安全性，不会引入新的信任假设。

● 可扩展性（Extensible）：可以在许多异构链上部署，并且只需进行最少量的定制工作。

● 通用性 （Generalizable）：支持跨链通用信息传递。

图4：互操作性不可能三角

类似于区块链可扩展性的三难题，所有互操作性协议只能具备以上三个属性中的两个：

图5：三种类型跨链桥的属性

我们以表格的形式总结了三种验证类型的跨链桥的优缺点：

图6：三种类型跨链桥的优缺点

通过对比三种跨链桥发现，原生验证具有无信任假设和支持跨链通用信息传递的优点，理论上只要源链和目标链不发生重组，跨链信息传递就是安全的，但其可扩展性差。

外部验证虽然可扩展性强且完全支持跨链通用信息传递，在速度和成本效益方面它们通常也表现良好。 但这些是以安全性为代价的，由于引入了新的信任假设，其安全性必须依赖于第三方。要提升信任最小化水平，还需要采用其他技术，比如加密经济质押、反欺诈网络以及乐观的通证桥验证（optimistic bridge validation）等，这就增加了跨链成本。

本地验证尽管具备无信任假设、可扩展性强的双重优点，但是其无法支持跨链通用信息传递，因此，适用范围相对狭窄。

跨链桥的安全挑战

随着去中心化金融（DeFi）的不断普及和以太坊 Layer-2 生态系统的日益流行，跨链桥黑客攻击越来越频繁。这些跨链桥连接不同的区块链和 Layer-2 解决方案，每个方案都有不同的技术，并同时连接许多区块链，从而暴露出更多的攻击向量。此外，随着 DeFi 的不断普及，跨链桥正在转移更大量的价值，使它们更具吸引力。

跨链桥安全有三个支柱：经济安全、实施安全和环境安全。

经济安全取决于获得控制大多数验证者的成本，而妥协经济安全的最常见方式是窃取验证者的私钥。本地验证的跨链桥提供最佳的经济安全性，而外部验证的跨链桥则提供最低的安全性。

实施安全涉及系统的复杂性和可能危及跨链桥安全的风险向量。智能合约漏洞和RPC端点的妥协是危及实施安全的最常见方式。为了最大程度地减少安全漏洞的风险，跨链桥需要由多个第三方进行审计。

环境安全涉及跨链桥运行环境的完整性，例如跨链桥运行的节点的安全性。跨链桥需要漏洞赏金计划来最小化安全漏洞的风险。跨链桥节点的安全对于环境安全至关重要。多个第三方审计也是环境安全所必需的。

跨链桥安全和跨链互操作性的未来尚未确定。为了克服这些挑战并实现更高效、更安全的互操作性，需要研发更为灵活和高效的跨链桥，并持续优化其安全机制，确保数据传输既安全又可信。