区块链互操作性简史：为什么需要它、已经取得的进展、当前的部署和使用方式以及未来发展的可能路径-区块链技术-币佣社区-加密货币交易高返佣和行业资讯分享社区

区块链互操作性将分布式系统与第三方系统进行通信的需求混为一谈，无需规范的链或编排层。由于没有“一条链可以统治一切”（出于性能、隐私和市场力量的考量），这些分布式系统依赖于跨网络边界交换数据和价值。互联系统实现的价值高于其各部分的总和，类似于互联网作为一组孤立的局域网(LAN) 出现的方式——并且，凭借令人惊讶的协同作用，此类网络从根本上永远改变了社会。同时，在过去十年中，我们目睹了区块链技术的惊人发展，它们似乎比以往任何时候都更加紧密地联系在一起：通过桥梁14 、预言机 24和其他互操作性机制。8、26、41这些最新发展缓慢但稳步地促进了区块链网络可扩展性的提高，并提供了新的功能和用例，32但距离大规模采用还有很长的路要走。在本文中，我们将深入探讨区块链互操作性这个话题，并解释为什么需要它，过去十年（过去）做了哪些工作，目前如何在实践中部署和使用它（现在），以及可能的发展路径（未来）。

互操作性作为发展的驱动力

世界瞬息万变。当前的社会经济环境，包括信息和流程的快速数字化、机器学习 (ML) 的兴起以及无处不在的互联网接入，都放大了对人与人、人与机交互的需求，这种交互透明、可靠、有弹性，并在全球范围内运行，没有单点故障。这可能让你想起了；分布式账本技术(DLT) 或区块链的概念是指实现这些属性的系统。更具体地说，DLT 指的是就记录账本达成一致的对等节点的分布式系统，或指实现此类账本的数据结构。在这种设计中，多个副本使用共识算法维护全局状态。全局状态通过用户提交的交易进行更改，类似于传统数据库。更改状态取决于遵守特定一致性规则的交易。

区块链提供的创新是有史以来首次能够以去中心化的方式传达（商业）交易，从而允许去中心化应用程序（dApps）的存在。许多用例要么作为概念证明进行开发，要么已部署到生产中，例如在医疗保健、供应链、元宇宙、司法、艺术 / 非同质化代币 (NFT)、去中心化金融 (DeFi) 等领域。这样的系统提供了安全性和活跃性，在分布式系统研究领域的术语中，这意味着这样的系统不允许参与者出现不良行为（坏事不会发生），并且期望的行为最终会被系统处理（好事发生）。19如何实现这些属性取决于理想的去中心化水平、区块链的基本属性以及实现细节。

区块链自 2008 年出现以来，种类繁多：从基础区块链和加密货币比特币（一种彻底改变了没有可信机构的去中心化点对点支付的系统）到Hyperledger Fabric（一种优先考虑隐私和可扩展性而非去中心化的私有区块链框架），3适用于企业级用例。在比特币中，安全性（即安全性）通过公共前缀、链增长和链质量属性实现，22这意味着，在高层次上，诚实节点共享一个共同的区块历史，链增长，恶意节点提出的区块比例上限由诚实节点提出的区块比例决定。在 Fabric 中，安全性较弱，并以问责制的形式实现。问责制意味着恶意方可以停止区块链，但可被识别，因此可受到惩罚——这是一个敏感的权衡，在商业网络中，各方被识别并在一定的法律框架下运作。因此，很明显，区块链已经朝着非常不同的方向发展。

区块链三难困境由以太坊的一位创始人提出，指出区块链在安全性、可扩展性和去中心化之间存在固有的权衡。作为区块链的 CAP 定理23的等价物，所选的核心属性通常是安全性——通过共识算法、加密经济学、形式化建模和分布式系统研究成果（即崩溃容错算法和拜占庭容错算法19）实现。通常，对等网络中涉及的节点越多，破坏它就越困难，但达成共识的速度就越慢（直观地说，节点越多，交换的消息越多，因此整体通信延迟越高）。因此，去中心化和安全性是相辅相成的。尽管如此，我们仍然必须解决三难困境中的可扩展性部分。但如何解决呢？答案在于互操作性的研究领域，读者稍后就会明白为什么。

互操作性的起源——过去。 “互操作性是指两个或多个软件组件在语言、界面和执行平台存在差异的情况下仍能协作的能力。” 38互操作性的研究始于 20 世纪 80 年代，当时工程师们开始观察与其他系统通信的复杂软件系统的兴起，这些系统本质上是异构的。事实上，互操作性研究往往出现在给定技术的后期阶段，此时模块化、可组合性和异构性开始发挥作用。作为技术进步的自然演变，随着互联网的出现，互操作性开始受到越来越多的关注。25后者是在地缘政治背景（即冷战）下创建的，需要创建一个有弹性、可靠、可扩展、可管理和自我修复的网络，以抵御强大对手的攻击。实际上，互联网架构指定了推动其取得商业成功的属性数量，从而实现了可观的经济增长。这些特性包括生存力、服务多样性和网络多样性。

毫不奇怪，这些扎根于互联网架构的原则正在指导互操作性协议和标准的开发，并直接应用于区块链。25鉴于互联网和计算机网络的发展历史，社区正在推动跨链互操作性也就不足为奇了。因此，世界正在确定几条多链区块链，这些区块链通过跨链解决方案（通常是桥梁，被认为是 DeFi 生态系统的主要参与者）连接起来，并通过跨链交易执行。跨链交易是一组本地交易，它们遵守多个域上的一组业务规则或条件。这些条件称为跨链规则。10在实践中，规则是对一系列读写操作的限制，这些操作在不同的链上进行协调。然而，与传统数据库不同，分布式共享账本缺乏一个可以依赖的单一或单一实体来读取或写入它。相反，内部共识协议承担了确保安全性和活跃性的责任。通常，跨链交易遵循一组与 ACID 等同的属性，13但在原子性方面有几个基本限制。虽然原子性表明所有本地交易要么正确执行并提交到底层账本，要么全部提交，但在跨链层面，默认情况下并不能保证这一点。底层技术挑战是如何确保两个或多个分布式账本在定义的时间限制内单向或双向就特定账本状态达成一致。

解决互操作性问题的首次尝试之一是通过原子交换在区块链之间转移资产，27大约在 2012 年31或 2013 年33。原子交换涉及在特定时间段内释放一条链中的锁定资产（即使用时间锁）——此条件取决于交易对手提供秘密。第一方可以使用此秘密在另一条区块链上回收代币。另一方面，数据传输和与非区块链基础设施的互操作性始于预言机的概念化、实施和学术研究，分别在 2011 年、2014 年和 2020 年左右。2、24尽管数据互操作性在资产互操作性之前被首先考虑，但后者问题由于其市场兴趣而成为区块链社区关注的焦点。结合此信息与 Belchior 等人，8，14 的信息，我们可以得出结论，区块链互操作性领域在 2016-2017 年左右开始受到关注（当时每年关于该主题的发表论文数量超过 10 篇，14并且有足够的兴趣来证明对可用解决方案的调查是合理的16）。

互操作性是服务可扩展性的要求。互操作性最初是在比特币的范围内进行研究的。随着新区块链和支持基础设施的出现，范围扩大了：互操作性很快被发现是卸载计算的敏感工具。从业者和研究人员必须遵守这样的警告：这种新型互操作性不应牺牲去中心化，同时应在提到的三难困境中实现更平衡的权衡。一方面，互操作性是可扩展性的要求。另一方面，它可以实现更多功能。

鉴于互操作性的范围很广，我们可以将其分解为两种类型：多链互操作性和跨链互操作性。在多链互操作性中，区块链的区块链框架14的实例（例如，Cosmos、Polkadot、Avalanche）通过协议中实现的信任锚相互通信。每个实例都有一个内置的互操作性协议和数据格式，由同一框架实例化的其他区块链可以理解。考虑 Polkadot 的实例（称为平行链）：每个平行链都通过内置的互操作性格式 XCMP 与其他平行链通信。39通信由规范区块链（Polkadot 中的中继链）锚定。在 Cosmos 中，实例称为区域，它们通过称为区块链间通信（IBC）的协议进行通信。29多链通信的锚定是一种处理加密证明的轻客户端互操作性机制。8其他声称具有令人难以置信的可扩展性的区块链通常使用分片系统，37其中每个分片负责计算整体交易的子集。然而，有一个问题。Polkadot 的平行链可以相互通信，但它们可以与 Cosmos 或其他区块链引擎通信吗？不是原生的，因为它们遵循不同的协议并具有不同的全局状态（即，是异构的）。这些是区块链网络的边界（否则，它们将被视为同一系统，即同构的）。跨链愿景连接异构链；在多链愿景中，本机跨链协议连接使用相同框架且通常锚定在公共链中的同构链。

要连接异构区块链，我们需要使用跨链通信，这是一组允许我们通过依赖所涉及区块链外部的各方在区块链之间共享数据和转移资产的技术。这个概念似乎容易出现安全漏洞，事实也确实如此——仅在最受欢迎的跨链应用程序区块链桥中就发生了约 30 亿美元的损失，4,10（截至2023 年 12 月，有超过 110 个跨链桥a ，资本化总额接近180 亿美元b），在 DeFi 应用程序中，就资本损失而言，它是最具破坏性的攻击之一。至少在一定程度上，出于这个原因，区块链社区的知名人士指出，多链本质上比跨链更安全。17虽然作者倾向于同意多链确实似乎降低了可互操作应用程序的攻击媒介，但也有可能不存在一个可以统治所有应用程序的区块链：需要做出设计决策；有些优先考虑可扩展性而牺牲去中心化（即许可区块链），有些则注重隐私，3有些甚至是针对特定应用程序的29、39

解构互操作机制——现状

自 2016 年互操作性研究领域开始引起关注以来，其重点发生了转移。2016 年至 2021 年出现了许多知识系统化（即 11 个），突出了新的解决方案类别：侧链（2015/2016）、区块链的区块链（2016/2017）、中继（2019）、区块链不可知协议（2019/2020）、企业解决方案（2019/2020），甚至区块链迁移的初步技术（2020 年）。从那时起，重点一直放在现有技术的通用化、标准化和细化上（参见 Belchior 等人8）。一个明显的趋势是协调跨越中心化和去中心化基础设施的任意逻辑，以实现以下作用于语义层的互操作性模式。首先，数据传输互操作性模式允许任意数据传输以实现通用跨链业务逻辑。8允许这样做的行业解决方案称为通用消息传递(GMP)。 Hyperledger Cacti c是支持这种模式的跨链解决方案的一个示例：它将私有区块链连接到公共区块链并促进与中心化系统的集成。此类平台可以使用多链 API（例如 Blockdaemon 的通用 API）作为构建块。d第二种类型，资产转移解决方案，通常通过跨链桥实现。在桥中，资产被锁定在原始区块链中，并在目标区块链上创建（铸造）该资产的表示（称为包装资产或合成资产）。桥梁一直受到攻击，因为攻击面非常大4、42最后，资产交换由两对交易组成，每个区块链中一对，使得：1）Alice 在区块链 1 上将加密货币A 的代币转移给 Bob； 2）Bob 在区块链 2 上将加密货币 B 的代币转移给 Alice，这些操作由链下流程和智能合约介导。这些进步之所以能够实现，很大程度上要归功于数据格式（例如，查看 Belchior 等人12）和代币接口（例如，ERC-721、xERC20、ERC-6358）、协议和区块链 ID的（最近）标准化工作。

行业概览。要了解当前的互操作性格局，请注意当前市场有 100 多种解决方案。其中，低级互操作性协议比堆栈上层资产特定、链特定或应用程序特定的桥更具表现力和通用性，后者专门用于一项任务。我们假设团队正在加大对 2021/2022 年流行的 GMP 协议（例如 Axelar 团队，6）的关注，因为他们可以处理的数据的表现力允许开发灵活的解决方案，通过利用数据传输作为资产转移的基础。可以设计一个在区块链之间传递消息的 GMP 协议，并公开可被协调协议（例如桥）使用的 API（在智能合约上），如图1所示。

图 1. 跨链通信协议的层次。1

与更有限的解决方案相比，通用消息传递协议的开发更加费力。但是，它们的创建者可以减少对单个区块链网络、应用程序和资产的依赖。同时，他们既可以从自己的产品中受益，也可以从合作伙伴和客户在其系统上构建的产品中受益，例如通过许可或按比例分摊费用。一些例子包括 Axelar 的 Satellite，由于第三方桥接聚合器 Squid Router 的实施，它最近扩展了协议合成资产和许多链的原生资产之间的跨链交换；流动性网络 Stargate 和 Aptos Bridge，都建立在 LayerZero 之上（有关技术细节，请参阅完整版本11）；以及 Wormhole 的 Portal 和外部 Carrier 桥。甚至在对系统进行更深入的分类之前，就可以清楚地看到，在考虑底层消息传递协议时，相互独立的解决方案的流行程度明显低于假设。

资产转移是最流行的互操作性模式，通常通过桥梁实现；桥梁有几种类型。近年来，业内就根据互操作性三难困境——去信任性、可扩展性和通用性对桥梁进行分类达成了共识。通俗地说，去信任性意味着桥梁的安全性直接与底层（源）区块链挂钩。可扩展性意味着桥梁可以在不进行重大重构的情况下支持其他区块链。通用性意味着桥梁可以同时执行数据和资产转移。互操作性三难困境指出，延迟、成本和安全性等因素之间存在权衡，这意味着存在不同的桥梁设计来适应频谱的每一侧。桥梁分类预测了不同的架构、系统和安全模型。桥梁可以分为不同的类别（有关描述，请参阅本文的完整版本11）。

在已经隐含地解决了普遍性（处理任意数据的能力）和可扩展性（扩展互操作性系统以使用新链所需的支持和努力）之后，考虑到该领域已经遭受的黑客攻击次数和损失量，无可否认，无信任性代表了实践中最重要的维度。g 、4、10无信任性是衡量互操作性系统用户除了对底层源链和目标链的信任之外所需的额外信任的标准，它与解决方案的验证机制、潜在的进一步信任和活性假设密切相关；与这些一起，它构成了协议侧的安全性。但是，鉴于可靠地评估具有独特架构、不断变化的成熟度并受到各种风险和攻击媒介的永久威胁的高度复杂系统的难度，对互操作性信任的新方法是将其视为一个范围。

当前的障碍和挑战。互操作性方面存在持续的挑战，其中许多挑战已在 Belchior 等人的论文 8、14 和 Jin 和 Xiao 的论文中系统化，并且仍然保持最新状态。根据我们最近的研究，我们认为截至 2024 年 2 月最突出的问题是安全监控、4、10互操作性解决方案的系统基准测试、9、36和隐私。4该领域的一个正交问题是术语和词汇缺乏统一：学术界和工业界有时会在这个研究领域使用不同的语言，尤其是在汇总研究方面。

跨链隐私。人们普遍认为，交易的匿名性（不可链接性）、机密性和不可区分性是跨链环境中有益的隐私属性4、40匿名资产转移（或交换）将隐藏转移各方的身份。机密性将隐藏转移的代币数量。不可区分性意味着外部观察者无法判断交易是否属于交换的一部分。研究人员和从业人员都在跨链领域开展工作，特别是在资产转移领域（即在隐私增强型区块链作为源和公共区块链作为目标之间，35并利用零知识证明等有前景的技术）。尽管前路漫漫，但现有的研究似乎表明，在至少涉及一条机密区块链（机密是指默认“获得许可”或启用隐私的区块链，例如 Hyperledger Fabric、ZCash 或 Monero，机密到机密）的情况下，保留“不可链接”性质是可能的，从而实现一定程度的匿名性，并且可能根据区块链实现一定程度的机密性，就像 ZCash 允许的那样。资产交换的隐私性也得到了研究。20资产交换的隐私性似乎比其他互操作性模式更直接：HTLC 共享只有相关方才能理解的秘密，这使得直接关联交易变得更加困难。当然，通过分析某些启发式方法（更简单：锁定的金额、加密参数，例如私有 HTLC 的素数字段；更复杂：交换的时间间隔、用户活动交互、与链下数据交叉），人们可以去匿名化跨链交易背后的参与者。最近的研究揭示了有关跨链隐私的有趣见解，4即与安全性相比其优先级较低、零知识证明的普遍使用、当前的高延迟和交易成本开销、需要教育最终用户，并且只有底层分类账提供隐私功能才能实现完全的隐私。

互操作性解决方案基准。多项基准测试和标准化工作正在进行中。然而，仍然存在相当大的挑战，因为缺乏统一的 API 和具体的基准数据集阻碍了跨链系统之间的系统比较（尽管评估互操作性解决方案的方向已经存在8），并且一些互操作性解决方案得到了详细评估。18需要进一步开发方法和实证研究来评估跨链解决方案周围的组件，例如加密原语、库、编译器（尤其适用于 SNARK 或基于 STARK 的解决方案7）、SDK 和硬件加速器等。研究 Web3 世界中的互操作性解决方案也将回馈传统的互操作性研究，因为我们收集了有关集成集中式和分散式系统的见解。一个好的起点是评估可扩展性（就支持的区块链和代币数量而言）流行桥上的跨链延迟、吞吐量和交易成本。业界对研究这个主题很感兴趣。h

安全监控。监控桥梁和生态系统之间复杂且有时脆弱的关系很快就会变得困难，因为要处理的系统是异构的和去中心化的，而建立在它们之上的系统（例如，去中心化应用程序）可能具有任意复杂的业务逻辑。想象一个简单的案例：区块链 A 上的应用程序依赖于区块链 B 的共识。如果区块链 B 分叉、受到攻击（例如 51%）、遭受许多可能的跨链攻击中的任何一种，甚至崩溃，会发生什么？

最后一种可能性对于 Terra 区块链来说是现实，对 Cosmos 和以太坊生态系统有影响，因为它们通过 Osmosis 桥连接。在 Terra 区块链崩溃中，漏洞利用者破坏了 Terra 托管的稳定币。这种不稳定导致了清算连锁，可能是导致新一轮加密货币崩盘的主要原因。21 Luna上的经济安全崩溃对 Cosmos 枢纽 Osmosis（一个桥接到以太坊的去中心化交易所）构成了威胁。在 Osmosis 中，UST/OSMO 池中有价值 6600 万美元的 OSMO 代币，其中 UST 是 Terra 区块链，攻击者可以通过桥窃取这些代币，其投票权相当于质押的 LUNA 的三分之二。解决这个问题的方法是让桥运营商手动关闭桥，从而造成无常损失。监控这一特定用例背后的操作可以防止这种悲剧性结果，并有助于减少损失。在跨链环境中，自动发现跨链模型并启用其监控变得非常具有挑战性，因为缺乏保护和监控跨链应用程序的工具。基于规范10建模的解决方案可能是未来工作的有趣方向。

区块链互操作性的未来

未来几年我们将支持哪些趋势？要回答这个问题，首先需要考虑一些权衡，即提到的互操作性三难权衡：去信任化、可扩展性和通用性。由于业界似乎优先考虑最后两种权衡，因此趋势反映出这种意义上的演变也就不足为奇了。

第一个趋势是使用模块化堆栈设计，从而出现跨链应用程序。我们观察到，区块链互操作性解决方案不再使用单一互操作性解决方案来处理类似于单片第 1 层网络的所有功能，而是越来越专门用于处理较低级别的安全任意消息传递、价值转移以及更高级别的远程状态相关交易协调。1这样的堆栈框架允许开发人员将安全组件卸载到 GMP，同时专注于开发协调两个或多个网络之间的相关交易的应用程序，例如跨链去中心化交易所(DEX)，也称为 DEX 聚合器。LayerZero 上的 Sushiwap 和 Stargate Finance、Axelar 上的 Squid Router 以及 IBC 上的 Osmosis 是通过不同的互操作性解决方案支持的跨链 DEX 的示例。IETF 考虑的更多用例记录在此处。34这些反映了在供应链（信用证转移，也在此处报道12）、跨央行数字货币的货币转移（也在此处报道5）、证券的付款与交付 (DvP) 以及跨司法管辖区的数字艺术品转移等领域，将区块链与中心化系统进行整合的需要。

第二个趋势是安全驱动的模型选择。价值较低的交易通常会迁移到以太坊第 2 层解决方案，而价值较高且需要更多安全性的交易则保留在主链上。同样，跨链 dApp 的特定安全模型的选择将在很大程度上取决于用例以及用户可以容忍的信任和风险水平。每种模型在状态性、安全性、资本效率、速度和连接性方面都有一套明确的权衡。15例如，优先考虑速度和成本且安全性要求较低的用例可以使用外部多重签名模型，而优先考虑安全性且速度要求较低的用例可以使用乐观模型i或 SNARK。7这与桥接聚合器的出现有关，桥接聚合器是一种在单个界面中公开多个现有桥接器的软件系统。这样的界面可以通过系统地明确提供有关跨链交易延迟、成本和吞吐量的详细信息，甚至可视化跨交易流程，从而提供更好的用户体验。10最终用户可以根据自己的特定需求、流动性可用性和连接性从一系列选项中进行选择。这种趋势类似于 Blockdaemon 等基础设施提供商代表其客户承担管理数百种不同区块链协议的分析、部署和维护的复杂性。

第三个趋势是 GMP 的潜在整合，类似于第 1 层网络的整合，大多数交易发生在以太坊、Avalanche、Cosmos、BSC、Solana 等网络上。有几个因素促成了这一趋势，例如流动性分散和网络效应。在流动性分散方面，许多整体解决方案在目标链上使用同一资产的不同包装版本，导致流动性池深度较低，因此交易和流动性提供体验不佳。这样的问题可能会促使用户迁移到在整个堆栈中采用率更高的解决方案，以获得更好的体验和更低的资本损失，从而产生网络效应。从我们的观察来看，不同的区块链生态系统很可能拥有连接到其他生态系统的规范互操作性解决方案。

关键要点

区块链的最新发展令人兴奋不已，揭示了三年前不可能实现的无限可能。我们确定了塑造当今互联区块链生态系统的四种趋势：采用模块化堆栈设计、驱动安全模型选择、整合 GMP 以及使用桥接聚合器。事实上，毫无疑问，这些技术将彻底改变我们彼此互动的方式以及我们感知和交换知识的方式。尽管区块链存在弱点，特别是在延迟和资源方面的高计算成本，但它很可能仍然是实现社会去中心化的重要组成部分。然而，它的全部潜力需要通过与其他去中心化和中心化系统的协同作用来释放，而这些系统是不会被取代的。在需要完成的多项任务中，最重要的是增强跨链解决方案的隐私性、创建评估跨链系统的基准以及监控。我们呼吁研究人员、工程师以及数据和隐私专家共同努力，作为释放区块链潜力、造福全世界的重要工具。

区块链技术