详解 Adaptive IBC 异构链跨链技术路线

2024-01-20 09:58 0 比特币

由 Cosmos 提出的 IBC 协议,采用链上原生轻客户端/ light client 来验证跨链消息,即跨链双方都在自己的链上维护一个原生的、对侧链的轻客户端,从而最大限度地确保跨链数据的安全。

Cosmos SDK 为所有基于 tendermint 共识的区块链提供了 tendermint 轻客户端实现,所以 Cosmos 链之间的跨链体验丝滑,但非 tendermint 共识的区块链,也就是所谓的「异构链」,因为没有对应轻客户端的工程实现,所以 IBC 扩展到异构链的旅程举步维艰。

2023年12月17日,章鱼网络开发的第二个异构链 IBC —— NEAR-IBC 正式投入使用,从立项开发、到第三方审计直至正式上线,整个过程不足一年,这背后的功臣就是章鱼网络团队提出的 Adaptive IBC 异构链跨链技术路线:通过对 IBC 技术架构的创新,弥补了 IBC 协议在异构链跨链的缺陷,极大地拓展了 IBC 协议的适应性:

  1. 各种不同的共识机制的区块链都可以采用 Adaptive IBC 技术路线,比如 Ethereum、NEAR Protocol 和 Polkadot 等等。

  2. 极大降低了跨链成本,解决了 IBC 协议延伸到异构链最大的问题。

  3. 可以适应各类验证技术的进步,比如 ZK 技术一旦成熟,可以很方便的将代理客户端升级为 ZK 验证器。

AdaptiveIBC技术演进里程碑详见文末附录

IBC 协议的基本原理及其优势

Cosmos 团队提出的 IBC(Inter-Blockchain Communication)协议是一个完全开源、通用的区块链跨链互操作协议。跨链技术方案的关键,在于其「互操作能力」和「安全性」。IBC 协议的「分层架构」和「开源策略」,让 IBC 可以支持功能丰富、无需信任的跨链互操作,成为当之无愧的跨链协议的黄金标准。

1、分层架构:

IBC 将跨链拆分为「应用层/ Application」和「通讯层/ Channel」,其简洁性和灵活性堪称区块链的 TCP/IP 协议,就如 IBC 官网自述:IBC 从构建互联网的底层协议 TCP/IP 汲取了灵感。

详解 Adaptive IBC 异构链跨链技术路线图1:IBC 是区块链的 TCP/IP 协议

  • 应用层是面向最终用户的跨链互操作接口:包括 token 转账、链间账户和链间查询等多个独立的应用协议,这些应用协议具备可组合性,随着应用协议的增加,跨链能力可以指数级的提高。

  • 通讯层定义了数据跨链发送于接收,包括传输、验证和排序,且传输数据内容是不可见。这其中,在源链的状态机内的轻客户端,是通讯层的关键,也成为了 IBC 的精髓所在。

详解 Adaptive IBC 异构链跨链技术路线

图2:IBC 技术架构

链 A 在自己的状态机内有一个代表链 B 的轻客户端,链 B 也有一个链 A 的轻客户端,轻客户端通过验证区块头和 Merkle 证明来跟踪对方区块链的共识数据,从而验证跨链交互的合法性。

跨链双方之间有一个 Relayer,负责监视两侧区块链产生的 Event,一旦收到 IBC Event 就会把它转换为实际的 IBC message,传递到对面的链上。

简单说,就是 IBC 协议首先建立两个区块链之间的安全通道,然后传递数据包/ Data Packets,轻客户端验证对方区块链的共识信息,保证转移的一致性和安全性。所以,只要通讯层建立起来,整个 IBC 的跨链就是安全的。

2、技术开源

任何人都可以使用 IBC 协议,并且为其做出贡献,IBC 协议内没有抽佣或者隐藏费用。

跨链桥之所以安全问题频发,说到底是因为用单一团队的安全能力无法对抗整个黑客群体。只有使用共同的跨链开放协议,以开源的方式,借助开放社区共同的力量来持续迭代升级,才能让整个行业的跨链安全能力持续进化。

Louis

Founder of Octopus Network

详解 Adaptive IBC 异构链跨链技术路线图3:IBC 跨链数据数据来源:mapofzones.com

截至2024年1月15日,IBC 协议已经在107个区块链上启动,过去30天总交易量 $40+ 亿,安全跨链交互800+万次。当然,目前绝大多数跨链发生在 Cosmos SDK 区块链之间。

与此同时,许多团队正在努力将 IBC 协议延伸到其他生态系统,希望可以通过 IBC 实现与异构链的跨链交互,包括以太坊、波卡、NEAR Protocol Avalanche、Solana 和 Celestia rollups。

IBC 扩展到异构链的难点

IBC 协议的架构基于轻客户端,所以无需引入第三方的验证服务,实现了无信任/ Trustless 跨链。尤其是在 Cosmos 链之间取得了安全性、成本和速度的极佳平衡,但是在延伸到异构链时,很多团队都是肉眼可见的进展缓慢。

IBC和 Tendermint 共识机制都是 Cosmos 团队提出,所以 Cosmos SDK 从设计之初就对轻客户端做了非常好的支持。

如果要在 Cosmos 链和非 Cosmos 链之间实现 IBC 协议,就需要在 Cosmos 链上实现对侧的非 Cosmos 链的轻客户端,并且在非 Cosmos 链上实现 tendermint 轻客户端。因为异构链共识机制的不同,在实现过程中需要做大量兼容性工作,并引入相应的技术风险。

这也就让异构链 IBC 在实现过程中面临很多技术挑战:

第一,异构链对跨链消息的验证,成本高且会有计算资源限制/gas Limitation:

IBC 验证跨链消息需要先验证区块头,验证区块头通常要验证几十上百个签名,在链上用智能合约做这些计算成本非常高。另一方面,无论是以太坊、NEAR 乃至其他区块链,都会对智能合约的可用计算量进行限制和规范。这就让 IBC 在做验证时容易遇到验证签名 gas 不够的问题。

最近出现的零知识证明跨链,把很多签名转换成一个 ZK 证明,验证 ZK 证明等效于验证区块头的所有签名,从而节省验证成本。

第二,链上资产管理/ On-chain Asset Management 机制不同

Cosmos SDK 可以通过协议对链上资产进行注册和操作,但在智能合约区块链上不行,Fungible Token 数据都是由单独的智能合约管理。

第三,虚拟机的沙盒限制/Sandbox Limitation

当前的智能合约区块链都基于虚拟机,这种封闭可控的环境访问宿主链的能力有限,比如智能合约就无法获取链上共识状态,又比如 NEAR 是异步链,共识状态变化可能出现在智能合约调用的多个块,更为复杂。

第四,链上存储/ On Chain Storage 数据的规则不一样

IBC 协议需要有较严格的存储键值规则/Path Rule,再去链上获取基于规则生成的存储键值对应的密码学的证明/Proof。

以上难点乃至更多的差异,开发团队都要做额外的工程处理,势必会极大地增加复杂度和 Bug 风险。

Adaptive IBC 的原理和优势

AdaptiveIBC异构链跨链技术路线的关键,在于将 IBC 协议的分层架构进行了创新,进一步拆分出「验证层」,即引入「验证代理/ Verification Proxy」部署在代理链(ICP)上,这样跨链双方只需要验证「验证代理」产生的 Proof,无需直接验证对方链的区块头和全部签名。

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图4:基于 Adaptive IBC 的 NEAR-IBC 架构

以 NEAR-IBC 为例:在代理链/ Proxy Chain 上部署了 Cosmos 和 NEAR 的验证代理,维护对应链的共识,然后在跨链双方再部署一个对方共识机制的代理客户端,替换 IBC 原来的轻客户端。

以 Cosmos 向 NEAR 跨链为例,当 Cosmos 向 NEAR 传递消息时,代理链上的 Cosmos 验证代理/ Tendermint Verification Proxy 会验证跨链消息,对它进行签名生成一个 Proof,然后 NEAR 这一边的 Cosmos 代理客户端/ Tendermint Proxy Client 只需要验证这个 Proof,就可以完成跨链的验证。

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图5:跨链技术的安全性与拓展性

在安全性方面,虽然引入的验证代理属于外部验证/ External Verification 方案,理论上安全性是略低于原生轻客户端验证的,但值得注意的是,相较原生轻客户端验证,总体安全性并没有显著降低。

因为Adaptive IBC 建议将验证代理部署在公链上,例如 NEAR-IBC 就是部署在公链 ICP 上,所以这种方式既保证了去中心化和公开可验证,也保证了验证代理和整个跨链系统的安全性。

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图5:跨链安全的两种视角

只要跨链双方有一条链的攻击成本/ Attacking Cost低于公链ICP,验证代理的引入就不会因为信任集合/ Trust Set扩大而损害安全性。相比多签或者其他各种外部验证的跨链桥,安全等级都高得多。

由此可见,Adaptive IBC 的验证代理架弥补了 IBC 协议在异构链跨链场景下的缺陷,并且从三个方面,极大地拓展了 IBC 协议的适应性:

  1. 极大地降低跨链成本:从验证对方链区块头的几十个上百个的全部签名,变成只对验证代理的1个签名进行验证,解决了 IBC 异构链跨链的最大痛点,即「验证成本高且会有计算资源限制」的问题。

  2. 可兼容各种共识机制:验证代理架构对跨链双方不存在依赖关系,可以被各种不同共识机制的区块链采用,比如 Ethereum、NEAR Protocol 和 Polkadot 等等,是名副其实的异构链跨链技术方案。

  3. 可适应验证技术发展:Adaptive IBC 从通讯层中,进一步拆分了「验证层」并演化出验证代理方案。分层架构的优势之一就是降低整个系统互相之间的依赖,所以 Adaptive IBC 可以适应各类验证技术的进步。

    • Cosmos 如果能支持聚合签名,或者 NEAR 支持了 ED25519 签名的 Precompile,将大幅降低 NEAR Protocol 上直接验证的成本,就可以把代理客户端再次升级成真正可用的轻客户端

    • ZK 跨链技术一旦成熟,就可以把验证代理换成ZK证明器,把代理客户端升级为 ZK 验证器。只需要通过社区治理进行投票,即可无缝切换进行升级,不影响应用层的使用和技术演进。

Adaptive IBC 是站在巨人的肩膀上,进一步发扬「分层架构」的优势,设计了应用层、通讯层和验证层的三层架构,让验证层可以单独地去演进,不但能够适应更多的区块链的共识机制,而且可以随着验证技术的发展而拥抱可用的最好技术,适应未来逐步进化。

附录

1、2020年,章鱼网络前身 Cdot 团队获得 Interchain 基金的 grant,开发 Substrate-IBC,即 ICS10。

2、2022年,Substrate-IBC 开发完成,成为全世界第一个在非 Cosmos 区块链上实现 IBC 的团队。

3、2022年10月,提出 Adaptive IBC 异构链跨链技术路线,并且启动 NEAR-IBC 的开发。

4、2023年10月, NEAR-IBC 开发完成,并且由第三方安全团队 Blocksec 完成审计。

5、2023年12月,Cosmos SDK 区块链 Ottochain 采用$NEAR Rstaking 共享安全服务,正式启动运行。NEAR-IBC 作为其中的关键技术,验证了 Adaptive IBC 异构链跨链技术路线的可行性和科学性。

6、2024年第一季度,隐私协议 Secret Network 将使用基于 Adaptive IBC 的NEAR-IBC,实现与 NEAR Protocol 之间的资产跨链。随后,Octopus Network 将会与 Secret Network 继续探索消息跨链技术,让 NEAR 的智能合约可以直接调用 Secret Network 的隐私计算能力。

7、2024年,计划启动基于 Adaptive IBC 的 ETH-IBC 开发,目标是在以太坊和其他支持 IBC 的区块链之间,成为第一个为用户提供可负担得起的 IBC 跨链体验的团队。

参考资料

《The IBC Protocol 2023 Year in Review》Mary McGilvray《Adaptive IBC :异构链互操作性的颠覆者》Louis《NEAR-IBC 介绍|如何使用智能合约实现 IBC 协议》杨镇《NEAR will be a Cosmos zone SOON》Louis

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