技術 | Cosmos跨鏈協議IBC的來龍去脈_區塊鏈:MOS

導讀

Cosmos是由Tendermint團隊構建的開源社區項目，它是一個由獨立的稱為Zone的區塊鏈組成的支持跨鏈交互的異構多鏈系統，和Polkadot一樣，也由中繼技術實現。Cosmos提供一套能夠完整搭建區塊鏈的SDK，作為一個跨鏈系統，其中最為關鍵的就是跨鏈協議相關的設計，今天我們就來詳細分析一下IBC協議的具體內容。

IBC初探

IBC是屬于Cosmos-SDK中一個特殊的模塊。之所以特殊，主要體現在IBC提供了區塊鏈之間的跨鏈能力。

從總體的流程來說，IBC的技術并沒有很復雜，應該來說協議本身不應太過復雜，這對于協議的使用者來說約束更小，更加靈活。

現在比如說A鏈上的Alice上需要發送10個ATOM代幣到B鏈上的Bob上，會經過下面的四個步驟。

▲?Tracking

A鏈上的IBC模塊會不斷的同步B鏈上的區塊頭信息，B鏈上的IBC同理。通過這種方式，雙方能夠實現跟蹤對方區塊鏈上的驗證者集合的變化，本質上來說，就是A鏈、B鏈相互維護了一個對方的輕節點。

川渝高院將共同利用區塊鏈等技術 深度與訴訟服務進行融合:近日，四川省高級人民法院和重慶市高級人民法院采用遠程音視頻聯調方式簽署《成渝地區雙城經濟圈跨域訴訟服務合作協議》，根據協議內容，兩地法院將共同拓展人工智能、大數據、區塊鏈等新興技術與訴訟服務的深度融合，建立智慧服務共建共享機制。

四川省高級人民法院副院長張能表示，本次“云簽約”所采用的區塊鏈存證技術，尤其是音視頻存證、電子協議存證，是未來川渝兩地跨域訴訟服務合作的一次技術性“試水”。 他表示，未來在川渝地區一系列跨域訴訟服務合作的開展， 都將以此為技術支撐循序展開。[2020/9/19]

▲?Bonding

當使用IBC初始化一筆跨鏈轉賬之后，A鏈上的10個ATOM事實上處于鎖定的狀態。

▲?Proof中繼

一份證明A鏈上已經鎖定10ATOM的“證據”會被路由到B鏈上的IBC模塊。

工信部：將面向區塊鏈等前沿技術 遴選一批新型信息消費示范項目:工業和信息化部辦公廳將組織開展2020年新型信息消費示范項目申報工作，通知中提到，以滿足人民日益增長的美好生活需要為根本目標，以供給側結構性改革為主線，面向5G、人工智能、區塊鏈等前沿技術，從提升產品服務供給、加快模式創新和優化消費環境等方面著力，遴選一批新型信息消費示范項目，總結形成可復制、可推廣的經驗做法，加快擴大和升級信息消費。（工信部官網）[2020/4/15]

▲?驗證

B鏈結合A鏈的輕節點信息，對這份“證據”驗證通過之后，B鏈上會“鑄造”10份ATOMVoucher，這些Voucher可以進行后續的流通使用。當然這些Voucher也可以通過同樣的跨鏈方式返回到A鏈，A鏈上的ATOM代幣相應執行解鎖的操作。

IBC握手流程

聲音 | 人民日報：區塊鏈不只是下一代互聯網技術 更是下一代合作機制和組織形式:11月4日，人民日報刊文《區塊鏈，換道超車的突破口》，文章表示，發展區塊鏈大方向沒有錯，但是要避免一哄而上、重復建設，方能在有序競爭中打開區塊鏈的發展空間。中國在區塊鏈領域擁有良好基礎，一些大型互聯網公司早有布局，已有20多個省份出臺推動區塊鏈產業的政策，人才儲備相對充足，應用場景比較豐富，完全有條件在這個新賽道取得領先地位。從更大視野來看，人類能夠發展出現代文明，是因為實現了大規模人群之間的有效合作。市場經濟“看不見的手”，也是通過市場機制實現了人類社會的分工協作。在此基礎上，區塊鏈技術將極大拓展人類協作的廣度和深度。也許，區塊鏈不只是下一代互聯網技術，更是下一代合作機制和組織形式。[2019/11/4]

IBC協議是Cosmos中最核心的接口協議，能夠實現區塊鏈間跨鏈消息的可信、可靠轉發，并有效進行流量控制、多路復用等功能。

在Cosmos中，每個功能都是高度模塊化的，每個功能通過加載不同的模塊來實現，IBC也是如此。在IBC設計時，借鑒了傳輸層的TCP協議，也是希望成為區塊鏈領域的“TCP協議”。不僅如此，在IBC的各個方面也能看到TCP的身影，首先我們來看IBC中的一些基本概念。CosmosIBC采用了有連接的、可靠的跨鏈消息傳輸。

聲音 | 劉東：希望企業能更多關注區塊鏈技術 真正實現數字經濟:據人民網消息，阿里集團新零售技術群資深專家、埃森哲大中華區技術創新官劉東在2019中國紡織創新年會主題演講中表示，數字技術不再是差異化競爭優勢，已成為企業制勝未來的必備要素。企業能更多關注區塊鏈技術，在未來，能與生態系統內所有玩家鏈動，真正實現數字經濟。[2019/7/10]

在此基礎上提出了以下幾個關鍵定義：

Client

Connection

Channel

下圖是IBC協議和TCP相關概念的對比。

可以看到連接、端口都是TCP協議中的規范，但是其中的內涵發生了變化，為了適應跨鏈場景下的使用。同時增加了通道和客戶端等新的內容，能夠支持跨鏈中的有序發送和跨鏈交易的驗證。

動態 | 佐治亞大學因看好區塊鏈技術 將開始金融科技學位課程:據CCN報道，9月11日，佐治亞大學(USG)宣布在全州范圍內建立金融科技學院。這是美國同類教育中規模最大的一次。雖然斯坦福大學、紐約大學等學校已經開設了區塊鏈課程，但佐治亞州正在向該州公立大學系統內所有學院的所有在校生開放該課程。此外，希望進入金融科技領域的專業人士和學位持有者也可以進入該學院。[2018/9/18]

接下來我們來看一下一次完整IBC協議的握手和通信流程。

一筆跨鏈交易的連接流程如上圖，和TCP協議類似，IBC的建立需要建立多次的握手過程，并增加了一步初始化客戶端的操作，這對于跨鏈來說很關鍵的一環。

▲?鏈內客戶端

跨鏈雙方需要在鏈上初始化一個對方鏈的輕客戶端，這個Client實質上是另一個區塊鏈的輕客戶端，而且必須滿足Cosmos規定的一套Client接口。之所以要在IBC建立之前初始化這個輕客戶端，是因為Cosmos需要保證在本鏈上能夠驗證來自來源鏈的跨鏈交易是能夠驗證的，否則無法保證在本鏈上執行該交易的有效性和合法性。

為了方便后續后續更多不同種類的區塊鏈接入，這個輕客戶端規定了一套通用的接口，不同類型的區塊鏈通過實現該Client來達到接入的效果。現階段Cosmos能夠支持TendermintClient和SoloClient，也就是同構鏈之間原生支持跨鏈。這也決定了不是使用Cosmos構建的區塊鏈想要接入CosmosHub進行跨鏈的話，必須通過一個額外的“轉接橋”，實現起來也更加復雜了。

▲?握手連接

在輕客戶端的基礎上建立握手連接，握手連接基本上分別為三個部分。

啟動跨鏈的用戶向鏈A發起OpenInit請求，等待Relayer接收到該請求。Relayer進行路由跨鏈消息包的工作，如果收到OpenInit的請求，Relayer會構造一個的OpenTry的請求發送到鏈B上。鏈B收到OpenTry請求之后，如果同意的話，會對該消息進行確認（生成OpenACK數據包，并按照之前的方式由?Relayer轉發給鏈A。鏈A通過OpenACK數據包判斷此次握手是否成功，如果成功，對此次握手發送最后的?OpenConfirm數據包返回鏈B。如果握手失敗，此次連接也就是建立失敗了。上面的步驟不僅是指Connection的建立過程，Channel的建立也是遵循同樣的流程，只是數據包的名稱和內容會有不同，像建立Connection的時候發送的便是ConnOpenInit請求，建立的Channel的時候便是ChanOpenInit請求，之后的請求依次類推。

需要說明的是，Connection和Channel在跨鏈扮演的角色和功能并不相同，按照Cosmos的設計，Connection和Client一起負責跨鏈交易的“合法性”——包括跨鏈交易確實在目的鏈上發生，以及跨鏈交易只提交了一次。而Channel用來保證跨鏈交易的有序性，每筆交易按照SequenceNumber來進行發送。

雖然在Cosmos設計中有提到可以實現無序的Channel，但是默認實現上是采用了有序的模式。如果按照TCP協議簇來類比的話，有序Channel和TCP類似，無序Channel類似于UDP，無序Channel按照UDP來講的話，在某些不太關注跨鏈消息包順序的場景下也是適用的。同時Cosmos設計中也考慮到Channel的消息發送能力，允許一條Connection上建立多個Channel，在不同的跨鏈應用場景中，可以使用不同的Channel發送消息，從而隔離不同業務。

▲?發送跨鏈數據包

完成上述的一系列握手之后，應用層便可以在Channel上發送自己的數據了。Cosmos規定了發送跨鏈交易的一些必要字段，如下圖：

其中Sequence和SourcePort字段都是承擔其字面意思的功能，也是必須指定的字段，而TimeoutHeight和TimeoutTimestamp是Cosmos提供的一種超時機制。如果某個區塊高度或者某個時間這筆跨鏈交易還沒有完成的話，用戶能夠指定將這筆交易回退。而Data字段是留給用戶進行自定義，以應對可能的各種復雜的跨鏈場景。

總結

通過上面對IBC的分析，我們可以看到IBC采用了建立連接的方式進行跨鏈，不同于Polkadot的XCMP協議，XCMP協議中平行鏈可以直接進行跨鏈消息的轉發。

而且Cosmos并沒有過分關注Zone作惡的情況，只是通過維護Zone的輕客戶端的方式驗證跨鏈交易的有效性，這種方式下是相信Zone不會出現集體作惡的情況，也就是Zone安全性由自身負責。不同于Polkadot設計上中繼鏈維護全局的安全性，CosmosIBC的設計上是減少了跨鏈系統的維護成本和降低了設計實現難度的。

作者簡介

陶勇星

來自數據網格實驗室BitXHub團隊主要負責區塊鏈賬本互操作技術相關研究工作

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